Le solaire photovoltaïque pour les particuliers - Quelle rentabilité ?

Un peu de technique

Rappels sur les unités de l'électricité

Volts (V)

Cette unité mesure la différence de potentiel, ou tension (notée « U »), entre deux points d'un circuit électrique. En plomberie, la tension correspondrait à la pression de l'eau.

Ampères (A)

Il s'agit de l'intensité (notée « I ») d'un courant électrique circulant, autrement dit la quantité d'électrons qui traverse un point du circuit en 1 seconde. En plomberie, l'intensité serait le débit d'eau dans le tuyau.

Amperes.heure (Ah)

Exprimé normalement en Coulomb, l'ampère. heure permet de mesurer la quantité d'électricité passant par un point d'un circuit électrique en une heure. En plomberie, on parlerait d'un volume d'eau.

Watt (W)

Le watt permet de mesurer la puissance (notée « P »). C'est-à-dire le produit de la tension par l'intensité (P = U x I). Reprenons notre analogie hydraulique : plus la pression sera forte, et plus la taille du tuyau sera importante, plus la « force » de l'eau, sa puissance, sera grande.

Watt crête (Wc)

Non, cela n'est pas un coton grec ! Le Watt crête est la puissance maximale atteignable par un système électrique donné, ici un panneau ou un ensemble de panneaux photovoltaïques. Cette caractéristique est mesurée par les fabricants des cellules dans des conditions « standards » (irradiation solaire de 1000 W/m2 ; température 25°c), ce qui permet de comparer les différentes technologies et/ou modèles de panneaux entre eux.

Watt heure (Wh)

Il s'agit tout simplement de la puissance fournie par les panneaux en une heure de fonctionnement effectif. Cette mesure matérialise la quantité d'énergie vendue (ou achetée). Elle est donc naturellement à la base de la facturation. Le Watt heure étant une assez petite quantité d'énergie, on utilise souvent ses multiples : le KiloWatt heure (1 KWh = 1000 Wh) et le MégaWatt heure (1 MWh = 1000 KWh = 1 000 000 Wh).

La puissance apparente (VA)

Exprimée en VoltsAmperes (ou KiloVolts Ampère : KVA), elle mesure la puissance réellement injectée dans le réseau par l'installation. En effet, comme tout système, une installation photovoltaïque perd une partie de sa production dans son propre fonctionnement. Les électrons émis par les cellules photovoltaïques vont notamment parcourir des fils électriques (pertes par effet joule), puis être transformés en courant alternatif (pertes dans l'onduleur). Pour le gestionnaire du réseau électrique, cela n'est donc pas la puissance de vos panneaux qui compte, mais la « puissance apparente » effective de votre installation. C'est pourquoi un certain nombre de critères administratifs sont indiqués en KVA.

Le rendement (%)

Pour des modules photoélectriques, le rendement correspond à la part de l'énergie solaire frappant les cellules effectivement transformée en courant continu à la sortie des panneaux. En effet, une quantité non négligeable des photons constituant la lumière du soleil est perdue (notamment par réflexion et diffusion au niveau de la vitre du module). Aujourd'hui, la majorité des cellules du marché ne dépassent pas 20%, mais les chercheurs ont déjà dépassé les 35% en laboratoire et espèrent tangenter l'actuelle limite théorique établie à 50%. Pour un onduleur, le rendement correspond à la part de courant continu effectivement transformée en courant alternatif. Le reste étant dissipé, notamment par effet joule, lors de la transformation.

Pour une installation complète, le rendement correspond à la part de l'énergie solaire frappant les cellules effectivement transformée en courant alternatif utilisable. Elle est globalement égale au produit du rendement des panneaux par celui de l'onduleur (auxquels il faut ajouter les pertes dans le câblage, les compteurs, etc.).

Configuration générale d'une installation

Une installation photovoltaïque est composée d'une chaîne de matériels électriques et électroniques. Le dispositif contient :

• des panneaux solaires produisant un courant continu
• un « contrôleur » regroupant les sorties de tous les panneaux
• un interrupteur de sécurité
• des câbles
• un onduleur transformant le courant continu en courant alternatif (le 220v-50Hz utilisé dans la maison)
• éventuellement un boitier d'information et de gestion du système.

Les autres éléments dépendent de la configuration :

• Pour une installation isolée : - des batteries ; - éventuellement une sortie en courant continu pour utiliser directement des appareils fonctionnant en 12V ; - une source d'électricité d'appoint (groupe électrogène)
• Pour une installation en autoconsommation : - un boîtier de délestage et de sélection de source pour s'approvisionner au réseau public si nécessaire ; - éventuellement des batteries
• Pour une installation en revente de l'excédent (ou « vente du surplus ») ; - un compteur de production mesurant l'énergie injectée sur le réseau ; - un compteur d'autoconsommation ; - un boîtier de délestage et de sélection de source
• Pour une installation en revente totale (de loin la plus fréquente) : - un compteur de production mesurant l'énergie injectée sur le réseau ; - un compteur de non consommation

Les éléments du système

Les cellules et les panneaux (ou modules)

Un panneau, ou module, est constitué de plusieurs dizaines de cellules photovoltaïques généralement montées en série, et délivrant un courant continu exclusivement. Les panneaux quant à eux, sont le plus souvent montés en série dans des rangées, elles-mêmes montées en parallèle.

Le rôle du module consiste à protéger les cellules et leurs interconnexions, tout en permettant leur bonne ventilation car les performances diminuent avec l'augmentation de la température des cellules. Les panneaux « standards » produisent quelques centaines de watts sous une tension de 12 ou 24 V, et pour une surface approximative d'un mètre carré.

Le choix du montage dépend notamment des ombrages s'ils sont inévitables. Un montage en parallèle de rangs en série limitera la perte à 25% (1/4 des rangs) pendant les périodes d'ombre. Un montage en parallèle de colonnes en série aboutirait à une production quasi nulle dès que l'ombrage se manifeste.

Si tous les modules se ressemblent vus de l'extérieur, ils embarquent en réalité des cellules dont les technologies sont assez variées.

Aujourd'hui, la quasi totalité du marché est occupée par des cellules classiques (1ere génération) à base de silicium :

• Les cellules au silicium monocristallin : facilement reconnaissables à leurs coins « cassés » et leur aspect régulier. La technique de purification du silicium permettant d'obtenir des monocristaux nécessite une matière première d'excellente qualité et beaucoup d'énergie, d'où son coût élevé, compensé par son bon rendement (jusqu'à 20%).
• Les cellules au silicium polycristallin : aux coins carrés et dont la surface est d'aspect plus minéral, offrent un bon rapport rendement/prix. La fabrication nécessite moins d'énergie et autorise l'utilisation d'un silicium moins pur, ce qui offre au final une cellule abordable, mais un peu moins performante que sa soeur monocristalline (15% de rendement au mieux).

La deuxième génération de cellules, encore peu présente sur le marché, est appelée « couche mince ». Il s'agit d'apposer une très fine couche (largement moins d'un millimètre) de matériau semi- conducteur sur un support inerte comme du verre ou même un substrat souple.

Plusieurs technologies se partagent ce marché en devenir :

• silicium amorphe (a-S)
• silicium microcristallin
• telluride de cadmium (CdTe)
• disélénium de cuivre indium (CIS, CIGS avec du Gallium)

Ces cellules ont pour point commun un faible coût de production (et moins d'énergie dépensée) assorti de rendements encore inférieurs aux cellules de première génération (12% maxi, pour le CIS). Les prix, déjà compétitifs, devraient baisser encore significativement dans les années à venir.

Une troisième génération de cellules est en cours d'élaboration dans les laboratoires de recherche et vise à augmenter les rendements (autour de 40%) tout en maîtrisant les coûts. Il faudra malheureusement encore patienter plusieurs années avant de pouvoir installer ces cellules de haute technologie.

L'onduleur

Cet appareil est aussi important que les modules. Il a pour rôle de transformer le courant continu, variable selon la luminosité, en courant alternatif stable pouvant être injecté sur le réseau ou utilisé dans le bâtiment. L'onduleur est souvent le maillon faible d'une installation, car il supporte mal les montées en températures. Il doit donc être placé dans un local frais. Il est également recommandé de préférer un modèle équipé d'un radiateur passif au lieu d'un ventilateur (qui peut tomber en panne, et grève légèrement le rendement). Si les meilleures marques prétendent atteindre des durées de vie proches de 20 ans, les installateurs conseillent un remplacement au bout d'une dizaine d'années car le rendement d'un onduleur diminue avec le temps. A intégrer donc à votre calcul de retour sur investissement. Notons qu'il existe des assurances prenant en charge le remplacement de l'onduleur en cas de panne et qu'il est généralement possible de souscrire une extension de garantie.

Quelques entreprises commencent à proposer des micro-onduleurs suffisamment petits pour êtres intégrés directement dans chaque module, qui produisent ainsi directement du courant alternatif. Cette technologie encore peu exploitée offre de nombreux avantages :

• la possibilité de mélanger différents types de modules (contraintes architecturales, extension d'une installation)
• la limitation des pertes de production en cas de panne d'un module ou d'ombrage partiel des panneaux.
• l'absence d'un onduleur général au profit de plusieurs micro-onduleurs : répartition des risques de panne, meilleure durée de vie?
• un suivi de la production module par module
• l'élimination des risques liés à la manipulation de courants continus de forte intensité.

Le câblage

L'installateur doit porter une attention particulière au câblage et aux connexions car ils peuvent être source de pertes de rendement, voire de risques de sécurité.

La section des câbles doit être bien calculée afin de limiter les pertes en ligne (maximum 3% pour l'ensemble des câbles). Elle dépend notamment de la disposition des modules : plus le nombre de panneaux en série est élevé, plus la tension et la section des câbles augmentent, et plus les pertes diminuent. En revanche, dans un dispositif en série, la puissance produite est bridée par celle du module le moins productif. En clair, si un seul panneau est à l'ombre, tous les autres ne produisent plus rien non plus.

Les connexions doivent être parfaites afin d'éviter les fuites de courant, et surtout des arcs électriques pouvant provoquer un incendie. Il existe d'ailleurs des systèmes pré-câblés munis de connecteurs totalement étanches qui limitent ces risques.

L'ajout d'un parafoudre est recommandé afin de protéger l'installation et plus particulièrement l'onduleur. Ce parafoudre doit être accompagné d'un déconnecteur afin de permettre sa maintenance en toute sécurité.

Enfin, le danger d'électrocution est réel. Pour les techniciens bien sûr, mais aussi pour les pompiers en cas d'incendie. Normalement, les installations conformes aux normes en vigueur limitent ces risques et comportent des interrupteurs de sécurité. Il nous paraît cependant extrêmement risqué de faire effectuer une opération de maintenance ou une réparation par une personne non qualifiée.

Les interfaces de gestion du système

La plupart des installations se contente d'un compteur d'énergie qui permet non seulement de connaître (et de facturer !) sa production, mais aussi de vérifier à tout moment que le système produit bien « quelque chose ». Si ce compteur est évidemment indispensable, il est également insuffisant pour gérer au mieux le rendement et la productivité de son installation. Il est ainsi tout à fait pertinent, voire recommandé pour les grands projets, d'acquérir un système de supervision et de contrôle offrant une ou plusieurs des fonctionnalités suivantes :

• Mesure de la puissance instantanée des panneaux
• Mesure de la puissance instantanée de chaque module
• Mesure cumulée de la production selon plusieurs échelles de temps (heure, journée, semaine, mois, année, cumul total)
• Détection, localisation et alerte de pannes
• Alertes de risques ou d'état anormal (température élevée, ombrage inhabituel...)
• Alertes de maintenance
• Contrôle à distance (pour une résidence secondaire et/ou le SAV)
• Interface web et/ou Smartphone.

Les batteries

Pratiquement indispensables pour les sites isolés, les batteries compliquent sérieusement la rentabilité de l'installation.

Le critère de choix est la capacité de stockage d'énergie de la batterie. En toute rigueur, cette capacité se mesure en ampères-heure. Cependant il est souvent plus facile de l'exprimer sous forme de puissance produite en une heure par ses panneaux, donc en kWh. Une batterie capable de stocker 3000 Wh (soit 3 kWh) pourra ainsi conserver l'équivalent d'une heure de plein soleil d'une installation de 3 kWc.

Compter 150 € HT par kWh pour des batteries au plomb, le double pour des NiCad. Leur durée de vie oscille entre 10 et 15 ans pour les modèles au plomb et 20 à 25 ans pour les plus modernes.