Comprendre les particularités de l’énergie solaire et ses applications

20 janvier 2020ContactNarjis Mimouni

Dans le contexte de la transition énergétique, le solaire constitue l’un des piliers des politiques mises en place concernant les énergies renouvelables. Associé aux politiques de sobriété et de maîtrise des consommations d’énergie, le déploiement des technologies de production d’énergie solaire est fortement encouragé pour répondre aux impératifs environnementaux et climatiques.
Ces technologies puisent leurs ressources en énergie primaire du rayonnement solaire exploitable selon deux voies :

  • le solaire photovoltaïque qui transforme directement le rayonnement solaire en courant électrique ;
  • le solaire thermique qui transforme directement le rayonnement en chaleur.
    On parle de solaire thermodynamique lorsque la chaleur est ensuite utilisée pour produire de l’électricité.

Production d’électricité renouvelable

Le solaire photovoltaïque est une solution qui se distingue par sa capacité à adapter sa production aux besoins énergétiques identifiés. Les installations photovoltaïques ont l’avantage de pouvoir être dimensionnées aussi bien pour des échelles de productions industrielles qu’individuelles. La technologie présente dans les modules (panneaux) photovoltaïques permet de générer un courant électrique même sous un faible rayonnement. Ces installations se composent généralement de :

  • Panneaux, appelés modules, photovoltaïques qui convertissent directement l’énergie lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur (en silicium) ;
  • Onduleurs qui convertissent le courant produit par les modules pour qu’il puisse être injecté sur le réseau (passage d’un courant dit continu à un courant dit alternatif) ;
  • Système de stockage (ex : batteries) et régulateurs de charge qui permettent d’assurer la disponibilité de l’énergie produite en fonction des besoins énergétiques ;
  • Compteurs qui permettent de quantifier l’énergie produite et consommée par l’installation ;
  • Disjoncteurs de raccordement à l’entrée du réseau de distribution d’électricité.

En Île-de-France comme dans nombre de région françaises, le solaire photovoltaïque bénéficie du soutien des politiques publiques. À l’échelle nationale et régionale, des mécanismes de soutien sont à disposition des porteurs de projets. Des défis architecturaux, techniques et financiers restent encore à relever, cependant il semble que la filière soit en bonne voie d’autant qu’elle rencontre moins d’opposition citoyenne que d’autres énergies renouvelables. Sur les trois dernières années, les coûts d’investissement sur les projets ont diminué en moyenne de 32 %, due notamment à la baisse du coût des modules (panneaux). Ces coûts varient tout de même en fonction du type d’installation, avec une moyenne à 800 €/kWc au sol et près de 1 100 €/kWc pour les installations sur bâtiments et ombrières de plus de 100 kWc (CRE, 2019).

L’émergence de projets est dynamisée lorsque les collectivités interviennent. Elles peuvent mettre en place des actions telles que la définition de stratégie locale, la réalisation d’études de potentiel, la mise à disposition de foncier public, l’aide au financement ou encore la communication et la visibilité des projets.

Quatre modèles économiques se distinguent au montage d’un projet d’installation photovoltaïque.
Ces modèles sont caractérisés par le mode de rentabilité visé, soit d’une part les projets qui sont destinés à la revente d’électricité sur le réseau de distribution, soit d’autre part ceux destinés à une autoconsommation de l’électricité sur le site de production (bâtiment d’habitation, centre commercial, bureaux…).
L’AREC décrit ces quatre modèles dans le document suivant, ainsi que les procédures d’appels d’offres existants ou arrêtés tarifaires qui s’y rattachent.

Présentation des divers modèles économiques pour les projets d’installations photovoltaïques

Les graphiques suivants permettent d’avoir une visualisation de la répartition des coûts d’un projet d’installation photovoltaïque. Ces valeurs sont des indications moyennes et varient en fonction du type (au sol, sur bâti ou en ombrière) et de la taille des installations.

 

L’AREC a publié une note rapide revenant sur l’état de la filière photovoltaïque en Île-de-France :

Le solaire photovoltaïque : une énergie aujourd'hui moins chère et plus rentable

Si en France le photovoltaïque commence à se démocratiser au point de faire place à des projets citoyens, le solaire thermodynamique, appelé aussi solaire à concentration, est un procédé bien moins connu de production d’électricité. Cette technologie permet de convertir le rayonnement solaire direct en électricité par la génération de chaleur et le mouvement de machine thermique. Ces installations se composent généralement de:

  • Miroirs qui collectent et concentrent le rayonnement solaire ;
  • Fluide caloporteur qui est chargé de transporter la chaleur, collectée et concentrée par les miroirs ;
  • Fluide thermodynamique qui actionne et entraine les machines (moteurs, turbines,…), il peut s’agir de vapeur d’eau, par exemple.
  • Turbines et alternateurs qui transforment l’énergie cinétique des machines en énergie électrique.

La France n’étant pas dans une zone géographique propice à ce type d’installation, elle s’implique au travers de projets internationaux au Maroc et en Espagne notamment. Ces pays peuvent atteindre des valeurs d’ensoleillement direct supérieur à 1900 kWh/m²/an, qui est un des critères favorables pour le déploiement de ces technologies. On compte, malgré la limite de l’ensoleillement en France, trois installations : le four solaire d’Odeillo, la tour Thémis à Targasonne, la centrale de Llo dans les Pyrénées-Orientales.

Production de chaleur renouvelable

Le solaire thermique est souvent victime de confusion face à la popularité plus marquée du photovoltaïque. On distingue plusieurs raisons qui expliquent cette différence de dynamisme, parmi lesquels un effet de substitution du solaire thermique par photovoltaïque et les chauffe-eau thermodynamiques lié à des conditions réglementaires favorables (tarif d’achat, non plafonnement du crédit d'impôt pour la transition énergétique CITE) et aux dérogations accordées sur les consommations imposées par RT 2012.

Les installations solaires thermiques sont utilisées généralement pour produire de l’eau chaude sanitaire et dans certains cas pour le chauffage également. Elles se composent généralement de :

  • Champ de capteurs qui transforme le rayonnement solaire en énergie à l’intérieur d’un fluide (air ou eau par exemple) sous forme de chaleur ;
  • Fluide caloporteur qui est chargé de transporter la chaleur dans le circuit primaire (production) vers le circuit secondaire (consommation) ;
  • Accumulateur qui permet de stocker et limiter les pertes d’énergie. L’objectif est d'adapter la durée de l'offre (le soleil) à la demande (l'eau chaude en l'occurrence, au moment où l’utilisateur en a besoin) ;
  • Échangeurs thermique qui transfert d'énergie thermique, celle-ci passe du circuit primaire (production) au circuit secondaire (consommation) ;
  • Vases d’expansion, réservoir qui permet de compenser les variations de volume et de pression dans le circuit (dues aux variations de températures du fluide caloporteur).

À surface égale, le solaire thermique produit près de trois fois plus d’énergie renouvelable que le photovoltaïque, 700 kWhth/an.m2 et 215 kWhélec/an.m2 pour le photovoltaïque (ADEME, 2015). Par ailleurs, en bâtiment collectif, la technologie solaire thermique présente des coûts de production et d'autoconsommation inférieurs aux technologies photovoltaïques. Cependant il faut envisager ces solutions à travers leurs utilités, l’usage d’un kWh thermique n'est pas identique à celui d’un kWh électrique et les solutions alternatives n’ont pas le même coût (coût du gaz plus faible que celui de l’électricité).

Les graphiques suivants permettent d’avoir une visualisation de la répartition des coûts d’un projet d’installation solaire thermique. Ces valeurs sont des indications moyennes et varient en fonction du type et de la taille des installations (individuelles ou collectives).

 

L’AREC a publié des fiches techniques de 4 pages présentant l'énergie solaire thermique et illustrant des usages possibles de ces solutions :

Solution hybride, le mixte photovoltaïque et thermique

Les panneaux solaires hybrides, appelés aussi « panneaux PV/T », sont constitués de capteurs thermiques à haut rendement sur lesquels reposent des cellules solaires photovoltaïques. Le panneau solaire hybride permet ainsi de produire de l’électricité et de la chaleur grâce à ses deux faces au fonctionnement distinct :

  • Sur la face supérieure : ses cellules photovoltaïques produisent de l’électricité dès qu’elles sont exposées au rayonnement solaire ;
  • Sur la face inférieure : un capteur solaire thermique capte la chaleur du rayonnement solaire.

L’association des caractéristiques des panneaux photovoltaïques et thermiques, permet un fonctionnement de la technologie selon un principe de cogénération solaire.

Production de froid renouvelable

Le nombre de climatisation solaire installés à l’échelle mondial est de l’ordre du millier avec près de trois quarts des installations situés en Europe (majoritairement en Espagne, Allemagne, Italie et Grèce). Si pour l’instant cela représente une infime fraction des climatisations installées, les solutions solaires ont un intérêt environnemental certain. D’autant que ces dernières années des chiffres très positifs ont été enregistrés pour le marché de la climatisation dans son ensemble. Une part de ce résultat relève d’une demande de confort accrue face à des températures estivales élevées dans les bâtiments tertiaires. La chute des prix des cellules photovoltaïques laisse envisager un regain d’intérêt pour ces applications qui permettraient de limiter l’impact liée à la consommation énergétique pour la production de froid.

On distingue deux principaux systèmes : les refroidisseurs à compression de vapeur à entrainement photovoltaïque et les machines frigorifiques à entrainement thermique alimentées par capteurs solaires. Les systèmes de froid solaire comprennent une partie dédié au captage du rayonnement solaire chargé de sa transformation en électricité ou en chaleur et une seconde partie constituée d’un équipement qui transforme l’énergie produite en froid.

La production de froid à partir d’électricité fonctionne par le biais d’un climatiseur électrique traditionnel ou bien une pompe à chaleur réversible. La production de froid à partir de chaleur requiert un système de climatisation à compression, de climatisation à absorption ou de conditionnement d’air par évaporation.

Transformer du chaud en froid, l’exemple du système de climatisation à absorption :

Ce système utilise l’énergie thermique du soleil dans un dispositif à circuit fermé composé d’un condenseur, d’un évaporateur, d’un désorbeur et d’un absorbeur. Dans ce circuit fermé, circule un mélange d’eau et de bromure de lithium ou de l’ammoniac selon cycle suivant :

Pour évaluer la rentabilité d’une installation de production de froid solaire, la technologie solaire doit être appréciée sur l’ensemble de l’énergie produite annuellement, y compris lorsque le froid n’est pas nécessaire puisqu’elle peut également alimenter le bâtiment en électricité ou en chaleur (chauffage ou eau chaude).