Transcript puissance solaire

Les énergies
photovoltaïque et éolienne:
les réalités et non les mirages
Francis Massen
Pierre Lutgen
[email protected]
[email protected]
1100 kWh/(m2*year)
(Diekirch)
L’énergie photovoltaïque:
les réalités et non les mirages
Le grand réacteur à fusion

Le soleil est un réacteur nucléaire
gigantesque, qui produit son énergie
de la fusion d’atomes d’hydrogène
en atomes de hélium

4 H → He + Energie
(685 millions de tonnes de H
converties chaque seconde)
3
L’énergie solaire: les chiffres (1)
Une surface de 1 m2
exposée perpendiculairement aux
rayons et se trouvant
en dehors de
l’atmosphère reçoit
une puissance de
S0 ≈ 1367 W
4
L’énergie solaire: les chiffres (2)
La puissance totale reçue par la surface de la terre est
S = 0.70 *1367*πR2 = 1.23*1017 W =
123000 TW
ou ~239 W/m2 [0.70 = (1 – albedo) = partie absorbée]
Le monde consomme actuellement
17 TW
5
L’énergie solaire: les chiffres (3)
Si la puissance reçue par du soleil pouvait être
intégralement convertie en une forme utilisable
(électricité, chaleur…), une surface de 71130 km2 ( = un
carré de 267 km sur 267 km) serait suffisante!
267 km
267 km
6
Où est le problème?
Il tient en un mot:
7
Situation à Diekirch: 2011
Moyenne = 130 W/m2 (surface horizontale)
8
Capteurs suiveurs (tracking)
1808 kW/m2
1370 kW/m2
1145 kW/m2
[données Weihenstephan, 48°N], modèle Perez
9
Situation à Diekirch: par mois
10
Situation à Diekirch: 21 juin/déc.
En juin: peu d’énergie en dehors de 11:00 – 19:00 temps local
(UTC +2). En décembre: bilan pratiquement zéro!
11
Energie intermittante (1)
L’énergie solaire est fortement irrégulière au cours de la
journée (nuages, brouillard), nulle au cours de la nuit et
très réduite durant les périodes où la position du soleil
est basse
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Energie intermittante (2)
Diekirch, 2011:
Janvier → Mars:
164 kWh/m2
Avril → Septembre:
878
Octobre → Décembre:
104
Les 6 mois d’hiver et d’automne ne fournissent que 23%
du total annuel!
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1ère conclusion (1)
Sans moyens de stockage importants et efficaces, l’énergie
solaire ne peut assurer un service indispensable et garanti
de 24h/24h.
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1ère conclusion (2)
Cependant elle peut actuellement assurer sans
problèmes le fonctionnement de petites entités, comme
panneaux de signalisation, éclairages d’appoint (solaire
électrique)…. ou constituer un apport pour le chauffage
et la production d’eau chaude (solaire thermique)
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Le photovoltaïque
Une cellule photoélectrique transforme la puissance solaire
incidente en courant électrique.
Elle repose sur l’effet photoélectrique, découvert en 1839 par
A. Becquerel.
La 1ère cellule de type moderne fut crée par Bell Laboratories
en 1954
16
Une cellule au silicium
Cellule à une seule jonction
n-dopage: As (arsen) p-dopage: B (bore)
Un photon d’énergie
suffisante libère un
électron qui est recueilli
par une électrode sur la
face supérieure. Une
tension (p.ex. 1.4 V)
s’établit entre le haut et
le bas de la cellule, et
cette tension fait circuler
un courant dans un
appareil connecté.
17
Types de cellules
1. Cellules mono- et polycristallines (Silicium, solides)
2. Cellules amorphes (Silicium, solides)
3. Cellules à couches minces (flexibles): CdTe, CIS…
4. Dans le futur: cellules à nano-tubes?
18
Problèmes (1)
Pour avoir une tension et une intensité de courant
suffisante, il faut brancher en série et en parallèle un
grand nombre de cellules
─
+
Diode de protection
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Problèmes (2)
 Un revêtement spécial doit assurer une absorption
optimale des photons (peu de réflexion). Toute saleté
diminue l’efficacité!
 Le rendement stagne depuis environ 10 années pour
les panneaux sur le marché à ~ 15 - 17%
rendement = INPUT/OUTPUT
Puissance solaire
Watt
Puissance électrique
Watt
20
Rendement typiques
Cellules mono-cristallines: 20 % (trop chers, peu installées)
Cellules polycristallines :
14-16 % (les plus usuelles)
Cellules amorphes:
5 – 7 % (les moins chers, peu
installées)
Le rendement pratique d’une installation complète est
sensiblement inférieur!
Puissance solaire
Watt
Puissance électrique
Watt
21
Problèmes (3)
4. La cellule doit être orientée le plus perpendulairement
possible par rapports aux rayons (loi des cosinus)
Bien
Mauvais
22
Montage (1)
Solution:
- monter le panneaux sur un système suiveur:
23
Montage (2)
Solutions:
- compromis: orientation entre 30° et 50°
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Empreinte CO2 (life cycle analysis)
~ 60 g CO2/kWh
25
Autres gaz polluants (LCA)
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Fabrication et déchets
1. Nécessite l’emploi de NF3, gaz qui a un GWP de 17000
2. Les panneaux flexibles contiennent du CdTe (tellure de
cadmium). Le cadmium et la poussière de CdTe sont
toxiques.
3. Problème de la rareté de certains éléments (Tellurium,
Indium, Ruthenium, Selen)
4. La production de 1 kg de silicium pur entraîne 19 kg de
déchets
5. Problèmes de déchets des installations en fin de vie
27
Au Luxembourg (1)
Simulation www.myenergy.lu
1155 kWh/m2
Rendement ~ 10 %
Faux:
3500*(0.563 – 0.06) =
1761 kg CO2
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Au Luxembourg (2)
Pendant
combien de
jours par mois
peut-on faire
tourner un lavevaisselle ou une
machine à laver
(2h à 2.5 kW) ?
(Diekirch, 2011)
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Coût au Luxembourg (1)
2010:
Consommation électrique du pays: 6.7 TWh
Production PV: 21 GWh = 0.3% de la consommation
Coût net des subsides “feed-in”:
= 1.9 millions Euros (selon ILR)
= 0.20 Euro pour 1 kg de CO2 émis évité
(EUA févr. 2012: 9 Euro/to CO2 = 0.009 EUR/kg CO2)
30
Coût au Luxembourg (2)
Coût annuel minimal total pour 21 GWh = 0.3 % de l’énergie
électrique nécessaire:
Feed-in :
1.9 millions €
Nouvelles installations en 2010: 166
Subsides
~ 1 millions € (budget)
Total ~ 2.9 millions € par année
donc ~0.138 €/kWh
ou
~0.088 €/kWh sans subsides d’installation
(coûts inclus dans les tarifs consommateur)
31
Conclusions
16.5 €/kWh
32
Solaire thermique ? (1)
Serait-il plus intelligent de favoriser et d’étendre le solaire
thermique?
Les installations usuelles ont un rendement global de
70%
Une surface de 10m2 fournirait par année
~0.7*10*1100*1.2 = 9240 kWh pour chauffer l’eau de
consommation (et/ou l’eau du chauffage).
Ceci correspond à une économie de ~ 1000 litres de
gasoil (chaufferie moderne, 92%).
33
Solaire thermique ? (2)
Règle approximative: 10m2 de collecteurs solaires
thermiques permettent une économie de 1000 litres
de gasoil
Le temps d’amortissement d’une installation thermique
solaire est > 12 ans avec subsides.
Grâce aux subsides (installation et “feed-in”) celui d’une
installation photovoltaïque est ~ 6 ans!
Voir Mémorial A3/2009, règlement grand-ducal du 20 avril 2009:
subsides solaire thermique: 5000.- €
subsides photovoltaïques: max. 30*1650 = 49500.- ou 30%
34
Conclusion finale (1)
Avec les prix actuels des combustibles fossiles (non
subventionnés) et en absence de subsides publics
extrêmement importants, le solaire photovoltaïque et
le solaire thermique ne sont pas encore rentables
dans nos régions.
Les subsides actuels pour le photovoltaïque ne sont
probablement pas supportables (“not sustainable”) à la
longue (voir Allemagne, Espagne).
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Conclusion finale (2)
La technique photovoltaïque actuelle (cellules au Si
cristallin ou amorphe) sera probablement remplacée par
d’autres procédés moins chers et plus performants
(cellules à nano-tubes, cellules thermo-électriques…).
Une revalorisation de l’indépendance énergétique et
une percée technologique dans les rendements, les
moyens de stockage et les prix pourrait changer la
donne.
36
16/27
(Betz)
L’énergie éolienne:
les réalités et non les mirages
Force du vent
Surface S
Vent
Force exercée
vitesse v
F = ½*ρ*S*v2
ρ = masse volumique de l’air = 1.25 kg/m3 à 10°C
38
Puissance du vent
Surface S
Vent
vitesse v
3
Puissance = Force * vitesse = ½*ρ*S*v
La puissance est proportionnelle au cube de la
vitesse du vent !
39
Loi de Betz (1919)
Surface S
Vent
vitesse v
Le vent doit s’écouler derrière l’hélice pour ne pas
“faire bouchon”. La puissance théorique
maximale n’est que 16/27 *P
Pth maximale= 16/27*( ½*ρ*S*v3)
40
Exemple: Vestas V100 (2 MW)
Diamètre rotor: 100m
Surface balayée: S = 7854 m2
Puissance à v = 12.5 m/s: 2 MW
Pth =
(16/27)*½*1.25*7854*(12.5)3/ 106
= 5.68 MW
La puissance réelle ~35% de la
puissance théorique maximale!
255 W/m2 ~ puissance solaire
Utilisation: vitesses entre 3 m/s et
20 m/s (~11 à 72 km/h)
41
Le facteur de charge
Facteur de charge (capacity factor):
puissance_fournie
c=
puissance_maximale_possible
Exemple:
Une Vestas V100 de 2 MW pourrait théoriquement fournir 2 *8760 =
17520 MWh en une année. En réalité elle n’a fourni que 3400 MWh.
Donc c = 3400/17520 ~ 0.18
Ceci correspondrait à un fonctionnement en puissance maximale
de 0.18*8760 = 1577 heures (“Volllaststunden”)
42
Exemples de c (1)
Irlande:
environ 1425 MW
de puissance éoliennne
on-shore installée fin 2010
43
Exemples de c (2)
Danemark: 3.9 GW: 3.0 GW onshore, 0.9 GW offshore
0.25
0.23
44
Exemples de c (3)
Allemagne: 22297 installations, 29.1 GW
0.185
0.17
45
Exemples de c (4)
Luxembourg: 44 installations, 43.7 MW
Année Facteur
de charge
2008 0.16
2009
0.17
2010
0.14
46
Une source fluctuante
“It is shown that for relatively small countries like the UK, the
probability of negligible wind power contributions is so high
that backup standby power sources with essentially the
same capacity as the whole mean wind power contribution
will have to be available”
[http://www.wind-power-program.com]
47
Solution: réseau étendu ?
Distance 820 km
Pour chaque turbine: 25% de
chance que output < 10% de Pm
Pour 2 turbine: 15% de chance que
output < 10% de Pm
48
Nécessité de backup (1)
Backup:
Hydro: démarrage très rapide (minutes)
Turbines à gaz: démarrage assez lent (quelques heures si en
OFF) ou rapide (minutes) si en STAND-BY (spinning reserve)
Stations thermiques au fioul/charbon: démarrage lent (jours
en OFF) ou moyen (heures) en stand-by
Réacteurs nucléaires: démarrage très lent (jours en OFF),
assez rapide (heures) en stand-by
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Nécessité de backup (2)
Puisque les conditions de vent peuvent changer en quelques
minutes, les systèmes de backup non-hydrauliqes doivent
être en stand-by (spinning reserve)
Multiples
de 15
minutes
50
Production parfois
insignifiante
DK, 22 mars 2012, 16:29 UTC: production totale = 2464 MW
éolien = 74 MW = < 3%
www.energinet.dk
51
Moins de rejets CO2 ? (1)
1. L’énergie éolienne fournit une partie
de l’énergie de base (base load): ceci
est la situation actuelle la plus
fréquente.
… les émissions de CO2 augmentent
(+20%) dû au fonctionnement nonoptimal des backup (gaz et/ou
charbon). Elles augmentent encore
plus si les éoliennes remplacent des
réacteurs nucléaires.
(rapport Hughes, GWPF, 2012)
52
Moins de rejets CO2 ? (2)
2. L’énergie éolienne fournit une partie
de l’énergie intermédiaire
… les émissions de CO2 augmentent
modéremment (+14%)
(rapport Hughes, GWPF, 2012)
53
Moins de rejets CO2 ? (3)
3. L’énergie éolienne fournit une partie
de l’énergie de pointe
… les émissions de CO2 diminuent
(nulles pour la partie fossile
remplacée, ) ou ne changent pas si
les éoliennes remplacent des
générateurs hydro ou nucléaires.
(rapport Hughes, GWPF, 2012)
54
Moins de rejets CO2 ? (4a)
Conclusion:
Parmi les 3 scénarios seulement le moins probable
(le moins fréquent) entraîne une diminution des émissions
de CO2
La conclusion que l’éolien ne diminue pas notablement
ou pas du tout les émissions de CO2 se trouve dans
beaucoup de rapports.
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Moins de rejets CO2 ? (4b)
Rapports montrant que l’éolienne ne diminue pas notablement
les émissions de CO2
- Civitas (UK, 2012) : Electricity costs: The folly of Windpower
[http://www.civitas.org.uk/economy/electricitycosts2012.pdf]
- Le Pair (NL, 2011) : Wind turbines increase … CO2 emissions.
www.lepair.net
- Gordon Hughes: Why Is Wind Power So Expensive?
[http://thegwpf.org/images/stories/gwpf-reports/hughes-windpower.pdf]
56
Moins de rejets CO2 ? (5)
Danemark:
Les émissions par kWh
d’électricité produite n’ont pas
diminué à partir de 2003
La part de l’électricité éolienne
dans la production totale a
augmenté de 15.8% à 19.3 %
durant cette même période.
[F. Udo et al., windstroom
e.html, 2011]
57
Moins de rejets CO2 ? (6)
Contre-exemple
Irlande, 2011:
chaque MW d’éolien
diminue les rejets de
CO2 de 0.1 g par kWh
(passer du charbon au
gaz entraîne une
diminution de 400 g par
kWh!)
Puissance installée totale = 6829 MW dont 1741 MW
éolien.L’éolien fournit environ 20% de l’électricité
58
Prix de production comparés
Rapport Cours des Comptes, France, 2012
hydroélectrique 15 – 20 €/MWh
charbon
44
semi-constant
constant
nucléaire
50
constant
éolien
gaz naturel
69
74
fluctuant
constant
solaire
236 - 406
fluctuant
Nature du producteur
59
Un commentaire “facile”
Burerbierg: 8 MW, 12.4 M€
“En plus, mais bien sûr
pas prépondérant, il y
a un joli symbole ; du
bout des éoliennes on
voit au loin un
dinosaure de la
production énergétique
« traditionnelle » : le
réacteur nucléaire de
Cattenom”
[www.etika.lu
article sur Burerbierg]
60
Remplacer Cattenom par
Burerbierg ?
Facteur de charge du nucléaire français = 0.76
Production annuelle Burerbierg: 8*0.13*8760 = 9110 MWh
Production horaire Cattenom:
4200*0.762 = 3192 MWh
En moins de 3 heures, Cattenom produit autant que le
Burerbierg en une année.
Il faudrait 12277 éoliennes au Burerbierg pour remplacer
Cattenom, sans parler des systèmes de backup.
61
Densité de puissance
Forêt commerciale
Parc éolien
0.25 W/m2
0.2 (*) – 4.7(**) W/m2
Parc photovoltaïque
5 -10 W/m2
TWINERG, 10.6 ha
(turbine gaz-vapeur)
Cattenom, 415 ha
(nucléaire)
> 2800 W/m2
>1253 W/m2
(*) on-shore: une turbine de 2 MW (rotor 80m) a besoin de 166 ha:
distance minimale entre turbines = 10*diamètre rotor.
(**) Offshore alpha-Ventus
62
Qui fournira la “base load”?
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Conclusion finale (1)
Le talon d’Achille du photovoltaique et de
l’éolien est leur faible densité de puissance et
leur nature fluctuante.
Avant de se lancer à corps perdu dans
l’installation en masse de systèmes photovoltaïques et éoliennes (cf. Allemagne), il aurait
été plus intelligent de pousser la recherche et
le développement des moyens de stockage et
de distribution.
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Conclusion finale (2)
Si ces moyens* existent, PV et Éolien
pourront devenir des partenaires solides parmi
les autres producteurs d’énergie électrique.
* Flow battery, flywheels, électrolyse, hydrostorage… et Smart Grid
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Un seul livre….
David MacKay:
Sustainable energy… without the hot air
http://www.withouthotair.com/
(version pdf gratuite, 12 MB)
66
Un seul lien….
Ce fichier ppt est accessible sur
http://meteo.lcd.lu/papers/
Merci de votre attention!
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