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