L`énergie solaire, un créneau d`optique et de photonique

L’ÉNERGIE SOLAIRE,
UN CRÉNEAU D’OPTIQUE ET
DE PHOTONIQUE DANS UNE
INDUSTRIE MONDIALE EN FORTE
CROISSANCE
Par Renaud Beauchesne et Christian Roy de SECOR
Et Raymond Gilbert d’Opsun
Avril 2010
UNE COLLABORATION DE
TABLE DES MATIÈRES
Introduction ..............................................................................................................................................
1
1. L’énergie solaire est la seule énergie renouvelable propre dont la quantité est quasi infinie,
la durée de vie quasi éternelle et la répartition terrestre complètement décentralisée .........
1
1.1 Les énergies fossiles : pétrole, charbon et gaz ........................................................................
3
1.2 La fission nucléaire ........................................................................................................................
3
1.3 L’hydroélectricité ..........................................................................................................................
3
1.4 L’éolien ............................................................................................................................................
4
1.5 Les autres énergies : océan, géothermie, biomasse .............................................................
4
1.6 L’énergie solaire ............................................................................................................................
4
2. Les coûts de production de l’énergie solaire seront les mêmes que ceux de production
d’énergies alternatives d’ici cinq ou dix ans .....................................................................................
8
3. L’augmentation de l’efficacité des systèmes solaires passe par l’optique/photonique,
créneau où le Québec excelle en recherche et développement..............................................
9
4. Il est urgent de prioriser la R-D en énergie solaire et de mettre en place un programme de
« Feed-in-tariff » pour permettre au Québec de se positionner dans cette industrie d’avenir 10
Conclusion ................................................................................................................................................
12
Annexe 1 ...................................................................................................................................................
14
Hypothèses de travail .........................................................................................................................
14
Annexe 2 ..................................................................................................................................................
16
Annexe 3 ..................................................................................................................................................
27
Annexe 4 ..................................................................................................................................................
29
Annexe 5 ..................................................................................................................................................
31
0
INTRODUCTION
Les pays les plus importants du monde, démographiquement et économiquement, ont lancé une vaste
offensive pour accélérer le développement d’énergies renouvelables comme l’énergie solaire.
Ce mémoire explique pourquoi ils agissent ainsi et pourquoi il est urgent que le Québec fasse son entrée dans
l’énergie solaire. Les constats qui sous-tendent ces suggestions sont les suivants :
L’énergie solaire est la seule énergie renouvelable propre dont la quantité est quasi infinie et la répartition
terrestre complètement décentralisée;
L’installation d’équipement de production d’énergie solaire est déjà en forte croissance dans le monde;
Les coûts de production de l’énergie solaire seront les mêmes que ceux de production d’énergies
alternatives d’ici cinq ou dix ans;
L’amélioration de l’efficacité des systèmes d’énergie solaire passe par l’optique/photonique, créneau où le
Québec excelle en recherche et développement (R-D), un programme concerté de R&D devient une
priorité;
À l’exemple de l’Ontario, le gouvernement provincial devrait mettre en place un programme FIT pour
permettre au Québec de se positionner rapidement dans cette industrie d’avenir.
Chacun de ces sujets est analysé dans la suite de ce mémoire.
1. L’ÉNERGIE SOLAIRE EST LA SEULE ÉNERGIE RENOUVELABLE PROPRE DONT LA
QUANTITÉ EST QUASI INFINIE, LA DURÉE DE VIE QUASI ÉTERNELLE ET LA RÉPARTITION
TERRESTRE COMPLÈTEMENT DÉCENTRALISÉE
La demande énergétique globale de la terre est, en 2009, d’environ 17 térawatts. On estime qu’en 2030, elle
sera de 26 térawatts sur la base d’une croissance réaliste de 2 % par année. Il est important de noter que si
toute la population du monde consommait autant d’énergie per capita que les États-Unis, la consommation
mondiale actuelle serait de 85 térawatts1. L’estimation de 26 térawatts en 2025 prend donc en compte la
relative lenteur de développement des pays en émergence et une hypothèse agressive d’un développement
économique moins énergivore par unité de PIB produite. Il est donc possible que ce chiffre soit grandement
sous-estimé, ce qui augmenterait d’autant le besoin d’agir.
Le tableau 1 illustre un scénario de provenance de l’énergie en 2030.
1
Les États-Unis consomment 25 % de l’énergie mondiale soit 4,25 térawatts, mais ne représente qu’environ 5 % de la
population mondiale. 4,25 térawatts x 20 = 85 térawatts
1
TABLEAU 1. QUELLES SERONT NOS SOURCES ÉNERGÉTIQUES EN 2030?
Demande (TW)
Puissance maximale
disponible (TW)
Charbon
Gaz
Pétrole
17
Biomasse
Géothermie
Océan
Hydro
1
1
Éolien
4
4
Nucléaire
1
1
Solaire
3
40 000/120 000
Total
26
Source: Yogi Gosuvani, University of South Forida
Le tableau 2 illustre la consommation d’énergie en équivalent baril par habitant des États-Unis, de la France,
de la Chine et de l’Inde. Cette disparité tendra évidemment à s’amenuiser au fil du temps, augmentant la
pression à la hausse sur la demande globale d’énergie.
TABLEAU 2. CONSOMMATION D’ÉNERGIE PAR HABITANT (2005)
25
25,0
20
15
11,9
10
5
1,9
0,9
0
USA
France
Chine
Inde
Équivalent baril / Personne / Année
Source : IEA
2
Cette énergie supplémentaire ne pourra pas provenir en quantité suffisante des autres sources d’énergie
connues. La fusion nucléaire hydrogène-hélium est une autre source potentielle mais n’étant pas réalistement
envisageable dans l’horizon considéré (2020-2030), nous examinerons donc les autres possibilités connues :
1.1 LES ÉNERGIES FOSSILES : PÉTROLE, CHARBON ET GAZ
Les énergies fossiles, c'est-à-dire le pétrole, le charbon et le gaz, n’augmenteront pas leur contribution d’une
façon significative au besoin énergétique global. Le pétrole et le gaz commenceront bientôt à diminuer en
termes de quantité disponible. En effet, depuis quelques années, les nouvelles découvertes de ces deux
sources d’énergie sont inférieures à l’augmentation de la demande. Le charbon, encore très abondant, pourra
compenser en partie cette diminution mais la pression pour réduire les émissions de gaz à effet de serre oblige
à envisager des alternatives moins polluantes.
L’apport actuel des diverses énergies fossiles dans le monde est de 14 térawatts. Traditionnellement, le
pétrole, le gaz et le charbon ont fourni plus de 85 % de toute l’énergie utilisée sur la planète. Jusqu’à
maintenant, on a donc réussi à combler l’augmentation de nos besoins énergétiques en augmentant
l’utilisation des énergies fossiles. Les réserves de pétrole et de gaz ne sont cependant pas infinies; il est de plus
en plus difficile de découvrir de nouveaux puits et le coût de production de ces nouvelles découvertes est de
plus en plus élevé. Les énergies fossiles pourront donc difficilement accroître leur contribution au-dessus de
la barre des 14-15 TW, et cet apport est appelé à diminuer dans un avenir rapproché2.
1.2 LA FISSION NUCLÉAIRE
Après la seconde guerre mondiale, les populations du monde fondaient beaucoup d’espoir sur la fission
nucléaire comme source d’énergie à la fois bon marché et inépuisable. À cette époque, on n’avait pas pris en
compte la disposition sécuritaire des déchets, ni la prolifération de ce combustible dont une portion peut
servir à la fabrication d’armes de destruction massives, rendant plus précaire la sécurité de notre planète.
Mais l’énergie nucléaire fait aujourd’hui face à d’autres problèmes; on sait maintenant que le combustible
(l’uranium) est loin d’être inépuisable. L’apport actuel de la fission nucléaire dans le monde est de 0,45
térawatt et son potentiel inexploité est de 0,55 térawatt. Il n’y a donc pas suffisamment d’uranium sur la
planète pour propulser plus d’un TW de réacteurs nucléaires.
1.3 L’HYDROÉLECTRICITÉ
L’apport actuel d’énergie hydroélectrique dans le monde n’est que de 0,5 térawatt. Quant au potentiel non
encore exploité, il est au maximum de 0,2 térawatt, ce qui ne donne au total que 0,7 térawatt.3 L’apport actuel
de l’hydroélectricité est donc limité pour répondre au besoin global en énergie.
2
Source : Association for the study of the peak oil.
Sources : Energy and transportation : Challenges for the chemical science in the 21st century (National Academies
Press, 2003) and Basic Research for solar energy utilization (2005, U.S. Department of Energy Office of Basic Energy
Sciences)
3
3
Les grands projets en énergie hydraulique arrivant à maturité compte tenu des contraintes liées à leur
développement, il y a donc moins de valeur à créer en exploitant l’expertise développée dans ce domaine
d’activité.
1.4 L’ÉOLIEN
Le développement de l’énergie éolienne au cours des vingt dernières années constitue un exploit remarquable.
Cette énergie, dont l’exploitation est millénaire, coûtait beaucoup plus cher que les énergies alternatives.
Toutefois, grâce à de vigoureux programmes de R-D patronnés par des pays européens, le prix du
kilowattheure est passé de 0,80 $, au milieu des années 90, à environ 0,12 $ aujourd’hui.
Cet exploit permet une contribution non négligeable en apport d’énergie propre dans le monde, mais son
potentiel est bien insuffisant pour pallier au manque à venir en énergie. La puissance installée d’énergie
éolienne dans le monde est de 0,15 térawatts. Quant au potentiel non encore exploité, il est de 4 térawatts. La
contribution espérée de l’énergie éolienne est donc au maximum de 4 térawatts4.
1.5 LES AUTRES ÉNERGIES : OCÉAN, GÉOTHERMIE, BIOMASSE
L’océan, la géothermie, et surtout la biomasse, augmenteront leur part de contribution à la demande
énergétique de façon importante dans le futur. Il est envisageable qu’elles dépassent 7 térawatts, mais leur
potentiel est néanmoins limité à des régions spécifiques en ce qui concerne les océans et la géothermie.
1.6 L’ÉNERGIE SOLAIRE
Le soleil disperse 120 000 térawatts sur la terre – ce qui représente une source gigantesque d’énergie. Il existe
un consensus des experts à l’effet que 20% de celle-ci peut être utilisée. Ce 20% représente 24000 térawatts,
soit près de 1000 fois les besoins du monde estimés à 26 térawatts pour 2030.
De plus, contrairement à la perception générale, le froid n’affecte pas l’abondance d’énergie contenue dans les
rayons du soleil. Il dispense en effet 1 000 watts au mètre carré, et ce, même à -30 degrés Celsius. Seuls les
nuages affectent ce niveau. Les pays les mieux pourvus en énergie solaire sont donc ceux qui ont le plus grand
nombre d’heures d’ensoleillement sans nuages. À ce niveau, le Québec se classe dans la moyenne, soit 2 000
heures par année.
Sachant cela, on comprend mieux les pays qui investissent des sommes colossales pour en réduire le coût de
production, car même si celui-ci n’atteignait jamais le prix des autres sources d’énergie, son abondance et sa
décentralisation en feront éventuellement, malgré tout, la principale source d’énergie dans le monde. Mais
comme nous le verrons plus loin, la réduction de coûts de production de l’énergie solaire au niveau des
énergies alternatives est une perspective tout à fait réaliste.
4
Sources : Energy and transportation : Challenges for the chemical science in the 21st century (National Academies
Press, 2003) and Basic Research for solar energy utilization (2005, U.S. Department of Energy Office of Basic Energy
Sciences)
4
DISTRIBUTION 2000-2050
Le tableau 3 donne une estimation de l’évolution de ces dix sources d’énergie et de leur part dans le bilan
énergétique mondial entre 2000 et 2050. D’un apport presque nul en 2000, l’énergie solaire devrait atteindre
15 % du total en 2050 et être la seule source encore en croissance, avec la biomasse.
TABLEAU 3. LE SOLEIL, SOURCE D’ÉNERGIE
Distribution par source, 2000-2050
35
30
25
Sun
Ocean
Terawatts
Geothermal
20
Biomass
Wind
Hydro
Nuclear
15
Gas
Coal
Oil
10
5
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Years
Sources : ASPO, IEA, DOE
L’INSTALLATION D’ÉQUIPEMENT DE PRODUCTION D’ÉNERGIE SOLAIRE EST DÉJÀ EN FORTE CROISSANCE
DANS LE MONDE.
Au début de l’an 2000, l’importance économique de l’énergie solaire était à peu près nulle. En 2009, elle
dépasse 50 milliards de dollars. Les prévisions pour 2015 sont de 350 milliards de dollars ; une croissance
fulgurante, comme le démontre le graphique suivant.
5
TABLEAU 4. L’INDUSTRIE DE L’ÉNERGIE SOLAIRE
47 000 MW
Les revenus de l’industrie solaire
$350
$300
$50
22 000 MW
13 500 MW
$100
7 900 MW
$150
10 000 MW
$200
4 200 MW
Milliards $
$250
$0
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Projection
Source : Photon Intl
Le Japon, l’Allemagne et l’Espagne sont parmi les pays qui ont le plus favorisé le développement de l’énergie
solaire. En 2007, l’Allemagne, dont le territoire est pourtant plus au nord et moins ensoleillé que le Québec
(30 % de moins), a acheté le tiers de tous les panneaux solaires fabriqués dans le monde.
350
300
250
200
150
100
50
0
Sa
nt
ia
go
M
on
tre
al
La
H
av
an
e
N
ai
ro
bi
Bo
st
on
M
ad
Lo
rid
s
An
ge
le
s
Tilt Fixed
Dual Axis
M
un
ic
h
Kwh/m2/annee
TABLEAU 5. ÉNERGIE SOLAIRE ANNUELLE AU M2
Nom des Villes
Sources : PV syst, Université de Genève, OPsun
6
Les États-Unis, qui consomment plus de 25 % de l’énergie produite chaque année sur terre, deviendront l’un
des plus gros utilisateurs de l’énergie solaire.
L’Ontario, qui vient d’adopter son « Green Energy Act », favorisera l’installation de plus de 2 000 MW de
systèmes solaires sur son territoire au cours des cinq prochaines années. Elle désire créer 50 000 nouveaux
emplois à long terme grâce à son programme d’énergies renouvelables. Cette province vise à générer 10 % de
sa consommation électrique totale par l’énergie solaire d’ici 2025. Pour atteindre cet objectif, elle devra bâtir
plus de 16 000 MW de systèmes solaires (voir document de Cansia) avec un investissement total supérieur à
120 milliards de dollars sur les 20 prochaines années.
Au cours des cinq prochaines années, les investissements en énergie solaire au Canada et aux États-Unis
dépasseront les 125 milliards de dollars.
Quant aux perspectives à plus long terme, il semble acquis que l’énergie solaire se taillera la part du lion de la
croissance de la demande énergétique mondiale. À 2% par année sur 17 TW, il s’agit d’un marché annuel de
0,43 TW, ce qui représente, même à un prix de 2,50 $ du watt (le prix actuel est entre 5 $ et 7 $ du watt),
l’importante somme de 1 000 milliards de dollars. L’industrie de l’énergie solaire devrait devenir d’ici 2020
plus importante que celle de l’automobile.
L’énergie solaire n’est handicapée actuellement que par son coût de production. Car non seulement elle est
surabondante, mais elle utilise en plus des matériaux tout aussi abondants, elle peut être complètement
décentralisée, elle rayonne dans tous les pays avec une égale intensité, elle comporte un important résidu de
chaleur éventuellement utilisable dans les pays froids et elle ne pollue pas l’environnement.
7
2. LES COÛTS DE PRODUCTION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE SERONT LES MÊMES QUE CEUX DE
PRODUCTION D’ÉNERGIES ALTERNATIVES D’ICI CINQ OU DIX ANS
Les perspectives de réduction des coûts de production de l’énergie solaire sont réalistes. Ils suivent, vingt-cinq
ans plus tard, la même courbe de réduction que celle de l’énergie éolienne qui est passée, au cours de la
période 1985-2009, de 0,80 $ le kWh à 0,12 $ le kWh.
Depuis le début des années 2000, les coûts de l’énergie solaire sont en effet passés de 1,00 $ le kWh à 0,40 $ le
kWh dans un pays qui a un ensoleillement comparable à celui du Québec, comme le démontre le graphique
suivant :
TABLEAU 6. ÉVOLUTION DU PRIX DE KWH SOLAIRE
1999-2020
Source : ‘’The promise of solar electricity’’ NREL, Dr. Dan E. Arvizu Oct 22 2008 , Solar energy: Rapidly evolving technologies, markets and policies’’
NREL Robert M. Margolis, May 8 2008, Financing Paths for Renewable Energy, Matt Gray and Kevin DeGroat US Green Building Council
renewable energy meeting 23 Sept. 2008
Ce retard du solaire sur l’éolien s’explique par la complexité plus importante des techniques du solaire que
celles de l’éolien qui, somme toute, n’est qu’un moulin à vent dont on a accru la performance.
Le potentiel de réduction de coût du solaire tient à la faible performance, encore aujourd’hui, des cellules
photovoltaïques. Le soleil dispense en effet 1 000 watts au mètre carré, et les cellules les plus modernes n’en
8
utilisent que 15 %, ce qui est pourtant déjà le double de 2003. En 2010, on franchira le cap des 20 %. Ainsi,
en moins de dix ans, l’efficacité des systèmes photovoltaïques aura plus que doublé. Les diverses avenues de
recherche permettent de croire que ce rendement pourra atteindre les 50 %, soit 500 watts au mètre carré.
Cela sans compter le potentiel de récupération de chaleur qui serait fort utile dans les pays nordiques.
Rappelons que ce 1 000 watts par mètre carré dispensé par le soleil ne faiblit pas même aux latitudes
nordiques, même par froid intense, contrairement à ce que l’on peut croire intuitivement. La limitation de
l’énergie solaire est fonction du temps d’ensoleillement annuel, c’est-à-dire de la durée de jours sans nuages et
non du climat du pays. L’énergie solaire n’est pas que l’affaire des pays chauds; c’est l’affaire de tous les pays.
3. L’AUGMENTATION DE L’EFFICACITÉ DES SYSTÈMES SOLAIRES PASSE PAR
L’OPTIQUE/PHOTONIQUE, CRÉNEAU OÙ LE QUÉBEC EXCELLE EN RECHERCHE ET
DÉVELOPPEMENT
L’industrie de l’énergie solaire a besoin de nouveaux matériaux optiques et électro-optiques comme des
matériaux photovoltaïques, des polymères, des matériaux organiques, des lentilles, des semi-conducteurs et
plus particulièrement des matériaux utilisant des nanoparticules. Les fibres optiques et les guides d’ondes
doivent être adaptés aux besoins de l’énergie solaire. Une multitude d’appareils de tests et mesures sont aussi
requis. Dans tous ces secteurs de l’optique, le Québec jouit de l’une des meilleures expertises au monde. Les
innovations des entreprises, des universités et des centres de recherche en optique du Québec sont reconnues
et utilisées partout dans le monde. Pourquoi le Québec n’utiliserait-il pas cette expertise pour créer de la
valeur et devenir un leader d’optique/solaire dans le monde?
La forte demande générée par les entreprises de télécommunications au début des années 1990 a favorisé le
développement d’une nouvelle branche de l’optique, soit l’optique des télécommunications. Depuis le début
des années 2000, c’est la biophotonique qui est apparue. C’est maintenant l’ère de l’optique solaire et profiter
de son potentiel devient un élément porteur de développement économique.
Parmi les principaux secteurs de recherche fondamentale et appliquée qui concernent l’optique solaire, nous
pouvons noter la recherche des matériaux optiques et électro-optiques, la conception des systèmes
optiques/solaires et de leurs composants (concentrateurs, laser solaire, composants optiques), la conception
d’appareils de tests et de mesures optiques ainsi que le développement de nouveaux procédés de fabrication.
Le lecteur pourra trouver plus d’information dans l’annexe 3.
Les systèmes solaires touchent de nombreux autres secteurs comme les mines, les matériaux plastiques, les
alumineries, les systèmes de contrôles électroniques, l’industrie du logiciel, des charpentes d’acier, des fils
électriques, de la pétrochimie, des fonderies, de la chimie, de l’équipement de production automatisé, de la
finance, de la machinerie lourde et de la main-d’œuvre. Pour plus d’information, veuillez consulter l’annexe 4.
9
4. IL EST URGENT DE PRIORISER LA R-D EN ÉNERGIE SOLAIRE ET DE METTRE EN PLACE UN
PROGRAMME DE « FEED-IN-TARIFF » POUR PERMETTRE AU QUÉBEC DE SE POSITIONNER DANS
CETTE INDUSTRIE D’AVENIR
Pour profiter pleinement de l’expertise du Québec en photonique et stimuler la R-D dans le domaine de
l’énergie solaire, le Québec doit se positionner rapidement au sein de cette nouvelle industrie. Pour cela, il faut
préparer un effort concerté de R&D mettant en osmose les industriels et nos centres de recherche et il faut
faire en sorte que nos citoyens puissent avoir accès à ces produits et services ici même. On peut s’inspirer des
solutions adoptées ailleurs, soit un programme de « Net metering » (ce programme existe déjà au Québec) et
des programmes d’incitatifs à l’achat de kilowattheures solaires.
Ces programmes sont de deux types : un programme d’aide financière à l’acquisition d’un système et un
programme de « Feed-in tariff » (FIT) tel que mentionné précédemment.
Un programme de « Feed-in tariff » (FIT) consiste simplement à accepter d’acheter l’énergie produite par un
système solaire à un prix prédéterminé pour la durée d’une entente (entre 20 et 25 ans). L’intérêt d’un « FIT »
réside dans le fait que la contribution n’est payée que sur l’énergie qui est réellement produite au fur et à
mesure qu’elle est réellement produite, tout en acceptant de le faire au coût de production actuel du type de
système d’énergie dont on veut encourager l’installation. L’investissement initial pour produire cette énergie
est entièrement l’affaire du privé. Et comme on le voit dans le chiffrier joint en annexe 1, les retombées
fiscales pour les deux paliers de gouvernements sont très supérieures au coût supplémentaire du kWh que le
gouvernement du Québec devrait temporairement assumer.
Le succès du programme « FIT » a été instantané partout où il a été adopté : l’Allemagne, l’Espagne, le Japon,
l’Ontario et de plus en plus d’états américains ont choisi cette méthode. La Chine, l’Inde et la Grèce viennent
de lancer leur propre programme.
En Ontario, le « FIT » désire encourager l’installation de systèmes décentralisés installés sur les toits des
résidences et des commerces. Une structure de prix de rachat a donc été créée, qui est plus élevée pour une
installation de 10 kW sur le toit d’une maison que pour une installation de 10 MW dans un champ solaire.
Cette nuance mériterait d’être approfondie, ce que nous n’avons pas fait dans le présent document. Toutefois,
avec de pareils tarifs, il est certain que l’Ontario réussira à développer ce secteur prometteur. Naturellement,
le gouvernement ontarien désire que ce soit leur province qui retire les bénéfices de l’aide apportée. Aussi,
malgré l’entente conclue récemment sur la mobilité de la main-d’œuvre entre le Québec et l’Ontario, l’OPA
(Ontario Power Autority) a déjà mis des clauses « Buy Ontarian » dans son processus d’acceptation des
projets solaires au niveau de 50 % la première année, puis de 60 % pour les années suivantes.
Les entreprises manufacturières du Québec n’auront donc aucun accès au marché ontarien. Pour contrer ces
restrictions, il serait donc stratégiquement et économiquement d’envisager la création d’un programme FIT au
Québec. Les règles devenant équivalentes entre les deux juridictions, il serait alors possible de conclure une
entente incluant l’énergie solaire dans le libre-échange des biens entre les deux provinces.
10
Tel que mentionné plus haut, l’énergie solaire doit donc surmonter le même problème qu’a traversé l’énergie
éolienne : son prix de revient était trop élevé pour concurrencer les énergies fossiles. Les développeurs éoliens
devaient donc investir des sommes considérables pour réduire leurs coûts, mais n’avaient aucun marché pour
leurs produits trop chers. Il leur a fallu un support public pour briser ce cercle vicieux. Grâce à cette stratégie,
comme on l’a mentionné plus haut, le coût du kWh éolien est passé de 0,80 $ à 0,12 $ sur la période de 19852009.
Les paramètres du programme FIT que nous proposons tiennent compte de données les plus récentes sur les
perspectives de réduction de coût de production de l’énergie solaire et de hausse des autres formes d’énergie.
De plus, présumant une accélération de la demande au fil du temps, le nombre de MW disponibles dans ce
projet est moindre la première année et augmente selon un pourcentage fixe, la somme totale étant de 2 000
MW.
Les avantages de ce programme seraient les suivants :
Création de nouvelles entreprises québécoises en énergie solaire;
Investissement en R-D permettant le développement d’une expertise québécoise en énergie solaire;
Création de nouveaux emplois dans un secteur en croissance;
Génération d’énergie décentralisée;
Sensibilisation à l’utilisation directe des énergies renouvelables.
11
CONCLUSION
Le Québec, pour des raisons économiques, n’est pas à l’abri des hausses de coût de l’énergie. Le nouveau
développement de la rivière La Romaine coûtera 6,5 milliards de dollars pour 1 550 MW, soit plus de 4 $ du
watt (ou 4 M$ du MW). Le coûtant de ces nouveaux kilowattheures, en incluant les coûts globaux de
transport et entretien, sera de près de 0,135 $. Et les prochains investissements hydroélectriques coûteront
encore davantage, non seulement de par l’inflation, mais également parce que les futurs sites d’exploitation
sont soit de plus en plus loin, soit de moins en moins productifs.
Avec la filière éolienne, nous avons accusé un retard et raté le virage. Si bien qu’aujourd’hui, le Québec n’est
qu’un sous-traitant des concepteurs de cette filière énergétique. Les brevets, les designs, les innovations : tout
est importé.
Nous ne devons pas commettre la même erreur avec la filière solaire, car celle-ci est prometteuse sous quatre
aspects :
C’est la seule source d’énergie inépuisable;
C’est la source d’énergie la plus décentralisée;
Son coût, contrairement à toutes les autres sources, est fortement à la baisse et les vérifications
théoriques confirment que ce potentiel de baisse est fondé sur du concret;
La photonique, domaine d’expertise mondial du Québec, est directement liée à la recherche dans le
domaine de l’énergie solaire.
12
ANNEXES
13
ANNEXE 1
HYPOTHÈSES DE TRAVAIL
À l’image de l’Ontario, un programme FIT spécifique au marché solaire pour le Québec devient un moteur de
développement économique avec un retour sur investissement appréciable comme le démontre le tableau de
la page suivante.
Les principales hypothèses de travail qui ont servi à ce monté sont :
La production du matériel et des produits requis est faite exclusivement au Québec pour les installations
solaires en sol québécois.
Le nombre d’installations et leur envergure représente 2000 MW. Le programme ontarien vise une
capacité de 16 000 MW
La puissance installée à l’an I est de 35 MW et croit de 30% par année sur 10 ans.
Le coût de watt solaire à l’an I est de 8,00$ soit le prix du marché.
Le pourcentage de réduction du watt solaire sur une base annuelle est de 11%.
Le coût d’achat des KWh solaire à l’an I est de 0,40$ en moyenne. Pour l’Ontario, il est actuellement de
0,47$.
Le prix du KW hydroélectrique est fixé à 0,101$ en considération du coût de remplacement actuel et ce
coût croît de 5% par année.
L’avantage fiscal combiné pour le Québec et le Canada en considération du modèle intersectoriel est de
25%.
14
Projet de programme FIT pour le Québec
MW du programme énergie solaire An 1
croissance par année du nombre de MW du programme
Coût du Watt Solaire An 1
Pourcentage de réduction annuelle du Watt solaire
Coût d'achat des KWh solaire An1
Prix du KWh hydroélectrique An1
Pourcentage d'augmentation annuelle du KWh hydroélectrique
Rentrées fiscales (Qc et Canada) des investissements et opérations solaires
$
5% $
$
35,45
30%
8,00 après 6 ans
11,0%
2,3%
0,40
0,101 après 10 ans
5,0%
2,0%
25%
Investissement total au Québec (M$)
Total
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
2029
2030
2031
2032
2033
2034
2035
2036
2037
2038
2039
2040
Total
$
7 297
coût moyen MW (M$)
$
3,6
e
né
m)
es
re s
an
M$
(cu
lai
air
ar
l
n
o
s
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o
p
e
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an
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an
on
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20
KW
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$
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ram
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n
s
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M
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ra
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ix
t ré
Qt
Pr
Pr
Co
Inv
Re
Re
Mk
En
2 000
$ (1 864,15)
$ 1 824,22 $ 3 367,42 $
3 327,49
35 $
0,400 $
0,101
45 $
13,31 $
284,00 $ 70,90 $
4,45 $
62,04
46 $
0,356 $
0,106
102 $
27,55 $
328,00 $ 82,03 $
9,60 $
64,09
60 $
0,317 $
0,111
178 $
42,46 $
380,00 $ 94,91 $
15,56 $
68,01
78 $
0,282 $
0,117
275 $
57,61 $
439,00 $ 109,81 $
22,45 $
74,65
101 $
0,251 $
0,123
402 $
72,30 $
508,00 $ 127,05 $
30,43 $
85,18
132 $
0,223 $
0,129
568 $
85,44 $
588,00 $ 147,00 $
39,66 $
101,22
171 $
0,218 $
0,135
783 $
99,58 $
680,00 $ 170,08 $
51,38 $
121,87
222 $
0,213 $
0,142
1 062 $
114,14 $
787,00 $ 196,78 $
66,26 $
148,90
289 $
0,208 $
0,149
1 425 $
128,04 $
911,00 $ 227,67 $
85,17 $
184,80
376 $
0,204 $
0,157
1 897 $
139,51 $ 1 054,00 $ 263,42 $
109,18 $
233,09
489 $
0,199 $
0,165
2 510 $
145,71 $ 1 338,00 $ 334,57 $
139,68 $
328,54
$
0,194 $
0,168
2 510 $
137,44
$
$
139,68 $
2,24
$
0,190 $
0,171
2 510 $
129,02
$
$
139,68 $
10,66
$
0,185 $
0,175
2 510 $
120,43
$
$
139,68 $
19,26
$
0,181 $
0,178
2 510 $
111,66
$
$
139,68 $
28,02
$
0,177 $
0,182
2 510 $
102,72
$
$
139,68 $
36,96
$
0,173 $
0,185
2 510 $
93,60
$
$
139,68 $
46,08
$
0,169 $
0,189
2 510 $
84,30
$
$
139,68 $
55,38
$
0,165 $
0,193
2 510 $
74,81
$
$
139,68 $
64,87
$
0,165 $
0,197
2 510 $
65,13
$
$
139,68 $
74,55
$
0,165 $
0,201
2 510 $
55,26
$
$
139,68 $
84,42
$
0,165 $
0,205
2 510 $
45,19
$
$
139,68 $
94,49
$
0,165 $
0,209
2 510 $
34,92
$
$
139,68 $
104,76
$
0,165 $
0,213
2 510 $
24,44
$
$
139,68 $
115,24
$
0,165 $
0,217
2 510 $
13,76
$
$
139,68 $
125,93
$
0,165 $
0,221
2 510 $
2,86
$
$
139,68 $
136,82
$
0,165 $
0,226
2 510 $
(8,26)
$
$
139,68 $
147,94
$
0,165 $
0,230
2 510 $
(19,60)
$
$
139,68 $
159,28
$
0,165 $
0,235
2 510 $
(31,17)
$
$
139,68 $
170,85
$
0,165 $
0,240
2 510 $
(42,97)
$
$
139,68 $
182,65
$
0,165 $
0,244
2 510 $
(55,00)
$
$
139,68 $
194,68
2 000
59 447 $ 1 864,15 $ 7 297,00 $ 1 824,22 $ 3 367,42 $
3 327,49
15
ANNEXE 2
Optic and photonic research
The way of achievement of high
efficiency and grid parity of solar system
energy
Artashes Yavrian, PhD
January 2010
1.
Introduction
1.1
1.2
2.
How the sun energy is converted into electricity?
Solar optics research directions
Research in Solar Optics
2.1
2.2
2.3
Opto-electronic material research
2.1.1
New opto-electronic materials
a) Multi junctions
b) Multi-band gap
c) Multi-electron-hole pair (QD generate 3 time more current)
d) Hot-carrier cells
2.1.2
Polymers, Inorganic materials
a) Organic cells
b) New optical materials
c) Materials for nano-wire
Optical design
2.2.1
Concentrators
a) Improvement of SR of optical elements
b) Increase of acceptance angle
c) Diffuse radiation concentration
d) Homogenisers
e) Fibre Optics for solar
f) Waveguide techniques for solar concentration
2.2.2
Spectral modification of the incident sun light
a) Down-up converters. Luminescent concentrators
b) Solar Lasers and Amplifiers
Sun light physics
2.3.1
2.3.2
2.4
Physical and mathematical models
New devices for test and measurements
Optics for solar device manufacturing
2.4.1
Laser proceedings
a) Laser cutting
b) Laser soldering
c) Laser contact grooving
2.4.2
Optical alignment
17
Introduction
Growing needs of data transfer pushed in 80 the creation of new brunches of Optics,
namely optical telecommunication, optical computing and optical proceeding. After the
telecommunication crash at beginning of 2000, optics research was directed for needs of
medicine, thus new important sector of Optics was created – Biophotonique. Now the time
has come to push of creation of new and maybe the most powerful and profitable sector of
Optics - Sun Optics or Solar Optics with the goal to serve the knowledge of Optics for sun
energy harvesting. In solar physics research the Optics should occupies the most important
place.
Why Optics? The answer is simple – sun energy is photon energy, is optical electromagnetic wave energy. Which sector of physics work with photon? This is the Optics.
Optics will be the leader of all branches of physics for solar energy. Like in
telecommunication sector, in solar energy research the Optics will govern the other sector
of physics. The Optical design and research will be the base of all solar systems.
The very fast growing solar industry requires more research and development in the field of
Optics. Its further development is strongly dependent on new solar optics technologies. The
optical telecommunication stimulated enormously the development of optical technologies.
And in this Quebec province have taken a recognized worldwide leadership position.
During the last 15-20 years Quebec has developed excellent expertise in Optics. Thus
Quebec has huge potential to take a leadership position as well as in Solar Optics
research.
1.1 How the sun energy is converted into electricity? The most common and widely
used way is the use photovoltaic modules (PV). PV modules are composed from solar
cells, which is mostly made of semiconductors. The solar electricity can be generated
as well through the conversion of sun light into heat and then the heat into electricity.
However, nowadays the most promising technique is photovoltaic. Therefore the main
research should be concentrated around photovoltaic development. Solar cells, which
represent main part of PV module, consist of p-n junction. Once the light is absorbed
a pair of electro-hole charges is generated. Due to a p-n junction the generated
charges can move only in defined direction; hence an electrical current is created.
The main condition for solar cells is that incident light frequency has to be equal or
higher of band gap value of the solar cells. The lower energy photons simply are not
absorbed by solar cell. Hence they can not generate electrical current. However very
high energetic photons do not so profitable as well for solar cells since the exceed
energy is spent to heat the solar cells, while the heat is worse enemy of cells. Thus,
for all type of solar cells there is an optimal wavelength band of operation.
Actual PV modules consist of single-junction solar cells. According to the theory, the
maximum available conversion efficiency for single junction solar cells is about 30%.
To reach higher efficiencies new type solar cell design is required. The main and most
important drawbacks limiting the higher efficiencies achievement is the sun light
spectrum width – 2000 nm! The spectral width at which solar cell operate at it
maximal efficiencies is about 300 – 400 nm, hence huge concordance gap exists
between solar spectral response and sun light spectrum.
18
There are two ways to achieve better concordance between them, hence higher
conversion efficiencies; to adapt the solar spectral response to sun light spectrum or
to narrow solar spectrum for matching with solar cell spectral response.
1.2
Solar optics research directions. We can identify four main research directions;
optical and electro-optical material research, new solar optical elements and systems
design, sun light physics better understanding and solar system manufacturing
processes optimisation.
In first direction new materials will be developed to obtain new type of solar cells
whose spectral response matching better with solar spectrum as well as to obtain the
optical materials allowing the modification of solar spectrum by it-self. As well as new
optical material such, as optical polymer, glasses and nano-particle, should be
develop for solar optical design (second direction)
The actual photovoltaic world is dominated by flat top PV modules. However it is
evident that the further solar energy industry will be dominated by concentrators,
where, in contrast to flat top panels, sun light is concentrated in order to reduce the
used solar cell dimensions, hence to decrease cost of PV modules. Thus in the
second direction the development of new optical elements and concentrating systems
will be addressed.
Sun radiation is not stable light source. There are many factors which can be subject
of sun light parameters variation. The presence of aerosol, dusts and clouds can
change solar spectrum and level of collimation. At early stage of sun energy industry
the installation of PV modules were not as high as now, thus the error of 10%-20% in
PV module performance prediction was not so important. But now, solar farm reach
tenth of MW, hence better precision in sun light properties predictions is required. In
third direction of research new sun radiation model and new test and measurements
devices should be developed.
1.
Research in Solar Optics
2.1
Opto-electronic material research
2.1.1
New opto-electronic materials. In Quebec, there are many laboratories and
private companies which can develop new type of opto-electronic materials.
Especially, they (COPL, INO, Universities Laval, McGill and Concordia, INRS,
Dalsa Semiconductor, StockerYale, Gentec and so on) can make
fundamental and applied research to obtain new type of solar cells based on
semiconductors materials and on inorganic polymers.
a) Multi junctions. Actually multy junction cells represent photovoltaic cells
for concentrators (HCPV). These cells consist of various semi conductor
layers having of various band gap values (see Figure 1.). At top of the cell
a layer of highest band gap energy is placed, while the semiconductor of
lowert one is situated at the bottom. This configuration, at this moment,
makes it possible to achieve the highest efficiencies (40 % - 42 %).
However they have high level of cost, hence they can be applied only in
concentrators. According to the theory it is possible to achieve 60-70 % of
efficiencies with such configuration. However actual efficiencies are
19
limited due to multi-layer configuration design. Still a fundamental and
applied research is needed to remove several problems such as crystal
matching problems.
Figure 1
Several scientific consider that in parallel to multi-junction cell a research
in other direction should be done. Namely, multi-band, multi-electron-hole
pair and hot-carriers cells have to be studied and developed as
alternative methods to multi-junctions cells. They can be more costeffective and more efficient.
b) Multi-band gap. The concept of multiband materials has recently been
considered as a candidate for nest generation solar cells. In this type of
solar cells a defect-induced intermediate band is introduced between
valence (VB) and conductive bands (CB) (See Fig. 1a). This intermediate
band will allow the absorption of photons with energies lower than the
primary band (the photon which is “invisible” for standard solar cells) and
their use in current generation. The absorption of low energy photons will
happens in two steps. Low energy photon will excite electron from VB to
intermediate zone and from there another low energy photon will pump
electron to CB. This will considerably increase the current running in the
cell, hence its efficiency.
One could expect by such design reach 47-49% of conversion efficiency.
The research of multi-band solar cells is in it earlier stage. One of the
promising way to reach multy-band solar cell realisation is the use of
quantum dots, since a QD is able to produce an electron level within the
host semiconductor, a QD superlattice is expected to produce an IB.
20
Figure 2
c) Multi-electron-hole pair (QD generate 3 time more current). If the
multy-band semiconductor will allow the use of low energy photon for
electric current generation, the multi-electro-hole pair solar cells will
permit very high energy photon to participate more efficiently in lightelectricity conversion processes. As we mentioned above very high
energy photon in parallel to hole-electron pair generation produces to as
well too much heat, leading to solar cell efficiency reduction. In multyelectron-hole pair solar cells, the host semiconductor will be design in
such way that the exceeding energy of high photon will be used to
generate another hole-electron pair (Fig 2b).
The formation of multiple hole-electron pair per absorbed very energetic
photon does not readily occur in bulk semiconductors, but in semiconducting quantum dots. Due to very small dimensions of QD the
excited electron where the rate of energy dissipation is significantly
reduced, and the charge carriers are confined within a minute volume,
thereby increasing their interactions and enhancing the probability for
multiple excitons to form
The primary experimental results demonstrated that with one single
photon in quantum dots three electron-hole pairs where generated in
contrast to one pair in standard semiconductor material. It is believed that
65% efficiency solar cells with multi-electron-hole pair QD is achievable.
d) Hot-carrier cells. In contrast to multi-electron-hole pair principle the hot
carrier concept adopts a fundamentally different strategy to use efficiently
high energy photon in photocurrent generation. Namely, the electron
excited in high energetic levels of CB is extracted from the semiconductor
before they relax to lower CB energy levels, resulting in increased
photovoltage at the cell electrodes (Figure 2c). Theoretical light-toelectricity conversion efficiency limits as high as 68% under one-sun
illumination conditions.
Here is again it is believed that the hot carrier principle can be achieved
with quantum dots. Namely by a certain periodic structure of QD into the
main solar cell semiconductor the cooling of hot carrier can be
21
significantly retarded allowing the recuperation of hot carrier by solar cell
contacts. Note that the electrical contact of the photovoltaic should be
carefully redesigned as well.
2.1.2
Polymers, Inorganic materials. Along with semiconductor material research
it is required to develop new type of non semi-conductor materials, such
conductive polymers, optical polymers, liquid crystals, dyes and so on.
a) Organic cells. These types of cells do not use semiconductor materials,
but organic polymers. Their efficiencies is still low however the have huge
potential to deliver cost-effective solar electricity. The world wild record of
highest efficiency is made at Laval University (6% efficiency). However a
further research is required to improve stability of these organic solar cells
under sun light illumination.
b) New optical materials. In contrast to standard optical engineering solar
optical design requires optical elements to be long live elements. The
standard requirement of solar industry is 25 years life for optics. It means
that optical element should be operational during 25 years after to be
exposed to worst environmental conditions; snow, ice, rain wing cold and
hot weathers dusts and UV exposing. Almost all traditional optical
elements do not sufficiently satisfy this. For example Fresnel lenses are
made of plastics to lower the price, however the plastics do not resists
well to UV radiation and after several years of operation they begin to
crack. There are many research and development to do to increase their
longevity.
c) Materials for nano-wire. The development of new type of solar cells
based on quantum dots (which we described above) will require new type
of conducting materials. Namely, the connection of quantum dots
between them is one the main problems of future quantum dots solar
cells. Since quantum dots have dimensions of several nanometres it is
difficult to connect them by means of standard methods, e.g. by means of
a copper wires. Thus a fundamental research should be done to discover
the way of quantum dots connections. For example, quantum dots can be
soldered with a conducting polymer molecule.
2.2
Optical design
In this section the research required in Optical design is addressed. In parallel with
new type of solar material research, described above, the development of new type
optical systems for solar energy application is required. There are several reasons for
this. First of all, it is not clear whether solar cells based on hot carrier, multi-band and
multi-hole-electron pairs will have high or low prices. It is quite possible that the final
prices of these cells to be extremely high in order to be used as flat top panel. Optical
concentrators will reduce the required solar cell dimensions.
Secondly, specific optical system will allow to make spectral modification of sun
radiation by itself. The aim of these modifications is to reduce the spectrum of sun
radiation, by transferring the energy of some wavelength band to a wavelength band
corresponding to optimal operation region of solar cell.
22
2.2.1
Concentrators
Optical concentrator is dedicated to focus sun light onto solar cells having
smaller dimensions than standard flat top panel cells. There are two type of
concentrators; reflective and refractive. Reflective concentrators use
reflective surfaces to concentrate sun light, while refractive ones apply
refractive elements for focalisation. Regardless the concentration technique
used the problem for both type of concentrators are quite same. There are
the main directions of research to be done to make alive concentrating PV
systems.
a) Improvement of SR of optical elements. Since sun light spectrum is
more than 2000 nm width cost-effective optical concentrating system
should be developed having the low dispersion.
b) Increase of acceptance angle. Acceptance angle plays a crucial role in
concentrator survives. This concern especially high concentrating
systems. The main obstacle of high concentrating systems is the need of
precise sun following mechanical systems. With increase of concentration
ratio the need of precise tracking system increases. With increase of the
concentration the view angle (étandue) decreases. For example, at 500
Sun concentration the traditional optics gives ±0.5°. This lead to two main
problems. First, this requires very precise tracking system, which often
costs so expensive that the gain obtained due to the concentrator is
annulled. Secondly, sun radiation has so called circumsolar diffuse
radiation. This is the radiation which is near direct beam and confined
between ±2.5. Thus by increasing concentration we lose the energy
concentrated around the direct beam. Depending geographic positions
and weather conditions it can be as much 100 W/m2.
c) Diffuse radiation concentration. May be this point is close to item 8. As
we mentioned sun radiation contains some portion of diffuse radiation.
This is true even at perfect sunny day. This happens because of Rayleigh
scattering as well as of the presence of aerosol, water and dust particles.
In perfect sunny day diffuse radiation represents 15% (some location
even 20%) of total 1000 w/m2. This ration dramatically increases at
partially cloudy days and it becomes 100% at overcast weather. Annually
it represents about 17% - 40% of total incident sun energy.
d) Homogenisers. Solar cells are very sensitive to hot spots appearing due
to non-uniform irradiation of cells. The hot spots lead to a dramatic
efficiency decrease. This is especially important for concentrators. Thus a
special optics is required to uniform sun light at solar cell surface. There
are some types, very simple homogenizers, however they are expensive.
It is possible to create very flat homogeniser using nano particle. Namely,
nano particle can be spread on a glass substrate. By careful adjustment
one can obtain quit directional diffusion of incident light.
23
e) Fibre Optics for solar. Fibre optics can find very useful application in
solar energy. For example in solar heat electricity production. Actually,
there ere several techniques to convert solar heat into electricity one of
them is Stirling machine. In this technique a Carnot like generator is
placed at the top of concentrator. However this design limits the Carnot
machine design. By means of high power fibre sun light can be directed
to a machine placed stationary at the soil. Since the Carnot generator is
immobile it designs can significantly improved and can pushed for higher
temperature operation. More the temperature is high more efficiency can
be gotten from it. Thus the fibre optics can be used to direct concentrated
high power sun light to an electricity generator, which can be better
design due to its immobile position. In Quebec we have INO one of the
leaders of new optical high power fibre innovation.
f) Waveguide techniques for solar concentration. Different guiding
techniques can be used as well to concentrate sun light. Waveguides will
allow to contract more compact sun light concentrators, resulting to more
cost-effective solar electricity generation methods.
2.2.2
Spectral modification of the incident sun light
a) Down-up converters. Luminescent concentrators. An alternative way
to solar cells, having wide band spectral response, is the development of
down or up-converting concentrators. Such type concentrators will use
luminescent dye molecules, which will absorb light and re-emit it at the
wavelengths corresponding to the optimal spectral region of standard
solar cells (see Fig. 3). By an appropriate combination of photonic
crystals and a rear mirror, this light is concentrated and emitted onto
corresponding cells. Such concentrators have two main advantages. First
they allow to operate with more narrow sun light spectrum and secondly
they are able to concentrate even diffuse sun light.
Down-converter
Solar cell
Solar cell
Figure 3
b) Solar Lasers and Amplifiers. The conversion of sun light into one
frequency can be as well by means of solar lasers. In this technique sun
light will be used to pump an active medium of a laser. Already several
scientific groups have reported such type lasers. They could obtain 10%20% efficiency slop. The advantage of solar laser with respect to
luminescent concentrator is the quality of the output beam. The former
allow to have well collimated beam, as well as very narrow spectral width.
24
According to Martin Green, it is possible to reach 100% of conversion
efficiency of the light into electricity by means of solar cells, when the
incident beam is monochromatic light.
2.3
Sun light physics
2.3.1
Physical and mathematical models. As we mentioned in introduction sun
light is not a stable light course. As we know the sun light intensity at earth
surface is 1000 W/m2. However about 15% of this power is diffuse radiation.
Even in perfect sunny day only 80-90% of sun light is collimated light. The
situation is worse at cloudy and overcast days. The ration of diffuse radiation
increases significantly at these days. The photovoltaic and especially
concentrators do not transmit diffuse and collimated sun light (DNI) in the
same manner. Such daily fluctuations cause to instable current generation by
PV and CPV modules.
The most important criteria for PV installation at certain site are its year
output at this localisation, namely the kW/h that PV and CPV can produce for
the specific site. The prediction of these enables to evaluate the economical
aspect of pvotovoltaic installation. However, the existing models do not give
quite precision. They have about 10%-20% of error. At large scale PV
installation this error leads to enormous money loss. Hence need to develop
the models of sun light radiation better adapts for each site.
2.3.2
2.4
New devices for test and measurements. To be able to improve the
mathematical and physical models of sun light. To develop the sun radiation
adapted theories completely new test and measurement devices are needed.
For example, actual detector measuring sun light DNI and diffuse component
do not have high precision and more over the y do not give an idea about the
distribution in the sky. What is the diffuse radiation angular distribution? It can
not be considered as completely isotropic. There is a certain angular
distribution. The knowledge of this is critical for optical design especially for
concentrators. Many companies in Quebec can develop devices for test and
measurement for solar industry, for example EXFO, Telops, ABB Bomem,
PerkinElmer, Opsens and so on.
Optics for solar device manufacturing
2.4.1
Laser proceedings
a) Laser cutting. The success of concentrators depends on the possibilities
to fabricate cells having custom size. One of the most cost-effective ways
is to cut standard solar cells. There several techniques, however it
becomes evident that the most promising way is laser cutting. Namely, a
specialty designed laser cuts the cells with surgical precision with desired
form and dimensions.
b) Laser soldering. One of the most important parts of PV module
fabrication is cell soldering. The quality of the soldering has the most
important impact on the final performance of PV module. Thus a very
special attention should be care to the soldering stage. There a re several
25
techniques and among them only laser soldering is enable to obtain the
best soldering quality. However the price of such device does not often
justify its application. It is needed to develop more cost-effective laser
soldering machines.
c) Laser contact grooving. During standard solar cell manufacturing a
screen printing technique is applied to fabricate solar cell contacts.
However it has been demonstrated in laboratories that the contacts which
is grooved by lasers have superior performances. They enable the
standard solar cells to have 10% - 20%, more efficiency. Here is again
applied research is still needed to make this laser proceeding accessible
for solar industry.
2.4.2
Optical alignment. Optics will play as well very important role in
manufacturing process of PV and CPV modules. Because the further price
reduction success of solar modules strongly depends on the level
automatisation of manufacturing processes of PV and CPV modules. First of
all optical systems will enable to make a rapid quality control of manufactured
simples. In Quebec, there are several institutions which develop optical
system designed for such applications, for example INO. Secondly optical
systems can be used to serve as “eyes” for robots used in production lines.
They can halpe them to make precise alignment of optical elements of PV
and CPV modules.
26
ANNEXE 3
Principaux secteurs de recherche
en optique solaire
ANNEXE 3
Voici une liste des principaux secteurs de recherche fondamentale et appliquée qui concerne
l’optique solaire
1. Recherche de matériaux optiques et électro-optiques
a. Semi-conducteurs
b. Matériaux inorganiques, photovoltaïques inorganiques
c. Polymères optiques mixtes, électroactifs et photoactifs
d. Matériaux optiques à base de nanoparticules
e. Matériaux électro-optiques à base de nanoparticules
2. Conception des systèmes optiques et des composants optiques
a. Concentrateurs
i. Réfractifs (ceux qui utilisent les surfaces réfléchissantes)
ii. Réflectifs (ceux qui utilisent l’optique réfractive et diffractive)
iii. À optique guidée (fibre optique et guide d’ondes)
iv. Luminescents (concertateurs basés sur des convertisseurs de fréquences optiques)
b. Laser solaire
c. Composants optiques
i. Les miroirs
ii. Les lentilles, comme par exemple, les lentilles de Fresnel et les microlentilles
iii. Homogéniseurs
iv. Fibre et guide d’ondes solaire
v. Composants optiques à base de nanostructures
vi. Filtres optiques et séparateurs optiques
1. Couches minces
2. Holographiques
3. Cristaux photoniques
3. Conception des appareils de tests et de mesures optiques
a. Détection de la puissance solaire
b. Détection de la composition spectrale du soleil
c. Mesure de la distribution d’énergie angulaire du soleil
d. Simulateur solaire pour les tests des concentrateurs
e. Capteurs sans contact pour les tests thermiques des installations dans les champs
solaires
4. Développement des nouveaux procédés de fabrication
a. Capteurs optiques destinés pour la fabrication des panneaux solaires
i. Qui détectent la qualité des cellules et des autres composants solaires
ii. Qui permettent aux robots de voir
b. Simulateurs solaires ultrarapides pour effectuer des tests des cellules photovoltaïques
en cours de production
c. Procédés qui utilisent des lasers pour couper et pour souder les cellules photovoltaïques
d. Procédés qui utilisent des lasers pour graver les motifs spéciaux sur les surfaces des
cellules photovoltaïques
28
ANNEXE 4
Autres secteurs d’activité
impliqués dans le solaire
ANNEXE 4
Description des autres secteurs d’activité impliqués dans l’industrie du solaire
En plus de tous les éléments de la photonique décrits ci-dessus, l’industrie solaire met de
nombreux autres secteurs d’activité économiques à contribution.
• Les mines : Les panneaux solaires sont fabriqués avec des cellules de silicium et de la vitre.
Ces deux matériaux proviennent du SiO2. Le Québec possède cette ressource en
abondance. Notre SiO2 est même l’un des plus purs au monde.
• Les matériaux plastiques : Les PV utilisent de la colle en feuille (EVA) et une couche de
revêtement protecteur en plastique.
• Les alumineries : Tous les cadres des PV sont fabriqués en aluminium. Une partie
importante des structures de support des PV est aussi fabriquée en aluminium.
• Les systèmes de contrôle électronique : Tous les systèmes solaires utilisent un convertisseur
électronique DC/AC. Les systèmes de tracking utilisent un système de contrôle électronique
très sophistiqué qui positionne automatiquement les PV en direction du soleil.
• L’industrie du logiciel : Les systèmes solaires doivent être supervisés via des logiciels
informatiques qui transmettent des données en temps réel à un poste de commande.
• Les charpentes d’acier : Les sases des systèmes solaires installées dans les champs
solaires sont fabriquées avec des structures d’acier.
• Les fils électriques : Les PV opèrent à des tensions relativement basses. Pour augmenter la
puissance, on doit augmenter le courant. Les PV nécessitent donc des milliards de mètres de
fils électriques.
• La pétrochimie : Les cellules photovoltaïques sont obtenues par un processus de pétrochimie
complexe qui permet d’extraire l’oxygène du SiO2 et de le purifier à un niveau de
99.9999999999, soit le même niveau utilisé par les composants de l’industrie de
l’électronique.
• Des fonderies : La silice obtenue doit être fondue pour en former des lingots.
• La machinerie industrielle : Une fois fondue en lingots, la silice doit être découpée en
tranches très minces afin de fabriquer les biscuits (wafers).
• La chimie : Les biscuits doivent être traités chimiquement avant d’être dopés.
• La machinerie de production automatisée : Les cellules photovoltaïques sont manipulées par
des robots. Elles sont soudées ensemble par des robots et les panneaux sont assemblés
avec l’aide de robots.
• Les institutions financières : Par définition, un système solaire doit être payé au jour un à
partir de montages financiers utilisant des emprunts et d’équité. La mise en place des
systèmes solaires requis exigera l’injection de milliers de milliards de dollars.
• La machinerie lourde : Pour construire un champ solaire, on doit utiliser des excavatrices,
des bulldozers, des camions, des grues, des bétonnières.
• La main-d’œuvre : L’industrie du solaire nécessite l’utilisation de main-d’œuvre qualifiée à
tous les niveaux : pétrochimie, chimie, métallurgie, ingénierie des matériaux, robotique,
machinerie spécialisée, électronique, photonique, opérateurs de machinerie, équipements de
tests et mesures, ingénierie, finance, entretien des installations, etc. Avec un niveau de
contenu provincial de 60 %, l’Ontario planifie de créer 50 000 nouveaux emplois avec son
programme d’énergie renouvelable.
30
ANNEXE 5
Commentaires sur les données
du tableau 3
ANNEXE 5
Le tableau 3 a été développé par l’équipe d’Opsun Technologies inc. sur les bases suivantes :
1. La contribution du pétrole, du charbon et du gaz continuera d’augmenter jusqu’aux années
2012-2013. Après cette date, la contribution globale du pétrole et du gaz commencera à
diminuer tandis que celle du charbon augmentera.
Ce scénario prévoit donc que les énergies fossiles continueront à fournir entre 15 et 17 TW
d’énergie d’ici 2050. Elles ne pourront cependant continuer à couvrir 85 % des besoins
énergétiques mondiaux comme elles l’ont fait jusqu’à présent.
2. D’ici une quinzaine d’années, l’hydroélectricité aura atteint son niveau de contribution
maximal de 0,7 TW suivie de près par l’énergie nucléaire qui atteindra son niveau maximal
de 1 TW.
3. L’industrie des éoliennes continuera d’être en forte croissance jusqu’en 2030. À ce moment,
elle aura atteint son potentiel de 4 TW.
4. L’énergie provenant de la biomasse augmentera graduellement afin d’atteindre son niveau
d’équilibre qui devrait se situer autour de 6-7 TW en 2050.
5. La géothermie et l’énergie provenant des océans vont accroître leur contribution qui devrait
atteindre le niveau de 1 TW en 2050.
6. Toutes les sources d’énergie ci-dessus énumérées verront leur contribution maximale de 25
TW atteinte vers 2050. Si la demande énergétique globale est alors de 32 TW, l’énergie
solaire devra en fournir 7 à elle seule. Bien qu’elle soit amplement capable de répondre à
cette demande, ce constat implique qu’il faudra en moyenne fabriquer et installer 175 000
MW de systèmes solaires par année.
Au coût actuel d’environ 8,50 $ du watt peak installé, cela représente un investissement
moyen de 1 500 milliards de dollars par année et de plus de 60 000 milliards de dollars au
total.
7. Le tableau 3 a été développé sur la base des informations suivantes :
•
Réserves de pétrole connues :
1 300 x 109 barils
•
Réserves de gaz connues :
180 x 1012 m3
•
Réserves de charbon connues :
(bituminus et lignite)
910 x 109 tonnes métriques
•
Réserves d’uranium :
(découvertes et non découvertes)
5 x 106 tonnes métriques
8. Toutes les informations ont été extraites des sources suivantes :
•
International Energy Agency (IEA)
•
Energy Information Administration (DOE/EIA)
•
Association for the Study of Peak Oil (ASPO)
•
Dr. Yogi Goswami (University of South Florida)
•
Dr. Donald W. Aitken (DOE)
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