Maison familiale
Dans une maison familiale construite selon le standard Minergie-P à Küsnacht, une toiture légèrement inclinée a été intégrale-ment recouverte de modules PV. L’installa-tion PV injecte chaque année dans le ré-seau env. 3 fois la quantité d’énergie élec-trique consommée par le bâtiment lui-même. Cette maison a reçu en 2011 le Prix Solaire Suisse.
Bâtiment industriel
Sur le bâtiment de la société Pistor AG à Rothenburg, Edisun Power a fait construire la plus grande installation PV de Suisse centrale de l’époque. Pour pouvoir
exploi-Maison familiale Minergie-P à Küsnacht Mise en service Décembre 2010 Puissance de l’installation
/ Surface des modules
13,2 kWc / 75 m2
Modules PV 60 Sunpower SPR 220 blk, 220 Wc Onduleur Fronius IG Plus 150-3, 12 kW Système de montage Solrif
Orientation 35 ° ouest, 15 ° d’inclinaison Rendement énergétique
annuel
Env. 13 000 kWh Illustration 68:
Mai-son à énergie posi-tive à Küsnacht do-tée d’une installa-tion PV de 13,2 kWc intégrée dans la
toi-ture (Huber, Metz-ler, Rufer).
Tableau 12: Don-nées relatives à la maison familiale de Küsnacht.
Halle industrielle à Rothenburg
Mise en service Novembre 2010 Puissance de l’installation
/ Surface des modules
850 kWc / 6092 m2
Modules PV 3692 REC 230 AE, 230 Wc
Onduleur 26 SMA STP 17000 TL, 17 kW, 1 Sputnik Solarmax 300C, 300 kW Système de montage Spécifique au client
Orientation Diverse, minimum 3 ° d’inclinaison Rendement énergétique
annuel
Env. 720 000 kWh
Illustration 69:
Centre de manuten-tion de marchan-dises de la société Pistor AG à Ro-thenburg doté d’une installation PV apposée d’une puissance de 850 kWp.
Tableau 13: Don-nées relatives à l’installation PV de la société Pistor AG – Edisun Power AG.
Illustration 70: Sys-tème autonome de SMA pour
l’intégra-tion d’installal’intégra-tions PV, de batteries et de générateurs die-sel (SMA Solar Tech-nology AG).
Capteurs hybrides
L’idée n’est pas nouvelle: Produire de la chaleur et de l’électricité dans un même capteur. La difficulté, dans ce cas, réside dans le fait qu’un bon capteur thermique possède une température de stagnation la plus élevée possible, tandis que les cellules solaires, en fonctionnement, doivent être les plus froides possibles. Pour que la tem-pérature des cellules solaires reste faible, il faut donc évacuer une grande quantité de chaleur basse température (30 à 40 °C).
Cela n’est aujourd’hui possible qu’à l’aide d’accumulateurs thermiques longue du-rée, notamment géothermiques. Les obs-tacles financiers et techniques au raccor-dement de tels accumulateurs expliquent en partie pourquoi les capteurs hybrides sont aujourd’hui très peu utilisés.
Systèmes hybrides (PV-diesel)
Dans les pays possédant une mauvaise in-frastructure électrique, mais également dans les régions isolées de pays industriali-sés, le générateur diesel représente au-jourd’hui encore l’une des principales sources de production d’électricité. Dans la plupart des régions du monde, l’électri-cité solaire est toutefois aujourd’hui déjà moins chère que l’électricité produite par des générateurs diesel. Sans grandes adaptations de ces systèmes, on peut utili-ser une partie d’électricité solaire pour économiser du diesel. Néanmoins, si l’élec-tricité solaire doit être la source d’énergie primaire, une nouvelle gestion de l’énergie et une certaine capacité d’accumulation sont généralement requises.
Systèmes en îlotage
Il y a à peine quelques années, les systèmes en îlotage représentaient encore la princi-pale voie de développement des modules PV. La plupart du temps, par l’intégration d’une batterie au plomb, quelques mo-dules PV alimentaient un bâtiment éloigné du réseau électrique. Malgré une popula-rité croissante de ces systèmes, ils ne jouent plus aujourd’hui qu’un rôle secon-daire en raison de la dominance des instal-lations PV raccordées au réseau sur le mar-ché mondial du photovoltaïque.
Systèmes solaires mobiles et intégrés On retrouve du photovoltaïque dans diffé-rents appareils et systèmes mobiles: Les feux de signalisation mobiles, les parc-mètres, les calculatrices de poche mais également les satellites sont équipés de-puis des années de cellules solaires. La plu-part du temps, l’objectif est de minimiser les coûts: L’électricité solaire, associée à un accumulateur, est souvent moins chère que le raccordement de l’appareil à l’aide d’un câble ou le changement régulier d’une batterie, notamment pour les appa-reils peu gourmands en énergie.
Systèmes autonomes et systèmes de gestion de l’énergie
A partir des systèmes en îlotage et des ali-mentations sans coupure (ASC) ce sont les systèmes de secours (illustr. 70) et plus ré-cemment les systèmes de gestion de l’éner-gie qui se sont tout d’abord développés.
Tous ces systèmes ont en commun le fait de pouvoir exploiter une installation PV
Réseau électrique
public Compteur
d’achat Compteur
d’injection PV
Générateur
Compteur
d’injection PV Installation PV
Consommateurs Poste de commutation
auto-matique pour installations PV
Contacteur PV Poste de sectionnement
réseau / réseau en îlotage
Protection du générateur
ainsi que des consommateurs avec ou sans raccordement au réseau. Les systèmes au-tonomes sont en premier lieu utilisés pour accroître la sécurité d’approvisionnement, tandis que les systèmes de gestion de l’énergie, grâce à leurs atouts écono-miques, diminuent la consommation propre et déchargent ainsi le réseau élec-trique. Les deux systèmes représentent au-jourd’hui, par rapport aux installations clas-siques reliées au réseau, une part de mar-ché relativement faible et en régression.
Installations PV à concentrateurs (CPV) On sait certes fabriquer aujourd’hui des cellules solaires ayant un rendement pou-vant atteindre 40 %, mais on ne sait géné-ralement pas les utiliser de façon écono-mique et écologique. Les CPV proposent un début de solution: Sur une cellule haute puissance de la taille d’un ongle, la lumière du soleil est concentrée jusqu’à 500 fois à l’aide d’un système de lentilles. Les notions de coût et d’écologie de la cellule ne jouent alors qu’un rôle secondaire, toutefois le système global est nettement plus com-plexe, notamment en raison du système de guidage requis. L’avantage financier initial de ces systèmes a quasiment disparu en raison de la forte chute des prix des cellules
solaires traditionnelles, de sorte que la part de marché des CPV est aujourd’hui réduite, et en constante régression.
Rentabilité
Prix des installations
A mesure que les prix des modules PV ont chuté, la pression sur les prix s’est répercu-tée sur d’autres composants des installa-tions PV ainsi que sur l’intervention de l’installateur, de sorte qu’une installation PV clé en main ne coûte plus aujourd’hui qu’env. la moitié à un quart de ce qu’elle coûtait il y a 10 ans (illustr. 71). Les coûts spécifiques du projet sont donc aujourd’hui d’autant plus conséquents.
Malgré tout, notamment pour les petites installations PV, les coûts restent nette-ment plus élevés en Suisse qu’en Alle-magne (tabl. 14). Outre les facteurs tradi-tionnels de «l’îlot de cherté Suisse», cela est également dû à la taille encore relative-ment petite du marché suisse et au manque d’efficience qui en résulte dans la chaîne de valeur ajoutée globale.
Instruments de subvention
Avec la rétribution à prix coûtant du cou-rant injecté (RPC), la Suisse dispose d’un
Taille de l’installation Gamme de prix pour installations clé en main Jusqu’à 5 kWc 3500 Fr. à 8000 Fr. par kWc
Jusqu’à 20 kWc 3000 Fr. à 6000 Fr. par kWc Jusqu’à 50 kWc 2500 Fr. à 4500 Fr. par kWc Grandes installations 2000 Fr. à 3000 Fr. par kWc
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Euro / kWc
Année
Tableau 14: Prix spécifiques en fonc-tion de la taille des installations en Suisse (Niveau de prix 2013).
Illustration 71: Les prix des installa-tions PV de 10 kWc ont chuté de deux tiers en Allemagne en 5 ans. En Suisse, les prix ont évolué de la même ma-nière, bien qu’à un niveau un peu plus élevé (BSW Solar).
Tableau 15: Calcul de rentabilité pour la détermination des rendements du projet ou du prix de revient de l’électri-cité pour une instal-lation PV de 5 kWc.
instrument de subvention national. Ce n’est pas l’installation PV elle-même qui est subventionnée, mais l’électricité pro-duite. Les taux de rétribution dépendent des prix du marché et ont ainsi baissé chaque année. La RPC est financée par une taxe payée par tous les consomma-teurs sur l’électricité consommée. Une li-mite supérieure (plafond) est définie pour cette taxe. Les taux de rétribution actuels sont indiqués sur le site Internet de Swiss-grid (www.swissSwiss-grid.ch) à la rubrique
«Energies renouvelables». Outre la RPC, il existe toute une série d’instruments de subvention cantonaux et communaux, ainsi que quelques bourses solaires privées sur un modèle similaire à celui de la RPC.
Swissolar, l’Association suisse des
profes-sionnels de l’énergie solaire, s’efforce de proposer une liste toujours actualisée des instruments de subvention cantonaux dis-ponibles (www.swissolar.ch).
Calcul de rentabilité
Le calcul de rentabilité présenté ici pour-suit deux objectifs:
]
] La détermination du prix de revient de l’électricité pour un prix du système donné et un taux d’intérêt donné
]
] La détermination des rendements (taux d’intérêt) pour une rétribution d’injection donnée
Pour simplifier, on laissera de côté les considérations de rentabilité prenant en compte les prix du marché de l’électricité conventionnelle.
Année Production Revenu brut Entretien Frais d’intérêt Revenu net Solde
kWh Fr. Fr. Fr. Fr. Fr.
0 – 17 500
1 4 800 1 594 336 791 467 – 17 033
2 4 776 1 586 336 770 480 – 16 553
3 4 752 1 578 336 748 494 – 16 060
4 4 728 1 570 336 726 508 – 15 552
5 4 705 1 562 336 703 523 – 15 029
6 4 681 1 554 336 679 539 – 14 490
7 4 658 1 546 336 655 556 – 13 934
8 4 634 1 539 336 630 573 – 13 361
9 4 611 1 531 336 604 591 – 12 770
10 4 588 1 523 336 577 610 – 12 160
11 4 565 1 516 336 550 630 – 11 530
12 4 543 1 508 336 521 651 – 10 879
13 4 520 1 501 336 492 673 – 10 206
14 4 497 1 493 336 461 696 – 9 510
15 4 475 1 486 336 430 720 – 8 790
16 4 452 1 478 336 397 745 – 8 046
17 4 430 1 471 336 364 771 – 7 274
18 4 408 1 463 336 329 799 – 6 476
19 4 386 1 456 336 293 827 – 5 648
20 4 364 1 449 336 255 858 – 4 791
21 4 342 1 442 336 217 889 – 3 902
22 4 320 1 434 336 176 922 – 2 980
23 4 299 1 427 336 135 957 – 2 023
24 4 277 1 420 336 91 993 – 1 030
25 4 256 1 413 336 47 1 030 0
Le calcul de rentabilité s’effectue à l’aide d’un plan des flux de trésorerie. D’année en année, on calcule les entrées et sorties par rapport au capital investi, jusqu’à ce que le capital ait été totalement remboursé à la fin de la durée de vie de l’installation.
Cela permet de déterminer le rendement du capital ou, pour un rendement donné du capital, de calculer le prix de revient de l’électricité. Considérons une installation PV à poser de 5 kWc, raccordée au réseau en 2013 au prix de 17 500 francs et rece-vant une rétribution du courant injecté de 33,2 ct./kWh (tarifs RPC). L’installation produit la première année 4800 kWh, puis chaque année 0,5 % de moins. Les coûts d’entretien s’élèvent à 7 ct./kWh, ce mon-tant se référant toujours à la première an-née de service.
Le tableau des flux de trésorerie calcule ainsi année par année les grandeurs sui-vantes:
]
] Production en kWh: en baisse de 0,5 % chaque année
]
] Revenu brut en francs: production en kWh multiplié par 33,2 ct./kWh
]
] Entretien en francs: production en kWh de la première année multiplié par 7 ct./
kWh ]
] Frais d’intérêt en francs: solde de l’année précédente multiplié par le taux d’intérêt non encore connu
]
] Revenu net en francs: revenu brut moins entretien moins frais d’intérêt
]]Solde en francs: solde de l’année précé-dente plus revenu net
Toutes les grandeurs peuvent être modi-fiées pour calculer une situation donnée.
Dans cet exemple (tabl. 15), le taux d’inté-rêt est modifié jusqu’à ce que le solde de la dernière année tombe à zéro. Cela signi-fie qu’après 25 ans, le capital investi a été entièrement remboursé. Le taux d’intérêt ainsi déterminé s’élève à 4,52 %.
Ecologie
Par rapport à d’autres méthodes de pro-duction d’électricité, le photovoltaïque possède un très bon bilan environnemen-tal global. Il est toutefois très compliqué d’appréhender globalement l’influence environnementale d’une forme d’énergie et les études s’y rapportant sont à considé-rer avec précaution. L’une des études les plus complètes à ce sujet a été publiée en 2009 par l’Institut Paul Scherrer (illustr.
72). Cette étude a pris en compte non seu-lement les émissions de CO2, mais égale-ment 61 critères issus des domaines de l’environnement, de l’économie et de la société.
Le photovoltaïque se différencie très forte-ment des centrales conventionnelles, c’est pourquoi il est particulièrement difficile de
Illustration 72: Bilan écologique de diffé-rentes technologies de production d’électricité en pre-nant en compte 61 critères des secteurs de l’environnement, de l’économie et de la société. Les va-leurs extrêmes ont été supprimées pour une meilleure lisibilité. (PSI).
Nuclear Coal Lignite Coal Lignite Natural
Gas Natural Gas Biomass
Combined Heat & Power Gasification
Solar Wind
Gen III - EU Press. Reactor Gen IV - EU Fast Reactor Pulverized Coal (PC) PC, post-comb. CCS PC, oxy-fuel CCS Integ. Gasification Integ. Gasification, CCS Integ. Gasification Integ. Gasification, CCS Combined Cycle (CC) CC, post-comb. CCS Small engine, < 1 MWe SO Fuel cell, < 1 MWe PV, large scale PV, small scale PV, thin film, sm. scale Solar thermal plant Offshore wind, 24 MWe
Pulverized Lignite (PL) PL, post-comb. CCS PL, oxy-fuel CCS MC Fuel cell, < 1 MWe MC Fuel cell, < 1 MWe SRF Poplar, 9 MWe Waste straw, 9 MWe
MC Fuel cell, 2 MWe
Best Worst
Illustration 73:
Charge environne-mentale de diffé-rentes productions d’électricité (Huber H., Metzler Th.,
Ru-fer D., Plusenergie-Haus, Faktor Verlag
2013).
mique et hydraulique. Cela est dû au fait que les modules PV sont fabriqués avec une énergie ayant un très mauvais bilan CO2. Si les modules PV étaient fabriqués en circuit fermé avec de l’électricité solaire, ils seraient quasiment neutres en CO2, comme l’énergie qu’ils produisent.
]
] Les modules PV sont un produit haute-ment industrialisé. Pour leur production, comme dans l’ensemble du secteur de l’électronique, des substances toxiques pour l’environnement sont utilisées. A la différence de l’achat d’un appareil électro-nique de divertissement, l’acheteur moyen d’une installation PV possède toutefois une conscience environnementale élevée. Très récemment, cela a poussé de nombreux fabricants à respecter, sur une base volon-taire, des standards environnementaux éle-vés et à produire leurs modules PV de façon aussi écologique que possible.
Sources
[1] Leitfaden Photovoltaische Anlagen, www.swissolar.ch
[2] Häberlin Heinrich: Photovoltaik, Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Insel anlagen, 2. wesentlich erweiterte und aktualisierte Auflage 2010, Electrosuisse Verlag, Fehraltorf
[3] Allgemeine Informationen zur Sonne-nenergie in der Schweiz, Verzeichnis von Solarprofis, diverse Merkblätter: Swissolar, Association suisse des professionnels de l’énergie solaire, www.swissolar.ch
[4] Prescriptions importantes sur la réalisa-tion d’installaréalisa-tions PV: Norme sur les instal-lations basse tension (NIBT 2010), notam-ment partie 7.12, www.electrosuisse.ch [5] Informations et prescriptions relatives à la protection incendie: Association des établissements cantonaux d’assurance in-cendie (AEAI), www.praever.ch
[6] Informations et prescriptions sur la pro-tection contre la foudre: Principes direc-teurs de la SEV sur la protection contre la foudre: 4022:2008, www.electrosuisse.ch [7] Calculs des charges de vent et de neige:
SIA 261 Actions sur les structures por-teuses, SN 505261
réaliser des comparaisons directes. Voici quelques remarques relatives au photovol-taïque qui peuvent donner quelques pistes sur le caractère écologique des installa-tions PV:
]
] Une installation PV clé en main possède en Suisse un facteur de retour énergé-tique d’env. 10, c.-à-d. qu’elle injecte dans le réseau, au cours de sa durée de vie, 10 fois plus d’énergie qu’elle n’en nécessite pour sa production.
]
] Le délai d’amortissement énergé-tique d’une installation PV clé en main est en Suisse d’env. 2 à 3 ans. Ensuite, l’éner-gie consommée par tous les composants de l’installation PV est compensée par sa production électrique.
]
] Par rapport à des centrales convention-nelles, la dépense d’énergie pour la construction d’une centrale photovoltaïque est élevée. Toutefois, cette énergie est plu-sieurs fois récupérée, tandis que dans le cas des centrales utilisant des énergies fossiles ou nucléaires, il faut sans cesse faire venir de l’énergie sous forme de combustible.
]
] La quantité de matières premières utili-sée pour chaque kWh converti est égale-ment relativeégale-ment élevée dans le cas du photovoltaïque. Les matières premières peuvent toutefois être quasi entièrement recyclées et, à la fin de la durée de vie d’une installation PV, être réutilisées dans une nouvelle installation.
]
] Le bilan CO2 de l’électricité solaire est moins bon que celui de l’électricité
ato-0
Unités de charge écologique
UCE/kWh Gaz à effet de serre
g éq-CO2/kWh
Illustration 74:
Cycle de Carnot dans le diagramme température-en-thalpie.
versibles idéaux, représentés dans un dia-gramme température-entropie (illustr. 74).
Les processus isothermes sont ceux qui se déroulent à température constante. Les processus isentropiques ou adiabatiques sont ceux pour lesquels en présence de changements d’états réversibles, la capa-cité thermique reste inchangée. Les quatre étapes du cycle sont les suivantes:
1. Compression adiabatique de l’état 1 à l’état 2, accompagnée d’une augmenta-tion de température de To (basse tempéra-ture) à Tc (haute température). Pour ce faire, un travail mécanique doit être fourni.
2. Dégagement de chaleur isotherme (QPAC) à la température Tc, de l’état 2 à l’état 3. Cela correspond à la distribution de chaleur utile.
3. Détente adiabatique de l’état 3 à l’état 4, associée à une diminution de tempéra-ture de Tc à To. Un travail mécanique est ainsi récupéré.
Apport de chaleur isotherme à basse tem-pérature To de l’état 4 à l’état 1. Cela cor-respond à l’apport de chaleur de la source de chaleur.
L’énergie mécanique nette WPAC fournie est la somme de l’énergie mécanique ap-portée et récupérée. La chaleur utile est désignée par QPAC. L’indice de performance εc de ce cycle met en relation la quantité d’énergie mécanique WPAC qui doit être fournie pour mettre à disposition la chaleur Les pompes à chaleur (PAC) sont des
ma-chines qui, à l’aide d’une précieuse source d’énergie, permettent d’élever la tempéra-ture d’une chaleur basse températempéra-ture (chaleur environnementale ou rejets de chaleur) à un niveau plus élevé, approprié à des applications de chauffage et de pro-duction d’eau chaude.
Les pompes à chaleur entraînées par une énergie mécanique sont appelées pompes à chaleur à compression. Les modules en-traînés par de la chaleur haute température sont appelés pompes à chaleur à absorp-tion. Ces dernières n’ont jusqu’à présent joué qu’un rôle secondaire dans la techno-logie des pompes à chaleur et sont surtout utilisées pour la production de froid. Cette technologie est traitée au chapitre 11 «Pro-duction de froid renouvelable».