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La technologie photovoltaïque,
une réalité
La technologie photovoltaïque est une réalité. Elle fait partie des solutions qui permettront à la fois de diversifier les sources d’énergie et de préserver la planète en luttant contre l’effet de serre.
Du module photovoltaïque, jusqu’à la production d’énergie au réseau électrique, les équipements qui composent l’installation photovoltaïque relèvent de l’activité des constructeurs et des metteurs en œuvre du secteur électrique.
Ce marché à haut niveau d’exigence en matière de sécurité et de qualité est en forte croissance. Il est passé en une décennie d’un stade expérimental à un stade industriel qui appelle à une professionnalisation s’appuyant sur la normalisation des règles d’installation, des composants et de leur mise en œuvre.
La maîtrise de cette technologie photovoltaïque est une opportunité pour les constructeurs de matériels électriques regroupés au sein du Gimélec de démontrer leur implication dans la recherche de solutions pour optimiser les installations électriques concourant à la préservation de l’environnement.
C’est une profession consciente de sa responsabilité qui vous propose cette plaquette d’information.
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Les principes
La conversion d’énergie solaire en énergie électrique
La transformation du courant continu en courant alternatif
En frappant les cellules semi-conductrices à base de silicium (ou d’autres matériaux) qui constituent le panneau solaire, les photons du rayonnement solaire provoquent l’apparition d’un courant électrique continu de l’ordre de quelques ampères sous une tension de l’ordre de quelques centaines de millivolts.
Afin d’augmenter la tension, les cellules sont assemblées en séries pour former des modules (« panneaux solaires »). Les modules sont à leur tour mis en séries appelées « chaînes » (‘strings’) et les chaînes mises en parallèle pour obtenir des générateurs (‘arrays’). Ces derniers peuvent aller de quelques centaines de VA à plusieurs MVA.
Le courant continu produit varie en permanence en fonction de l’intensité lumineuse reçue et de la température.
L’unité de mesure photovoltaïque est le Watt-crête (Wc). C’est la puissance théorique exprimée en Wc ou en kWc d’une installation lorsqu’elle est soumise à un éclairement
de 1000 W/m2 perpendiculaire à la surface des capteurs, à une température conventionnelle de 25°C.
L’énergie électrique est distribuée et utilisée principalement sous forme de courant alternatif. C’est pourquoi l’énergie photovoltaïque produite en courant continu doit faire l’objet d’une conversion en courant alternatif à l’aide d’un onduleur.
L’impératif de rendement optimum du système complet impose que l’onduleur s’adapte aux variations de la puissance (celle-ci étant fonction de l ’ensoleillement), tout en restant synchronisé sur le réseau alternatif de distribution.
En outre, le système présente les spécificités suivantes :• Etant impossible d’arrêter
l’ensoleillement, l’énergie toujours présente engendre des risques d’électrocution ou d’incendie. Ces risques sont anticipés par la mise
en œuvre de coffrets, canalisations, connectiques très sécurisées en plus des dispositions constructives particulièrement sévères des panneaux photovoltaïques.
• L’installation en courant continu nécessite la mise en œuvre d’appareillage de commande, de coupure et de protection dédié à ce type de tension.
• L’exposition à la foudre des infrastructures et des capteurs prédispose ces installations aux surtensions engendrées. Une mise en œuvre adaptée de parafoudre est nécessaire à ce niveau de réseau.
La fourniture et la mise en place de dispositifs adaptés pour garantir la sûreté de fonctionnement et d’exploitation de ce type d’installation implique la contribution de professionnels avertis.
Photons
Zone dopée N
Zone dopée P(tranche de silicium)
300 µm
Schéma symbolique d’un onduleur
Courant continu
Courant alternatif
L
N
Principe d’un panneau photovoltaïque
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À l’échelle mondiale comme en Europe, les 7 dernières années ont vu la puissance installée multipliée par 10 ce qui a permis une réduction des coûts de 40% pour les systèmes et de 30% pour les modules.
Les études récentes affichent une capacité cumulée au niveau mondial de 800 GWc à 1800 GWc en 2030, ce qui représenterait plus de 20% de la production d’électricité.
En France, les prévisions du Grenelle de l’environnement fixent un objectif national à 5,4 GWc d’ici 2020. Cependant une vision du marché s’appuyant sur la prospective de pénétration prioritaire du photovoltaïque dans le bâtiment neuf permet d’envisager pour 2020 une puissance installée de 13,4 GWc soit le triple de cet objectif, si l’on inclut les centrales au sol.
Les enjeux
Un énorme potentielLes sources d’énergies renouvelables offrent l ’équivalent de 3078 fois la consommation actuelle mondiale d’énergie(UVS e.V. / Source DLR, Dr Nitsch)
En 2050, 20 % de l ’énergie utilisée dans le monde sera produite par des installations photovoltaïques(DENA/ Source WBGU)
France : une croissance exponentielle
MWc installés annuellement en France
Taux d’énergie primaire [EJ/an]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
20122011201020092008200720062005
21002050204020302020201020000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Solaire (photovoltaïqueet thermo-électrique) et solaire thermique
Autres énergies renouvelablesdont éolien et géothermie
Biomasse
Nucléaire
Energies fossiles
Les sources d’énergies renouvelables offrent l’équivalent de 3078 foisla consommation actuellemondiale d’énergie
Rayonnementsolaire direct
2850 fois
Vent200 fois Biomasse
20 fois
Géothermie20 fois
Océans2 fois
Hydro-électrique1 fois
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L’efficacité énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre sont des éléments majeurs pris en compte par le secteur de la construction de bâtiments. En effet, l’habitat (tertiaire et résidentiel) représente environ 40% de la consommation énergétique française.
Les constructeurs du Gimélec apportent des réponses au défi énergétique de ce siècle. Ils s’organisent et travaillent ensemble pour que les innovations apportées par la recherche deviennent une réalité à l’échelle industrielle.
Les solutions proposées en technologie photovoltaïque en constituent un parfait exemple. Elles englobent la totalité de l’installation électrique depuis la boîte de jonction positionnée en aval des cellules photovoltaïques, jusqu’au raccordement au réseau public.
L’environnement
L’objectif européen des 3 x 20Présenté le 23 janvier 2008, le « paquet climat – énergie » de la commission européenne propose un objectif dit des « 3 x 20 » :
Arriver d’ici 2020 à…• 20% d’économies d’énergie• 20% de réduction des émissions
de gaz à effet de serre• 20% d’énergie renouvelable dans
la consommation totale d’énergie
L’atteinte du premier objectif nécessitera une amélioration considérable de l’efficacité énergétique des bâtiments et loge-ments en réduisant la consomma-tion énergétique d’une moyenne de 250 kWh/m2/an aujourd’hui à moins de 100 kWh/m2/an en 2020.
L’investissement
Le photovoltaïque est un excellent outil pour atteindre les deux autres objectifs, puisque :• Un module photovoltaïque est conçu
pour durer de l’ordre de 20 ans.• Il rembourse en 2 à 4 ans,
suivant son exposition et son lieu d’installation, l’énergie nécessaire à sa production.
• Sa production d’énergie n’est accompagnée d’aucune émission de gaz à effets de serre.
• 25 m2 de modules photovoltaïques permettent de produire l’équivalent de la consommation électrique moyenne annuelle d’un ménage (3500 kWh par an).
Facilement intégrable au bâtiment, le photovoltaïque est donc le complément idéal aux mesures d’amélioration de la performance
Logement économe
Logement énergivore
Logement
kWh/m2/an
≤ 50A51 à 90 B91 à 150 C151 à 230 D231 à 330 E331 à 450 F> 450 G
énergétique pour atteindre le « bâtiment zéro énergie », dont la production et la consommation s’équilibreront.
Des conditions favorables pour investirPour favoriser le développement de l’énergie photovoltaïque et enclencher le cercle vertueux augmentation du volume – réduction des coûts, les pouvoirs publics ont mis en place différents dispositifs incitatifs qui peuvent être classés en trois catégories :
1 - L’obligation d’achat et le tarif d’achat
La loi n° 2000-108 du 10 février 2000 relative à la modernisation et au développement du service public de l’électricité a introduit la notion d’obligation d’achat. …
Une rentabilité croissanteEn France, une parité du coût avec l ’électricité conventionnelle devrait être atteinte entre 2014 et 2019, en fonction des utilisations.(UVS e.V. / Source RWE Schott Solar)
Espagne
France
Allemagne
Evolution du coût de l’électricité photovoltaïque (EUR/kWh)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
20402030202020102000
Heures de pointe
Coût de l’électricité conventionnelle
Heures creuses
Zone de rentabilité de l’électricité photovoltaïque
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Une réalitéLa première maison d’habitation résidentielle alimentée par des cellules photovoltaïques a été construite à l’Université de Delaware (USA) en 1973.Au cours des cinq dernières années, la production de modules photovoltaïques et leur utilisation en Europe ont augmenté de façon spectaculaire en s’étendant aux fermes solaires puis aux bâtiments tertiaires.
Le marché s’articule autour de quatre segments :• la maison individuelle (2 à 5 kWc),• le bâtiment collectif (5 à 100 kWc),• les toitures industrielles ou grand tertiaires
(au-delà de 250 kWc),• et les centrales au sol ou « fermes solaires »
(plusieurs MWc).
Cette notion oblige les distributeurs à conclure, si les producteurs intéressés en font la demande, un contrat pour l’achat de l’électricité produite sur le territoire national par les installations photovoltaïques d’une puissance inférieure à 12 MW.Ce contrat est établi pour une durée de vingt ans.
2 - Les avantages fiscauxPour les particuliers, l’article 90 de la loi de finances 2005 a mis en place un crédit d’impôt dédié aux dépenses d’équipements de l’habitation principale en faveur des économies d’énergie et du développement durable.
Les entreprises ne bénéficient pas de ces dispositions, mais peuvent par contre amortir leur installation de production d’électricité au même titre que leurs investissements de production.
3 - Les aides et subventionsCertaines collectivités locales ont complété le dispositif par des aides et des subventions qui peuvent être attribuées aussi bien aux particuliers qu’aux entreprises, suivant les cas.
Une installation résidentielle
Une installation sur un bâtiment commercial
Une centrale de production
… d’une puissance typique de :
3 kWc 250 kWc 4 MWc
… représente : 25 m2 de modules silicium cristallin intégrés en toiture
6000 m2 de modules couches minces sur revêtement d’étanchéité
80 000 m2 d’emprise au sol
… coûte (*) : 7 à 8 k€ le kWc 5,5 à 6 k€ le kWc 4,5 à 5 k€ le kWc
… et produit annuellement :
3000 à 3500 kWh 250 à 300 MWh 4000 à 4500 MWh
(*) Matériel, installation et raccordement, hors avantages fiscaux et subventions
Schéma de principe
Protection des chaînes PV
Parafoudres
Interrupteur DC
Conduire en DC
Connectique DC
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Garantir une exploitation optimale
• Les installations photovoltaïques nécessitent des précautions dans le choix de produits adaptés et un réel savoir-faire de spécialistes avertis pour la mise en œuvre.
• Une défaillance peut entraîner une production aléatoire d’énergie voire la destruction complète de l’installation, avec des conséquences considérables au regard de l’investissement. Sans parler des risques encourus par les personnes…
Impliqués dans les Comités de normalisation, les constructeurs du Gimélec proposent des équipements à la fois adaptés et compatibles entre eux.
La cohérence d’ensemble de votre installation s’en trouve facilitée et son exploitation optimisée et sécurisée.
Schéma de principe
Onduleurs PV
Relais différentiels
Interrupteurs DCParafoudres
Contrôle d’isolement
Boîtes de jonction
CompteursConnectique
Interconnecter
Produire
Raccorder
Convertir en AC
Séparer
Conduire en DC
SurveillerSuperviser
Équipements de monitoring
Groupement des industries de l’équipement électrique, du contrôle-commande et des services associés11-17 rue de l’Amiral Hamelin - 75783 Paris cedex 16 - France - Tél. : +33 (0) 1 45 05 70 70 - Fax : +33 (0) 1 47 04 68 57 - www.gimelec.fr
* le cas échéant
Ce document a été élaboré
avec le concours
des membres de la commission
« Photovoltaïque »
du Gimélec
© G
iméle
c Pro
mot
ion
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s dro
its ré
serv
és -
Edi
tion
mai
200
9
Démarches administratives
1 Faire établir un devis Consulter un bureau
d’étude ou un installateur
2 Déposer le permis de construire ou l’autorisation de travaux
Mairie du site de l ’implantation
8 Effectuer les travaux et obtenir l’attestation de conformité
Maître d’œuvre : BE ou installateur
9 Faire assurer l’installation auprès d’une compagnie d’assurance
3* Déposer une demande d’aide ou de subvention
Info. : www.ademe.fr
4 Déposer une demande de raccordement au réseau
auprès d’un distributeur
5 Demander un certificat d’éligibilité à l’obligation d’achat
www.drire.gouv.fr
7 Demander un contrat d’achat http://achat-photovoltaique.edf.fr
10 Établir le contrat de raccordement
avec votre distributeur
11 Établir le contrat d’achat et l’accord de rattachement au périmètre d’équilibre
http://achat-photovoltaique.edf.fr
6 Demander une autorisation d’exploiter https://ampere.industrie.gouv.fr/
Cré
dits
phot
os :
SMA
, con
struc
teur
s, D
igita
l visi
on, E
lektra
visio
n
12 Effectuer la mise en service de l’installation
avec votre distributeur
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