( photovoltaic electricity applications : history and perspectives)
Par Fabrice JUQUOIS – Président de PHOTEÏS

L’électricité solaire photovoltaïque est désormais considérée comme l’une des composantes du mix énergétique du futur. Il y a 50 ans, cette technologie avait été mise au point pour la conquête spatiale, elle fera bientôt partie de notre quotidien.

L’ESSENTIEL

L’effet photo-électrique a été caractérisé par Henri Becquerel en 1839. Il faudra attendre plus d’un siècle, pour qu’en 1958 soit développée la première cellule photovoltaïque pour la conquête spatiale. Avec le premier choc pétrolier en 1973, les gouvernements occidentaux commencent à considérer le photovoltaïque comme une alternative possible au tout fossile. Les premières applications terrestres du photovoltaïque voient le jour dans les sites les plus isolés. 36 ans plus tard, le photovoltaïque fleurit sur les toits des maisons et sur les terres à faible valeur agricole. Télécharger l'article au format PDF

ABSTRACT

The photoelectric effect has been characterized in 1839 by Henry Becquerel. More than one hundred years later, in 1958, the first photovoltaic cell is developed for the space exploration. After the first oil shock in 1973, the occidental governments have started considering photovoltaic as one of the potential alternative to fossil in the future. 36 years later, photovoltaic is blossoming on the roof tops of dwellings and commercial buildings, as well as on the poor agricultural value lands.

1.    Une solution énergétique pour les sites très isolés.
C’est avec le problème posé de la génération d’électricité pour la conquête spatiale, que le photovoltaïque va connaitre ses premières avancées techniques entre 1953 et 1954 dans les locaux des laboratoires Bell. Une cellule avec un rendement de 4,5% y est développée. Ce rendement sera porté à 6% quelques mois plus tard. En 1955, le premier module photovoltaïque, d’une puissance de 14 Wc est commercialisé à un coût de 1700 $/Wc, et en 1958, le premier satellite équipé de modules photovoltaïque (Vanguard I) est lancé. Le photovoltaïque deviendra par la suite indissociable des grandes étapes de la conquête spatiale. Son coût très élevé le cantonne uniquement aux applications où tout autre mode de fourniture d’énergie est exclu.


Images 1 et 2 : Applications spatiales du photovoltaïque

2.    Les applications terrestres
C’est en 1972, à la veille du premier choc pétrolier, que les premières applications terrestres du photovoltaïque voient le jour. Les français mettent en place un système photovoltaïque permettant de relayer et de diffuser des programmes télévisuels éducatifs dans une province du Niger non reliée au réseau électrique. Mais c’est à partir de 1973, que les gouvernements et les industriels occidentaux vont prendre conscience du potentiel du photovoltaïque comme une des alternatives possible à l’énergie fossile. Un module solaire à 30 $/Wc est commercialisé. L’électricité solaire n’est plus alors réservée aux applications spatiales mais devient une alternative à l’extension des réseaux électriques dans les zones très isolées. Les premières applications professionnelles telles que l’alimentation des balises maritimes et des stations météorologiques voient le jour. Mais c’est l’immensité du marché des pays en développement et les programmes d’aide au développement des pays occidentaux qui vont permettre à une industrie du photovoltaïque de se mettre en place.

Images 3 et 4 : Station météo et balise alimentées par le photovoltaïque

On réalise que le photovoltaïque peut être utilisé pour alimenter des équipements collectifs tels que des écoles, des dispensaires, des salles communes équipées d’une télévision, mais aussi permettre un approvisionnement en eau potable saine dans des lieux où les gens sont souvent obligés de parcourir des kilomètres pour s’approvisionner. Les premiers systèmes hybrides photovoltaïque diesel sont expérimentés afin d’être à même de fournir la puissance nécessaire à une activité économique. Ces programmes se multiplient partout dans les pays en développement et se heurtent bientôt à des problèmes importants de maintenance des systèmes, liés à la difficulté de maintenir une main d’œuvre qualifiée dans des zones défavorisées.

Image 5 : Pompage photovoltaïque à usage d’irrigation en Afrique (source M. Courillon – ADEME)

A la fin des années 80, sous l’impulsion de l’ADEME et d’EDF, un programme d’électrification rurale va voir le jour en France continentale et dans les DOM, afin de permettre l’électrification d’habitats et de refuges de haute montagne situés hors de portée du réseau. Ce programme aura permis en quinze ans de donner l’accès à l’électricité à quelques 8000 foyers en France (majoritairement dans les DOM).


Image 6 : Installation photovoltaïque en site isolé dans le sud de la France (Source PHOTEÏS)

Les installations photovoltaïques en sites isolés produisent de l’énergie le jour. Cette énergie peut être utilisée la journée et l’excédent produit est stocké dans des batteries pour répondre aux besoins la nuit. C’est un régulateur de charge contenu dans l’armoire électrique qui gère les flux d’électricité afin d’éviter une surcharge ou une décharge profonde des batteries. Afin de ne pas surdimensionner les systèmes pour les besoins de pointes, on ajoute souvent un groupe électrogène qui permet de recharger les batteries l’hiver et de répondre aux besoins de forte puissance comme la scie électrique sur la figure 1. Enfin, un onduleur permet de transformer le courant continu produit par le système photovoltaïque en courant alternatif utilisable par les appareils domestiques.

Figure 1 : Schéma fonctionnel d’un générateur photovoltaïque en site isolé (Source : le guide du chauffage)

3.    Le photovoltaïque comme une des alternatives au fossile et au nucléaire
Au milieu des années 90, le photovoltaïque peine à trouver des relais de croissance. Le marché des pays en développement est certes vaste avec près de 2 milliards de personnes n’ayant pas accès à l’électricité, mais bien entendu totalement dépendant des financements internationaux. Etant donné la bonne couverture générale du territoire par les réseaux électriques dans les pays développés, les marchés domestiques sont faibles et bientôt à saturation.
C’est en 1997 que les choses changent, avec la décision de l’Allemagne de sortir du nucléaire et la nécessité pour cette dernière de développer des technologies de substitution. Un programme de 10 000 toits solaires photovoltaïques raccordés au réseau de distribution d’électricité voit le jour. Ce programme est un succès, mais le programme allemand prendra l’ampleur qu’on lui connait maintenant grâce à l’adoption d’un système révolutionnaire de soutien : le tarif d’achat. Jusque là soutenu par des subventions à l’investissement ayant le double défaut de faire supporter aux investisseurs des lourdeurs et délais administratifs, et de primer non pas la performance et la pérennité des installations, mais leur coût initial, le marché allemand va croitre de façon très importante sous l’impulsion du tarif d’achat.

Figure 2 : Schéma fonctionnel d’un générateur photovoltaïque raccordé au réseau
(Source : PV Technology Platform)

La figure 2 montre comment l’électricité générée par les cellules d’un module PV fixé en toiture, est transformée par un onduleur en courant alternatif adapté à une injection sur le réseau.
Le propriétaire/producteur a alors deux choix : soit vendre la totalité du courant produit à l’opérateur local (si un tarif d’achat est disponible), soit utiliser l’électricité solaire pour pourvoir aux besoins de la maison et revendre le surplus à l’opérateur local.

Deux types majeurs de photovoltaïque raccordé au réseau existent :
-    Le photovoltaïque sur bâti qui se subdivise entre la surimposition du photovoltaïque sur un bâti existant et l’intégration au bâti où le photovoltaïque remplace un élément de construction.
-    Le photovoltaïque en plein champ, qui se subdivise entre les centrales dites fixes, et celles munies d’un dispositif de suivi du soleil.

4.    L’intégration au bâti
Le photovoltaïque peut être un matériau de construction qui produit de l’électricité. Les modules photovoltaïques peuvent en effet remplacer une toiture, une verrière, des brises soleils, des abris de parking…. L’intégration au bâti a été choisie comme segment prioritaire pour le marché français pour les raisons suivantes :
-    Le coût représenté par une toiture neuve peut être soustrait du montant de l’investissement dans un générateur photovoltaïque, rendant l’opération plus rentable une fois que les produits adaptés auront été produits en volume,
-    L’intégration au bâti a été peu développée ailleurs dans le monde jusqu’à présent. Les entreprises françaises ont ainsi les mêmes chances que les autres entreprises de se développer sur ce nouveau marché,
-    Le photovoltaïque va devenir une réalité dans le paysage français. Les installations intégrées au bâti sont plus esthétiques et devraient permettre une meilleure acceptation par le public de cette technologie.


Image 7 : Abris de parking photovoltaïque dans la région Languedoc Roussillon (Source PHOTEÏS)

5.    Les centrales en plein champ
Avec la baisse des coûts de production du photovoltaïque, les grosses unités de production de plusieurs Mégawatts installées sur des terrains sont devenues une réalité. Ces centrales photovoltaïques sont installées en priorité sur des sites et sols pollués et sur des terres à faibles valeur agricoles. Le fait d’installer de grandes puissances permet d‘accélérer la baisse des coûts des modules et d’étaler des frais fixes importants. Les centrales photovoltaïques  permettent de produire un kWh électrique deux fois moins cher que celui produit par une centrale photovoltaïque liée au bâti.
Dans les zones les plus ensoleillées, il peut être pertinent d’utiliser des dispositifs de suivi du soleil à un ou deux axes qui permettent d’augmenter la production annuelle au W installé de 20 à 30%. Le choix d’un tel dispositif dépend de l’équilibre économique entre les surcoûts engendrés (investissement et maintenance) par rapport aux revenus supplémentaires générés.


Image 8 – Centrale photovoltaïque fixe au sol dans le sud est de la France (Source PHOTEÏS)

6.    Conclusions
Depuis le début de son développement commercial dans les années 70, le photovoltaïque a vu ses coûts de production divisés par 40. Ces coûts diminuent désormais en moyenne de 5 %/an. Beaucoup considèrent que d’ici une dizaine d’années, le coût du kWh photovoltaïque pourrait être compétitif avec le prix de l’électricité livrée au consommateur. Le photovoltaïque ne dépendra alors plus des programmes de soutien au marché mis en place par les gouvernements et connaitra un développement exponentiel. On peut très bien imaginer dans le futur qu’il reviendra à tout un chacun d’assumer une partie de sa consommation d’énergie en devenant auto producteur et en maîtrisant ses consommations. Le photovoltaïque qui est aussi un matériau de construction, semble être tout à fait adapté à la révolution à venir des maisons et bâtiments à énergie positive.

L’auteur :
Fabrice JUQUOIS a commencé sa carrière dans le photovoltaïque en 1997 en travaillant dans l’électrification rurale en Nouvelle Calédonie. Il a été ensuite responsable du développement du marché photovoltaïque en France pour l’ADEME de 1998 à 2008. En mai 2008 , il décide de créer le producteur d’électricité solaire PHOTEÏS (www.photeis.fr). En parallèle de ses activités, Fabrice JUQUOIS est membre de la plate-forme photovoltaïque européenne, instructeur des qualifications en ingénierie photovoltaïque de l’OPQIBI (Office Publique des Qualifications en Ingénierie) et expert auprès de la Commission Européenne.