Panneau solaire

Un panneau solaire est un dispositif convertissant une partie du rayonnement solaire en énergie thermique ou électrique, grâce à des capteurs solaires thermiques ou photovoltaïques respectivement[N 1].

Capteur solaire photovoltaïque sur le toit d'une maison ancienne du Jura.
Vitrage photovoltaïque d'Électricité de France, à Dijon.
Ferme solaire de 6 MW sur un terrain de 11 ha dans la Drôme, en France, installée en 2011 (durée d'exploitation prévue : 30 ans).
Capteur solaire thermique et photovoltaïque, sur la toiture végétale de la gare TGV de Besançon.
Tracker solaire / Héliostat, de maison de particulier (rétractable par anémomètre).

Types de panneaux solaires
Miroirs linéaires.
Route solaire, dans l'Orne, en Normandie.

On distingue trois types de panneaux solaires :

Dans les trois cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface limitée à environ 1 m2 pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des installations de captation d'énergie solaire.

Rentabilité et rendement

La rentabilité des investissements dépend de plusieurs paramètres.

Les capteurs thermiques sont rentables dans les régions très ensoleillées, même sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada[2]).

Les panneaux solaires photovoltaïques sont plus rentables dans les régions très ensoleillées, bien que la chaleur nuise au rendement des capteurs. Cela explique l'engouement des pays du sud de l’Europe (Italie[3], Portugal[4]), à la fois grands consommateurs et grands producteurs potentiels, pour l'installation de grandes centrales.

Le rendement des panneaux solaires photovoltaïques est défini comme la part du rayonnement solaire transformée en électricité. Il varie de 6 à 8 % pour les panneaux en silicium amorphe[5] et atteint 46 % pour les cellules les plus performantes obtenues en laboratoire[6]. En 2019, la moyenne se situe entre 13 et 24 % pour les panneaux les plus installés[7].

Le potentiel de l'énergie solaire est tel que l'énergie émise par le soleil et reçue par la Terre en environ une heure permettrait, 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)[réf. nécessaire], soit 160 kWh/an/m2 (ou 160 GWh/an/km2[N 2]) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh en 2006[8]). Dans le cas de l'Europe des Vingt-Sept, qui consomme 3 000 TWh par an, une surface de 137 km de côté (soit 19 000 km2) serait nécessaire, tandis que dans le cas de la France (500 TWh), elle devrait atteindre 56 km de côté (3 100 km2).

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

Angle d'incidence du soleil
Calcul de l'angle d'incidence.

À partir de l'équation du temps, du jour de l'année et de la latitude de l'endroit où se trouve le capteur solaire, il est possible de calculer l'élévation et l'azimut du soleil, à l'aide de la trigonométrie sphérique. Une fois l'élévation et l'azimut connus, il est possible de calculer l'angle d'incidence du soleil sur le capteur plan.

Soient :

et l'azimut du soleil et du capteur, et et l'élévation du soleil et du capteur.

Il vient :

où est l'angle d'incidence.

Panneaux solaires thermiques

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 additivé[9], circule en circuit fermé dans des tubes. Une surface matte appelée absorbeur, parfois simplement peinte en noir, est chauffée par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être sous vide, c'est-à-dire qu'ils comportent deux couches entre lesquelles est fait le vide, ce qui 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. Les capteurs solaires à eau sont typiquement utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus simple et la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire[réf. souhaitée].
Les systèmes solaires combinés (SSC) adjoignent le système précédent à une installation de chauffage de bâtiment ou alimentent directement un plancher chauffant[10]. Les systèmes de chauffage solaire commencent à se développer[Quand ?]. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m2 de capteurs[11].
Capteurs thermiques « à air »
Au lieu d'eau, 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 promouvoir 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[12].

Panneaux solaires photovoltaïques

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

Un héliostat de la centrale solaire Thémis.

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 intégrées au toit, soit posées au-dessus. 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 est une inclinaison de 30° par rapport à l'horizontale, ou de 60° si l'objectif est de maximiser la production d'électricité en hiver[13]. Toutefois, comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense au moins partiellement une production plus faible.

Panneau solaire photovoltaïque, dans un jardin potager.

Différentes technologies photovoltaïques coexistent :

Technologie part de marché mondial (%)
2014[14] 2021[15]
silicium polycristallin (pc-Si) 57
monocristallin (sc-Si) 31 80
amorphe (a-Si) 3,4
tellurure de cadmium (CdTe) 5,5
CIS (cuivre, indium, sélénium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium),
CIGSS (cuivre, indium, gallium, disélénide, disulphide), arséniure de gallium (Ga-As)		 < 5


Production mondiale

La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine (république populaire de Chine et Taïwan), 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[16]. Aujourd'hui[Quand ?], 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[réf. nécessaire].

Impact environnemental des panneaux solaires à base de silicium

Une fois fabriquées et déployées, les cellules photovoltaïques assemblées en modules n'émettent pas de dioxyde de carbone (CO2) ou d’autre gaz à effet de serre. Néanmoins, leur fabrication consomme de l'énergie grise sous forme d'électricité et leur fin de vie produit des déchets.

En 2003, une analyse du cycle de vie concernant le dioxyde de carbone montre que, sur une durée de vie de vingt ans, l'émission de CO2 par kilowatt-heure électrique produit par un panneau photovoltaïque représente, selon le type considéré, de 7 à 37 % des émissions par kilowatt-heure produites par une centrale thermique classique[17]. En 2004, le département de l'Énergie des États-Unis estime qu'un panneau met quatre ans à produire une quantité d'énergie équivalente à celle consommée pour sa fabrication[18].

Fabrication : consommation d'électricité

Un module est composé d'une ou plusieurs cellules mono/poly-cristalline enveloppées de part et d'autre dans de fines couches d'éthylène-acétate de vinyle (EVA). Le tout repose sur un support en plastique (en fluorure de polyvinyle, PVF) ou en polyéthylène, PET). En dessous, un cadre en aluminium muni d'une jonction en cuivre relie électriquement les cellules. Sur le dessus, une couche de verre protège les cellules.[réf. nécessaire][19]

Dans un module, 74 % de la masse est constitué de verre, l'aluminium représente 10 % et les divers polymères 6,5 %. D'autres matériaux peuvent être trouvés comme le zinc, le plomb, ou le cuivre, leurs quantités demeurent toutefois faibles (moins de 1 % de la masse du module). La cellule photovoltaïque seule (mono ou poly-cristalline) représente seulement 3 % de la masse totale du module[19].

Ce sont les cellules dont la fabrication est la plus énergivore, et la plupart des constructeurs du photovoltaïque ne produisent en général que ces dernières. Le reste des composants est alors sous-traité à d'autres fabricants, par exemple pour les vitres de protection, le cadre en aluminium, dont les procédés de fabrication sont plus anciens, plus développés et donc mieux optimisés que les processus récents de fabrication des cellules[19].

La fabrication des cellules requiert un silicium très pur, après une première purification via un four à arc électrique (EAF). Le silicium est alors pur à 98-99,5 % (silicium métallurgique, ou metallurgical grade silicon). Ce procédé à lui seul consomme environ 150 kWh/kg[19] de silicium.

Une deuxième purification est nécessaire pour obtenir un silicium dit « solaire » (ou upgraded metallurgical grade silicon, avec un taux de pureté de 99,999 3 % ou un silicium dit électronique (EGS, avec une pureté de 99,999 999 99 %). Les trois étapes de la seconde purification sont la production de silane, suivie d’une distillation fractionnée puis enfin d’une séparation. La consommation en électricité est de 115–120 kWh/kg pour le silicium solaire et de 350 kWh/kg[19] pour le silicium électronique.

Ainsi la somme de l'énergie requise, de la purification du silicium jusqu'à son découpage en wafers est de 1 000 kWh/kg de silicium  pour les cellules mono-cristallines et de 700 kWh/kg de silicium pour les cellules poly-cristallines[19]. Les cellules mono-cristallines sont plus efficaces mais demandent plus d'énergie lors de leur fabrication (la cristallisation en une structure mono-cristalline étant plus complexe qu’en une structure poly-cristalline).

La fabrication de cellules est donc énergivore. L'empreinte carbone de cette fabrication dépend de la nature de la source ou du mix électriques utilisés. Actuellement majoritairement asiatique, elle pourrait ainsi diminuer de 40 % en recourant à l'énergie hydraulique ou à des mix européens[19].

Selon l’Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME), la fabrication d'un panneau photovoltaïque installé en France s'accompagne de l'émission, en moyenne, de 56 grammes de CO2 pour la production d’un kilowatt-heure (avec 30 % d'incertitude). Cette valeur dépend du lieu où le panneau est implanté ; elle varie de 35 à 85 g de CO2 par kilowatt-heure du Sud au Nord du pays et en fonction de la technologie employée. Les émissions de CO2 du solaire photovoltaïque sont supérieures à celles de la plupart des autres sources d'énergie bas-carbone ; par exemple, l'éolien terrestre émet 10 g de CO2 par kilowatt-heure produit et le nucléaire français 6 g. En revanche, elles sont bien inférieures à celles associées à l'utilisation de combustibles fossiles ; en effet, le gaz naturel émet environ 443 g de CO2 par kilowatt-heure produit et le charbon entre 960 et 1 050 g[20].

Des émissions secondaires, comme celles dues au transport des matériaux sur longues distances, ne représentent qu'entre 0,1 et 1 % des émissions totales[19].

Fabrication : déchets et toxicité

L'impact de la production des panneaux solaires sur l'environnement ne provient pas seulement de l'énergie grise nécessaire à leur production, mais aussi des déchets dus à la multitude des matériaux utilisés lors de leurs traitements chimiques : le raffinage de la silice se fait avec des produits chimiques potentiellement dangereux comme le silane[21], et le dopage du silicium se fait par des gaz contenant des petites quantités de diborane et de phosphine diluées. Ces gaz sont hautement inflammables. S’ils ne représentent pas de danger en temps normal, ils sont en mesure de gravement nuire à la santé des employés d’usine en cas d'accident ou de fuites. La poussière de silice et de silane peuvent provoquer en outre des maladies à l’inhalation telles que la silicose[réf. nécessaire]

Actuellement, la recherche vise une diminution ou réutilisation de ces matériaux, comme le soutient l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie[22] : « L’étape de purification du silicium, réalisée principalement par voie chimique, fait notamment l’objet de travaux de recherche afin de la remplacer par des procédés physiques à faibles impacts environnementaux. D’autres actions visent à récupérer le silicium présent dans les boues de sciage après l’opération de fabrication des plaquettes, ou bien encore à recycler les bains chimiques utilisés dans certaines technologies couches minces. »

Recyclage

La plupart des composants d'un module solaire peuvent être récupérés et recyclés : jusqu'à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs, tout le verre et de grandes quantités de métaux ferreux et non ferreux[23],[24]. Les polymères et certains métaux (cuivre, argent...) ne sont pas recyclés[réf. à confirmer][25].

En 2010-2014, plusieurs enquêtes et l'Union européenne ont estimé que les deux tiers 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 trois ans précédents (ce taux sera porté à 65 % en 2019)[26]. Ce texte est aussi plus restrictif quant aux envois de DEEE vers l'étranger[26].

En France, depuis , dans le cadre de la responsabilité élargie du producteur, fabricants, importateurs et revendeurs sont tenus de reprendre, en plus des déchets électroménagers classiques (DEEE), les panneaux photovoltaïques usagés, gratuitement et sans obligation d'achat[26]. Ces entreprises ont obligation de financer et de collecter le traitement de ces nouveaux déchets, sans période de transition, ce qui se traduit par une éco-participation sur chaque nouveau capteur photovoltaïque vendu.

En Europe, l'association PV Cycle, qui regroupe nombre de producteurs et importateurs européens de systèmes solaires photovoltaïques, gère la collecte et le traitement des panneaux photovoltaïques en fin de vie[27]. Aux États-Unis, cette activité est notamment assurée par des entreprises privées[28].

Depuis 2010, une conférence réunit chaque année des fabricants, des recycleurs et des chercheurs pour examiner l'avenir du recyclage des panneaux photovoltaïques[29].

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

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. 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 sont semblables à celles du verre plat utilisé dans l'industrie du bâtiment et de l'automobile.[réf. nécessaire]
Panneaux photovoltaïques sans silicium
Des technologies propres au recyclage des panneaux photovoltaïques sans silicium ont été développées. 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 permet de récupérer jusqu'à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs[24]. Dans les années 2010, plusieurs installations de recyclage ont été créées par des entreprises privées[réf. souhaitée].

Les batteries doivent aussi être recyclées. Si beaucoup d'installations photovoltaïques sont connectées au réseau électrique, certaines fonctionnent en effet 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 installé entre la batterie et le module) et parfois dans des batteries proches de celles des voitures. Une batterie a une durée de vie de quatre à cinq ans[30], (sept à quinze ans pour certains modèles récents[Lesquels ?][réf. nécessaire]) et contient des métaux et produits précieux et/ou toxiques (plomb et acide communément). Pour un panneau photovoltaïque pouvant durer 25 ans, il faudra recycler deux à six fois[réf. nécessaire] les batteries (avec les technologies actuelles[Quand ?]).

Esthétique
Maison solaire récente.

Grâce au progrès technique, les panneaux solaires de nouvelle génération sont plus esthétiques[31]. Ceci est dû aux améliorations dans la gestion thermique des modules ainsi qu'au progrès de cellules monocristallines, qui permettent la production de panneaux lisses d'un bleu marine sombre qui se marie bien avec les toitures[32]. Des nouvelles technologies sans silicium, telles que les tuiles solaires, permettront bientôt des panneaux solaires transparents[33].

Enjeux géopolitiques

De 2012 à 2018, la Chine s'est imposée comme leader mondial. En 2018, 70 % des modules photovoltaïques y sont produits, parfois jusqu'à 25 % moins cher qu'en France selon Enerplan (représentant les entreprises françaises du solaire). Elle est aussi, depuis 2012, le premier investisseur mondial dans les énergies renouvelables, mais manque encore d'infrastructures adaptées au raccordement de tous les parcs solaires prévus, ce qui a poussé les fabricants chinois à écouler plus de panneaux à l'étranger. En réaction, début 2018, les États-Unis ont introduit une hausse des droits de douanes sur les panneaux chinois[34].

Dans l'Union européenne, en 2017, le solaire a atteint 3 % de la consommation électrique totale[34] mais, face à la concurrence chinoise, l'Europe risquait de perdre quelque 30 000 emplois, ce qui l'a poussée à appliquer un droit antidumping de 11,8 % au mois de , puis de 47,6 % deux mois plus tard, sur les panneaux importés de Chine[35]. L'Europe accuse notamment la Chine de trop subventionner les entreprises produisant des panneaux solaires, ce qui lui permet de vendre en Europe des panneaux solaires à un prix inférieur à leur coût de production[36] et a prolongé ces mesures jusqu'en aout 2018 pour protéger son industrie solaire[34]. En 2017, la Commission européenne a initié une réduction progressive de ces mesures sur dix-huit mois, malgré les protestations de la fédération de producteurs « EU Prosun » selon laquelle une centaine de producteurs ont fait faillite face à la concurrence chinoise, qui en outre s'est adaptée en construisant des usines en Turquie ou en Tchéquie et en rachetant des entreprises européennes avec, par exemple, l'achat en 2016 du Néerlandais Solland Power par le Chinois Trina Solar (leader mondial). Selon la fédération SolarPower Europe, représentant les parcs photovoltaïques, ces parcs vont néanmoins continuer à se développer en Europe[34].

Notes et références

Notes
  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. La locution « capteur solaire thermique » relève donc du pléonasme. La locution « collecteur solaire », quant à elle, est un anglicisme ou un germanisme qui entretient 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[Quoi ?], 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.

Références
  1. Panneau solaire hybride : le mixte photovoltaïque / thermique, sur ecosources.info, consulté le 9 septembre 2016.
  2. « Énergie solaire thermique », sur Ressources naturelles Canada, (consulté le ).
  3. France 2, « L'Italie est le pays dans le monde qui utilise le plus l'énergie solaire. », sur France Info, (consulté le ).
  4. « Le Portugal inaugure une centrale solaire photovoltaïque de 11 MW sur le site de Serpa », sur Actu Environnement, (consulté le ).
  5. « Quel est le rendement des panneaux photovoltaïques ? », sur evasol.fr (consulté le ).
  6. « 46 % de la lumière convertie en électricité, record mondial pour une cellule solaire », (consulté le ).
  7. « Quel est le rendement d’un panneau solaire ? Le verdict », sur Engie, (consulté le ).
  8. Key World Energy Statistics, International Energy Agency (consulté le 30 juin 2019).
  9. « Les fluides caloporteurs », sur lepanneausolaire.net (consulté le ).
  10. Futura, « Qu'est-ce que le système solaire combiné ? », sur Futura (consulté le ).
  11. Étude qualitative et quantitative du fonctionnement de Systèmes solaires combinés en usage réel : Synthèse du programme de suivi sur sites, ADEME, , 15 p. (présentation en ligne, lire en ligne [PDF]).
  12. « L’énergie solaire se conjugue au pluriel » [PDF], Ademe & vous, , p. 9.
  13. « Principes de base pour l’orientation de panneaux photovoltaïques », sur LePanneauSolaire.net (consulté le ).
  14. « Les types de modules », sur photovoltaique.info (consulté le ).
  15. « Analyse des parts de marchés des formats M6, M10 et M12 d’ici à 2031 »,
  16. (fr+en) Répartition géographique de la production de cellules solaires [PDF], Le journal du photovoltaïque, no 5, EurObserv'ER, avril 2011, p. 17.
  17. Pépin Magloire Tchouate Heteu et Joseph Martin, « La filière solaire photovoltaïque : potentiel de réduction des émissions de CO2 en Belgique », Revue de l'énergie, no 551,‎ , p. 648–656 (ISSN 0303-240X, lire en ligne, consulté le ).
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  29. (en) « First Breakthrough In Solar Photovoltaic Module Recycling, Experts Say », sur solarserver.com, 2011 (consulté le 26 avril 2013).
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  31. (en-US) « The Style Guide to Aesthetically Pleasing Solar Panels », sur SunPower by Stellar Solar, (consulté le )
  32. « Pour une toiture solaire esthétique », Le Monde,‎ (lire en ligne, consulté le )
  33. Michel Berkowicz, « Les tuiles solaires Tesla arrivent en Europe », sur Futura (consulté le )
  34. AFP, « L'Europe rouvre grand ses portes aux panneaux solaires chinois », sur Connaissance des énergies, .
  35. « Les panneaux solaires chinois taxés par Bruxelles », sur France 24, .
  36. Stéphane Gaultier, Panneaux solaires chinois : l’Union européenne doit-elle vraiment contre-attaquer ?, Le Blog Finance, 9 juillet 2013.

Voir aussi

Articles connexes
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