Photovoltaique pour la strategie d’énergie 2050

Photovoltaique pour la strategie d’énergie 2050

Christoph Ellert Association de physicien du Valais

16. Nov. 2013

HES-SO Valais-Wallis Page 2

Contenu

1. Vue d’ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique

2. Energie Solaire: base

3. Energie Solaire: technique

4. Energie Solaire: couts

5. Energie Solaire: recherche & future & discussion


Contenu







Consommation 1910 - 2012

1/3

1/3

1/3

Electricité ~ 1/4

2012 245 TWh

Environnement?

Produits petroliers, Gaz ~ 2/3

Beaucoup à faire…

OFEN Energiestatistik 2012


Flux d’énergie 2012

Foyers 1/3

Industrie 1/3

1/3 Transport


Consommation électrique Suisse

1. 2012 : 63 TWh

2. Saturation d’augmentation ?

3. Distribution 1:1:1

4. Production: 59% hydro 36% Nucleaire 6% thermique

1/3

1/3

1/3 40%

60%

Ref.: BFE/OFEN Elektrizitätsstatistik 2012


Flux d’énergie électrique

59% hydro & 41% Nucleair & thermique

Distribution 1:1:1

7% !!!

Foyers 1/3

Industrie 1/3

1/3 Transport & service



Comparaison : Suisse - Allemagne

CH D

renouvelable Solaire CH 60% 0.6 D 15% 3.5



Contenu







Source & potentiel d’énergie solaire

Intensité: I = Puissance / surface Extérieur atmosphère: Iext = 1400 W/m2 Niveau de mer: Isol = 1000 W/m2

Heures ensoleillés: tsol = 24h · 365 = 8760 h/an saison & journalier, meteo 1/8 teff = 1100 h/an Rayonnement CH: Ptot = surface · Isol teff = 41300 km2 · 1000 W/m2 · 1100 h = 45000 TWh ≈ 200x consommation total ≈ 800x consommation électrique 8% Surface CH est construite ≈ 60x consommation électrique

≈ 160x nucléaire&therm production électrique η=15% ≈ 24x nucléaire&therm production électrique


Exploitation d’énergie solaire

rendement η = Energie utile Eel / Energie rayonnement Esol

Conversion par: 1. Absorption classique chaleur solaire thermique 2. Effet photoélectrique (prix noble Einstein 1921) tension électrique photovoltaïque

Effet quantique

Chauffement classique


Contenu







Solaire thermique ≠ Photovoltaïque

Eau chaude par solaire thermique η= 30 … 70%

PV: courant électrique par cellule solaire η=15 … 20%


Principe d’une cellule solaire

• Matériel de base: semi-conducteur

• Essentiel: gap énergétique entre valence et conduction Ideal: Shockley & Queisser 1961

• Photon création d’un paire électron – trou • Physique de semi-conducteur: dopage « p » et « n » zone avec champ électrique

• séparation électron – trou • Tension au borne

• À éviter: recombinaison d’électron –trou perte de rendement

qualité du matériel – monocristalline > poly cristalline > couche mince Influence de la température augment les pertes


Technologies divers

• Silicium: monocristalline, polycristalline ~85% du marché • Matériaux composite: couche mince

• CdTe – toxique η ~ 17% • CuISe / CuIS – compliqué η ~ 17% • Si amorphe et microcristalline – bonne marché: rendement η ~ 12%

• GaAs/InGaAs – niches • Cellule avec concentration de la lumiere: triple junction η=44,4% (Sharp 2013)

• Cellule colorant type « Grätzel » η ~ 12% stabilité amélioré voir EPFL • « Flexible » même type autre substrat • Cellule imprimé même type autre production • Autres types (Pyrite FeS2, Perowskit CaTiO3) R & D

NZZ 9.oct 2013


Energie solaire … autres options…

• Moteur Stirling transfert de chaleur (ici: solaire) en énergie mécanique / electrique • Concentration par miroir sur récepteur central température au délà de 2000 °C

• Thermo catalyse des substances chimiques Energie chimique (ex. hydrogène) • Thermolyse décomposition des toxiques

E/eV

Hematite water Pt

Conduction band

Valence band

E0 (OH-/O2)

E0 (H2/H+)

Pt-Cathode Electrolyte n-type Photoanode

Bias

1.23eV

H2

O2

4 e- + 4 H2O 2H2 + 4OH- 4OH-O2+2H2O+4e-

e-

hν

Bias

http://www.pv-magazine.com/fileadmin/uploads/bilder/pvi_Bilder_fur_Nachrichten/Parabolic_power_plant_Image_Solar_Millennium.jpg


Combinaison Solaire thermique avec PV ?

• Bonne idée!

• Possible - techniquement • Réalisé et sur le marché

• Température du PV ensoleillé ~ 40°C … 70°C • Mais: température idéale PV < 30°C ↔ température pour le thermique ~ 80…90°C

Soit: à la température ou le thermique fonctionne le PV ne a perdu Soit: la température ou l’investissement du refroidissement est utile le thermique ne donne plus

rien


Energie solaire au cours du temps Non fiable ?

• Injection au réseau publique Plus fréquents aujourd’hui Exige investissements au réseau publique

• Consommation propre actuellement en vogue en Allemagne à cause du prix kWh élevé

• Stockage nécessaire partir de 10% énergie totale (Suisse: 0.6% actuellement!) • En barrage, possible entre saison; exemple: Nant de Drance 2018 ~1 GW • Local en batterie: techniquement réalisé, chère, stockage journalier • Autres options? Chimique: prototype 6MW en Allemagne, sujet très en vogue

Bachelor HEI Sion, A. Perruchoud 2013


Contenu







Couts I pour l’investisseur privé ou « grand »

petit, privé grand, industriel puissance 10 1000

Investissement

couts specifique CHF/Wp

absolut CHF

couts specifique CHF/Wp

absolut CHF

Panneaux PV 1 10000 0.8 800000 Onduleur 0.3 3000 0.2 200000 protection, cable 0.2 2000 0.2 200000 Mecanique 0.3 3000 0.2 200000 Installation 0.5 5000 0.3 300000 Planning 2000 10000 Total investissement initial 2.5 25000 1.71 1710000 frais credit %/an 4 1000 4 68400 frais maintenance & reparation %/an 1 250 1 17100

Retour sur l'investissement Energie gagné specifique kWh/kWp*an 1000 1000 Energie gagné absolut kWh 10000 1000000 Prix electricité sans subvention CHF/kWh 0.1 1000 0.07 70000 + subvention CHF/kWh 0.15 1500 0.15 150000 prix total du vent / an CHF/kWh 0.25 2500 0.22 220000 gagné chaque annee CHF 1250 134500 apres … annee #annee 25 31250 25 3362500 amortie apres … annee #annee 20.00 12.71

calcul


Couts II: Combien ca coute pour le publique Suisse? Consommation électrique Suisse par an: industrie, transport & foyers 63 TWh = 63000GWh = 63·106 MWh = 63·109 kWh Potentiel de l’énergie solaire Modules PV 12m2 par habitant → 1.8 kWp → 2000 kWh/an 8 Mio habitants → 16·109kWh = 16·106 MWh → 25% consommation Suisse

Couts 16·109 kWh subventionné avec 0.1 CHF/kWh → 1.6 Mrd CHF/an rétribués sur 63 TWh → prix d’électricité +2.5 Rp/kWh Pour le privé: 1000 kWh/habitant·an → +2 CHF/mois


Comparaison de rendement Solarthermique vs Photovoltaique vs classical thermal power plant

• Solarthermie 50% mais: pas utile toute l’année moyenner 20% ??? • PV 15 .. 20 % • Centrale nucleaire ~ 33% (Carnot: eta ~ Delta T / T = 200 K / 600 K

• Central à Gaz/Vapeur ~ 50 – 60%

• Centrale thermique à charbon ~ 25 – 50% (avec couplage chaleur force 70 – 90%)


Contenu







R & D aujourd’hui... • Nouveau matériaux ( physique, recherche fondamental) • Optimisation des matériaux actuel HIT ~ 22% • Réduction des couts sur chaque élément

ISE 2012 Freiburg

Bloomberg 2013


Arguments contre le PV

• rumeur: « courts durée de vie »

Sunnegga, Zermatt Central PV 1993

Sion, Vissigen, Central PV 1993

Photowatt Module de1980

0

200

400

600

800

1000

0

500

1000

1500

2000

2500

0 100 200 300 400 500 600

Leis

tung

DC

[Wat

t]

Stro

m [m

A]

Spannung [Volt]

Ost, obenOst, obenOst, MitteOst, MitteOst, untenOst, unten



« Photovoltaïque pollue l’environnement aussi »

Swissolar & energieSchweiz, Merkblatt Photovoltaik Nr.11, 08/2013



• « Retour d’énergie plus petit qu’ils ont consommé pour leurs production » 1.5 ... 4.5 ans

N. Jungbluth et al., Life-cycle Inventories of PV, ESU-Services, 2012 (im Auftrag des BFE)


• Rumeur « pas possible en haute montagne » Hotel Weisshorn, 2300m Sunnegga, Zermatt, 2300m

• « Trop chère » (voir en haut)

• « Pas assez de surface » (voir en haut)

• « Toxique » une seule technologie (voir en haut)

• « Ca sert a rien en Europe car l’Afrique & Asie ne font rien »

Chine est plus active que l’Europe Afrique: à nous d’aider

Arguments contre le PV:


« Attendre que rendement augment fortement » ???

• Ou est - on? η ~ 15…20% aujourd’hui • On compare avec quoi?

100% ?? … ou avec … Centrale thermique & nucleaire, qui produise du dechet (CO2 ou autre), mais donne pas

100% non plus? • Quoi est techniquement possible?

44% techniquement achevé, mais limites physique relative au couts

• Comparaison avec la nature: photosynthese ~ 1% … 35% - selon étendu chimique/énergétique


PV an der HEI Sion

• Bachelor SI: A. Perruchoud 2013: « PV en haute montagne » Hotel Weisshorn à 2300m • Centrale de test sur Batiment B – en construction • Système solaire avec stockage – 2012/2013, en demenagement • Supervision des centrale anciens: de 1993 (à Zermatt, Sion) • Développement du système « DC-save » - Projet en cours

• Photovoltaïque für Togo 10kWp actuellement 100 kWp dans l’avenir


Exemples PV

• Jolie à voire … • Raisonnable… • En petit…

• En gros…

Aarau, 880m2, 130 kWp

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Gleisdorf.Solarbaum.jpg

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Smiley.svg&filetimestamp=20060705145302



17/11/2013 Centrale PV Test 32

Merci pour votre attention !!


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