Le solaire photovoltaïque : les perspectives d’améliorations et les technologies d’avenir ?

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L’histoire du photovoltaïque est riche, elle a été marquée par une multitude de découvertes et avancées technologiques.
Son évolution a été stupéfiante ! Nous ne savons pas où en sera exactement le solaire photovoltaïque dans quelques dizaines d’années mais nous avons quelques pistes pour les années à venir…

1. Le solaire photovoltaïque : les perspectives d'améliorations selon les générations de cellules

Améliorer l’accessibilité à la technologie photovoltaïque est incontournable, pour réduire les coûts et augmenter les capacités de production, certains chercheurs explorent la possibilité d’amincir l’épaisseur des plaquettes de silicium (wafers). Des études et travaux sont menés pour déterminer s’il s’agit d’une piste à privilégier.
Rendre l’énergie photovoltaïque la plus vertueuse possible est également un levier crucial pour permettre un développement massif de cette technologie, l’éco-conception fait l’objet de nombreuses recherches, il s’agit désormais d’améliorer les processus de conception pour réduire l’impact environnemental. L’étape de la fabrication est très énergivore, réduire les dépenses énergétiques est devenu un impératif technologique.
La fin de vie des cellules solaires est également une phase à prendre en considération, le recyclage doit aller de pair avec le réemploi des matériaux et l’optimisation de leur valorisation. Tous les acteurs de la filière photovoltaïque doivent s’impliquer ce domaine, de nombreux programmes de recherches sont destinés à améliorer la valorisation des matériaux recyclés. L’éco-conception est également un aspect qui peut favoriser cette valorisation.
Les découvertes et les avancées de la R&D ont permis de développer différentes technologies de cellules photovoltaïques, elles sont communément classées selon leur génération et la maturité technologique, on distingue 3 générations auxquelles s’ajoutent les technologies hybrides.

Classement des technologies

✦ 1ère génération

Les cellules de première génération sont composées d’un unique matériau semi-conducteur de grande pureté, le silicium sous forme cristalline. Selon la méthode de cristallisation utilisée on obtient du silicium monocristallin (un seul cristal de grande pureté) ou du silicium multicristallin (plusieurs cristaux). Le silicium polycristallin est moins cher à produire mais offre des rendements moins élevés.
Le silicium est dopé afin de présenter un excès d’électrons dans sa couche supérieure, dite de type N (dopage négatif) et un déficit en électrons dans sa couche inférieure, dite de type P (dopage positif). La frontière entre ces deux zones est appelée jonction PN. Lorsqu’une cellule est constituée d’un assemblage d’un seul et unique matériau semi-conducteur de composition différente, on parle de technologie à homojonction.

Après raffinage et cristallisation du silicium, des lingots de silicium sont obtenus puis découpés plaquettes d’une épaisseur de 200 microns environ, ce sont les « wafers« , elles sont ensuite assemblées et connectées entre elles pour composer des modules rigides.
Les modules de silicium cristallin constituent actuellement la technologie très majoritairement utilisée pour les installations photovoltaïques, elle représente environ 95% du marché.

Avantages :
durée de vie estimée entre 30 et 40 ans, grande robustesse et fiabilité
rendement important pouvant atteindre environ 21% en moyenne pour le silicium monocristallin
technologie très éprouvée

Inconvénients :
fabrication coûteuse et très énergivore (extraction, raffinage et cristallisation du silicium).
nécessité de supports permettant une installation plane et suffisamment robustes pour supporter le poids

Les avancées sont désormais assez limitées, d’après les études menées le rendement ne pourrait excéder 30 % (lié aux propriétés du silicium). Les recherches s’orientent de plus en plus vers l’utilisation du silicium combiné à d’autres technologies afin de gagner en rendement.

➥ Voir article Les panneaux photovoltaïques de type monocristallin ou polycristallin. Le silicium cristallin qui fait la différence 
Voir article Fonctionnement d’un panneau solaire photovoltaïque. Notions générales.

✦ 2e génération

La technologie photovoltaïque de 2ème génération concerne les cellules à base de couches minces (« thin films »). Les cellules sont constituées de très fines couches d’un matériau semi-conducteur déposé sur un substrat dont la nature varie selon si les cellules sont destinées à être souples ou rigides (plastique, verre, acier…). L’épaisseur du semi-conducteur n’excède pas plus de quelques microns.
 On distingue notamment les cellules en couches minces de silicium amorphe hydrogéné, de tellurure de cadmium (CdTe) et de cuivre Indium gallium et sélénium (CIS ou CIGS). 
Les procédés de production et de fabrication sont moins couteux et moins énergivores que ceux des cellules de 1ère génération (requièrent une faible quantité de matériaux semi-conducteur, peu de pertes, élaboration peu complexe sans besoin de cristallisation ou découpe en « wafers »…).

Avantages :
moins couteuses que les cellules 1ère génération, fabrication moins énergivore nécessitant peu de matériau semi-conducteur
très bonne sensibilité aux rayonnements diffus ou par faible illumination, sensibilité moindre aux fortes températures
grand panel d’utilisation grâce à la flexibilité et la légèreté des cellules (modules souples, intégration à des équipements et gadgets divers)

Inconvénients :
rendement global plus faible que les cellules de 1ère génération (entre 6-7% et 13% selon le type de cellule en couches minces)
diminution des performances dans le temps plus élevée et durée de vie moins longue que les cellules cristallines
impact toxicologique de certains matériaux (cadmium), recyclage complexe, utilisation de certains matériaux critiques dont les ressources sont limitées sur terre (indium, gallium, tellure et cadmium notamment).

 Actuellement, les cellules de CdTe représentent la technologie couches minces la plus utilisée, elle connait un développement important ces dernières années et les recherches incessantes permettent d’obtenir des rendements très prometteurs. Cette technologie permet d’atteindre des rendements allant jusqu’à 13 %.
Certaines technologies à couches minces sont utilisées pour des installations photovoltaïques spécifiques (bateaux, camping-cars…) ou de grande envergure (certains parcs solaires dépendent de la technologie CdTe).  
Les cellules en couches minces d’Arséniure de Gallium (Ga-As) ont le rendement le plus élevé, elles peuvent atteindre un taux de 30%, et un taux de plus de 40 % si elles sont associées à la technologie à concentration (lentilles optiques ou miroirs). Leur coût est très élevé, cette technologie est principalement réservée aux applications spatiales.
Les modules photovoltaïques en couches minces représentent environ 4% du marché.  

✦ 3e génération

Les cellules de 3e génération sont issues de technologies différentes, elles font l’objet d’études et recherches récentes qui permettent d’envisager une exploitation plus large du spectre solaire et d’obtenir de meilleurs rendements tout en utilisant des procédés innovants moins énergivores et moins gourmands en matériaux.
Les technologies sont diverses et en perpétuelle évolution, à l’heure actuelle le photovoltaïque organique et les cellules à pérovskite sont les plus connus.

     ✥ Le photovoltaïque organique (OPV pour Organic PhotoVoltaic)

Les cellules photovoltaïques organiques appartiennent à la 3ème génération, la technologie OPV repose sur l’utilisation de molécules ou polymères organiques (plastiques). Les semi-conducteurs utilisés sont donc des composés comportant des atomes organiques (carbone, azote …), il s’agit généralement d’une association de deux matériaux différents disposés entre deux électrodes, l’un possède un caractère donneur d’électrons, l’autre présente un caractère accepteur d’électrons. Ces matériaux sont soit superposés en deux couches P et N pour former en leur zone de contact une hétérojonction, soit mélangés au sein d’une même couche.
Cette technologie offre la possibilité d’exploiter l’électronique organique et l’électronique imprimée, ce qui permet de créer des cellules d’une extrême finesse, très flexibles et légères à la fois. Les cellules à base de composés organiques sont capables d’absorber une grande quantité des rayons lumineux malgré la très faible épaisseur de matériaux utilisés, ce qui permet de réduire considérablement les coûts de production, mais elles offrent toutefois un rendement limité.
La légèreté et la nature flexible des cellules OPV permettent une grande polyvalence d’utilisation, elles peuvent être intégrées à des matériaux souples et déformables (textiles, plastiques…), à des structures incurvées ou à faible portance.
Elles sont bien adaptées pour épouser des formes arrondies ou complexes : mobilier urbain, carrosserie de voiture dômes, certains projets architecturaux dont le design et l’esthétique sont à privilégier…
Leur transparence est également un atout, elles peuvent ainsi permettre de solariser des surfaces vitrées (fenêtres, serres…) ou être utilisées sur toiture (plate, courbée ou de structure légère), en façade, en ombrière ou garde-corps…
Le photovoltaïque organique élargit le champ des possibles en matière d’utilisation de la conversion solaire en électricité, c’est une solution qui ouvre la voie à des innovations en tous genres : alimentation de mobilier urbain interactif, alimentation de petits appareils nomades (domaine sportif ou militaire par exemple), pour permettre de recharger des petits équipements en l’intégrant à des vêtements, sacs à main, sacs à dos, étuis…

 

Réalisations OPV Asca : serre, palmier/banc/sac solaires pour recharge, façade de bâtiment. Source  https://www.asca.com/ 
Crédits photos : ….

Avantages :

simplicité de production et très faible coût de fabrication, bon marché
épousent aisément toutes formes de surfaces, semi-transparentes, application à une grande variété de dispositifs grâce à la légèreté, la finesse et la grande flexibilité des cellules
peu fragiles, peu sensibles à la chaleur (meilleure stabilité de rendement)
faible dépense énergétique de la fabrication et impact sur les ressources naturelles minimal (faible besoin en matières premières)

Inconvénients :

rendement faible (dépassent rarement 10 %, 5 % en moyenne)
durée de vie limitée (dégradation dans le temps)  

 La technologie OPV connait de réelles avancées, la recherche s’intensifie pour améliorer les rendements conversion énergétique et sa durabilité.
Le photovoltaïque organique ouvre de larges perspectives d’innovations, son faible coût et sa polyvalence sont des atouts formidables. De quoi faire rêver créateurs et designers…
🔆 Info sympa :  Des opérations menées pour favoriser l’éducation en Afrique (villages de Côte d’Ivoire, Guinée, Congo, Togo…) ont permis d’équiper des cartables en film organique afin de charger une lampe mobile utilisable le soir pendant quelques heures pour pouvoir étudier. Une idée lumineuse !   

Source photo Facebook Solarpak

     ✥ Les cellules photovoltaïques à pérovskite

Les recherches s’orientent également sur des cellules photovoltaïques de 3e génération composée de pérovskite, un composé minéral semi-conducteur dont le potentiel a été découvert par le chimiste et ingénieur Tsutomu Miyasaka en 2009. La pérovskite correspond à des composés possédant une structure cristalline particulière, ce matériau est combiné avec des composés chimiques et autres éléments, notamment le plomb.
Les processus de cristallisation et de fabrication sont moins énergivores et moins couteux que ceux relatifs aux cellules de silicium cristallin. Les cellules solaires de structure pérovskite possèdent un fort coefficient d’absorption (plus élevé que les cellules de silicium cristallin), sa structure cristalline spécifique permet d’exploiter une fraction du spectre solaire différente de celle exploitable avec du silicium cristallin, les rendements de conversion en électricité obtenus sont plus élevés.

Avantages :
rendement et performances élevés, fort coefficient d’absorption
facilité de production, faible coût de production
transparence des cellules

Inconvénients :
faible stabilité, durabilité limitée
dégradation à l’exposition des rayons lumineux (détérioration et vieillissement plus rapides), mauvaise résistance à l’eau, sensibilité à l’oxygène
utilisation du plomb (toxicité)

Les propriétés et performances prometteuses de la pérovskite suscitent l’intérêt des scientifiques et fabricants, les recherches et études se multiplient pour élaborer des solutions novatrices. Les pérovskites sont constituées de composés cristallins selon une configuration spécifique, de nombreux composés et associations sont envisageables. Le champ des possibles stimule d’autant plus la recherche.
Son utilisation en combinaison avec d’autres matériaux et technologies photovoltaïques constitue une piste très prometteuse, les recherches sont nombreuses afin de bénéficier des avantages que la pérovskite présente tout en limitant ses contraintes.

 En 2021, la société polonaise Saule Technologies lance la première ligne de production industrielle de cellules photovoltaïques en pérovskites synthétisés. Le procédé de production consiste à déposer sur un film plastique transparent et souple le matériau semi-conducteur par impression à jet d’encre composée de pérovskite. Cette technologie permet de concevoir des modules souples, légers et transparents, personnalisables en forme et teinte pouvant être intégrés à de nombreux équipements et dispositifs en intérieur et extérieur (objets connectés, stores solaires…). Les cellules solaires en pérovskite imprimées peuvent être encapsulées entre des couches de verre, les modules ainsi obtenus peuvent être intégrés à des façades et surface vitrées de bâtiments.

Source photo : https://sauletech.com/

✦ 3e génération hybride

Différentes technologies ont été décrites, toutes présentent des avantages et inconvénients, pour nombreux chercheurs et scientifiques l’avenir du solaire photovoltaïque réside dans la combinaison de plusieurs technologies. Les associations de technologies et matériaux sont très diverses et font l’objet de très nombreuses études et recherches. Voici les principales technologies utilisées pour l’élaboration des cellules hybrides de 3e génération.

     ✥ Les cellules photovoltaïques à colorant (DSSC pour Dye-Sensitized Solar Cell)

Les cellules photovoltaïques à colorant classiques, dites de Grätzel (de l’inventeur chimiste Michael Grätzel), sont inspirées de la photosynthèse végétale, il s’agit d’une association hybride entre un matériau chromophore organique ou métallo-organique (pigment photosensible) sensibilisant un matériau inorganique de type oxyde métallique semi-conducteur.
Cette technologie repose donc la photosensibilisation de semi-conducteurs, le pigment photo-actif (colorant) utilisé absorbe l’énergie du rayonnement incident (photons), le chromophore est alors à l’état photoexcité (génération et séparation de paires électrons-trous). Les électrons libérés circulent ensuite dans le semi-conducteur nanocristallin sur lequel le pigment est greffé (généralement du dioxyde de titane) puis sont collectés via une électrode transparente conductrice. Les électrons circulent dans le circuit externe (production d’un courant électrique) puis sont reconduits via la contre-électrode vers un électrolyte liquide, ce dernier transporte les électrons vers les molécules de colorant permettant sa régénération. L’ensemble est encapsulé entre les deux électrodes de verre conducteur pour former la cellule photovoltaïque à colorant.
La technologie photovoltaïque à colorant nécessite des procédés de fabrication peu couteux, si son rendement reste faible, elle reste néanmoins attractive pour certains usages. Elle permet d’intégrer les cellules photovoltaïques à une grande diversité de supports, les cellules sensibles même par faible luminosité peuvent être utilisées dans des configurations très variées en intérieur ou extérieur (lumière naturelle ou artificielle). La transparence et l’utilisation de colorants sont également des atouts pour jouer le design (façades, objets décoratifs…).

Avantages :
facilité et rapidité de production, faible coût de production
sensibilité à la lumière diffuse, sensibilité même par faible luminosité
légèreté, flexibilité et finesse, semi-transparence, possibilités de colorations différentes

Inconvénients :
performances limitées, rendement faible, ce rendement peut être amélioré en utilisant du ruthénium à faible dose mais qui est malheureusement un métal rare
instabilité aux rayons lumineux dans le temps, instabilité aux températures élevées (dilatation du liquide, ou gel et dommages par températures trop basses)
présence de solvants potentiellement dangereux dans l’électrolyte (nécessité de sceller très soigneusement les cellules, élimine la possibilité d’utiliser du plastique)

De nouveaux types de cellules à colorant sont élaborés avec des variations selon les matériaux utilisés. Les possibilités d’améliorations de performances et de durabilité sont très nombreuses. Certaines recherches s’efforcent de modifier le colorant ou d’innover pour produire de nouvelles compositions de pigments, l’objectif est d’augmenter la quantité d’énergie absorbée tout en évitant d’utiliser le ruthénium qui est un métal peu disponible et cher. Certains pigments sont constitués de matériaux métallo-organiques, d’autres sont totalement organiques.
D’autres travaux sont menés pour élaborer un électrolyte à l’état solide (solid state ➛ssDSSc) capable de rivaliser avec les performances d’un électrolyte liquide. Ce type de recherche vise notamment à améliorer la stabilité des cellules. Des cellules ont notamment été élaborées en utilisant un électrolyte à l’état solide à base de pérovskite.
Le matériau semi-conducteur utilisé fait également l’objet de recherches.
Selon le type de technologie les rendements varient de 5 à 12 % en moyenne.   

Photo 1 : façade vitrée du Swiss Tech Convention Center de Lausanne parée de panneaux photovoltaïques à colorant Solaronix, vue de l’intérieur
Photo 2 : cellule à colorant Solaronix
Réalisations et credit photos Solaronix

     ✥ Les cellules en tandem pérovskite-silicium

 Comme décrit précédemment, les cellules photovoltaïques à pérovskite font l’objet d’un intérêt croissant en raison des grandes performances de ce type de matériau. Les cellules de silicium cristallin représentent 95% du marché des modules photovoltaïques, c’est une technologie mature très maitrisée, offrant de hauts rendements, mais d’après les recherches il serait plafonné à environ 30% en raison des propriétés du silicium. Aujourd’hui les meilleurs taux de conversion de l’énergie solaire atteignent environ 22% pour les modules monocristallins commercialisés, les marges de progression restent donc limitées.  Pour s’affranchir de cette limitation, la recherche s’est orientée vers la combinaison des deux technologies, la pérovskite apparait comme un excellent matériau complémentaire au silicium.
Les cellules en tandem sont ainsi constituées d’une couche supérieure à base de pérovskite (« top cell ») superposée sur une cellule inférieure de silicium texturée (« bottom cell »).  
Des travaux et recherches ont été menés pour intégrer la pérovskite dans les procédés de production actuels du silicium cristallin sans créer des modifications trop contraignantes. La face supérieure des cellules de silicium étant texturée en formes pyramidales pour réduire la réflexion des rayons lumineux, il a fallu concevoir une méthode pour revêtir uniformément cette surface pyramidale. En 2023, la technologie tandem, malgré son manque de maturité, offre de grands espoirs, les rendements records en laboratoire avoisinent un taux de 30 % (tests sur de très petites surfaces).
L’utilisation de deux couches actives de silicium et de pérovskite en tandem permet d’exploiter plus efficacement le rayonnement solaire. En effet, en associant leurs propriétés, la cellule en tandem absorbe et convertit l’énergie d’une fraction plus large du spectre solaire, les rendements sont ainsi plus élevés. L’intérêt est, également, de bénéficier du fort taux d’abortion de la pérovskite tout en gagnant en stabilité et durabilité grâce au silicium.
La technologie photovoltaïque en tandem semble très prometteuse, partout la R&D tente d’explorer toutes les possibilités pour gagner en performances et rendement.
Notons que les cellules tandem pérovskite-silicium sont également des cellules à hétérojonction puisqu’elles sont composées de semi-conducteurs différents.

     ✥ Les cellules à hétérojonction de silicium (Si-HJT)

La technologie à hétérojonction (HJT) consiste à utiliser deux semi-conducteurs différents, il en résulte une hétérojonction en l’interface des couches mises en contact.
Les cellules à hétérojonction de silicium sont composées d’une couche de silicium monocristallin (c-Si) entre deux couches ultra-minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) de quelques nanomètres d’épaisseur (1 nm = 0,001 µm (micromètres). Une couche est fortement dopée n+ pour présenter un grand excédent d’électrons (dopage négatif), tandis que l’autre couche est dopée p pour présenter un déficit d’électrons (dopage positif). Le silicium cristallin d’une centaine de microns d’épaisseur est quant à lui dopé n.

💡  Rappel :  Homojonction

Une cellule cristalline de silicium est composée de deux couches de ce même semi-conducteur dopées différemment : dopage P de type positif et dopage N de type négatif.
La jonction PN entre les deux couches est une homojonction puisqu’il s’agit d’un seul semi-conducteur.

La couche mince supérieure de silicium amorphe capte l’énergie d’une partie des rayons lumineux reçus, les rayons lumineux traversent ensuite les différentes couches où l’énergie peut être absorbée indépendamment. La couche cristalline intermédiaire convertit la plus grande partie de l’énergie solaire, le silicium amorphe vient compléter et optimiser la conversion.
 La couche inferieure du silicium amorphe capte les rayons qui ont traversé les deux premières couches, toutefois si le module présente une surface transparente en face arrière, la cellule peut également bénéficier des rayons lumineux captés sur cette face (rayons directs ou rayons réfléchis (albedo).
Par rapport aux cellules conventionnelles en silicium cristallin, la technologie à hétérojonction permet d’atteindre des rendements et performances plus élevés, ce, même par températures élevées.
De plus en plus de fabricants développent des cellules à hétérojonction, leur coût est encore assez élevé, mais grâce aux diverses améliorations et à la simplification des procédés de fabrication, elles deviennent de plus en plus attractives.
Les rendements peuvent actuellement dépasser les 22 %. En laboratoire, les rendements ont même atteint plus de 26 %. D’autres technologies sont souvent associées pour encore gagner en performances, ces modules sont généralement classés comme des modèles haut de gamme.
Parmi les technologies à hauts rendements, l’hétérojonction semble très prometteuse, les recherches se multiplient et explorent les diverses possibilités en termes de semi-conducteurs à associer ou de type de dopage. Certains fabricants s’intéressent également à la suppression des conducteurs en argent, l’utilisation du cuivre serait une piste à envisager et qui permettrait de réduire les coûts.

       ✥ Les cellules à multi-jonctions

Les cellules à multi-jonctions sont composées d’une combinaison de divers matériaux semi-conducteurs et comportent ainsi plusieurs jonctions p–n différentes. La technologie permet d’atteindre des performances et rendements très supérieurs à la technologie monocristalline conventionnelle. Les dernières recherches ont permis de développer une cellule à 6 jonctions, chacune de ces jonctions est conçue pour capter une partie spécifique du spectre lumineux.
Cette technologie de pointe très couteuse reste prioritairement destinée aux applications spatiales, elle est souvent associée à des systèmes photovoltaïques à concentration de la lumière avec miroirs ou lentilles. Les rendements records en laboratoire dépassent désormais les 40 %.

 Les technologies sont de natures différentes, elles se trouvent à différents stades de maturation et de recherche selon les générations de cellules utilisées. Les cellules en silicium cristallin sont actuellement les plus utilisées, ce sont les plus performantes et les plus fiables pour les installations de systèmes photovoltaïques sur toiture ou au sol, leur durabilité est également un atout indéniable.
Les autres technologies peuvent être utilisées pour des configurations spécifiques pour répondre à des exigences esthétiques, architecturales ou de design même si les rendements sont moindres. La plupart des technologies récentes ne sont toutefois pas adaptées à l’usage domestique ou représentent un coût plus élevé par rapport au photovoltaïque cristallin conventionnel qui reste actuellement le plus compétitif. Les technologies dont les rendements sont plus faibles sont privilégiées pour être intégrées à des petits équipements.
Nous avons présenté les grandes familles de technologies mais comme vous l’avez compris, les possibilités de combinaisons semblent infinies, il est possible d’associer des technologies, des matériaux et composants différents qu’ils soient organiques ou non-organiques. Les technologies sont vouées à se compléter pour bénéficier des meilleures propriétés, atteindre des rendements optimisés et réduire les coûts.
La R&D est partout en effervescence, les avancées sont considérables, l’enjeu est désormais de passer de l’expérience en laboratoire à la production à grande échelle pour améliorer l’accessibilité à la technologie photovoltaïque.

Voir article La fabuleuse histoire du photovoltaïque. Historique, origines, découvertes et évolutions

2. Le solaire photovoltaïque : les technologies d'avenir en développement ?

Au-delà des technologies définies selon le type de génération de cellules et les matériaux utilisés, d’autres technologies diverses peuvent être associées. Voici quelques technologies prometteuses et des innovations qui pourraient se développer dans l’avenir.

✦ Le photovoltaïque à concentration (dit CPV)

Cette technologie utilise des miroirs ou lentilles optiques (type lentilles de Fresnel) pour concentrer les rayons lumineux sur les cellules photovoltaïques. Ce dispositif permet d’augmenter le rendement mais en raison de ses contraintes d’utilisation, il restait globalement réservé au domaine spatial ou à des sites spécifiques (lumière directe importante, et utilisation de trackers solaires pour suivre la course du soleil).

     ✥ Insolight et la solution Insolagrin

La startup suisse Insolight a développé et perfectionné sa technologie Insolagrin, une innovation agrivoltaïque qui permet de combiner, sur un même site, production d’électricité et optimisation de la production des cultures en terme de croissance, maturité et rendement. La conception du système intègre des modules photovoltaïques semi-transparents avec cellules de silicium bifaciales, et un écran de lentilles sur la face exposée permettant de concentrer selon les besoins les rayons lumineux. 
La technologie Theia des modules (Translucidité et Haute Efficacité en Agrivoltaïque) s’adapte aux besoins en lumière ou en ombrage selon les conditions climatiques et les températures. Leur fonctionnement est assuré grâce à un système de contrôle et pilotage par logiciel lui-même associé à des capteurs.  En E-mode les modules produisent de l’électricité, les lentilles sont alignées de manière à optimiser la production d’énergie, la lumière transmise aux cultures est diffuse et modérée. En MLT-mode les lentilles sont positionnées de manière à obtenir une transmission maximale de la lumière aux cultures tout en restant diffuse. 

Réalisations et crédit photos Insolight


Ces modules sont destinés à répondre aux besoins en « agrivoltaïsme ». La solution Insolagrin permet de faire office de serre / ombrière avec un dispositif d’ajustement dynamique de la lumière pour favoriser la photosynthèse et la croissance des cultures au fil des saisons tout en les protégeant des aléas climatiques et du froid. L’excédent de lumière est optimisé et transformé en électricité.
Plusieurs projets ont été réalisés en Europe (Suisse, Italie, France, Allemagne, Espagne, Pays Bas…), les études sont en cours pour évaluer l’optimisation des productions agricoles et déterminer l’intérêt et l’impact de la gestion de la lumière et des températures sur leur qualité. La première installation agrivoltaïque en France fonctionne depuis début 2022 (en Nouvelle Aquitaine).

✦ Les modules hybrides photovoltaïques-thermiques.

Certains fabricants se sont lancés sur le marché des modules hybrides permettant de produire de l’électricité et de la chaleur pour l’alimentation en eau chaude ou le chauffage. Notons, entre autres, l’entreprise Marseillaise Dual Sun.
Cette technologie repose sur des capteurs photovoltaïques en surface et thermiques en sous-face qui s’alimentent à la fois de la lumière et de la chaleur solaire. Ces modules hybrides peuvent être hydrauliques (pour une production d’eau chaude) ou aérovoltaïques (pour une production d’air chaud).
Ces technologies ne font pas réellement concurrence au photovoltaïque, leurs principes et leur utilisation étant différents. En effet, le solaire thermique permet en général un apport en chauffage complémentaire ou se substitue partiellement et ponctuellement à un cumulus électrique (ou ballon thermodynamique). La chaleur générée reste intermittente et dépend de l’ensoleillement. Le coût d’un système solaire hybride est d’ordinaire bien plus élevé qu’un système photovoltaïque traditionnel, mais la comparaison reste complexe et même peu pertinente… Notons que ces systèmes sont plus sensibles aux pics de températures qui peuvent altérer la production et générer des disfonctionnements (intervention d’un dépanneur).   

Le film esthétique SolarSkin

La startup américaine Sistine Solar a élaboré la technologie SolarSkin pour répondre à des besoins et une volonté esthétiques.
Un film écran est disposé au-dessus des modules photovoltaïques, cette innovation permet d’utiliser la surface des modules comme support pour afficher une image au choix.
Les possibilités de rendus et de personnalisation sont donc infinies et peuvent avoir une finalité secondaire reposant sur la publicité. Les écrans filtrent la lumière du soleil pour la renvoyer vers les cellules photovoltaïques.

Cette technologie permet de laisser court à la créativité visuelle, mais elle permet aussi dans certaines configurations d’éviter les contraintes d’urbanisme lorsqu’il s’agit de préserver l’environnement visuel et paysager. Le fabricant travaille à l’amélioration de leur rendement et de leurs performances. Le coût du dispositif vient s’ajouter à l’installation classique.

Réalisations et crédit 3 photos Sistine Solar

Les modules bi-verre

Les modules photovoltaïques classiques sont constitués d’une feuille de fond (back-sheet) protectrice en Tedlar (polymère), mais il existe des modules dits « bi-verre », un deuxième verre solaire remplace alors le Tedlar.
Grâce aux deux faces vitrées, ces modules sont partiellement transparents, ils permettent ainsi la perméabilité du spectre lumineux. Leur utilisation est généralement liée aux besoins de leur implantation lorsqu’il est nécessaire de préserver une certaine luminosité. Les modules « bi-verre » sont donc parfaitement adaptés en ombrières, pergolas, serres, ou sur des toitures et façades qui doivent permettre de laisser entrer la lumière du jour.
 Ces modules offrent une meilleure résistance aux différentes agressions extérieures (intempéries, conditions climatiques, pollution, humidité, impact, exposition prolongée aux rayons UV…). Ils sont plus rigides ce qui leur confère une meilleure résistance mécanique et une grande robustesse. Les altérations dans le temps étant plus limitées la technologie « bi-verre » contribue à une meilleure durabilité des modules. Leur emploi peut être privilégié pour les systèmes photovoltaïques exposés aux conditions extrêmes (forte concentration saline, humidité importante, milieux désertiques, vents violents…).  Par contre ils sont aussi plus lourds et leur coût est plus élevé.  
Ces modules étant très robustes et rigides, certains fabricants ont développé des modèles dépourvus de cadre métallique.


Notons que certains fabricants proposent également des modules dotés de Tedlar transparent, le gain en luminosité est conservé tout limitant le surcout et un poids plus élevé. 
La technologie bi-verre est souvent couplée aux cellules « bifaciales »…

Les modules bifaciaux

 Les modules photovoltaïques à double face ou bifaciaux connaissent un engouement prometteur. Généralement installés au sol, ces modules performants sont en essor en raison de l’optimisation évidente de la production électrique. En effet, grâce à la conception spécifique des cellules, ce sont les deux faces du module qui permettent de capter et convertir l’énergie des rayons lumineux. Cette technologie exige bien entendu une conception transparente en face arrière (généralement en verre pour la robustesse et durabilité). Ces systèmes photovoltaïques sont souvent utilisés pour les grands parcs solaires.
La face avant capte la lumière directe du soleil tandis que la face arrière a la particularité de capter les rayons lumineux reflétés par l’environnement (sol, rangée de modules…). Leur utilisation dépend donc de l’effet d’albedo (proportion du rayonnement solaire réfléchi par l’environnement) qui varie selon la végétation, le type de sol, la position du soleil, les nuages, la hauteur des modules…
 L’absorption en face arrière des rayons lumineux réfléchis permet un gain en énergie convertie de 3 à 15%. Le surplus d’énergie produite est à considérer avec prudence et modération. Les performances sont très variables, elles sont intrinsèquement liées à l’albedo, c’est pourquoi les sols et environnement clairs sont à privilégier (sol neigeux, sableux, voire sols cultivés…). Il faut bien entendu prendre en compte l’ombrage sur la face arrière, et l’espacement entre les rangées de modules doit être étudié pour favoriser l’effet d’albedo. Pour un réel gain, cette technologie requiert un bel ensoleillement pour bénéficier des potentiels rayons indirects, l’effet d’albedo étant bien entendu moindre par temps maussade.

Des études récentes ont démontré grâce à des tests comparatifs, que dans certaines configurations le gain n’était pas avéré ou minime. En effet le gain généré par l’énergie convertie en face arrière n’est pas toujours compensé par la perte de production en énergie en face avant liée à la technologie bifaciale et la conception spécifique des cellules. L’estimation du gain de performance et rendement est très complexe, bien des critères et facteurs sont à prendre en considération.
 Les études du productible peuvent présenter des incertitudes d’autant plus que l’albedo est variable au fil des saisons.
 Les modules bifaciaux disposent d’une technologie plus avancée que les modules classiques monofaciaux, leur coût est donc plus élevé. L’objectif est donc de compenser l’écart du coût d’investissement par une augmentation significative du rendement énergétique.
 Le photovoltaïque bifacial est en belle croissance, il gagne progressivement de plus en plus de parts de marché. C’est l’évolution de l’agrivoltaïsme qui favorise son développement, en effet cette technologie est particulièrement adaptée lorsqu’elle est associée à la culture des sols ou l’élevage puisque l’espacement entre les rangées est nécessaire pour permettre de conserver une couverture végétale.
 La demande étant en progression et les process de production toujours plus performants permettent peu à peu de réduire l’écart de prix avec le photovoltaïque monofacial.
 De plus en plus de fabricants élargissent leurs gammes de solutions en proposant un ou plusieurs modèles reposant sur la technologie bifaciale.
 Certains parcs photovoltaïques sont équipés de dispositifs de tracking pour l’optimisation des performances des modules bifaciaux. La production peut effectivement être accrue grâce au tracking, ce procédé repose sur le modèle du tournesol qui suit la course du soleil (principe de l’héliostat). Le tracker à axe horizontal peut s’orienter en suivant la course du soleil d’Est en Ouest, tandis que le tracker par inclinaison améliore l’incidence des rayons solaires selon les saisons permettant une exposition au rayonnement optimale. Il existe des trackers à double axe permettant les deux modularités.
 Bien évidemment cette technologie n’est pas adaptée aux installations en surimposition sur toiture, la face arrière n’étant pas exposée aux rayons lumineux. Les installations en ombrières au-dessus d’un sol foncé, tel que le bitume, s’avèrent également peu efficaces, l’albedo n’est pas suffisamment conséquent pour justifier l’utilisation de modules bifaciaux et le surcoût que cela implique.

La technologie « Back Contact »

La grande majorité des modules photovoltaïques présente un quadrillage visible en face avant, en effet cet aspect visuel est lié aux contacts collecteurs et conducteurs qui forment une grille sur la surface.
Cette grille est composée de « doigts », il s’agit de bandes conductrices très minces qui collectent le flux électrique généré par la cellule photovoltaïque. 
A leur perpendiculaire ces « doigts » sont connectés à des bandes conductrices plus larges appelées busbars (ou barres omnibus) où le courant est conduit et distribué de cellule en cellule. 
Toutes les cellules sont connectées entre elles pour permettre la circulation du courant électrique généré grâce à l’effet photovoltaïque.

 La technologie « Back Contact » présente l’avantage d’étendre la surface de production d’électricité en face avant en plaçant une partie ou la totalité des contacts métalliques en face arrière (= contact arrière d’où le nom « Back Contact »). Toutes les cellules sont connectées les unes aux autres en face arrière, cette technologie permet d’optimiser la surface disponible exposée, et de limiter les pertes liées à l’ombrage des contacts. La zone de réception des rayons lumineux étant plus importante, l’absorption de l’énergie solaire est augmentée, le rendement est donc plus élevé.
Il existe différents types de cellules photovoltaïques à contact arrière, notamment les cellules MWT (Metal Wrap Through) et plus récemment les cellules IBC (Interdigitated Back Contact).

 Les cellules Back Contact de type MWT sont dépourvues des conducteurs omnibus en face avant, les électrodes de contact positives et négatives sont placées à l’arrière de la cellule. L’énergie électrique est collectée par les doigts en face avant, les interconnexions vers la face arrière sont réalisées en formant de minuscules trous percés au laser dans la plaquette de silicium, une pâte d’argent sérigraphiée remplit les trous et assure ainsi la mise en contact traversante (voir schéma en coupe). Cette description de la conception est simplifiée mais elle est bien entendu plus complexe.
Certains fabricants jouent sur le rendu esthétique en disposant les doigts en face avant selon des configurations spécifiques… 

La structure d’une cellule Back Contact IBC ne présente plus aucune métallisation en face avant, les contacts et conducteurs sont intégralement placés en face arrière (voir image présentant la face et la face arrière). Les contacts sont donc parfaitement invisibles. La technologie appliquée et le type de semi-conducteur choisis sont adaptés pour offrir des cellules à très hautes performances. La face exposée au soleil n’étant plus encombrée de contacts, la cellule présente une surface très épurée d’une grande esthétique. Pour les cellules associées à un dispositif à concentration des rayons lumineux, en l’absence de contacts en face avant, les performances sont encore accrues.
Les modules Back Contact disposent d’une feuille conductrice spécialement conçue en face arrière, les cellules sont donc plus facilement connectées entre-elles, ce qui présente l’avantage de pouvoir les rapprocher, et épargne la contrainte de soudage nécessaire pour interconnecter les cellules conventionnelles. Il en résulte un gain en espace, une diminution des micro-casses dues aux soudures et une diminution des pertes résistives.

La réduction de la métallisation en face avant limite les pertes d’ombrage, l’efficacité de conversion de l’énergie solaire et les performances sont améliorées, l’apparence offre un design plus esthétique, et les modules gagnent en durabilité et fiabilité. Les avantages sont donc loin d’être négligeables toutefois les processus de production sont complexes et couteux. La technologie Back Contact n’est pas encore mature, les recherches se multiplient, on peut imaginer qu’elle a un avenir prometteur et qu’elle sera de plus en plus accessible.

✦ La technologie TOPCon

La grande majorité des panneaux photovoltaïques actuels bénéficient de la technologie PERC (Passivated Emitter Rear Cell) qui consiste à ajouter une couche de passivation diélectrique à l’arrière de la cellule (généralement une cellule de Type P). La couche de passivation permet d’augmenter les performances du panneau. Leur rendement est en moyenne de 20%.
Les panneaux photovoltaïques de silicium cristallin de toute dernière génération ont une couche de passivation dite TOPCon (pour Tunnel Oxide Passivated Contact). Les cellules sont alors de Type N, leurs performances sont encore accrues même par faible luminosité ou forte chaleur. Elles ont en outre une plus grande durabilité. Le taux de rendement dépasse généralement 21%.
Les cellules de Type P PERC dominent le marché, l’utilisation de la couche de passivation PERC s’est très vite répandue à partir de 2018. La technologie TOPCon est, semble-t-il, en passe de devenir la norme dans les années à venir. En 2023, la plupart des grands acteurs et fabricants de panneaux ont commencé à développer et produire leurs gammes de panneaux TOPCon, en 2024 la tendance devrait fortement s’accentuer. La technologie TOPCon devrait assez rapidement détrôner la technologie PERC.
Les technologies PERC et TOPCon étant devenues incontournables, nous leur avons consacré tout un article afin de bien expliquer leurs avantages et de présenter une approche comparative détaillée.

Voir article Les cellules solaires PERC comparées à la technologie avancée TOPCon

Les tuiles et ardoises solaires photovoltaïques  

Les tuiles et ardoises solaires permettent de produire de l’électricité par conversion de l’énergie solaire tout comme les modules photovoltaïques. Le principe est identique mais ce sont la forme, les dimensions, l’aspect visuel et la configuration d’implantation qui diffèrent. L’effet photovoltaïque permet de produire un courant continu, qu’il s’agisse de tuiles, ardoises ou modules, un onduleur est nécessaire pour le convertir en courant alternatif.
Notons que certaines tuiles ou ardoises peuvent aussi produire de la chaleur (tout comme les modules).
Les tuiles/ardoises photovoltaïques s’intègrent à la toiture, cette technologie privilégie l’aspect esthétique, certains modèles confèrent à la toiture un design moderne, d’autres sont conçus pour se confondre au mieux avec la toiture existante.
Les tuiles et ardoises solaires s’intègrent généralement mieux dans l’environnement qu’un système photovoltaïque conventionnel. Opter pour cette technologie peut favoriser l’obtention de l’autorisation d’urbanisme lorsque le bâtiment est localisé dans une zone protégée (à proximité d’un monument historique, site classé…). En effet dans une telle situation, l’avis de l’Architecte des Bâtiments de France (ABF) détermine si le système photovoltaïque envisagé est adapté aux contraintes visuelles et architecturales, les tuiles et ardoises solaires peuvent donc être un atout et sembler plus conformes à l’environnement.

Le fabricant Tesla développe et commercialise des tuiles photovoltaïques depuis plusieurs années, l’inventeur Elon Musk communique beaucoup sur son concept Solar Roof et ses diverses gammes de tuiles. Si cette marque est généralement la plus connue, d’autres fabricants ont pris part au marché, et les français ne sont pas en reste… Aujourd’hui l’aspect, les formes, les matériaux, les couleurs et les conceptions sont très variés permettant de répondre à des besoins tout aussi divers en termes de couverture.
Si l’avantage primordial est d’ordre esthétique, d’un point de vue structurel, les tuiles ou ardoises photovoltaïques se substituent à la couverture classique, le système photovoltaïque ne représente donc pas un poids supplémentaire puisqu’il n’est pas installé en surimposition à la couverture. Les tuiles et ardoises solaires peuvent s’intégrer partiellement à la couverture ou constituer intégralement la toiture, dans ce dernier cas il est judicieux d’associer un système de stockage pour utiliser le surplus d’énergie lorsque la production n’est plus effective. Autre avantage, quelle que soit l’inclinaison elles s’intègrent facilement, néanmoins comme tout capteur photovoltaïque, la production en énergie reste dépendante de l’inclinaison, de l’orientation et de la localisation, un projet avec des tuiles ou ardoises photovoltaïques nécessite une étude et réflexion très rigoureuses pour qu’il soit pertinent.

Crédit  photo Tesla Solar Roof 

Cette technologie pourrait susciter un grand engouement, toutefois il y a des « mais » d’importance majeure qui constituent un frein réel à son utilisation. Les tuiles et ardoises photovoltaïques affichent globalement un rendement inférieur à celui des modules solaires conventionnels. En effet, selon les modèles, pour une même puissance totale, un système photovoltaïques constitué de tuiles peut nécessiter jusqu’au double en surface.  Leur coût actuellement bien supérieur à une installation conventionnelle sur toiture constitue un autre point négatif. Au mètre carré, avec un rendement plus faible et un prix plus élevé, l’attrait de l’esthétisme ne fait pas forcement le poids…
Enfin, notons qu’il faut se renseigner sur les procédures de maintenance en cas de défaillance, mais aussi sur les garanties. Tous les professionnels installateurs n’ont pas forcément les agréments nécessaires, et les assurances habitations ne couvrent pas systématiquement ces types d’installations.
L’atout esthétique des tuiles et ardoises photovoltaïques est incontestable, aujourd’hui leur emploi reste très marginal, mais elles font de plus en plus parler d’elles, même si leur intérêt est de se faire discrètes ! 😉

3. La problématique des surfaces disponibles : le solaire photovoltaïque sur toiture ou au sol, agrivoltaïsme

 Le déploiement du solaire photovoltaïque constitue une solution incontournable dans le cadre de la transition énergétique, il implique néanmoins une gestion intelligente des surfaces à exploiter.  

✦ Promouvoir et développer le solaire photovoltaïque dans un contexte de tension foncière

Augmenter la production d’énergie photovoltaïque est une nécessité, or les surfaces disponibles sont limitées et il est absolument nécessaire de garantir la préservation et la qualité du milieu dans le temps.
Les installations sur toitures n’empiètent pas sur les surfaces foncières disponibles puisqu’elles n’impliquent aucune occupation des sols additionnelle. Ce type d’implantation sans impact sur l’emprise au sol est donc à favoriser qu’il s’agisse de résidences, de bâtiments publics ou de bâtiments professionnels. Un système photovoltaïque peut facilement être installé sur toitures ou en ombrière, le panel des possibilités est vaste :  résidentiel, entreprises, supermarchés, entrepôts, bâtiments agricoles, structures scolaires ou hospitalières, locaux à usages industriels, ombrières sur parkings… 
Le solaire sur toiture offre de réelles opportunités,  il implique toutefois un investissement important pour chaque propriétaire/investisseur, opter pour une installation photovoltaïque relève donc du choix et des moyens de chacun. Malgré les surfaces sur toiture potentiellement exploitables, elles ne peuvent, à elles seules, permettre d’atteindre rapidement les objectifs de la transition énergétique.  

       ✥ Transition énergétique, PPE et SNBC

La Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) a été instituée par la Loi relative à la Transition Energétique pour la Croissance Verte (LTECV, 2015). La LTEVC reprend les engagements européens et indique les objectifs nationaux sur le plan énergétique. 
La PPE* est encadrée par le code de l’énergie, des réajustements ont été apportés par la Loi Energie Climat (LEC, 2019). Il s’agit en réalité d’un outil de planification, la PPE établit les priorités d’action en matière d’énergie. Ce document de programmation doit permettre de piloter la politique énergétique et de déterminer les stratégies et mesures adaptées afin d’atteindre les objectifs définis au code de l’énergie.
* Note : à la PPE pour la métropole continentale, s’ajoutent les PPE propres à chaque zone dite non interconnectée (ZNI) 

 

La présente PPE fixe les orientations pour la transition énergétique jusqu’à 2028 selon deux phases successives de cinq années couvrant 2019-2023 et 2024-2028.
La PPE fixe ainsi une série d’objectifs énergétiques, elle prévoit notamment une diminution généralisée de la consommation d’énergie finale de 20 % d’ici 2030 (16,5 % dès 2028) et de réduire de 40% la consommation d’énergies fossiles par rapport à l’année 2012 (35% dès 2028). La PPE prévoit également la diversification du mix électrique en limitant à 50 % la part du nucléaire dans la production électrique d’ici 2035. Selon la loi française, l’objectif est de porter à 40 % la production d’électricité d’origine renouvelable à l’horizon 2030. La transition énergétique implique ainsi une plus grande production et une plus grande consommation d’énergie d’origine renouvelable (33 % de la consommation d’énergie d’origine renouvelable d’ici 2030).

solaire photovoltaïque neutralité carbone

La Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC), également issue de la loi de Transition Energétique, est la feuille de route de la France pour diminuer durablement les émissions de gaz à effet de serre. Conformément à l’Accord de Paris signé en 2015 (COP21), la France s’est engagée à limiter la hausse de la température moyenne de la planète à 1,5°C d’ici 2100, et à atteindre la neutralité carbone. Depuis le Plan Climat adopté en 2017, l’ambition est désormais d’atteindre de la neutralité carbone à l’horizon 2050, cet objectif a été inscrit dans la Loi Énergie-Climat du 9 novembre 2019. Il s’agit d’atteindre un équilibre entre les émissions de gaz à effet de serre liées aux activités humaines et la capacité des écosystèmes à absorber ces émissions par des puits naturels (forêts, sols agricoles…) ou par certains procédés industriels.
La SNBC précise les grandes orientations pour mettre en œuvre une économie nationale bas carbone et définit des plafonds d’émissions de gaz à effet de serre à ne pas dépasser par période de cinq ans, dits « budgets carbone ».

Au regard des enjeux climatiques, la lutte contre l’aggravation de l’effet de serre est une priorité absolue. La PPE doit être en toute concordance et cohérence avec la SNBC. Les mesures de réduction de la consommations d’énergie et de substitution des énergies fossiles par des énergies renouvelables doivent permettre de tenir les engagements. L’objectif intermédiaire est de parvenir à une réduction de 40 % des émissions de gaz à effet de serre d’ici 2030 (par rapport à 1990).
Si l’enjeu est d’inscrire la France dans une trajectoire permettant d’atteindre la neutralité carbone en 2050, la PPE vise également à assurer la sécurité d’approvisionnement et à réduire la dépendance aux importations. Les mesures constituent, de facto, un moyen de tendre vers l’indépendance énergétique

➥ PPE : https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/20200422%20Programmation%20pluriannuelle%20de%20l%27e%CC%81nergie.pdf

L’électricité photovoltaïque
 La PPE fixe le cap pour toutes les filières renouvelables productrices d’électricité qui pourront constituer le mix électrique.
La PPE 2019-2028 donne des objectifs de puissances installées, elle prévoit ainsi une capacité installée de production photovoltaïque comprise entre 35,1 à 44 GW à l’horizon 2028 en France métropolitaine continentale. L’objectif intermédiaire est de porter à 20,1 GW la puissance installée en 2023.

     ✥ Objectifs de puissance photovoltaïque installée et contrainte de disponibilité foncière

  Les objectifs en termes de puissance installée à court terme sont ambitieux mais ils visent à répondre à l’urgence écologique et climatique. Le parc photovoltaïque français a atteint une puissance de 17,2 GW au 1er trimestre 2023 (10,2 GW en 2020), or ces chiffres démontrent le retard du déploiement du solaire photovoltaïque par rapport aux objectifs ciblés pour 2023.
Si une augmentation significative des installations sur toiture est nécessaire, ce type d’implantation seul, malgré son potentiel, ne permettra ni de tenir les objectifs dans le temps, ni de répondre aux besoins en énergie grandissants. Il va rapidement falloir consacrer au photovoltaïque une superficie conséquente et adaptée à la demande énergétique.
 Développer la capacité de production d’électricité photovoltaïque afin d’augmenter la part d’Energie Renouvelable (EnR) dans le mix électrique nécessite donc de trouver de grandes surfaces au sol exploitables.
Dans ce contexte, les ressources foncières disponibles sont vite devenues une réelle problématique. En France, comme partout dans le monde, la quête des grands espaces au sol est désormais lancée pour permettre d’envisager des projets d’envergure.
Privilégier des sites déjà anthropisés, favoriser la réhabilitation des espaces délaissés et dégradés, valoriser les zones artificialisées ou les milieux impropres à d’autres usages, exploiter la forte irradiation dans les régions désertiques sont autant de clés pour permettre de développer le solaire photovoltaïque tout en assurant la préservation de l’environnement. Le potentiel est réel, il est essentiel d’identifier, de recenser et d’analyser avec discernement les sites « propices ».
Il serait tentant de penser que la totalité de ces surfaces pourrait être suffisante pour atteindre les objectifs de la PPE, toutefois la réalité ne se résume pas à la surface disponible. Les contraintes techniques ou administratives peuvent être diverses (proximité avec un site historique, zone protégée ou de captage d’eau…). Un frein économique n’est pas non plus à écarter si le coût d’investissement est trop élevé et/ou si le productible n’est pas satisfaisant (retour sur investissement peu intéressant). Les études d’impact peuvent également révéler des enjeux environnementaux trop préjudiciables.
Le déploiement du solaire photovoltaïque ne doit pas devenir un facteur de dégradation de notre environnement, l’enjeu ultime de la transition énergétique et écologique est bien de le préserver. Il reste ainsi primordial d’éviter d’impacter les espaces naturels, agricoles et forestiers par la dégradation de l’écosystème et la perte de biodiversité. L’évaluation des éventuelles conséquences dommageables est incontournable.
 Une fois encore la difficulté est de trouver des ressources foncières exploitables pour être à la hauteur des ambitions élevées en termes de production photovoltaïque. 

Emergence et développement de l’agrivoltaïsme

L’agrivoltaïsme est de plus en plus envisagé, le but n’est pas de grignoter les espaces agricoles mais d’exploiter un potentiel foncier tout en maintenant et en soutenant une activité agricole (culture ou élevage).
Le concept d’agrivoltaïsme met en exergue une notion de synergie de fonctionnement, la cohabitation implique que la dimension énergétique ne doit ni prendre le pas, ni engendrer une dégradation qualitative ou quantitative de la production agricole. De tels projets peuvent donc être autorisés si la vocation agricole reste priorisée.

     ✥ L’encadrement juridique de la filière :

  En France, la règlementation est mieux définie depuis l’adoption de la loi relative à l’accélération de la production d’énergies renouvelables le 7 février 2023. 
 Poser un cadre juridique est une nécessité afin d’éviter toute forme de dérive et la spéculation foncière. L’agrivoltaïsme suscite de nombreuses interrogations et inquiétudes et peut être perçu comme une menace. Impacts environnementaux et paysagers, concurrence d’usage des sols, crainte d’une manne financière et des conflits d’intérêt qui en découleraient, manque de visibilité sur le long terme, les oppositions sont fortes et certains projets sont sévèrement décriés. La pratique semble assimilée à une boîte de Pandore que l’on s’apprête à ouvrir…
Le cadre légal permet d’apporter une définition précise au terme « agrivoltaïsme » pour ne plus être sujet à interprétations. Il s’agit bien de concilier production d’énergie électrique et alimentaire, la conjugaison des deux activités doit avoir pour objectif de garantir la pérennité et le développement de la production agricole. En résumé, la production solaire ne doit pas porter atteinte à la vocation nourricière de la terre. Les projets et installations photovoltaïques seront soumis à l’avis de la Commission départementale de la préservation des espaces naturels, agricoles et forestiers (CDPENAF). Il est en outre nécessaire de déterminer les conditions communes d’autorisations et de favoriser une certaine harmonisation des procédures et décisions, sans pour autant exclure une étude et analyse au cas par cas. Il est stipulé qu’une installation agrivoltaïque ne doit pas être « de nature à porter atteinte à l’environnement et aux sites et paysages remarquables », le caractère réversible constitue également une obligation.
Malgré le caractère hiérarchique clairement mis en exergue, les contempteurs dénoncent néanmoins les incertitudes au regard de l’évaluation des incidences réelles sur la production et les revenus de l’exploitation. Les doutes persistent également concernant les critères qui permettraient de définir la véritable pertinence des projets agrivoltaïques. Pour éviter les écueils, si les conditions, critères et objectifs ne sont pas respectés, il semble nécessaire de prévoir et définir les modalités de contrôle et de suivi. Une étude des impacts sur la biodiversité est également à envisager dans le temps.
 L’aménagement des sols nécessaire pour la réalisation de l’installation photovoltaïque doit lui aussi être pris en considération pour l’étude de chaque projet. Il n’implique pas seulement le site d’implantation : création des voies d’accès, tranchées pour le raccordement au réseau électrique, incidence sur les écoulements et infiltration des sols…

     ✥ Acceptabilité et convergence vers le « durable »

La filière agrivoltaïque en est encore à ses balbutiements mais elle va indéniablement prendre de l’ampleur. A l’heure où l’accélération de la production d’énergies renouvelables est préconisée pour permettre à la France de rattraper son grand retard sur ses objectifs européens, l’agrivoltaïsme constitue une des solutions pour relever le défi de la transition énergétique.
La menace d’une disparition des terres agricoles, la crainte d’une artificialisation des surfaces et d’une flambée des prix du foncier constituent les arguments d’opposition majeurs au cœur des polémiques.  Outre la crainte d’une déprise agricole et des incidences environnementales, l’impact paysager, voire touristique, peut également faire débat. L’attachement au charme des paysages est compréhensible, c’est un point sensible dont chacun est bien conscient.
Face à l’urgence climatique et dans un contexte où les conflits en Europe ont mis en exergue la problématique de la dépendance énergétique, le solaire photovoltaïque constitue une alternative réaliste et incontournable aux énergies fossiles. Reste à trouver et considérer de manière rationnelle les moyens et les solutions pour rendre les objectifs réalisables…
Si produire une électricité décarbonée et préserver le foncier sont deux évidences, le constat est sans équivoque, les surfaces nécessaires au développement du solaire photovoltaïque devront être d’envergure adaptée pour être à la hauteur des ambitions en termes de capacité de production. Or, il est factuellement impossible de faire l’impasse sur les grands projets solaires. L’agrivoltaïsme, lorsque les conditions le permettent, apparait comme un compromis qui permettrait de lever certains freins au déploiement du photovoltaïque et d’éviter l’étiolement des surfaces disponibles tout en soutenant l’activité agricole priorisée.

Les enjeux écologiques et environnementaux sont considérables, et le temps est compté, certains choix sont inéluctables. Les opportunités étant limitées, il reste à savoir où placer le curseur de l’acceptabilité sociale et locale. Le questionnement ne se limite pas à savoir comment se positionner. En réalité, il ne s’agit pas d’un simple positionnement binaire entre le « pour  » et le « contre ». L’intérêt est de créer des opportunités et atteindre une optimisation à la fois raisonnée et raisonnable de l’usage des terres. Certes la tâche est délicate, elle implique d’écarter les projets « alibis » faussement vertueux, voire préjudiciables, et d’éviter les écueils et stigmatisations pour au contraire favoriser les projets agrivoltaïques pertinents et convenablement construits.
La transition énergétique / écologique relève d’un consensus, elle est ni plus ni moins une évolution vers la durabilité. Elle implique une prise de conscience et une stratégie orientées vers le développement durable pour la préservation de notre planète et de nos ressources. Dans les faits, deux questions pragmatiques et essentielles subsistent : « alors on fait quoi ?  » et « on fait comment ? ». Il est trop simpliste d’assimiler l’agrivoltaïsme à un moyen d’accaparer les sols, c’est une vision bien réductrice qui occulte une solution potentielle qu’il faut envisager et étudier judicieusement pour répondre, en partie, à l’impératif énergétique.

La situation environnementale est en dégradation constante, l’objectif est désormais d’assurer une accélération significative du rythme de développement de la puissance photovoltaïque installée. La problématique est de trouver les leviers et les moyens à mettre en œuvre pour soutenir ce déploiement. Notons que l’ONU alerte sur le réchauffement global qui pourrait atteindre 2,8 °C d’ici la fin du siècle si les mesures prises ne sont pas renforcées. Il nous faut concilier préservation de l’environnement, ressources foncières disponibles et moyens. Les stratégies et actions doivent être menées et dictées par la raison, le raisonnable, le rationnel, l’acceptable et le convenable dans une logique de développement durable…

4. Le solaire photovoltaïque flottant, une solution d'avenir qui ouvre de nouveaux horizons ?

 Nous le répétons, développer le solaire sur toiture et implanter des systèmes photovoltaïques sur des sites qui n’ont ou n’auraient aucune autre vocation sont les solutions à privilégier. Alors que la pression foncière s’accentue, les systèmes photovoltaïques flottants se multiplient et apparaissent comme une alternative possible pour produire de l’énergie solaire sans empiéter sur les surfaces terrestres disponibles.

✦ Le solaire photovoltaïque flottant : le point sur la technologie

Les systèmes photovoltaïques flottants constituent un autre domaine de technologie qui a pris de l’essor en quelques années et dont le développement devrait grandement s’accroitre à l’avenir. Pourtant électricité et eau ne font pas bon ménage, le concept peut paraître étrange…
 Une centrale photovoltaïque flottante est comme son nom l’indique installée sur une étendue d’eau, elle est fixée sur une structure métallique à l’aide de flotteurs, l’ensemble forme une ou plusieurs plateformes tels des ilots. Le système est maintenu à flot et un dispositif d’ancrage en fond ou en berge permet son maintien. La conception doit permettre conférer une certaine souplesse et une mobilité maitrisée puisque les îlots doivent pouvoir absorber les mouvements de l’eau.
L’inclinaison des modules doit être étudiée pour limiter la prise au vent, et tout l’ensemble doit être élaboré pour offrir une grande résistance à l’humidité, la corrosion ou toute forme de dégradation liée au contact permanent avec l’eau. Le câblage spécifique de type sous-marin permet le raccordement au réseau. Tout le dispositif doit répondre à des normes de sécurité très exigeantes puisque le principe consiste à produire de l’électricité sur une étendue d’eau.
Les systèmes photovoltaïques flottants sont généralement installés sur des lacs artificiels (anciennes mines ou carrières, notamment des gravières), bassins hydrauliques artificiels inexploités (pour le stockage d’eau et l’irrigation…) réservoirs artificiels, lacs de barrage, bassins de traitement d’eau… L’impératif est d’avoir un volume d’eau suffisamment conséquent pour garantir la pérennité de l’installation dans le temps (et au fil des saisons).
Un système photovoltaïque flottant peut être associé à une installation énergétique existante telle qu’un barrage hydraulique, il peut ainsi bénéficier des infrastructures et du réseau déjà opérationnels.

     ✥ Des espaces optimisés

  Le solaire photovoltaïque constitue une solution alternative prometteuse pour favoriser la transition énergétique, mais cette énergie renouvelable a toutefois l’inconvénient d’être peu dense puisqu’elle nécessite d’occuper de grandes surfaces pour répondre aux besoins énergétiques. Le déploiement des fermes et parcs photovoltaïques s’intensifie mais, comme nous l’avons évoqué précédemment, il reste nécessaire de préserver les espaces naturels, agricoles et forestiers ou toute zone exploitable à d’autres fins. Alors que la quête des espaces utilisables est devenue une préoccupation majeure, les systèmes photovoltaïques flottants présentent l’avantage indéniable de ne pas utiliser des surfaces de terres potentiellement utiles, ils peuvent de surcroit valoriser des zones artificialisées délaissées ou dégradées.
Cette technologie offre donc la possibilité d’optimiser les espaces disponibles, et de donner une deuxième vie ou une deuxième fonction à des surfaces inexploitables (bassins de traitement d’eau par exemple).

     ✥ Amélioration des performances

  La production d’énergie photovoltaïque est dépendante de la température, si elle devient trop élevée, le rendement diminue. Dans de très nombreux articles il est notifié que la fraîcheur de l’eau à proximité permet de favoriser le refroidissement des modules photovoltaïques et ainsi de limiter les pertes de rendement. Cet argument est à modérer, d’après certaines études comparatives, le refroidissement est négligeable ou serait effectivement notable seulement dans certaines configurations, selon la structure de montage et selon le climat (température de l’air, vent…).
Les systèmes photovoltaïques flottants sont généralement installés au centre d’étendues d’eau suffisamment grandes, cette situation permet d’éviter tout impact d’ombre qui pourrait réduire la production d’énergie.
 La réverbération des rayons lumineux sur l’eau peut quelque peu augmenter la quantité d’énergie solaire captée et convertie en électricité. Le gain de rendement dû à l’albedo est également souvent présenté comme un avantage majeur, or il est à pondérer, tout dépend de la qualité de l’eau, de l’inclinaison des modules et du couplage éventuel à un dispositif de réflexion.
En réalité, une installation photovoltaïque sur une étendue d’eau présente des avantages en termes de performances surtout parce que les modules bénéficient d’une exposition optimale. Notons qu’un système de tracking pour suivre la course du soleil peut également être associé.

        Impact sur l’environnement

  Les ilots de modules en flottaison constituent un écran entre le soleil et l’eau qui permet de limiter le réchauffement de l’eau et de réduire son évaporation naturelle. Le solaire photovoltaïque est une source d’énergie renouvelable qui permet de répondre aux besoins en électricité tout en préservant l’environnement, or le solaire flottant contribue, en plus, à la lutte contre le réchauffement climatique en limitant l’évaporation d’eau et l’assèchement des plans d’eau, l’intérêt environnemental est double. D’un point de vue pragmatique, installer un système photovoltaïque flottant sur des bassins de stockage et d’irrigation peut être un atout indéniable puisque le volume d’eau stockée et disponible est mieux préservé. Concernant les systèmes photovoltaïques flottants sur des lacs de barrage, la réduction de l’évaporation accroit, de facto, la production hydroélectrique.  Même si à l’échelle de la planète l’évaporation ainsi limitée grâce au solaire flottant parait dérisoire, c’est un avantage qui ne peut être négligé.

Notons que le solaire flottant peut, contrairement à ce que l’on pourrait penser, permettre de favoriser le développement de la vie aquatique. La réduction de l’évaporation permet de limiter les variations de niveaux d’eau qui peuvent impacter la croissance de la végétation (notamment sur les abords et berges) et la reproduction des espèces animales, insectes compris. Freiner la hausse de température de l’eau peut de surcroît permettre de préserver la faune et la flore au fil des saisons et années. Enfin, il est intéressant de savoir que l’installation de frayères à poisson et de zones de refuge (pour nicher et nourrir) peut être couplée à la structure flottante.
L’ombrage que les installations flottantes prodigue permet quant à lui de réduire la formation ou la prolifération d’algues.
Des inquiétudes et oppositions subsistent concernant l’impact sur les écosystèmes naturels, et sur la faune et la flore qui en dépendent. Notons que les retombées sur la fréquentation touristique et l’impact paysager peuvent également générer la défiance.

Comment limiter les éventuels risques :
Les risques environnementaux sont toujours à prendre en considération et doivent être étudiés avec la plus grande attention. Envisager et concevoir un projet photovoltaïque flottant nécessite donc une étude environnementale rigoureuse afin de déterminer les risques et d’identifier les incidences. L’intérêt est également de définir les exigences à respecter pour chaque projet. Si l’impact est de toute évidence limité lorsqu’il s’agit de bassins d’eaux usées ou polluées, concernant les bassins d’eau douce, l’étude environnementale doit, entre autres, permettre de déterminer si la surface couverte et la zone d’obscurité générée peut avoir une incidence néfaste sur la vie animale, ou végétale (photosynthèse); La zone couverte peut notamment perturber la chaîne alimentaire (faune aquatique, oiseaux migrateurs ou non, insectes…).
Les matériaux utilisés et la conception de la structure doivent répondre à certains critères et exigences.
Une installation photovoltaïque flottante n’a pas pour vocation de recouvrir intégralement l’étendue d’eau, le taux de couverture doit être étudié et adapté sans dépasser des limites définies (selon le site et divers facteurs tels que le vent, la température…).
Durant tout le fonctionnement de l’installation une surveillance et étude du milieu doivent être maintenues.
Les équipements d’un système photovoltaïque flottant sont soumis au contact ou la proximité de l’eau et subissent les mouvements de ce milieu, il est important et même nécessaire de s’intéresser à la dégradation et au vieillissement des matériaux. Le plastique des flotteurs, par exemple, se détériore dans le temps… Les plateformes étant contraintes aux ondulations, vagues et courants, elles doivent être équipées de dispositifs permettant une certaine souplesse et une certaine mobilité, or ce facteur mécanique engendre une usure et une fragilité de ces équipements. Quel est l’impact à moyen et long terme ? Quelle est la fiabilité dans le temps ou par conditions extrêmes ? Certains concepteurs se penchent très sérieusement sur ces questions. Acsolue Energie s’intéresse de près à ce sujet afin d’obtenir et transmettre toute nouvelle information intéressante. 

✦ Le photovoltaïque flottant dans le monde :

     ✥ En Asie

  Le Japon est le premier pays à avoir initié le solaire photovoltaïque flottant (première installation expérimentale en 2007), cette technologie a rapidement été perçue comme une solution à privilégier pour pallier les contraintes géographiques et d’espaces auxquelles le pays est soumis. Le déploiement des centrales photovoltaïques flottantes a été rapide, le Japon est donc longtemps resté en tête en la matière, des dizaines de parcs ont été installées sur son territoire. En 2016, la centrale photovoltaïque du barrage de Yamakura de 13,7 MW devient à l’époque le plus important parc photovoltaïque flottant de la planète…
Le solaire photovoltaïque suscite un grand intérêt dans de nombreux pays d’Asie-Pacifique : en Thaïlande, en Malaisie, en Indonésie, au Vietnam, en Corée du Sud, à Singapour, au Cambodge, aux Philippines … et bien sûr en Chine.
En 2022, la plus grande centrale photovoltaïque flottante du monde se situe à Dezhou dans la province chinoise de Shandong, la capacité installée est de 320 MW ! Actuellement, le solaire flottant se développe majoritairement en Chine, les lacs de barrage et les anciennes mines de charbon sont des sites privilégiés, les projets atteignent des dimensions impressionnantes.

Image ci-dessus : parc flottant de Huainan dans l’Est de la Chine, inauguré en 2017. 160.000 panneaux photovoltaïques pour une puissance cumulée totale de 40 MW s’étalent sur plus de 800.000 mètres carrés d’une ancienne mine d’extraction de charbon transformée en lac artificiel. 

 L’Inde est également entrée la course, là aussi des parcs de grande envergure voient le jour ou sont en développement. En effet, parmi les pays les plus gros producteurs d’énergie photovoltaïque, la Chine et l’Inde misent sérieusement sur le solaire flottant.

     ✥ Ailleurs

Même si cette technologie est finalement récente, elle se développe aux quatre coins du monde, la vague du solaire photovoltaïque a notamment atteint l’Australie et l’Europe.
 En France, les débuts sont timides mais à partir de 2017 les premiers projets sont initiés, le premier et le plus grand parc photovoltaïque flottant est inauguré en 2019 à Piolenc dans le Vaucluse. 47 000 modules photovoltaïques pour une puissance totale de 17 MW sont déployés sur 17 hectares d’un lac artificiel d’une ancienne carrière. C’est alors la plus puissante centrale photovoltaïque flottante d’Europe. De nombreux projets de puissances variables ont vu le jour depuis. 
Un grand parc solaire photovoltaïque flottant devrait être mis en service en 2023 à Perthes en Haute-Marne sur un site d’anciennes gravières. D’une capacité installée de 65,5 MW, il deviendrait le nouveau plus puissant parc photovoltaïque flottant de France.
 Peu à peu de nombreux pays d’Europe prennent la même voie et « se jettent l’eau », les Pays Bas, le Royaume Uni, l’Allemagne, le Portugal, la Suisse, l’Espagne…

Le solaire flottant est encore considéré comme une technologie émergente, il connaît toutefois un très fort essor depuis 2020. Ses atouts en font une solution à grand potentiel, les projets de parcs photovoltaïques flottants se multiplient un peu partout sur la planète et témoignent de l’intérêt croissant qu’ils suscitent.
La transition énergétique s’inscrit dans un schéma où l’utilisation des surfaces disponibles constitue une problématique, le solaire flottant peut permettre de limiter les conflits d’usage tout en favorisant l’accès à une source d’énergie renouvelable.

Alors ?

Les besoins en énergie ne cessent de croître, trouver et utiliser des sources d’énergie alternatives renouvelables est devenu un impératif pour préserver la planète et limiter le changement climatique et ses incidences.
Les technologies liées au solaire photovoltaïque sont très diverses, qu’elles soient matures ou en devenir, elles représentent un potentiel indéniable pour répondre en partie aux besoins en énergie.

Le solaire photovoltaïque a de nombreux atouts mais comporte aussi des inconvénients, aucune solution n’est parfaite, d’ailleurs la source d’énergie idéale n’existe pas.
L’acceptabilité reste une étape compliquée, certaines oppositions sont inévitables, mais une certitude reste, chacun a besoin d’électricité. Tout est à considérer au prisme des besoins, des possibilités et des limites…

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Le solaire photovoltaïque navigue sur diverses technologies, Acsolue Energie tente de vous tenir au courant des tendances en vogue et prometteuses… 😉

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