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Impact envrironnemental des panneaux photovoltaïques

La fabrication des panneaux photovoltaïques a un impact environnemental non négligeable : fabrication à haute température du verre et du silicium, transport longue distance, quelques milligrammes de « terres rares », … Cela doit-il nous inquiéter ?

Selon un article de la revue « nature » [Re-assessment of net energy production and greenhouse gas emissions avoidance after 40 years of photovoltaics development], Atse Louwen, Wilfried G. J. H. M. van Sark , André P. C. Faaij & Ruud E. I. Schropp ; Nature Communications volume7, Article number: 13728 (2016)] , entre les années 80’ et aujourd’hui, l’empreinte des panneaux solaires n’a cessé de baisser passant de :

±400gr à moins de ±25gr de CO2_équivalent/kWh pour les panneaux monocristallins
±140gr à moins de ±20gr de CO2_équivalent/kWh pour les panneaux polycristallins !

À titre comparatif, voici quelques chiffres du GIEC (2014) :
Source d’énergie	Impact en gr de CO2 équivalents par kWh
Parcs éoliens	11
Panneaux solaires	27 (20-25 selon d’autres sources plus récentes)
Centrale à gaz	490
Centrale au charbon	820 (+Particules fines)
Nucléaire	12 (+Risque de catastrophe nucléaire)

Dans le même temps, les rendements de production, la recyclabilité et le déploiement des panneaux n’ont cessés de croître permettant aux PV d’assurer un retour environnemental en moins de 4 à 5 ans sous nos latitudes pour les études les plus prudentes. Un retour sur 2 à 3 ans peut également être trouvé chez les auteurs dont les hypothèses sont plus favorables. Cette durée devrait continuer à se raccourcir dans les années à venir alors qu’en parallèle la durée de vie des panneaux modernes – conventionnellement définie à 20 ans – devrait s’étendre à 30 ans et + dans les années à venir.

Moyennant l’acceptation d’une baisse de rendement (de l’ordre de 20% après 20-25 ans), certaines entreprises garantissent leurs systèmes pour « toute la durée de vie de votre maison » ! Dans un futur proche, les panneaux solaires pourraient donc même survivre à votre maison !

Néanmoins, rien n’est éternel. En ce qui concerne la fin de vie des panneaux, on estime en 2019 qu’avec les techniques actuelles, entre 90 et 95% des composants des panneaux peuvent être recyclées((Selon le rapport de l’agence internationale de l’énergie : INTERNATIONAL ENERGY AGENCY PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS PROGRAM, End-of-Life Management of Photovoltaic Panels: Trends in PV Module Recycling Technologies IEA PVPS Task12, Subtask 1, Recycling Report IEA-PVPS T12-10:2018, January 2018, ISBN 978-3-906042-61-9)) (l’énergie nécessaire au recyclage étant prise en compte dans le calcul du retour énergétique). Ensuite, partant du constat que, pour la Belgique, l’installation de panneaux a réellement commencé à décoller vers 2009 avec un pic vers 2011 (Apere), nous pouvons estimer que le début du recyclage à grande échelle ne devrait pas se manifester avant ±2030, ce qui nous laisse encore quelques années pour améliorer la valorisation des panneaux en fin de vie.

On pourrait aussi légitimement se demander ce qu’il en est des panneaux plus anciens dont la fabrication était jadis jusqu’à 8 fois plus impactante qu’en 2016 ? Avec un calcul rapide, on peut se rendre compte que ces premiers modèles de panneaux proposaient un retour environnemental sur 20 à 40 ans alors même que leur durée de vie tourne autour des 20 ans. Ces premières versions de panneaux ont donc un bilan neutre ou négatif sur l’environnement !

Rassurez-vous néanmoins, malgré des débuts mitigés et une explosion énergivore de la quantité de panneaux produits, toujours selon cette étude, les balances nettes cumulées depuis les débuts du PV, sont passées en positif récemment, entre 2011 et 2018 (selon les hypothèses). Et ce tant pour le CO2 évité par rapport au CO2 produit que pour l’énergie primaire produite par rapport à celle consommée pour la fabrication, l’entretien et le recyclage.

L’investissement environnemental de départ nécessaire pour qu’une technologie voit le jour et atteigne une certaine maturité est donc derrière nous et le PV a de beaux jours exponentiellement positifs devant lui !

Re-assessment of net energy production and greenhouse gas emissions avoidance after 40 years of photovoltaics development, Nature 2016. [Les hypothèses bleues et jaunes correspondent respectivement à une hypothèse de rendement des panneaux produits progressant dans le temps et une hypothèse de rendement stagnant et bas des panneaux]

Pour conclure, rappelons qu’il vaudra toujours mieux chercher à se passer d’énergie (isolation, systèmes passifs, …) que de la produire de manière renouvelable. Un bilan « net », même « positif » implique toujours une balance entre des effets désirables mais également des impacts négatifs. Si, mathématiquement, on peut soustraire l’un de l’autre, dans la réalité les effets néfastes de la conception, de l’entretien et du recyclage ne disparaissent pas par la production d’énergie fusse-t-elle photovoltaïque. Ces effets positifs et négatifs se juxtaposent plus qu’ils ne s’annulent.

Posted By : Sylvie 9 Août, 2010

Rendement d’un onduleur

Comme toujours, le rendement est le rapport entre deux grandeurs. Dans le cas d’un onduleur, le rendement se mesure en comparant la puissance de sortie de l’onduleur par rapport à la puissance d’entrée.

La puissance fournie à l’onduleur dépendra des conditions météorologiques, de la surface de panneaux installés ainsi que de leurs puissances unitaires.

Comme le rendement varie en réalité en fonction d’un grand nombre de variables, une méthode de calcul simplifiée du rendement global (sur toute la plage de puissance de l’onduleur) permet de mieux tenir compte des conditions réelles, il s’agit du « rendement européen ». Ce dernier à ça de particulier qu’il caractérise l’efficacité à charge partielle de l’onduleur. Ce rendement sera plus faible que le rendement maximal (pic) mais plus proche des chiffres mesurés dans la pratique.

Les normes européennes définissent le rendement d’un onduleur comme étant une moyenne pondérée (en fonction de temps de fonctionnement estimé pour cette charge) de différentes mesures de rendements à charge partielle.

ηEuro = 0,03 * η5 % + 0,06 * η10 % + 0,13 * η20 % + 0,1 * η 30 % + 0,48 * η 50 % + 0,2 * η100.

Dans l’exemple de l’onduleur ci-dessous, le rendement maximum est de 95,4% et le rendement suivant la norme européenne est de :

0.003 * 84.9 + 0.06 * 90.8 + 0.13 * 93.8 + 0.1 * 94.8 + 0.48 * 95.4 + 0.2 * 95 = 94,46 %

En pratique, suivant le dimensionnement de l’onduleur (par rapport à l’installation et sa production), les temps de fonctionnement à charge partielle varient sensiblement.

Actuellement le rendement maximal (pic) des meilleurs onduleurs sur le marché atteint les 98%. Plus le rendement est élevé, plus la durée de vie de l’onduleur sera élevée (les onduleurs sont sensibles à la chaleur) et ses dimensions pourront être réduites (les systèmes de refroidissement ne seront plus nécessaires).

Posted By : Sylvie 9 Août, 2010

Rendement et puissance crête des cellules photovoltaïques

Le rendement d’une cellule ou d’un module photovoltaïque est le rapport entre l’énergie électrique produite par cette cellule ou module et l’énergie lumineuse reçue sur la surface correspondante :

n [%] = Pproduite[kW] / Pincidente[kW]

Le rendement réel varie donc continuellement, en fonction notamment de l’énergie solaire incidente.

Pour permettre une comparaison de l’efficacité de différentes cellules, on définit ces caractéristiques dans des conditions de test bien précises (STC = Standard Test Conditions). Ces conditions sont : émission lumineuse de 1 000 W/m², température de 25 °C, conditions spectrales Air Mass 1.5 (composition du spectre identique au spectre solaire lorsqu’il traverse une épaisseur et demie d’atmosphère, ce qui correspond à un angle d’incidence de 41.8° par rapport à l’horizontale).

La puissance crête est définie comme la puissance électrique produite par la cellule (ou un panneau) lorsqu’elle est soumise aux conditions STC. Cette valeur est utilisée comme référence pour comparer les panneaux photovoltaïques entre eux.

On obtient alors le rendement par la formule suivante :

Nstc [%] = Puissance crête [W/m²]* / Puissance du spectre STC [W/m²]

Avec :

Puissance du spectre STC = 1 000 [W/m²].

Influence de l’éclairement

La luminosité influence considérablement les performances des cellules.

Comme le montre ce graphique, le courant de court-circuit (Icc) croît proportionnellement avec l’éclairement, alors que la tension à vide (Vco) varie très peu (environ 0,5 V).

Ainsi, au plus la couverture nuageuse est importante, au plus l’intensité du courant généré est faible.

Influence de la température

La température a une influence considérable sur le comportement de la cellule et donc sur son rendement. Cette influence se traduit principalement par une diminution de la tension générée (et une très légère augmentation du courant).

Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par rapport au rendement maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation correcte à l’arrière des panneaux !

La perte de tension d’un module ou d’une cellule peut être estimée par la formule suivante :

U(T°) = U(25°C) + (ΔT°*a)

Avec :

ΔT : augmentation de température par rapport aux conditions STC (25°C)
a : coefficient de température Voc [mV/K], valeur fournie par le fabriquant

Limite de Shockley-Queisser pour le silicium

La limite de Shockley-Queisser est une limite physique bornant à ≈ 30 % le rendement atteignable par les panneaux solaires photovoltaïques courants (composés de cellules en Silicium à jonction simple).
Ce plafond de verre provient de deux phénomènes :

Le panneau photovoltaïque ne valorise pas l’entièreté du spectre d’émission solaire (une partie du rayonnement est systématiquement perdue par transformation en chaleur).
La seconde loi de la thermodynamique qui limite le rendement des « machines thermiques » en fonction des températures de la source chaude (soleil) et de la source froide (la cellule).

Actuellement, en fonction des installations et des technologies utilisées, le rendement de cellules se situe en moyenne entre 10 % et 20 % (avec un record en Labo à 26,6 %).

Pour s’affranchir de cette limite, des cellules multi-jonctions voient le jour permettant d’atteindre des plafonds théoriques de l’ordre de 80 % de rendement. Ce type de cellule, en condition laboratoire a déjà dépassé le cap des 40 % de rendement !

Posted By : Sylvie 9 Août, 2010

Caractéristiques électriques des cellules et des modules photovoltaïques

Sous un éclairement donné, toute cellule photovoltaïque est caractérisée par une courbe courant-tension (I-V) représentant l’ensemble des configurations électriques que peut prendre la cellule. Trois grandeurs physiques définissent cette courbe:

Sa tension à vide : Vco. Cette valeur représenterait la tension générée par une cellule éclairée non raccordée.

Son courant court-circuit: Icc. Cette valeur représenterait le courant généré par une cellule éclairée raccordée à elle-même.

Son point de puissance maximal: MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp).

Rem : Pour permettre une comparaison de l’efficacité de différentes cellules, on définit ces caractéristiques dans des conditions de test bien précises (STC = Standard Test Conditions). Ces conditions sont : émission lumineuse de 1 000 W/m², température de 25 °C, conditions spectrales Air Mass 1.5 (composition du spectre identique au spectre solaire lorsqu’il traverse une épaisseur et demie d’atmosphère, ce qui correspond à un angle d’incidence de 41.8° par rapport à l’horizontale).

Actuellement, les cellules présentent des valeurs de l’ordre de 0.5V-3.5A-2.1 Wc.

Raccordement des cellules entre elles

Dans les conditions standardisées de test, la puissance maximale pour une cellule Si (silicium) de 100 cm² (10 sur 10) tourne aux alentours de 1,25 Watt. Cette cellule constitue donc un générateur de très faible puissance, insuffisant pour les applications électriques courantes. Les modules sont donc réalisés par association, en série et/ou en parallèle, de cellules élémentaires. La connexion en série augmente la tension pour un même courant alors que la connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique.
Pour que l’électricité générée soit utilisable pour nos applications électriques, il est donc nécessaire d’associer entre elles un grand nombre de cellules.

Les modules (généralement présentés sous forme de panneaux) sont constitués d’un certain nombre de cellules élémentaires placées en série afin de rendre la tension à la sortie utilisable.
Ces modules sont ensuite associés en réseau (série-parallèle) de façon à obtenir les tensions/courants désirés.

Association en série

Par association en série (appelée « String »), les cellules sont traversées par le même courant et la tension résultante correspond à la somme des tensions générées par chacune des cellules.

Association en parallèle

Par association en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et le courant résultant correspond à la somme des courants générés par chacune des cellules.

Les caractéristiques globales d’une installation se déduisent donc d’une combinaison des caractéristiques des constituants des ns*np.

Les diodes de by-pass

Il arrive fréquemment que les cellules élémentaires qui composent le module ne présentent pas toutes la même courbe caractéristique au même moment. Les raisons peuvent être multiples : variété inévitable de fabrication, défaillance, différence d’éclairement ou de température (dues par exemple à un ombrage non uniforme du module, un encrassement,…).

Sous certaines conditions, la cellule la plus faible peut alors se comporter comme une cellule réceptrice, dissipant la puissance générée par la cellule la plus forte. Celle-ci peut même être détruite si la contrainte ou la température devient trop importante.

Pour éviter ce phénomène, on place des diodes de by-pass (empêchant tout courant ou tension inverses). Celles-ci sont placées en série lorsque les cellules sont connectées en parallèle et en parallèle lorsque les cellules sont connectées en série.
Les modules aujourd’hui commercialisés comprennent généralement des diodes de protection situées en parallèle des différents strings qui le composent.

L’utilisation de ces by-pass induit néanmoins des perturbations de la courbe caractéristique, modifiant le point de puissance maximal du module :

Pour ne pas induire inutilement ces pertes, il est donc très important que ces diodes de by-pass soient utilisées et placées en cohérence avec les ombres générées par l’environnement du module.

Posted By : Sylvie 9 Août, 2010

Effets photoélectrique et électroluminescent

Un matériau semi-conducteur

Un matériau semi-conducteur est un matériau dont la conductibilité électrique peut varier en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve.

C’est la mécanique quantique et la théorie des bandes qui permettent d’expliquer ce comportement. Schématiquement, le phénomène peut être représenté de la manière suivante :

Le niveau d’énergie d’un électron d’un atome ne peut prendre qu’un certain nombre de valeurs discrètes. Ces plages sont appelées « bandes d’énergie ». Suivant leur niveau d’énergie, les électrons peuvent soit se trouver dans une bande de valence ou dans une bande de conduction. Dans le premier cas, ils contribueront aux liaisons de l’atome, dans l’autre, à la conductibilité du matériau. Entre ces bandes, il existe des bandes dites « interdites », correspondant aux valeurs énergétiques que l’électron ne peut prendre.

Pour les matériaux conducteurs, cette bande interdite n’existe pas. Les électrons de liaisons contribuent alors directement à la conductibilité. Pour les matériaux isolants, cette bande est quasi infranchissable tant l’énergie nécessaire est importante. Pour les semi-conducteurs, cette bande interdite est suffisamment petite pour permettre un passage aisé des électrons de la bande de valence à la bande de conduction.

Cette représentation permet d’expliquer la différence de comportement à la chaleur des conducteurs et des semi-conducteurs. Dans un métal, les électrons de valence soumis à la chaleur s’agitent, diminuant la zone conductrice de la bande d’énergie. Pour les semi-conducteurs, une augmentation de la température favorise le passage des électrons situés sur la bande de valence vers la bande de conduction, améliorant la conductibilité de l’atome (diminution de la résistance).

Remarque : le niveau de fermi représente le plus haut niveau d’énergie que les électrons peuvent prendre à une température de 0K.

Il est possible d’augmenter la conductibilité d’un semi-conducteur par un procédé chimique, appelé dopage, qui consiste à insérer des impuretés dans le semi-conducteur.

On réalise ainsi des semi-conducteurs de type n et des semi-conducteurs de type p.

Pour obtenir un matériau de type n, on dope le matériau semi-conducteur (généralement du silicium) avec un élément de valence supérieure (possédant plus d’électrons que le semi-conducteur), comme le phosphore, afin d’ajouter des électrons à la bande de conduction. La conduction est alors assurée par le déplacement de ces électrons.

Pour obtenir un matériau de type p, on dope le matériau semi-conducteur par un élément de valence moins importante, comme le Bore, afin de diminuer le nombre d’électrons de la bande de valence. La conduction est alors assurée par le déplacement de porteurs chargés positivement (trous correspondant au manque d’électrons).

Une jonction PN

Une diode électroluminescente ou une cellule solaire photovoltaïque est composée d’une jonction p-n, la couche supérieure étant un matériau de type n et la couche inférieure de type p. Pour fabriquer ces jonctions, on effectue un traitement de surface pour déposer un semi-conducteur de type n sur la surface externe d’un matériau de type p.

La mise en contact de ces matériaux génère une barrière de potentiel à la base du champ électrique permanent. Cette barrière, appelée zone de déplétion, est formée par recombinaison du surplus de trous et d’électrons des zones p et n remise en contact. Le schéma suivant représente les niveaux d’énergie au voisinage de la jonction :

Si la température d’une telle jonction augmente, les électrons rempliront progressivement tous les états d’énergie, annulant la bande interdite et par là, l’effet de la jonction p-n.

Effet photoélectrique

Historique et principe

L’effet photoélectrique a été découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Il est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur, lequel génère alors une tension électrique. Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. (Source : EF4, facilitateur photovoltaïque).

Le rayonnement solaire est constitué de photons dont l’énergie est décrite par la relation suivante :

E [J] = hv = h . c/λ

Avec,

h : constante de Planck.
λ : longueur d’onde [m].
v : fréquence [Hz].

Quand un photon heurte la cellule, il transmet son énergie aux électrons des semi-conducteurs. Si l’énergie absorbée est suffisante pour permettre le passage de la bande interdite (hv > Egap = Éconduction – Evalence), ces électrons quittent leur bande de valence et entrent dans la bande dite de conduction. Cette émission d’électrons et des trous correspondants (on parle de paires électron-trou) due à l’action de la lumière est appelée effet photoélectrique interne (car les électrons ne sont pas éjectés en dehors de l’atome). Les propriétés physiques du matériau sont alors modifiées et celui-ci devient conducteur (photoconductivité). Si à l’inverse l’énergie du photon n’est pas suffisante, il traverse le matériau sans transmettre d’énergie.

Ainsi, un matériau semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0.7 et 0.4 eV est un matériau dit photovoltaïque du spectre solaire.

Le défi est de récupérer la paire électron-trou ainsi générée, car si celle-ci n’est pas récupérée suffisamment rapidement il y a recombinaison entre l’électron et le trou. Pour pouvoir valoriser le potentiel électrique de cet effet, on utilisera la différence de potentiel induite par une jonction pn.

Influence de l’éclairement

L’effet du rayonnement lorsqu’il fournit assez d’énergie (si celle-ci est supérieure à la largeur de la bande interdite) fait apparaître des paires supplémentaires d’électron trou porteur (apparition simultanée d’un porteur n et d’un porteur p) dans la jonction.

Les porteurs p ainsi créés ont tendance à migrer vers le matériau p et les porteurs n vers le matériau n, renforçant la barrière de potentiel. Une partie des porteurs générés par le rayonnement sera elle aussi soumise à divers phénomènes de recombinaison (disparition simultanée d’un porteur n et d’un porteur p).

L’éclairement a deux effets sur le fonctionnement :

Si le système fonctionne en mode récepteur (quadrant III) : la résistance diminue avec l’éclairement, c’est la photorésistance.

Si le système fonctionne en mode générateur (quadrant IV) : le courant « court-circuit » est proportionnel à l’éclairement et la tension à vide est celle de la diode en polarisation directe. C’est la cellule photovoltaïque à jonction PN. C’est sur ce quadrant IV que sont basées les caractéristiques des cellules :

Représentation théorique et équation d’une « cellule idéale ».

Avec,

Icc [A] : courant de court-circuit dû à l’éclairement E
Vco : tension en circuit ouvert.

Pour créer un courant, on place des électrodes sur chacun des matériaux et on les relie par un circuit électrique. Ces raccordements et leur fabrication provoqueront des effets résistifs parasites qui différencieront les caractéristiques réelles des cellules de ce comportement théorique.

Théories

Pour en savoir plus sur les caractéristiques des cellules.

Effet électroluminescent

Historique

H.J. Round fut le premier à observer une émission de lumière par un semi-conducteur en 1907. La diode électroluminescente était née. C’est, en quelques sortes, l’inverse de l’effet photoélectrique qui caractérise les cellules photovoltaïques. Utilisée dans les LEDs, cette technologie n’a pas cessé de s’améliorer tant au niveau de l’étendue de la gamme de couleurs qu’à l’explosion des domaines d’application comme la signalisation et l’éclairage de puissance.

Principe

Lorsqu’on soumet une jonction PN à une source électrique à courant continu, la jonction présente un comportement différent si elle est soumise à une différence de potentiel dans le sens direct ou dans le sens inverse.

La polarisation directe de la jonction (en respectant les bornes) provoque un abaissement de la barrière de potentiel et permet un passage important d’un courant appelé courant de diffusion et dû aux porteurs majoritaires. La présence de ce courant de diffusion déséquilibre le système et aboutit à une croissance de la population des porteurs minoritaires dans chaque zone. Si la tension de polarisation directe est suffisante, la probabilité de recombinaison radiative n’est plus négligeable et des photons sont produits par la recombinaison dans la jonction.

À titre indicatif, la polarisation inverse provoque un renforcement de la barrière de potentiel (élargissement de la zone de déplétion par recombinaison) et un courant dû aux porteurs minoritaires (trous dans le type n et électrons dans le type p). Ce courant, très faible, varie peu en fonction de la tension.

Cette caractéristique est à la base des diodes, composant électronique qui ne permet le passage de courant que dans un sens.

Ce schéma montre la relation typique entre l’intensité du courant et le potentiel d’un tel composant :

Couleur émise

La longueur d’onde λ, soit la couleur de la lumière émise, dépend du fameux saut d’énergie :

E_gap = h.c / λ.

Avec,

h : constante de Planck
c : vitesse de la lumière
λ : longueur d’onde [m].

Liée aux matériaux et au taux d’impuretés de la diode, la lumière émise est quasi monochromatique, ce qui signifie que la couleur émise sera saturée.

Chaque recombinaison n’est pas radiative : il n’y a donc pas d’émission de photon à tous les coups, ce qui réduit l’efficacité de la Diode électroluminescente. Il est donc nécessaire pour les fabricants d’allier des matériaux et des moyens de conception qui permettent d’optimiser le rendement radiatif. Pour l’éclairage, les fabricants ont donc dû faire appel à leur imagination pour améliorer la performance de la jonction : on parle d’hétérojonctions multiples pour les LED de puissance contre des homojonctions pour les LED classiques de basse puissance.

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Rendement d’un onduleur

Rendement et puissance crête des cellules photovoltaïques

Influence de l’éclairement

Influence de la température

Limite de Shockley-Queisser pour le silicium

Caractéristiques électriques des cellules et des modules photovoltaïques

Raccordement des cellules entre elles

Association en série

Association en parallèle

Les diodes de by-pass

Effets photoélectrique et électroluminescent

Un matériau semi-conducteur

Une jonction PN

Effet photoélectrique

Historique et principe

Influence de l’éclairement

Effet électroluminescent

Historique

Principe

Couleur émise