Le photovoltaïque pratique

Cours CRP, Champéry, 25.9.2014

Diego FischerConsultant indépendant en énergie solaire, Neuchâtel  

Flux de l’énergie solaire incident sur la terre

Principe et type des installations photovoltaïques

Alimenter le monde avec du photovoltaïque

Alimenter la suisse avec du photovoltaïque

Cyclicité et dispositifs de stockage

Conclusion

x heures de rayonnement solaire sur la planètecorrespond à la consommation d’énergie mondiale annuelle

Problème 1:L’énergie solaire

IEA key world energy statistics 2013

Consommation mondialeUnités:•Mtoe = «million tons of oil equivalent»•toe = «ton of oil equivalent» = 107 kcal

= 11630 kWh

(1 kg pétrole 10 kWh)

Consommation mondiale d’énergie primaire:

Ec = 13000 [Mtoe]

= 13000 * 106 [toe] * 11630 [kWh/toe]

= 1.5*1014 kWh

Calcul

Constante du soleil: Eo = 1.367 kW/m2

Rayon de la terre: r = 6371 km

Surface projetée de la terre: A = π r2 = 1.27*1014 m2

Puissance du rayonnement solaire incident sur la terre: P = A * Eo = 1.74*1014 kW

t = Ec / P = 0.86 heures

Une installation photovoltaïque: Sans mouvement, sans usure, sans bruit, pas de facteur d’échelle, utilisable partout

Panneaux

Onduleur

Pas s

pecta

cula

ire !!

Cellule ensilicium cristallin

Electricité hors réseauChargeur solaire

Taille: du plus petit au plus grand

0.25 kW / 1 panneau / 1.7m2

Cout Frs 500.00Revenu annuel: Frs 60.00 (250 kWh)10% de votre électricité

10 kW / 40 panneaux / 70 m2

Cout Frs 25’000.00 (sans subside)Revenu annuel: Frs 2000.00 (10’0000 kWh)3 ménages

Installé en 1 jourInstallé en 30 min

Migros, Neuendorf (AG)

5.2 MWp, 20’000 panneaux, 1500 ménages, cout 10 Mio Frs,Construction: env. 3 mois

Agua Caliente, Arizona, USA, 2011

290 MWp, production 625 GWh/année, 5.2 Mio modules, 9.8 km2

200’000 ménages, 1% de la consommation d’électricité Suisse Note: la puissance installée correspond aux panneaux nouvellement installées en Suisse en 2013

Google maps

2km

? km x ? km(0.3% de la surface continentale)

Surface nécessaire pour remplacer toute la consommation mondiale d’énergie actuelle avec une centrale photovoltaïque de 16% d’efficacité

Problème 2:

Est-ce que ca vaut la peine?Energy payback time

Conditions d’exploitation: Europe du sud 1700 kWh/kWp/année

EPBT = 1- 3 ans

(durée de vie 30 ans)

Etape 1:Rayonnement sur une surface horizontale:

1.37 kW/m

2

1.1 kW/m

2

(1)

(1) Atmosphère: - 20% (2) Jour/nuit : - 50%(3) Saisons: +/- (4) Angles obliques: - 36.3%(5) Maximum sur une surface fixe:

24 h0 h

1.361

1.100

kW/m2

(1)

(3)(4)

(5)(2) (2)

1150

1050

Gjour = Po * ∫ sin t dt =

= 1.1 kW * 2/π *12 h = 8.4 kWh/m2

Gannée = 365 * Gjour = 3067 kWh/m2/année

Rayonnement global en région équatoriale:

Réalité: influence de la météo

Etape 2: Rendement de conversion

400 800 1200 1600 2000

1000 W/m2

160 W/m2

3% Réflexion

20% Non-absorption (Eph < E1.2volt)

31% Trop d’énergie(Eph-E1.2volt)

20% Recombinaison, Vbi

11% resistances etc.

100%

16%

Pelect.

Pray

Pill = 1000 W/m2, 25°C, AM1.5

(standard testing conditions)

1.2 volt

Efficacité

Etape 3: Ratio de performance annuel

• Pertes/gains de coefficient de température:-0.4%/°C c.à.d. avec une température du module à 45°C: -5%

• Perte à faible intensité (réduction de la tension)• Perte pour changement de spectre• Perte du câblage (résistif): 1%• Perte de conversion de 600 volt DC en 230 Vac (onduleur): 3%

PR typique d’un système photovoltaïque: 80%

→ Efficacité totale annuelle: 16%*80% = 13%

Surface nécessaire

Consommation mondiale: Ec = 1.5*1014 kWh/année

Rayonnement: G = 2700 kWh/m2/année

Rendement total: η = 13%

Surface:

A = Ec/(G*η)= 4.3 1011m2 = 430’000 km2

= 655 km x 655 km

(1)

(1) Atmosphère: - 30% (2) Jour/nuit : - 50%(3) Hivers/été: +/- (4) Angles obliques: - 40%(5) Maximum sur une surface fixe: 2700 kWh/m(6) Latitude et météo en Suisse: ~1200 kWh/m2

24 h0 h

1.361

1.000

kWh/m2

(1)

(3)(4)

(5)

(6)

(2) (2)

1000

500

En Suisse: inclinaison 35° est optimale

Sur une maison (%):

Définition utile: Puissance crête = Puissance installée

Panneau solaire:Taille: A = 1.65 m2

Efficacité: η=16 %

Puissance à STC (Io= 1000 W/m2): Pc = Io * η * A = 264 Wcrêt = 264 Wp (= 31 volt * 8.5 A)

Prix des panneaux: $/Wp (0.5 … 1.5 $/Wp)

Irradiance globale annuelle: G = 1200 kWh/m2

PR = 80%

Production annuelle en Suisse par Wp: E = G * PR / Pc = 1000 kWh/1000 Wp = 1000 kWh/kWp

160 kWh/m2

265 Wcrêt

Evolution du parc installée:

Croissance en 2013: 38 GWp 237.5 km2

Pour les 430’000 km2: 2000 ans !

Marché mondial des toitures: 10’000 km2/année: à ce rythme: 43 ans

L’origine de l’énergie en Suisse en 2008

19% renouvelable et indigène

Problème 3: Est-ce qu’on pourrait alimenter la Suisse en photovoltaïque?

Approvisionnement = consommation suisse:

Source actuelle: Stat. énergie et électricité 2008

Société suisse 100% photovoltaïque:Hypothèse:

Efficacité accrue par l’électricité:

125 TWh (au lieux des 254 TWh)

Installation solaire équivalente:

125 GWp = 780 km2

Canton de Soleure: 780 km2

1.9% du territoire suisse

Surface des routes:

107 m2/habitant * 8 mio = 850 km2

Surface des bâtiments:

52 m2/habitant * 8 mio = 416 km2

Cyclicité et stockageProduction sur une année / plateau suisse

Neuchâtel / 4 kWp

Cyclicité et stockage:

Besoin de stockage

Hypothèse:Consommation constante

Production/consommation annuelle:125 TWh

Stockage saisonal nécessaire: 22 TWh (< 20% du besoin total)

Stockage d’électricitéLacs de pompage-turbinage (2018):

Total 5 GW , capacité env. 20 heures (Nant de Dranse) → 100 GWh

= 50 min de stockage de pointe PV

Lacs d’accumulation (2013):

2012/13: 85% → 10%: 7000 GWh = 7 TWh ,

100% 10 TWh

= 80 heures de pointe PV

= 30 jours de consommation complète

Voitures électriques (2030):

4 mio de voitures de tourisme

60 kWh de stockage batterie par voiture

= 240 GWh de stockage

= 2 heures de stockage de pointe PV

Stockage de chaleur- Stock de chaud

- Chaleur sensible (eau)- Chaleur latente (paraffine (60°C), sels)

Crailsheim (Allemagne): 30’000m2

Stockage de méthane synthétique (SNG)

Allemagne:

400000 km de pipelines

v = 25 * 109 m3 de méthane

1m3 10 kWh

Stock d’énergie: 210 TWh

CH: 20 TWh ??

Electricité Méthane

Fuel cells

η = 60 - 70%

η = 49 - 65%

3%

«Power-to-gas P2G»

Power-to-hydrogen

2 MW = 360 m3 hydrogène/ heure

Falkenhagen (2013, Allemagne)

Stockage de position de masseE = ∫ F(x) dx =

= (2 ρr 3 / 2 ρw) π g r4

ρ r = 2.6 kg/dm3

r = 100 m → E = 3.2 GWh

r = 500 m → E = 2000 GWh

Lignes de longues distances

Rio Madeira système de transmission HVDC

Longeur: 2’375 km

Puissance:6.3 GW

Tension:+/- 600 kVolt

Conducteurs:4 x 4 x 650mm2

Pertes: 3.5%/1000 km = 8.3%

Desertec

RéalitéMix avec des agents solaires indirectes, qui sont ou anticycliques ou stockables:

•Hydraulique

•Eolien

•Biomasse

Meilleur réseau, réseau intélligent («smart-grid»)

Influencer la demande:

•Efficacité

•Utilisation en fonction de l’offre (prix)

Ca coute combien? Ca va se faire?

Prix du CO2Emissions de CO2

2013: 39’000 MtCO2

Mix de sources d’électricité Allemagne 2013

Est-ce que le solaire est mauvais pour l’hydaulique (suisse)?

Non, en principe ce sont les meilleurs partenaires possibles

Le futur: 100% renouvelable, 50% local

Mobilité et transport:Voitures électriques (PV)Transport publique (PV)Voitures à hydrogène/méthane (PV)Avion solaire / fuel synthétique (PV)

Electricité:PVHydrauliqueEolienBiomasseEfficacitéGas synthétique

Chauffage/habitat:Architecture solaireMinergieRénovation/isolationBiomasse (bois)Pompe à chaleurCouplage chaleur forceMéthane (PV et éolien)

Conclusion

- Le module photovoltaïque en silicium, jadis un objet purement scientifique ou appliqué hors réseau, devient une source d’électricité très généralisé, car son cout de base est devenu très bas (100 $/module → 50 $cts/Wp → 1-2 $cts/kWh)

- L’énergie de fabrication d’un système PV est amortie en 1 à 3 ans

- Le module photovoltaïque est le moteur principal d’un nouveau système d’alimentation en énergie sans CO2 et renouvelable

- Ce nouveau système utilisera différents éléments de stockage, de transformation, de transport, et d’énergie complémentaires, pour faire correspondre la production et la consommation

- Le nouveau système est techniquement faisable: économiquement, il se réalisera en fonction du cout d’émission du CO2

Photosynthèse des plantes(production de biomasse)

Efficacité de conversion de l’énergie solaire: 1%