Énergie Solaire

Après avoir vu la quantité d’installations de panneaux photovoltaïques croitre dans ma région, je me suis demandé si je ne ratais pas une opportunité d’augmenter mon bien-être.
Pendant des années, je me suis convaincu que l’orientation est-ouest de la toiture de ma maison empêcherait ce projet.
L’été passé, j’ai créé, dans mon jardin, un petit bassin avec en son milieu un jet d’eau alimenté par un panneau solaire. Son fonctionnement ne m’a pas satisfait, le rendement électrique du système est désastreux.

Cela m’a motivé pour faire une recherche plus poussée sur le sujet. (fin 2017 début 2018).

J’ai parcouru beaucoup de sites et forums, je retiendrai  un site généraliste  et bien sur des forums tel photovoltaïque ou forum-photovoltaïque .

J’en ai fait un document qui résume le tout.
Celui-ci fait une présentation succincte des contraintes techniques et il se focalise sur les règles administratives et le coût financier global d’une installation étalé sur 20 ans.

Ce document est disponible en sélectionnant cet onglet. (Format PDF)

Ci-dessous, je passe en revue les grandes lignes de ce travail.

Introduction

Le soleil offre à la terre en plein été une irradiation lumineuse moyenne de 1000 W/m².
La technologie des panneaux solaire photovoltaïque permet de convertir ~20% de cette énergie en puissance électrique.
cette performance doit être associée à beaucoup d’autre facteurs.

Les plus importants sont :

  • Les paramètres imposés : l’impact de la localisation.
  • Les paramètres mécaniques: l’orientation des panneaux.
  • Les paramètres physiques: les pertes électriques, thermiques.

L’impact de la localisation

Trois facteurs principaux indépendants de la technologie et de la réalisation affectent cette conversion d’énergie.

  • La chaleur du soleil pendant les mois de l’année.

Suivant les mois de l’année l’irradiation du soleil n’est pas constante.

  • La localisation de l’installation.

Plus on remonte vers le nord plus la puissance moyenne reçue par mètre carré est faible.
Cette carte exprime la valeur moyenne d’irradiation sur une année.

  • La trajectoire du soleil.

La trajectoire du soleil varie en toute saison. En hiver le soleil reste bas sur l’horizon, en été il monte haut dans le ciel.

Orientation des panneaux par rapport au soleil.

La plupart des installations de panneaux sont fixes.
De ce fait  l’orientation en tout instant n’est pas optimale et le rendement moyen de l’installation en sera affecté.

Les pourcentages expriment le rendement moyen du panneau par rapport à sa position.
(Ce tableau est un peu optimiste)

Attention c’est le complément de rendement sur un système orienté plein sud.

 

Il existe des mécanismes « Suiveur-trakcer » qui permettent de garder les panneaux toujours dans la bonne position.
ceux-ci optimisent le rendement des capteurs.

Le suiveur 2 axes donne par rapport à une installation fixe positionnée plein sud une augmentation de rendement moyen de 39%.

Sous notre latitude (France), le suiveur 1 axe donne lui une augmentation de rendement moyen de 36%.
Pour un écart de 3% cette solution plus simple est intéressante, mais avoir cette installation sur un toit n’est pas des plus élégant ! (Voir règles administratives)

Les pertes physiques.

Pertes électrique.

Le transport, et la conversion du courant continu en 220V alternatif, apportent des pertes dans une installation qui peuvent être de l’ordre de 8%.

Pertes thermique et vieillissement.

L’augmentation de la température du panneau, réduit de manière significative ses performances. La perte peut être de 10 à 20%.
Au fil des ans le vieillissement réduit aussi ses performances (0.6%/an).
Il est important de garder à l’esprit qu’une installation photovoltaïque perd de son efficacité dans le temps.

Bilan.

Pour une installation neuve, ces pertes physiques donnent un rendement de l’ordre de 78%. Pour cette même installation après 20 ans ces pertes donneront un rendement de l’ordre de 63%.

 

Calcul de la puissance d’une installation.

La puissance électrique offerte par une installation est basée sur la valeur moyenne d’une année. Trois éléments sont utilisés dans la formule.

Le panneau :
Exprimé par un nombre (PC==Puissance Crête, KWc) . Il est la puissance électrique que fournit le panneau dans des conditions optimales (rayonnement 1000W /m² température idéale, etc .)
Valeur à retenir : 1 panneau == ~0.25KWc

Le lieu :
Exprimé par un nombre (Hi , KWh/KWc*an). Il est, pour chaque endroit du pays , l’énergie électrique moyenne sur une année produite par un panneau de 1KWc, positionné plein sud avec un angle fixe optimal.
Valeur à retenir : dans la zone (Lyon Nantes) Hi == 1733 KWh/KWc*an.

Le rendement :
Exprimé par un nombre (Pr). Il est le rendement moyen TOTAL de l’installation.
Valeur à retenir : le rendement moyen Pr == ~0.75 (75%)

La puissance électrique moyenne d’une installation sur une année est :

Eélec = Hi * Pc * Pr

Les règles administratives.

La mise en production d’une installation doit répondre à des règles définies par l’état. Il est possible dans certaines conditions d’avoir des primes et subventions offertes par le gouvernement.
Ces règles sont parfois étranges. Par exemple, pour des installations individuelle,  il ne peut y avoir vente de la production que si les panneaux sont sur le bâti(la maison). Quid des panneaux installés au sol.

L’exploitation et la vente de la puissance électrique produite par l’installation doit répondre à certaines conditions très strictes.
Ces règles sont nombreuses et changent au fil des ans. Par exemple, les prix de vente imposés sont redéfinis par le législateur tous les 3 mois.

Le bilan financier sur 20 ans.

Bien que le rendement financier ne doit pas être l’élément clef sur le désir de produire une énergie propre, il faut en connaitre la valeur pour faire son choix le plus judicieux.

Ce calcul prend en compte tous les frais et les gains d’une installation, y compris le coût de l’installation.

Il y a deux approches.

  • L’installation n’est pas reliée au réseau de la maison
  • L’installation est reliée au réseau.

En tenant en compte l’achat des panneaux (30% du prix), le coût de l’installation varie beaucoup :

  • Pour le système non relié au réseau, on peut faire le montage soit même. Le budget est de l’ordre de 1900€/KWc.
  • Pour le système relié au réseau, il est obligatoire de passer par un professionnel. Le budget à prévoir est de l’ordre de 3000€/KWc.

 A) L’installation n’est pas reliée au réseau électrique.

Dans ce cas il n’y a pas de vente, mais on économise sur l’achat de courant qui aurait été nécessaire.
L’exploitation n’est pas facile et il y a beaucoup d’énergie perdue. (Le stockage est difficile et onéreux)

Le rendement financier, sur 20 ans, est négatif .Cependant il faut relativiser, pour une installation de 1 KWc le rendement est de -17% et cela correspond à un coût de 23€ par an pendant 20 ans.

Une maison, sans chauffage électrique, consomme 1,8MWh par an, une installation à 1.5 KWc (6 panneaux) produit 1.8 MWh par an. C’est formidable, mais le seul problème est que l’énergie solaire n’est présente que 10h par jours et que la consommation se fait sur 16h par jours et de manière irrégulière.

B) L’installation est reliée au réseau électrique.

Trois figures d’exploitations sont possibles.

1. On consomme le plus possible et le surplus de puissance est donné à EDF.

Il n’est pas facile de faire le bilan de ce type d’installation. Ce qui est certain, c’est que la dimension doit être en rapport avec la consommation moyenne de la maison. Ce type d’installation doit être bien calculé et je pense que la celle-ci doit être en deçà de 3 KWc.
Le rendement sera moindre que celui d’une installation isolée. Essentiellement parce que le coût de l’installation est à 3000€ par KWc au lieu de 1900€ par KWc.
Le rendement financier, sur 20 ans,  est toujours négatif et de l’ordre de -80% à -70%.
Le coût annuel varie de 170€ à 234€ pendant 20 ans pour dans la gamme 0.25 à 1 KWc.

2. On consomme le plus possible et le surplus de puissance est vendu à EDF.

Le rendement financier, sur 20 ans, est toujours négatif et en deçà -25%.
Le coût annuel varie de 240€ à 500€ pendant 20 ans pour dans la gamme 1 à 9 KWc.
Les deux seuils charnières sont un système à 3 KWc et 9KWc.

3 On vend toute sa production à EDF.

Le rendement financier, sur 20 ans, peut être légèrement positif.
Cela est vrai pour les installations proches de 3KWc (~12 panneaux sur le toit), avec un gain moyen par année, sur 20 ans, de l’ordre de 75€ !
Les deux seuils charnières sont un système à 3 KWc et 9KWc.

Conclusion.

La France est un pays assez ensoleillé pour permettre une bonne exploitation de l’irradiation solaire.
L’orientation des panneaux plein sud n’est pas une condition primordiale, dans l’achèvement d’une bonne installation. À nos latitudes, un suiveur 1 axe apporte un gain de l’ordre de 36 % par rapport à une installation fixe.
Bien que plus compliquée, une installation non reliée à réseau de distribution électrique est exploitable dans la limite des faibles puissances.
La mise en production d’une installation avec le réseau de distribution présente plus de contraintes et si on ne prend pas garde l’effet financier souhaité peut s’avérer très difficile à atteindre.
La seule configuration qui est bénéficiaire sur 20 ans d’exploitation est la vente totale pour une installation de productions proches de 2 à 3 KWc. Juste en deçà de 9 KWc on a aussi une configuration qui peut présenter un rendement global légèrement positif.
La mise en place d’une installation photovoltaïque est pleine d’embuches et ses promesses ne sont pas toujours là.
En France le coût de l’électricité est assez bas et il ne peut pas être concurrencé par la production solaire individuelle. Sans les primes offertes à l’installation et un prix de rachat contrôlé, il ne faut pas espérer de gains sur le long terme. Comme montré dans ce travail, à un coût faible par année, on peut participer à l’émergence d’énergie alternative durable.

Les choix industriels du pays dans les années 60 ont été et sont toujours, risqués mais force est de constater que cette solution a été bénéfique pour le pays. Le risque d’accident majeur est toujours très présent et l’orientation vers les sources alternatives est nécessaire.
Reste à espérer que les orientations commerciales et les choix politiques à venir n’amèneront pas à un désastre dans la production solaire comme celui qui a eu lieu en Espagne.

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