View
4
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Photovoltaïque : Etat des lieux, ordres de grandeur et perspectives
UMR 9006
Daniel Suchet
daniel.suchet@polytechnique.org
Ecole Polytechnique, IPVF, UMR 9006 Palaiseau, France
Energie et puissance
2
Même énergie, différentes puissance Même puissance, différentes énergies
Energie : quantité de transformation
Puissance : énergie par seconde
Joule
Watt 1W = 1 Joule par seconde
= 1 Watt accumulé pendant 1h = 60 Watt accumulés pendant 1min
= 40 Watt accumulé pendant 1min30 = …
Watt-heure
The toaster challenge : https://www.youtube.com/watch?v=S4O5voOCqAQ
Consommation d’énergie des ménages
3
250 W
75 W
140 W
265 W
130 W
85 W
40 W
500 W
Puissance moyenne par habitant du secteur résidentiel (=20% du total) en 2018
CEREN (2019)
30 W
Conclusions
4
I/ Quelques ordres de grandeurs sur le solaire
II/ Etat actuel de la filière photovoltaïque
III/ Perspectives et défis à venir
Ressource solaire, rendement, durée de vie, coûts (économique et écologique)
Anatomie d’une cellule
Evolution *très* rapide du domaine
The Terawatt challenge
Pourquoi s’intéresser au solaire ?
5 I. Ordres de grandeur sur la ressource
Energie primaire en 2018 18 TWy
Réserve gaz
Réserve pétrole
Réserve charbon
Réserve uranium 235 (terrestre)
Potentiel éolien en 2018
Potentiel solaire en 2018 (terres émergées, avec météo)
23 000 TWy
Adapté de M. Perez et al., IEA-Solar Heating and cooling program, 2015
Diffus, intermittent… peut être !
Mais véritable manne énergétique !
En France,
en direct
en moyenne
Transformer le soleil…
En biomasse Photo-synthèse 1% rendement
En chaleur Solaire thermique
80% rendement
En électricité Solaire photovoltaïque (PV)
6 I. Ordres de grandeur sur la ressource
Eclairement direct en France Eclairement moyen en France
Rendement de conversion
7
Rendement thermodynamique
Record actuel (multijonction)
Maximum théorique des cellules simples
(limite de Shockley Queisser)
Record cellule silicium
Systèmes commerciaux
27% 29% 47% 22% 100% 86% 0%
Geisz JF, IEEE J Photovolt. (2018)
I. Ordres de grandeur sur la ressource
La jungle des cellules solaires
8
NREL, 2019
Pour les marchés, PV = silicium
9 II. Etat actuel de la filière
Fraunhofer Institute, PV report, 2018
De la cellule au module
10 II. Etat actuel de la filière M. Woodhouse et al., NREL Tech report, 2019
Silicium monocristallin
11
M. Woodhouse et al., NREL Tech report, 2019
Silicium polycristallin
12
M. Woodhouse et al., NREL Tech report, 2019
The usual suspects Courtesy to U. Rau
13
Al-BSF Aluminium Back-Surface Field
PERC Passivated Emitter and Rear Cell
SHJ Silicon Hetero-junction
La cellule historique La relève Le record !
II. Etat actuel de la filière
De la cellule au module
14 II. Etat actuel de la filière M. Woodhouse et al., NREL Tech report, 2019
Coût de production des modules
15
1976
2019
Prix des modules divisé par 500 en 40 ans. II. Etat actuel de la filière
Du module au système
Soft costs (taxes, $, marge…)
0.24 $/W NREL (2019)
Waffer
Traitement waffer
Métallisation
Autres coûts cellule
Matériaux module
Assemblage module
Coût des modules
M. Woodhouse et al., NREL Tech report, 2019
Du module au système
Module
Electronique
Hardware (autre)
Installation
Soft costs (taxes, $, marge…)
IRENA (2019)
1.07$/W 0.24 $/W
Module Electronique Hardware (autre)
Installation Soft costs (taxes, $, marge…)
NREL (2019)
Coût des modules Coût des installations
Waffer
Traitement waffer
Métallisation
Autres coûts cellule
Matériaux module
Assemblage module
Du module au système
IRENA (2019)
1.07$/W 40-60 $/MWh 0.24 $/W
Module Electronique Hardware (autre)
Installation Soft costs (taxes, $, marge…)
NREL (2019)
Coût actualisé de l’énergie
Maintenance
Dégradation
Ensoleillement
-0,5% /an
Efficacité: 20% → 17% en 30 ans
ITRPV (2019)
Module
Electronique
Hardware (autre)
Installation
Soft costs (taxes, $, marge…)
Coût des modules Coût des installations
Waffer
Traitement waffer
Métallisation
Autres coûts cellule
Matériaux module
Assemblage module
19
LCOE
20
40
60
80
100
120
140
Solaire toiture
Ferme solaire
Eolien terrestre
Eolien offshore
Biomasse Nucléaire Combiné gaz
Co
ût
actu
alis
é d
e l’é
ner
gie
(€/M
Wh
)
Fraunhofer ISE, Levelized cost of electricity – renewable energy technologies (2018)
EIA, Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation (2019)
Coût écologique des modules
20
T. Wetzel & S. Brochers, Prog. In PV, 2014
Réduction de l’empreinte énergétique des modules.
II. Etat actuel de la filière
Capacités « installées »
21
Production réelle =
Capacité installée x
Facteur de charge (PV 15%, éolien 20%, thermique 80%)
En 2018, 500GW « installés »
650 TWh réellement produits (=2.5% de la production mondiale)
+42%/an
II. Etat actuel de la filière
BP (2015) & IEA-PVPS (2019)
En France en 2018, 8.5 GW installés, 10 TWh produits (soit 2% du total) RTE (2019)
On installe quoi / où / comment ?
22
Chine 45%
Autre
Chine 35%
Autre
Europe 23%
USA 12%
Japon 11%
Inde 6%
500 GW + 100 GW
IEA PVPS 2019
Puissance installée dans l’année 2018 Puissance totale « installée » (2018)
Cen
tral
isé,
co
nn
ecté
au
rés
eau
D
écen
tral
isé,
co
nn
ecté
au
rés
eau
US 10%
Inde 11%
Europe 8%
Japon 6.5%
II. Etat actuel de la filière Fraunhofer Institute, PV report, 2018
IEA PVPS 2019
Où sont produits les panneaux ?
23 II. Etat actuel de la filière
Matériaux critiques
24
Pétrole
Charbon
Perovskite
Pas d’enjeux de ressources, mais de toxicité
Cellules silicium
Si est le 2ème élément le plus présent sur Terre
P, B sont peu critiques, et utilisés en quantités infimes
Ag est l’élément le plus limitant (2007 : 400mg / cell. 2016 : 130mg / cell. 2028 : 65 mg / cell ?) https://www.pv-magazine.com/2018/07/06/amount-of-silver-needed-in-solar-cells-to-be-more-than-halved-by-2028-silver-institute-says/
Couches minces
Utilisation de matériaux critiques
A. J
. Hu
nt
et
al, E
lem
ent
Rec
ove
ry a
nd
Su
sta
ina
bili
ty,
2013
Fin de vie & recyclage
25
https://www.greenmatch.co.uk/
“C’est la première usine de recyclage dédiée aux panneaux solaires en Europe, et sans doute dans le
monde” Gilles Carsuzaa, directeur recyclage électronique Véolia.
G. De Cleerq, Reuters, June 2018
End of life management, IEA – IRENA, 2016
250 000 t
5 000 000 t
2016 2050
Réutilisé ≠
Récyclé !
Techno non Si ?
Stabilité électrique
III. Les défis à venir
Prod.
Prod.
Conso.
Conso.
Evacuer le surplus vers le réseau
Soutirer le déficit du réseau
Autoconsommation ne veut pas dire autonomie ou autarcie !
Equilibre en énergie (sur une journée ou une année)
≠ Equilibre en puissance !
Conclusions
27
I/ Quelques ordres de grandeurs sur le solaire
II/ Etat actuel de la filière photovoltaïque
III/ Perspectives et défis à venir
Références Cadastre solaire du Parc Naturel Régional (estimez la ressource solaire) https://parc-naturel-chevreuse.insunwetrust.solar/ Agence locale de l’énergie et du climat (ALEC) https://alec-ouest-essonne.fr/ Rapport de RTE sur l’évolution du réseau transport https://www.rte-france.com/fr/article/evolution-du-reseau-electrique-francais-l-horizon-2035 Rapport de RTE sur le véhicule électrique https://www.concerte.fr/system/files/concertation/Electromobilite%CC%81%20-%20Synth%C3%A8se%20vFinale.pdf Estimation des ressources renouvelables et des besoins d’énergie https://www.amides.fr/sewtha.html Traduction et résumé citoyens des rapports du GIEC https://citoyenspourleclimat.org/informations/
Vers le terawatt et au-delà ?
Pilotabilité Variations journalières / saisonnières Intermittence Asynchronicité
ms s min heure jour mois années
Maintenance Durée de vie
Développement Architecture
réseau
Prédictibilité
Inertie
Pas de solution satisfaisante à l’heure actuelle. Pas non plus un problème à l’heure actuelle !
(2-3% production)
III. Les défis à venir
Garder la cadence / Gérer la fin de vie des panneaux / gagner en rendement / intégrer le réseau
Quelle ‘‘transition énergétique’’ ?
Quelles solutions techniques pour les réseaux ?
Quel périmètre d’anlyse (France, Europe) ?
La quête des très hauts rendements
30
Rappel : module < 20% du prix de production
Silicium proche de la limite maximum théorique (27% vs 29%).
Gagner en rendement pour baisser les prix.
Cellules tandem pour dépasser 30% de rendement ?
Nouvelles stratégies de conversion d’énergie (potentiel industriel direct faible à court terme, fort intérêt fondamental)
II. Les défis à venir
31
Ressource solaire
Recommended