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Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer Consultant indépendant en énergie solaire, Neuchâtel. Flux de l’énergie solaire incident sur la terre Principe et type des installations photovoltaïques Alimenter le monde avec du photovoltaïque

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Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer

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Presentation Transcript

  1. Le photovoltaïque pratique Cours CRP, Champéry, 25.9.2014 Diego Fischer Consultant indépendant en énergie solaire, Neuchâtel

  2. Flux de l’énergie solaire incident sur la terre Principe et type des installations photovoltaïques Alimenter le monde avec du photovoltaïque Alimenter la suisse avec du photovoltaïque Cyclicité et dispositifs de stockage Conclusion

  3. Problème 1: L’énergie solaire x heures de rayonnement solaire sur la planète correspond à la consommation d’énergie mondiale annuelle

  4. IEA key world energy statistics 2013

  5. Consommation mondiale Unités: • Mtoe = «million tons of oilequivalent» • toe = «ton of oilequivalent» = 107 kcal = 11630 kWh (1 kg pétrole  10 kWh) Consommation mondiale d’énergie primaire: Ec = 13000 [Mtoe] = 13000 * 106 [toe] * 11630 [kWh/toe] = 1.5*1014 kWh

  6. Calcul Constante du soleil: Eo = 1.367 kW/m2 Rayon de la terre: r = 6371 km Surface projetée de la terre: A = π r2 = 1.27*1014 m2 Puissance du rayonnement solaire incident sur la terre: P = A * Eo = 1.74*1014 kW t = Ec / P = 0.86 heures

  7. Une installation photovoltaïque: Sans mouvement, sans usure, sans bruit, pas de facteur d’échelle, utilisable partout Panneaux Cellule en silicium cristallin Onduleur Pas spectaculaire !!

  8. Electricité hors réseau Chargeur solaire

  9. Taille: du plus petit au plus grand 0.25 kW / 1 panneau / 1.7m2 Cout Frs 500.00 Revenu annuel: Frs 60.00 (250 kWh) 10% de votre électricité 10 kW / 40 panneaux / 70 m2 Cout Frs 25’000.00 (sans subside) Revenu annuel: Frs 2000.00 (10’0000 kWh) 3 ménages Installé en 30 min Installé en 1 jour

  10. Migros, Neuendorf (AG) 5.2 MWp, 20’000 panneaux, 1500 ménages, cout 10 Mio Frs, Construction: env. 3 mois

  11. Agua Caliente, Arizona, USA, 2011 290 MWp, production 625 GWh/année, 5.2 Mio modules, 9.8 km2 200’000 ménages, 1% de la consommation d’électricité Suisse Note: la puissance installée correspond aux panneaux nouvellement installées en Suisse en 2013

  12. Google maps 2km

  13. Problème 2: Surface nécessaire pour remplacer toute la consommation mondiale d’énergie actuelle avec une centrale photovoltaïque de 16% d’efficacité ? km x ? km (0.3% de la surface continentale)

  14. Est-ce que ca vaut la peine?Energy payback time EPBT = 1- 3 ans (durée de vie 30 ans) Conditions d’exploitation: Europe du sud 1700 kWh/kWp/année

  15. Etape 1:Rayonnement sur une surface horizontale: 1.1 kW/m2 1.37 kW/m2

  16. kW/m2 Rayonnement global en région équatoriale: 1.361 (1) (1) 1150 1.100 (3) 1050 (4) (5) (2) (2) 0 h 24 h (1) Atmosphère: - 20% (2) Jour/nuit : - 50% (3) Saisons: +/- (4) Angles obliques: - 36.3% (5) Maximum sur une surface fixe: Gjour = Po * ∫ sin t dt = = 1.1 kW * 2/π *12 h = 8.4 kWh/m2 Gannée = 365 *Gjour = 3067 kWh/m2/année

  17. Réalité: influence de la météo

  18. 400 800 1200 1600 2000 Etape 2: Rendement de conversion 1000 W/m2 1.2 volt 100% 3% Réflexion 20% Non-absorption (Eph < E1.2volt) Pelect. h = 31% Trop d’énergie (Eph-E1.2volt) Pray 20% Recombinaison, Vbi Pill = 1000 W/m2, 25°C, AM1.5 (standard testing conditions) 11% resistances etc. 16% Efficacité 160 W/m2

  19. Etape 3: Ratio de performance annuel • Pertes/gains de coefficient de température: -0.4%/°C c.à.d. avec une température du module à 45°C: -5% • Perte à faible intensité (réduction de la tension) • Perte pour changement de spectre • Perte du câblage (résistif): 1% • Perte de conversion de 600 volt DC en 230 Vac (onduleur): 3% PR typique d’un système photovoltaïque: 80% → Efficacité totale annuelle: 16%*80% = 13%

  20. Surface nécessaire Consommation mondiale: Ec = 1.5*1014 kWh/année Rayonnement: G = 2700 kWh/m2/année Rendement total: η = 13% Surface: A = Ec/(G*η)= 4.3 1011m2 = 430’000 km2 = 655 km x 655 km

  21. kWh/m2 1.361 (1) (1) 1000 1.000 (3) (4) (5) 500 (2) (2) (6) 0 h 24 h (1) Atmosphère: - 30% (2) Jour/nuit : - 50% (3) Hivers/été: +/- (4) Angles obliques: - 40% (5) Maximum sur une surface fixe: 2700 kWh/m (6) Latitude et météo en Suisse: ~1200 kWh/m2

  22. En Suisse: inclinaison 35° est optimale Sur une maison (%):

  23. Définition utile: Puissance crête = Puissance installée 265 Wcrêt Panneau solaire: Taille: A = 1.65 m2 Efficacité: η=16 % Puissance à STC (Io= 1000 W/m2): Pc = Io * η * A = 264 Wcrêt = 264 Wp (= 31 volt * 8.5 A) Prix des panneaux: $/Wp (0.5 … 1.5 $/Wp) Irradiance globale annuelle: G = 1200 kWh/m2 PR = 80% Production annuelle en Suisse par Wp: E = G * PR / Pc = 1000 kWh/1000 Wp = 1000 kWh/kWp  160 kWh/m2

  24. Evolution du parc installée: Croissance en 2013: 38 GWp  237.5 km2 Pour les 430’000 km2:  2000 ans ! Marché mondial des toitures: 10’000 km2/année: à ce rythme: 43 ans

  25. L’origine de l’énergie en Suisse en 2008 Problème 3: Est-ce qu’on pourrait alimenter la Suisse en photovoltaïque? 19% renouvelable et indigène

  26. Approvisionnement = consommation suisse: Source actuelle: Stat. énergie et électricité 2008

  27. Société suisse 100% photovoltaïque: Hypothèse: Efficacité accrue par l’électricité: 125 TWh (au lieux des 254 TWh) Installation solaire équivalente: 125 GWp = 780 km2 Canton de Soleure: 780 km2 1.9% du territoire suisse Surface des routes: 107 m2/habitant * 8 mio = 850 km2 Surface des bâtiments: 52 m2/habitant * 8 mio = 416 km2

  28. Cyclicité et stockage Production sur une année / plateau suisse Neuchâtel / 4 kWp

  29. Cyclicité et stockage:

  30. Besoin de stockage Hypothèse: Consommation constante Production/consommation annuelle: 125 TWh Stockage saisonal nécessaire: 22 TWh (< 20% du besoin total)

  31. Stockage d’électricité Lacs de pompage-turbinage (2018): Total  5 GW , capacité env. 20 heures (Nant de Dranse) → 100 GWh = 50 min de stockage de pointe PV Lacs d’accumulation (2013): 2012/13: 85% → 10%: 7000 GWh = 7 TWh , 100%  10 TWh = 80 heures de pointe PV = 30 jours de consommation complète Voitures électriques (2030): 4 mio de voitures de tourisme 60 kWh de stockage batterie par voiture = 240 GWh de stockage = 2 heures de stockage de pointe PV

  32. Stockage de chaleur • Stock de chaud • Chaleur sensible (eau) • Chaleur latente (paraffine (60°C), sels) Crailsheim (Allemagne): 30’000m2

  33. Stockage de méthane synthétique (SNG) Allemagne: 400000 km de pipelines v = 25 * 109 m3 de méthane 1m3 10 kWh Stock d’énergie: 210 TWh CH: 20 TWh ??

  34. Electricité Méthane «Power-to-gas P2G» η = 60 - 70% Fuel cells η = 49 - 65% 3%

  35. Power-to-hydrogen Falkenhagen (2013, Allemagne) 2 MW = 360 m3 hydrogène/ heure

  36. Stockage de position de masse E = ∫ F(x) dx = = (2 ρr 3 / 2 ρw) π g r4 ρ r = 2.6 kg/dm3 r = 100 m → E = 3.2 GWh r = 500 m → E = 2000 GWh

  37. Lignes de longues distances Rio Madeira système de transmission HVDC Longeur: 2’375 km Puissance: 6.3 GW Tension: +/- 600 kVolt Conducteurs: 4 x 4 x 650mm2 Pertes: 3.5%/1000 km = 8.3%

  38. Desertec

  39. Réalité Mix avec des agents solaires indirectes, qui sont ou anticycliques ou stockables: • Hydraulique • Eolien • Biomasse Meilleur réseau, réseau intélligent («smart-grid») Influencer la demande: • Efficacité • Utilisation en fonction de l’offre (prix)

  40. Ca coute combien? Ca va se faire? Prix du CO2 Emissions de CO2 2013: 39’000 MtCO2

  41. Mix de sources d’électricité Allemagne 2013 Est-ce que le solaire est mauvais pour l’hydaulique (suisse)? Non, en principe ce sont les meilleurs partenaires possibles

  42. Le futur: 100% renouvelable, 50% local Electricité: PV Hydraulique Eolien Biomasse Efficacité Gas synthétique Chauffage/habitat: Architecture solaire Minergie Rénovation/isolation Biomasse (bois) Pompe à chaleur Couplage chaleur force Méthane (PV et éolien) Mobilité et transport: Voitures électriques (PV) Transport publique (PV) Voitures à hydrogène/méthane (PV) Avion solaire / fuel synthétique (PV)

  43. Conclusion • Le module photovoltaïque en silicium, jadis un objet purement scientifique ou appliqué hors réseau, devient une source d’électricité très généralisé, car son cout de base est devenu très bas (100 $/module → 50 $cts/Wp → 1-2 $cts/kWh) • L’énergie de fabrication d’un système PV est amortie en 1 à 3 ans • Le module photovoltaïque est le moteur principal d’un nouveau système d’alimentation en énergie sans CO2 et renouvelable • Ce nouveau système utilisera différents éléments de stockage, de transformation, de transport, et d’énergie complémentaires, pour faire correspondre la production et la consommation • Le nouveau système est techniquement faisable: économiquement, il se réalisera en fonction du cout d’émission du CO2

  44. Photosynthèse des plantes(production de biomasse) Efficacité de conversion de l’énergie solaire:  1%

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