Panneau solaire

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Un panneau solaire est un dispositif technologique énergétique à base de capteur solaire thermique ou de capteur solaire photovoltaïque destiné à convertir le rayonnement solaire en énergie thermique ou en énergie électrique[N 1].

Présentation[modifier | modifier le code]

On distingue trois types de panneaux solaires :

Dans les trois cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement beaucoup plus efficaces et rentables que les modules photovoltaïques grâce à un prix moins élevé et un rendement (sur l'installation totale) avoisinant les 50 % (voir capteur solaire thermique), même si l'énergie qu'ils permettent de récupérer est obtenue sous une forme de moindre valeur (eau chaude à température sanitaire au lieu d'électricité). Les capteurs thermiques sont aussi rentables sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada,....) que dans les zones ensoleillées. À l'inverse, les panneaux solaires photovoltaïques ne sont rentables que dans les pays très ensoleillés où l'énergie électrique est chère, c'est-à-dire quand le prix de production est inférieur au tarif proposé par les fournisseurs d'électricité nationaux. Ceci explique l'engouement des pays du sud de l’Europe (Italie, Portugal, etc.), à la fois grands consommateurs et grands producteurs potentiels, pour l'installation de grande centrales. À titre de comparaison, seulement 15 à 30 % du rayonnement solaire est transformé en un vecteur d'énergie exploitable (électricité).

Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la terre en environ une heure devrait permettre, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an. En théorie, un carré de panneaux solaires de 344 km de côté (120 000 km²) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 et 17 % (en 2007 en Europe) soit 160 kWh/an/m² (ou 160 GWh/an/km²[N 2]) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006; 16 000 TWh en 2004[1]). Dans le cas de l'Europe des 27 (3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (19 000 km²) suffirait, tandis que dans le cas de la France (500 TWh), il faudrait qu'elle ait 56 km de côté (3 100 km²).

D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes, correctement exposées et couvertes de panneaux, pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité[réf. nécessaire]. En effet, l'Île-de-France à elle seule, fait 12 011 km² dont 20 % d'espaces construits, soit 2 400 km² ou 75 % de la surface nécessaire pour couvrir les besoins de la France.

Les panneaux solaires peuvent être inclinés jusqu'à 60 degrés pour permettre à la neige de glisser. De plus, la surface chaude du capteur solaire suffira à faire fondre les amoncellements qui pourraient rester accrochés au panneau.

Angle d'incidence du soleil[modifier | modifier le code]

À partir de l'équation du temps, du jour de l'année et de la latitude de l'endroit où se trouve le capteur, il est possible de calculer l'élévation et l'azimuth du soleil, à l'aide de la trigonométrie sphérique.

Article détaillé : Système de coordonnées célestes.

Une fois l'élévation et l'azimuth connus, toujours grâce à la trigonométrie sphérique, il est possible de calculer l'angle d'incidence du soleil sur le capteur plan.

Calcul de l'angle d'incidence

Soient  a et  a_C l'azimuth du soleil et du capteur, et  h et  h_C l'élévation du soleil et du capteur.
Il vient  cos(i)=sin(h) \cdot sin(h_C)+cos(a-a_C)*cos(h)*cos(h_C) i est l'angle d'incidence.

Les capteurs solaires (panneaux solaires thermiques)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Capteur solaire thermique.

Il existe deux grands types de panneaux solaires thermiques : les "capteurs à eau" et les systèmes aérothermiques ("capteurs à air" et systèmes pariétodynamiques plus ou moins passifs) :

capteurs thermiques « à eau » 
l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur, (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être "sous-vide" c'est-à-dire que la surface des tubes est double et qu'entre ces deux couches est fait le vide. Ceci permet d'obtenir un effet de serre. Les panneaux solaires thermiques peuvent également se résumer à une simple surface vitrée sous laquelle circule le liquide caloporteur dans un circuit fermé. Ce système représente la première technologie de capteurs, la moins performante actuellement. L'absorbeur est alors placé à l'intérieur du tube ou sous la plaque vitrée, il est chauffé par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de produire de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs[2].
capteurs thermiques « à air » 
de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d'effet de serre. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des produits).

En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des Régions, de certains Départements et de certains regroupements communaux[3]. L’État a mis en place un crédit d’impôt développement durable qui concerne plusieurs systèmes. Ces taux sont réévalués tous les ans. Concernant les panneaux solaires thermiques, un chauffe-eau solaire bénéficie d’un taux de 15 % en 2014[4].

Panneaux solaires photovoltaïques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Capteur solaire photovoltaïque.
Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers, dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toiture, soit en surimposition. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimale pour la production d'électricité, en France la position fixe optimale étant une inclinaison de 30° par rapport à l'horizontale, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense au moins partiellement une production plus faible.

Différentes technologies photovoltaïques existent :

  • le silicium cristallin (monocristallin et polycristallin) ;
  • le silicium amorphe ;
  • le cuivre/indium/sélénium ;
  • le cuivre/indium/gallium/sélénium.

Production mondiale[modifier | modifier le code]

La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine, Taiwan, l'Allemagne, le Japon et les États Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage (encapsulation / électronique de contrôle / mise en place du cadre / boîtier de protection /...) car en 2010 environ 50 % de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine et 80 % d'Asie[5]. Aujourd'hui les grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois réalisent une étape de transformation sur le produit, alors que d'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production.

Aspects environnementaux[modifier | modifier le code]

Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique[N 3].

Cette fabrication (plus transport, pose, etc.) nécessite en outre de l'énergie. Mesurée en nombre d'années de production par le panneau, en 2004, le Département américain de l'énergie estimait cette durée à 4 ans maximum[6]. Les fabricants cherchent à minimiser les coûts et les besoins en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. Pourtant la fabrication des panneaux solaires peut utiliser les déchets industriels de silicium[7],[8] ce qui sur le long terme est un gain intéressant au niveau de l'écologie.

Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de vingt ans, l'émission de CO2 par kWh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente selon le type considéré de 7 à 37 % des émissions par kWh produit par une centrale thermique classique[9].

Recyclage[modifier | modifier le code]

La plupart des composants d'un module solaire (jusqu'à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs), tout le verre et de grandes quantités de métaux ferreux et non ferreux peuvent être récupérés et recyclés[10]. Certaines entreprises privées [11] et des organismes sans but lucratif, tels que PV CYCLE dans l'Union européenne, mettent en place des systèmes de collecte et de recyclage pour les panneaux photovoltaïques en fin de vie. Depuis 2010, une conférence réunit chaque année des fabricants, des recycleurs et des chercheurs qui s'unissent pour examiner ensemble l'avenir du recyclage des panneaux photovoltaïques[12],[13]. En France depuis la fin août 2014, dans le cadre de la responsabilité élargie des producteurs (fabricants, importateurs et/ou revendeurs), ces derniers sont tenus de reprendre en plus des produits électroménagers classiques (DEEE), les panneaux photovoltaïques usagés (gratuitement et sans obligation d'achat)[14]. Ces entreprises ont obligation de financer et collecter le traitement de ces nouveaux déchets, sans période de transition, ce qui se traduira par une éco-participation sur chaque nouveau capteur photovoltaïque vendu. En 2010-2014, plusieurs enquêtes et l'Union européenne ont estimé que les 2/3 des déchets de cette nature n'arrivent jamais aux centres de retraitement agréés mais finissent en décharge ou à l'étranger. Les nouveaux objectifs de taux de collecte sont à partir de 2016, 45 % du poids de matériel vendu dans les 3 ans précédents doivent être collectés (ce taux sera porté à 65 % en 2019)[14]. Ce texte est aussi plus restrictif quant aux envois de DEEE vers l'étranger[14].

Deux des solutions de recyclage les plus courantes sont les suivantes :

  • Les modules à base de silicium : les châssis en aluminium et les boîtes de jonction sont démontés manuellement au début du processus. Le module est ensuite broyé dans un broyeur et les différentes fractions résultant de ce processus sont des métaux ferreux et non ferreux, du verre et du plastique avec un quota moyen de recyclage proche de 80 % (poids d'entrée). Par exemple, le verre provenant des panneaux photovoltaïques est mixé avec du verre standard pour être réintroduit dans le secteur de la fibre de verre ou de l'isolation. Ce processus peut être effectué par les recycleurs de verre plat étant donné que la morphologie et la composition d'un module PV est semblable à celui du verre plat utilisé dans l'industrie du bâtiment et de l'automobile.
  • Les panneaux photovoltaïques sans silicium : des technologies propres au recyclage des panneaux photovoltaïques sans silicium existent ; certaines utilisent un bain chimique pour délaminer et séparer les différents composants des panneaux photovoltaïques. Pour les panneaux en tellurure de cadmium, le processus de recyclage commence par l’écrasement du panneau, aboutissant à une séparation ultérieure des différentes fractions. Ce processus de recyclage est destiné à récupérer jusqu'à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs[15]. Pendant les dernières années, plusieurs installations de recyclage ont été créées par des entreprises privées.

Les batteries ne doivent pas être "oubliées" dans le recyclage : Si beaucoup d'installations photovoltaïques sont connectées au réseau EDF, certaines travaillent en autonomie. L'énergie produite le jour est stockée dans des batteries spéciales (qui se déchargent plus progressivement et supportent mieux les décharges fréquentes peu profondes, avec un régulateur installée entre la batterie et le module) et parfois dans des batteries proches de celle des voitures. Une batterie a une durée de vie de 4 à 5 ans (7 ans à 15 ans pour certains modèles récents) et contient des métaux et produits précieux et/ou toxiques (plomb et acide communément). Donc pour un panneau photovoltaïque pouvant durer 25 ans, il faudra recycler 2 à 6 fois les batteries (si leur durée de vie n'est pas améliorée)...

Enjeux géopolitiques[modifier | modifier le code]

La Chine s'est imposé comme le leader mondial de la fabrication de panneaux solaires photovoltaïques, assurant en 2013 70% de la production mondiale. Face à cette concurrence, l'Europe risque de perdre quelques 30 000 emplois, ce qui l'a poussé à augmenter ses droits de douane de 11,8% à 47% au mois de juin 2013[16]. L’Europe accuse notamment la Chine de trop subventionner les entreprises produisant des panneaux solaires, ce qui permet aux chinois de vendre en Europe des panneaux solaires à un prix inférieur à leurs coûts de production[17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Pour les applications thermiques, le terme officiel agréé est « capteur solaire » et l'usage du terme « panneau solaire » est déconseillé. Cette recommandation par la norme ISO 9488 Énergie solaire - Vocabulaire, qui a été reprise par le Comité européen de normalisation sous la désignation EN ISO 9488, vise à éviter toute confusion avec les applications photovoltaïques. Éviter en outre la locution « capteur solaire thermique » qui relève du pléonasme, car le terme de « capteur » ne s'applique pas au photovoltaïque. Il faut également bannir la locution « collecteur solaire », qui est un anglicisme ou un germanisme, afin d'éviter la confusion avec le collecteur, tube qui, dans de nombreux capteurs solaires, collecte le fluide chauffé à la sortie des ailettes de l'absorbeur montées hydrauliquement en parallèle.
  2. Soit une moyenne de 18 MW, à comparer à une centrale nucléaire typique qui fournit en permanence 1 000 MW et dont l'équivalent demanderait 55 km2; un parc équivalent à 50 centrales demanderait 2 750 km²
  3. Certains s'inquiètent notamment de l'usage de NF3, en montant en épingle son effet de serre beaucoup plus élevé que celui du CO2 (17 000 fois plus fort) ; néanmoins, ce gaz, même si sa présence augmente de 11 % par an, selon un article du site lemonde.fr du 23 décembre 2008, reste négligeable en termes de contribution au réchauffement, et n'est pas réglementé par le protocole de Kyoto

Références[modifier | modifier le code]

  1. Key World Energy Statistics, International Energy Agency.
  2. Étude qualitative et quantitative du fonctionnement de systèmes solaires combinés en usage réel, sur le site ademe.fr
  3. Les avantages fiscaux accordés par l'État en matière d'installation solaire sont nombreux, sur le site sodeeravantages.blogspot.com
  4. Crédit d’impôt 2014 (Chiffres officiels), sur le site Guide-Economie-Energie.fr
  5. (fr)+(en) [PDF] Répartition géographique de la production de cellules solaires, page 17 - Le journal du photovoltaïque n°5 EurObserv’ER – avril 2011
  6. (en) What is the energy payback for PV? - NREL.gov [PDF]
  7. (en) IBM Pioneers Process to Turn Waste into Solar Energy IBM news, octobre 2007
  8. IBM recycle ses processeurs défectueux en capteurs solaires techno-science
  9. La filière solaire photovoltaïque : Potentiel de réduction des émissions de CO2 en Belgique, sur le site cat.inist.fr
  10. Lisa Krueger. 1999. (en) « Overview of First Solar's Module Collection and Recycling Program » [PDF], Brookhaven National Laboratory p. 23 (consulté en August 2012)
  11. Karsten Wambach. 1999. (en) « A Voluntary Take Back Scheme and Industrial Recycling of Photovoltaic Modules » [PDF], Brookhaven National Laboratory p. 37 (consulté en August 2012)
  12. (en) First Breakthrough In Solar Photovoltaic Module Recycling, Experts Say, sur le site solarserver.com, 2011, consulté le 26 avril 2013
  13. (en) « 3rd International Conference on PV Module Recycling », sur pvcycle.org, PV CYCLE (consulté en Octobre 2012)
  14. a, b et c BatiActu (2014), brève intitulée La collecte des panneaux photovoltaïques usagés, une étape désormais obligatoire (22/08/2014)
  15. Krueger. 1999. p. 23
  16. Les panneaux solaires chinois taxés par Bruxelles, France 24, 4 juin 2013
  17. Stéphane Gaultier, Panneaux solaires chinois : l’Union européenne doit-elle vraiment contre-attaquer ?, Le Blog Finance, 9 juillet 2013

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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