Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

46
Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer Consultant indépendant en énergie solaire, Neuchâtel

description

Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer Consultant 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 - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Page 1: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Le photovoltaïque pratique

Cours CRP, Champéry, 25.9.2014

Diego FischerConsultant indépendant en énergie solaire, Neuchâtel  

Page 2: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 3: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Problème 1:L’énergie solaire

Page 4: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

IEA key world energy statistics 2013

Page 5: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 6: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 7: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 8: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Electricité hors réseauChargeur solaire

Page 9: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 10: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Migros, Neuendorf (AG)

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

Page 11: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 12: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Google maps

2km

Page 13: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

? 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:

Page 14: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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)

Page 15: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Etape 1:Rayonnement sur une surface horizontale:

1.37 kW/m

2

1.1 kW/m

2

Page 16: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

(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:

Page 17: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Réalité: influence de la météo

Page 18: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 19: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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%

Page 20: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 21: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

(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

Page 22: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer
Page 23: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

En Suisse: inclinaison 35° est optimale

Sur une maison (%):

Page 24: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 25: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 26: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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?

Page 27: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Approvisionnement = consommation suisse:

Source actuelle: Stat. énergie et électricité 2008

Page 28: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 29: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Cyclicité et stockageProduction sur une année / plateau suisse

Neuchâtel / 4 kWp

Page 30: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Cyclicité et stockage:

Page 31: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Besoin de stockage

Hypothèse:Consommation constante

Production/consommation annuelle:125 TWh

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

Page 32: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 33: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Stockage de chaleur- Stock de chaud

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

Crailsheim (Allemagne): 30’000m2

Page 34: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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 ??

Page 35: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Electricité Méthane

Fuel cells

η = 60 - 70%

η = 49 - 65%

3%

«Power-to-gas P2G»

Page 36: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Power-to-hydrogen

2 MW = 360 m3 hydrogène/ heure

Falkenhagen (2013, Allemagne)

Page 37: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 38: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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%

Page 39: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer
Page 40: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Desertec

Page 41: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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)

Page 42: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Ca coute combien? Ca va se faire?

Prix du CO2Emissions de CO2

2013: 39’000 MtCO2

Page 43: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 44: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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)

Page 45: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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

Page 46: Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Photosynthèse des plantes(production de biomasse)

Efficacité de conversion de l’énergie solaire: 1%