L’ENERGIE ELECTRIQUE PHOTOVOLTAÏQUE ET SON STOCKAGE DANS LES SYSTEMES ELECTRIQUES

La plupart de l’électricité produite dans le monde (82 %, [II-5], [II-11]) provient de la décomposition de combustibles fossiles (pétrole, charbon ou gaz naturel) ou de combustibles nucléaires. Bien que le gisement planétaire des combustibles fossiles soit très large, il est néanmoins limité. De plus, leur renouvellement n’est pas observable à l’échelle temporelle de l’homme. Enfin, l’impact environnemental de ces modes de production d’électricité est notable, comme la production de gaz à effet de serre tel que le gaz carbonique (CO2) ou de déchets radioactifs. L’utilisation de sources propres et renouvelables semble apporter une réponse convaincante mais partielle au problème énergétique actuel. L’hydroélectricité existe depuis près d’un siècle et constitue environ 16 % de la production mondiale d’électricité. Néanmoins, ce mode de production reste centralisé et localisé aux endroits où le potentiel présente un intérêt économique. En France, tous les sites répondant à ces critères sont déjà exploités. Ses perspectives de développement sont donc limitées. Le concept d’« électricité décentralisée » (production de l’électricité sur le lieu même de son utilisation), a encouragé le développement des moyens de production d’origine renouvelable. La tendance actuelle montre que l’intégration de ce type de ressources dans les systèmes électriques isolés (systèmes insulaires, réseaux villageois) se fait en association avec l’utilisation des ressources conventionnelles, tels les générateurs diesel. Enfin, l’ajout d’un dispositif de stockage d’énergie est parfois nécessaire pour assurer la continuité de la fourniture électrique à l’usager, quand la ressource renouvelable ne peut le faire.

Considérations générales sur les sources d’énergie renouvelables

Il existe différentes sources d’énergie renouvelables1 disponibles sur la planète dont les principales sont : l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie hydraulique, la biomasse et la géothermie. Elles peuvent être converties, selon les besoins, en électricité ou en chaleur. La cogénération d’électricité et de chaleur est possible dans le cas de la géothermie, de la biomasse et de l’énergie solaire. Depuis les années 1990, les énergies renouvelables (autres que l’hydroélectricité) connaissent un essor important. Depuis 1994 dans l’Union Européenne, le taux de croissance annuel pour l’éolien est d’environ 34 % et d’environ 30 % pour le solaire (principalement pour des applications connectées au réseau) [II-5]. Fin 2004, la puissance éolienne installée en Europe s’élève à 34,4 GW et la puissance crête2 photovoltaïque s’élève à 1,1 GWcrête (voir Tableau II-1). Les politiques de développement durable mises en place dans le monde ont permis une meilleure exploitation du vaste potentiel que représentent les ressources renouvelables. L’indépendance énergétique, couplée à la diminution des émissions de gaz à effet de serre et la volonté de diversification des ressources, ont été les moteurs d’un développement industriel très conséquent, permettant d’initier des filières nouvelles tout en soutenant des technologies plus matures. Les perspectives économiques du domaine des énergies renouvelables sont en outre confortées par le contexte d’appauvrissement des énergies fossiles.

L’énergie solaire représente un gisement très important au niveau de la surface du globe terrestre. La cartographie ci-après présente le rayonnement solaire global annuel en Europe. On constate qu’en France, la quantité d’énergie solaire annuellement disponible varie entre environ 1000 et 1400 kWh/m². Cette énergie peut être convertie en chaleur à l’aide de modules solaires thermiques ou en électricité à l’aide de modules solaires photovoltaïques, dont le fonctionnement est défini dans le paragraphe suivant. Une cellule élémentaire composée de matériaux semi-conducteurs est capable de convertir l’énergie de photons reçus à sa surface en une différence de potentiel, créée par une délocalisation d’électrons dans le matériau. La circulation des électrons dans le circuit extérieur permet à la cellule photovoltaïque de fonctionner comme un générateur. Les modules solaires photovoltaïques (PV) sont constitués d’un assemblage série/parallèle de cellules élémentaires, permettant d’ajuster leur tension et courant caractéristiques. Le rendement énergétique d’un module dépend de la nature des matériaux utilisés. Les valeurs communément rencontrées sont de l’ordre de 10 % (13 à 14 % pour les cellules composées de silicium monocristallin, 11 à 12 % avec du silicium polycristallin et 7 à 8 % avec du silicium amorphe). Un champ photovoltaïque ou champ solaire est constitué d’un ensemble de modules connectés en série et/ou en parallèle. On protège les modules avec des diodes by-pass (Schottky) afin d’éviter le fonctionnement inverse des cellules occultées, pouvant entraîner une surchauffe voire une destruction de celles-ci. Le choix de la caractéristique du champ solaire dépend du point de fonctionnement requis par les composants associés (batteries, convertisseurs, électrolyseur, etc.).