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