première diffusion octobre 2009 - dernière mise à jour février 2012

 

  • Résumé

L'énergie solaire, que l'on pourrait qualifier de plus simple puisqu'elle consiste à vouloir se servir directement au producteur (le soleil) pour alimenter localement le consommateur. Des calculs rapides de surface totale nécessaire à produire les kW.h consommés chaque année par l'espèce humaine la présente comme la solution évidente à nos problèmes énergétiques...

Malheureusement ces calculs globaux occultent ses défauts : un décalage temporel entre sa production et la demande, c'est à dire entre le midi et le soir mais aussi et surtout sous nos latitudes entre l'été et l'hiver, mais aussi des émissions de fabrication significatives (dues au processus amont de production et à leur rendement encore faible, de 10 à 15 % seulement de l'énergie reçue étant convertie en électricité).

Par ailleurs, une forte contradiction existe entre la logique physique qui conduirait à dimensionner en surface et en angle d'inclinaison les installations sur la demande d'hiver, et les logiques de subvention du tarif de rachat et celle de la Réglementation Thermique des bâtiments qui conduisent à dimensionner sur l'été, car donnant étonnamment la même valeur aux kW.h produits, quel que soit le moment...

 

L'objectif de cette étude est de donner une estimation du contenu en gaz à effet de serre de l'électricité d'origine photovoltaïque (en g équ. CO2 / kW.h), selon différents cas simples d'emploi.

Chaque cas est qualifié à l'aide d'adjectifs permettant d'en faciliter la compréhension et est agrémenté d'un calcul permettant d'en appréhender l'impact en ordre de grandeur.

     

  • Cas 1 : l'installation photovoltaïque isolée

Le cas traité ici est celui d'une "ferme photovoltaïque" de 1 000 m2 de panneaux solaires polycristallins de 140 Wc / m2 nominal, disposés à 35° plein sud sur des ossatures support en aluminium fixées sur un ensemble de toitures terrasses existantes, en France métropolitaine. Ses émissions grises (de fabrication et d'installation) sont de l'ordre de (source Erik Alsema & al., complétée) :

Le total est d'environ 400 tonnes équ. CO2, le poste majoritaire étant la fabrication des panneaux, et notamment de leurs cellules.

La localisation permet de recevoir une irradiation incidente de 1 400 kW.h / m2 / an, pendant une durée de vie supposée de 30 ans (compris un changement complet des onduleurs). En prenant en compte une estimation cumulée des multiples petites sources d'écart entre la production réelle et le potentiel maximal théorique à neuf (indice de performance + dégradation dans le temps), le bilan carbone® est alors de l'ordre de l'ordre de 100  g CO2e / kW.h.

Le fait d'utiliser une toiture existante ne conduit pas à intégrer dans les calculs la notion d'émission due au changement d'affectation des sols, facteur majeur apparaissant dans le calcul des installations au sols ayant nécessité par exemple un défrichement préalable.

La valeur moyenne retenue par l'ADEME, pour l'impact des seuls panneaux, est de 55 g CO2e / kW.h.

La puissance délivrée sur le réseau est ici très variable, à son maximum en pleine journée de juin, et nulle la nuit. A la latitude de la France métropolitaine, pour une installation classique, l'énergie quotidienne d'ensoleillement est 2,5 fois plus importante en juin-juillet qu'en décembre-janvier ; l'énergie totale varie du Nord au Sud du territoire métropolitain de - 20 à + 40%.

 

  • Cas 2 : photovoltaïque + gaz

Afin d'obtenir une production strictement stable, l'installation photovoltaïque, dont la production moyenne est de l'ordre de 20% de sa puissance maximale (en juin à midi), est complétée par une centrale thermique au gaz de dernière génération (à cycle combiné)

Le contenu carbone du kW.h est alors de  100 x 0,2 + 450 x 0,8 = 380 g CO2e / kW.h

Cette valeur peut diminuer si l'on accepte d'"écrêter" une partie de la production d'été pour diminuer la contribution relative du gaz.

 

  • cas 3 : stockage du jour vers la nuit par des batteries

Afin de déterminer un ordre de grandeur, nous supposerons un besoin moyen de stockage de 500 kW.h, correspondant à la volonté de lisser vers la nuit les journées de fin de printemps et début d'été les plus productives.

Nous supposerons utiliser des batteries au lithium de 200 W.h / kg, soit 2,5 tonnes. Leur durée de vie est d'environ 5 ans.

Leurs émissions de fabrication peuvent être estimées à 15 kg CO2e / kg auquel s'ajoute une infrastructure dédiée (local en béton, câblages, etc...). Le supplément peut alors être évalué à 70 g CO2e / kW.h

On constate immédiatement qu'un tel mode de stockage dédié pénalise significativement le bilan, tout en ne traitant pas la variation saisonnière de la production.

Cette solution technique est très pertinente en zone équatoriale (meilleur ensoleillement et faible variation saisonnière), particulièrement lorsque les infrastructures de distribution sont lourdes à mettre en oeuvre.

 

  • Cas 4 : le photovoltaïque de substitution

Dans ce cas, nous supposerons qu'il existe initialement une production d'électricité provenant de centrales thermiques à gaz.

Selon la situation et l'hypothèse de calcul retenue, cette part substituée peut être de l'ordre de - 500 g CO2e / kW.h dans le cas de centrales à gaz et de - 1 kg CO2e / kW.h dans le cas de centrales à charbon existantes.

Dans la limite d'un taux de substitution égal à son facteur de charge (ici de l'ordre de 20 %), le contenu carbone du kW.h est alors de  100 - (500 à 1000) = - 400 à - 900 g CO2e / kW.h.

Enfin dans le cas d'une région équipée de centrales nucléaires disposant au cours de l'année d'un % de disponibilité, les économies d'émissions engendrées par la production photovoltaïque diminue alors d'autant (cas de la France, voir § "électricité marginale" en bas de la page électricité).

 

  • Synthèse sur le photovoltaïque

Dans les exemples cités le contenu carbone du kW.h consécutif au choix du photovoltaïque est de l'ordre de 400 g CO2e en extension stable de production et de l'ordre de - 900 g CO2e en substitution.

    Puissance Appoint Emissions
g CO2e / kW.h
Cas 1 Photovoltaïque isolé   sans 100
Cas 2 Photovoltaïque + centrale au gaz   gaz 80 % 380
Cas 3 PV isolé avec stockage jour vers nuit   batteries Li 150 à 200
Cas 4 Photovoltaïque de substitution < 20 % existant  / gaz
/ charbon
- 400
- 900

La durée d'amortissement en gaz à effet de serre des installations photovoltaïques est très dépendante du contexte énergétique. Lorsqu'elles permettent de se substituer tout le long de l'année à des centrales thermiques existantes, leur amortissement est de l'ordre de 2 à 4 ans, tant que le taux local maximal d'intermittence du réseau n'est pas saturé. Au delà des systèmes de stockage tampon devront être associés aux projets.

Dans le cas de la France métropolitaine, et dans une certaine mesure de pays limitrophes raccordés, la latitude cumulée à la disponibilité l'été et à l'intersaison d'électricité nucléaire allonge l'amortissement des installations photovoltaïques, qui est alors de l'ordre de 6 à 10 ans.

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