centrales photovoltaïques

CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES
FONCTIONNEMENT
PRODUCTION
TRANSPORT / DISTRIBUTION
ENVIRONNEMENT
ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES
FONCTIONNEMENT
Le terme « photovoltaïque » est composé du grec ancien « photos » = lumière, et du nom du physicien italien,
Alessandro Volta, inventeur de la pile électrique, qui donna aussi son nom à l’unité de mesure de la tension
électrique, le volt.
L’énergie solaire photovoltaïque est l’électricité produite par la conversion directe de l’énergie lumineuse
du soleil en électricité grâce à une cellule photovoltaïque. Les modules photovoltaïques n’utilisent que le
rayonnement solaire (énergie lumineuse) pour produire l’électricité, sa chaleur n’étant pas un intermédiaire dans
la production d’électricité photovoltaïque.
Le rayonnement peut cependant être transformé en chaleur par d’autres technologies, comme les centrales
solaires thermodynamiques, ou les capteurs solaires noirs installés sur les toits des particuliers.
Comment ça marche
Le principe de fonctionnement d’un panneau photovoltaïque est semblable à celui d’une pile : une différence de
potentiel est créée entre le pôle positif et le pôle négatif, ce qui permet aux électrons de circuler et de produire un
courant électrique continu.
Les électrons du silicium, matériau semi-conducteur qui compose les cellules photovoltaïques, ont la propriété
de se mettre en mouvement sous l’effet du rayonnement solaire. Cette agitation en tous sens ne suffit pas à
produire de l’électricité : pour cela, il faut produire une tension, grâce à une différence de potentiel entre un pôle
positif et un pôle négatif, afin de faire circuler les électrons dans un sens bien précis.
La différence de potentiel, nécessaire à la circulation du courant, est créée par le dopage du silicium : le dopage
consiste à ajouter au silicium d’autres atomes, qui comportent plus ou moins d’électrons que le silicium, de façon
à ce que le matériau présente un excès d’électrons (dopage de type N comme négatif) ou au contraire un déficit
d’électrons (dopage de type P comme positif). La couche de la cellule exposée à la lumière est dopée avec des
atomes de phosphore, qui comptent un électron de plus que le silicium. Cette couche, qui contient un excédent
d’électrons (charges négatives), va constituer la borne négative. L’autre couche est dopée avec des atomes de
bore (un électron de moins que le silicium), elle présente un déficit d’électrons, et constitue la borne positive. Les
cellules sont couvertes de conducteurs. Dès que la lumière du soleil atteint la couche dopée N, les électrons se
mettent en mouvement, et le courant électrique est créé et collecté par les conducteurs.
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PRODUCTION
Puissance produite
Les centrales solaires photovoltaïques permettent de produire de l’électricité à grande échelle. Elles rassemblent
plusieurs modules solaires photovoltaïques, reliés en série ou en parallèle, qui sont des générateurs de courant
continu. D’une puissance allant de quelques MW à plusieurs dizaines de MW le plus souvent, les centrales
solaires sont de plus en plus puissantes, et peuvent dépasser les 100 MW en 2012. Qu’il s’agisse de panneaux
installés sur les bâtiments ou de centrales, la technique de production d’électricité est la même.
Contraintes géographiques
Une centrale photovoltaïque nécessite une surface importante, dans un lieu bien ensoleillé. En France, les
centrales photovoltaïques sont principalement situées dans le sud.
Exploitation
L’énergie solaire est une énergie intermittente : la production électrique est interrompue la nuit. Quand le ciel est
couvert, le panneau produit moins. Comme le panneau n’utilise que la lumière, et non la chaleur, il fonctionne
également lorsqu’il fait froid.
TRANSPORT / DISTRIBUTION
Les centrales photovoltaïques produisent un courant continu.
Pour l’injecter dans le réseau de transport/distribution, en alternatif, on utilise des onduleurs, dispositifs
permettant de convertir un courant continu en courant alternatif.
Les centrales photovoltaïques se raccordent :
• soit au réseau de transport Haute ou Très Haute Tension (HT ou THT) si la puissance est supérieure à 12 MW,
• soit au réseau de distribution Moyenne Tension (puissance inférieure à 12 MW)
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ENVIRONNEMENT
Ressources
L’énergie solaire est inépuisable (du moins pour 4 milliards d’années), et bien répartie sur terre. Elle est
disponible gratuitement, en grande quantité. Si, en France, les 10000 km2 de toitures existantes étaient utilisées
comme générateur solaire, la production serait de 1000 TWh par an, soit plus du double de la consommation
annuelle finale d’électricité (450 TWh).
Les panneaux photovoltaïques répondent à une diversité de besoins :
• une production à petite échelle (utilisation domestique) ou décentralisée (sites isolés). L’énergie produite en
surplus peut dans ce cas être stockée dans des accumulateurs ou batteries.
• une production à grande échelle (centrale photovoltaïque). Dans ce cas, une surface importante est
nécessaire, qui peut entrer en concurrence avec d’autres utilisations des sols.
Pollution
La conversion de l’énergie solaire en électricité n’émet ni polluants, ni gaz à effet de serre.
Les panneaux solaires sont presque entièrement recyclables. Les matériaux récupérés peuvent être réutilisés
pour la fabrication de nouveaux panneaux.
Le silicium, présent dans le sable, est une ressource abondante et non toxique.
Cependant, l’impact énergétique de la fabrication des panneaux de silicium est important.
Le silicium nécessaire à la fabrication des cellules doit être extrêmement pur, ce qui n’existe pas à l’état naturel.
La purification du silicium nécessite de grandes quantités d’énergie, principalement de l’électricité. Si l’on
considère le cycle de vie d’un panneau photovoltaïque, la quantité de CO2 émise pour la production d’un MWh
solaire dépend, entre autres paramètres, de la façon dont a été produite l’électricité utilisée pour sa fabrication.
L’Ademe donne le chiffre de 55 g eq CO2 par kWh photovoltaïque en France (+/- 30%). C’est inférieur aux émissions
dues aux combustibles fossiles, mais supérieur à celles de l’hydraulique ou du nucléaire.
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ENJEUX SOCIO-ÉCONOMIQUES
Impacts socio-économiques
L’énergie photovoltaïque, renouvelable et propre, est appelée à se développer à l’avenir. Mais pour l’heure,
cette technologie reste plus coûteuse que d’autres types de production, comme le nucléaire. Il faut qu’une cellule
photovoltaïque fonctionne environ cinq ans (sur une durée de vie totale de 30 ans) pour compenser l’énergie
utilisée pour sa fabrication.
Perspectives d’avenir
Les physiciens travaillent essentiellement au niveau du composant élémentaire, la cellule photovoltaïque, pour
améliorer ses propriétés et développer des procédés et matériaux moins coûteux, tout en améliorant leur
rendement, qui n’est actuellement que de 15 à 20%. Le développement du stockage de l’électricité pourrait être un
élément déterminant pour l’avenir du photovoltaïque.
Le solaire thermique
• Le solaire à concentration permet de produire de l’électricité grâce à l’énergie thermique/radiative du soleil,
en produisant de la vapeur pour faire tourner une turbine. Malheureusement, la France ne dispose pas
d’endroits et d’ensoleillement favorables pour ce type de production.
• Les capteurs solaires thermiques, installables sur les toits, permettent de produire de l’eau chaude pour
le chauffage ou la douche. Couplée avec l’isolation, la généralisation du solaire thermique permettrait de
gagner une part significative de notre consommation énergétique. Selon l’Ademe, le bon ensoleillement du
territoire permettrait de couvrir de 40 à 70% des besoins en eau chaude sanitaire et chauffage.
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