Qu’est-ce qu’une « énergie renouvelable » ?

Les sources d’énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre. Chacune d’elles provoque des dégâts à long terme plus ou moins importants sur l’environnement : pollution atmosphérique, changement climatique, contamination radioactive....

A l’opposé, les sources d’énergie renouvelables ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la Biosphère. Comme elles n’utilisent qu’une infime partie de ces flux, elles sont inoffensives pour l’environnement naturel aussi bien localement que globalement, et elles le seront éternellement.

Quelles sont les énergies renouvelables aujourd’hui disponibles ?

Toutes les énergies renouvelables sont issues directement ou indirectement du soleil  : Son rayonnement direct peut être utilisé de deux manières :

• sa chaleur peut être concentrée pour chauffer de l’eau sanitaire, des immeubles, des séchoirs, ou bien un liquide en circulation afin de produire de l’électricité par l’intermédiaire d’un alternateur ou d’une dynamo. C’est le solaire thermique.
• sa lumière peut être transformée directement en courant électrique grâce à l’effet photovoltaïque.

Le rayonnement solaire est également à l’origine de phénomènes naturels qui offrent autant de manières de capter une partie de cette énergie solaire indirecte : le vent (énergie éolienne), le cycle de l’eau (énergie hydraulique), la croissance des végétaux par la photosynthèse (énergie de la biomasse, notamment bois et bio-gaz), auxquelles on peut ajouter l’énergie de la mer (courants marins, houle et marée) qui est issue des forces internes du système solaire.

Le photovoltaïque, qu’est-ce que c’est et comment ça marche ?

Le terme « photovoltaïque » est composé du mot de grec ancien « photos » (φωτoς : lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.

L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le Français Alexandre-Edmond Becquerel (cf. ci-contre), désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité.

L’« effet photovoltaïque » est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés « semi-conducteurs », (le plus connu est le silicium utilisé pour les composants électroniques). Lorsque les « grains de lumière » (les photons) heurtent une surface mince de ces matériaux, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique qui est recueilli par des fils métalliques très fins. Ce courant peut être ajouté à celui provenant d’autres dispositifs semblables de façon à atteindre la puissance désirée pour un usage donné.

Très fragile à l’état brut, le matériau photovoltaïque doit être protégé des intempéries par un verre transparent et solide. Il peut être disposé soit en cellules minces et plates découpées dans un lingot de silicium obtenu par fusion et moulage, puis connectées les unes aux autres en série, soit en une mince couche uniforme obtenue par projection de matériau réduit en fine poudre sur le verre. Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires de quelques millimètres d’épaisseur, d’une surface comprise entre 0,5 et 3 m² et pesant quelques kilogrammes. Leurs performances sont variables selon la composition du matériau photovoltaïque et la technologie utilisée. Arrivent aujourd’hui sur le marché des produits plus élaborés tels que des tuiles, des ardoises ou des éléments de façade qui rendent beaucoup plus facile l’intégration du photovoltaïque dans la couverture extérieure des bâtiments.

Est-ce un moyen vraiment écologique de production d’électricité ?

Le photovoltaïque, comme tout produit industriel, a un impact sur l’environnement, aussi minime soit-il. La majeure partie de cet impact est due à la consommation d’énergie et à l’utilisation de produits chimiques toxiques durant la phase de fabrication des panneaux. En fonctionnement en revanche, le photovoltaïque n’a strictement aucun impact sur l’environnement. Une fois démontés en fin de vie, les matériaux de base (cadre d’aluminium, verre, silicium, supports et composants électroniques) peuvent tous être réutilisés ou recyclés sans inconvénient.

Une cellule solaire rembourse l’énergie nécessaire à sa fabrication en 3 à 5 ans, y compris les cadres, supports et câbles nécessaires à son utilisation, et les usines de fabrication des composants photovoltaïques se sont généralement engagées à récupérer et recycler tous leurs effluents sous contrôle sévère (normes ISO 14 000). On peut donc affirmer que le photovoltaïque est l’un des moyens de production d’électricité les plus écologiques, même en tenant compte de son cycle de vie complet, du « berceau à la tombe ».

Quels sont les avantages spécifiques du photovoltaïque ?

Par rapport aux autres sources renouvelables, le photovoltaïque offre des avantages particuliers :

• Il est exploitable pratiquement partout, la lumière du soleil étant disponible dans le monde entier.
• L’équipement de production peut presque toujours être installé à proximité du lieu de consommation, évitant ainsi les pertes en ligne.
• Il est totalement modulable et la taille des installations peut être facilement ajustée selon les besoins ou les moyens.
• Aucun mouvement, pas de pollution directe ou indirecte (effluents atmosphériques ou liquides, produits de nettoyage, risque d’accident physique,...) aucun déchet, aucune perturbation pour l’environnement de proximité.
• La maintenance et les réparations sont réduites à presque rien pour la partie photovoltaïque et à peu de chose pour l’électronique associée.

En conséquence, le photovoltaïque est particulièrement bien adapté à l’intégration dans la plupart des bâtiments quel que soit leur usage (habitations, bureaux, entreprises, centres commerciaux...).

A quoi peut servir le photovoltaïque ?

D'abord utilisé pour fournir de l’électricité aux satellites, dans la mesure où son coût élevé devenait relatif dans un secteur particulièrement onéreux, il a connu depuis de nombreuses applications : petits objets usuels (montres, calculatrices), utilisations professionnelles (balises, relais, horodateurs,…), applications domestiques en sites isolés (habitat, refuges de montagne, pompage de l’eau et dispensaires dans les pays en voie de développement,…), et sites raccordés au réseau.

Quel est l’avenir du photovoltaïque ?

Source d’électricité 100 % propre et fiable pour des usages très variés, il figurera à l’avenir parmi les principales sources mondiales. Son handicap majeur reste un coût encore élevé comparé aux sources conventionnelles et aux filières renouvelables plus mûres. Ce coût diminue de 10 % par an, et pour accélérer cette baisse, les autorités nationales et internationales doivent engager une politique de soutien à long terme de la filière photovoltaïque. C’est précisément l’objectif des programmes lancés depuis quelques années dans plusieurs pays industrialisés.

Autre défi : l’intégration du photovoltaïque dans des matériaux de construction habituels tels que tuiles, éléments de façade, pare-soleil, protections sonores, … mais aussi son intégration en tant que sujet d’étude dans l’enseignement de base de toutes les professions concernées : concepteurs, architectes, ingénieurs, techniciens, électriciens, couvreurs, façadiers...

Qu’est-ce qu’un « toit solaire photovoltaïque » ?

Un « toit solaire photovoltaïque raccordé au réseau » est un générateur photovoltaïque installé chez l’utilisateur, et qui est raccordé au réseau de distribution de la compagnie électrique par l’intermédiaire de l’installation électrique intérieure.

Il est composé d’un ou plusieurs champs de panneaux produisant du courant continu. Ce courant est ensuite transformé par un ou plusieurs onduleurs en courant alternatif compatible avec les exigences de qualité, de fiabilité et de sécurité du réseau.

Comment cela marche-t-il ?

Le courant produit peut être soit :

• Consommé directement par le foyer : seul le surplus est vendu en cas d’excédent et le courant  nécessaire lorsque la consommation dépasse la production (nuit, ciel couvert, brouillard) est fourni par le réseau ;
• Injecté directement dans le réseau : la totalité du courant produit est vendu et la totalité du courant consommé est fournie par le réseau.

Compte tenu des lois de la physique, l'électricité sera dans tous les cas utilisée au plus près de son lieu de production.

Pour soutenir le développement de la filière, le tarif d'achat du kWh produit par une installation photovoltaïque est supérieur au prix pratiqué par les compagnies électriques pour la vente d'électricité à leurs clients. Il est donc nécessaire de compter séparément les kWh injectés et ceux prélevés sur le réseau, ce qui oblige à installer deux compteurs unidirectionnels (électroniques). En cas d’arrêt de la distribution d’électricité venant du réseau (panne, travaux de la compagnie d’électricité), l’onduleur ne débite aucun courant sur le circuit intérieur ni sur le réseau.

A quoi sert un toit solaire ?

A couvrir tout ou partie de la consommation électrique du bâtiment sur lequel il est installé. En pratique, la production solaire réduira les dépenses d’électricité et remplacera une partie de l’énergie « sale » (issue de combustibles fossiles ou nucléaires) par une énergie propre et respectueuse de l’environnement, améliorant ainsi, même modestement, la qualité écologique du courant au niveau du consommateur, mais aussi au niveau de la compagnie d’électricité. Un toit solaire peut aussi apporter une aide précieuse pour améliorer la qualité du courant fourni par la compagnie locale dans les zones reculées où la grande longueur des câbles électriques occasionne fréquemment des baisses de tension ou des coupures.

Où peut-il être installé ?

Sur le toit ou la façade de n’importe quel bâtiment raccordé au réseau et disposant d’une surface suffisante (avec un minimum raisonnable de 10 m²), orientée le plus possible vers le Sud (au moins entre Sud-Est et Sud-Ouest), et si possible sans obstacle masquant la course du soleil en toute saison. Différentes solutions techniques et architecturales peuvent être envisagées :

• Pose en toiture-terrasse,
• Pose par dessus une couverture classique,
• Pose en couverture intégrée,
• Pose en façade intégrée,
• Pose sur une structure indépendante.

Le statut légal et financier du toit solaire est très différent d’un pays à l’autre, et même d’une région ou d’une municipalité à l’autre dans un même pays. Dans la plupart des cas, son utilisation fait l’objet d’un contrat entre le producteur (le propriétaire) et le gestionnaire du réseau auquel il est raccordé (la compagnie électrique) dans la mesure où des normes de qualité, de sécurité et de fiabilité doivent être respectées pour un fonctionnement sans risque.

Quelle quantité d’électricité produit-il ?

La production annuelle d’électricité d’un toit solaire peut être calculée avec une marge d’erreur inférieure à 10 %. Elle dépend :

• De l’ensoleillement annuel du site, qui peut être évalué assez précisément pour presque tous les sites en Europe et même dans le monde entier.
• D’un facteur de correction calculé à partir de l’écart d’orientation par rapport au Sud, de l’inclinaison des panneaux par rapport à l’horizontale et le cas échéant, des ombrages relevés sur le site.
• Des performances techniques des modules photovoltaïques et de l’onduleur (rendement et disponibilité).

La puissance-crête d’un toit solaire, donnée en Wc ou kWc, mesure la puissance théorique maximale que ce toit peut produire dans des conditions standards d’ensoleillement. La carte ci-dessous donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d’installation pour un toit solaire d’une puissance de 1 kWc (environ 10 m²). Voir tableau ci-dessous.

Ci-contre la carte de production maximale par kWc installé pour une inclinaison et une orientation optimale.

La production attendue d’un toit solaire peut être rapportée à la consommation du lieu (mesurée ou prévue) et s’exprimer en pourcentage des besoins. Par exemple, 10 m2 en France peuvent produire de 30 à 50 % de la consommation spécifique (hors chauffage électrique) d’une famille.

Quelle est sa durée de vie ?

Les panneaux : les fabricants de panneaux cristallins, actuellement les plus répandus, garantissent une perte de rendement inférieure à 5 ou 10 % pour une durée de 25 à 30 ans. Le rendement des panneaux au silicium amorphe, moins performants mais aussi moins chers, ne tient pas aussi longtemps. Dans un futur proche, les filières « couches minces » rassembleront les avantages de ces deux technologies : le bas prix du silicium amorphe, l’efficacité et la fiabilité des produits cristallins.

Les onduleurs : la nouvelle génération de ces appareils de haute technologie est très fiable. D’après les fabricants, ils doivent tenir 10 ans en moyenne avant la première panne. Le prix de l’onduleur représente en principe 10 à 20 % de l’investissement global ; son coût de remplacement en cas de panne après la période de garantie peut donc être pris en compte dans le calcul du retour sur investissement.

Un toit solaire étant modulaire, il doit en principe être facile d’en remplacer une partie en cas de défaillance, à condition que cela ait été prévu lors de la conception du projet et que les fabricants proposent des produits de dimensions et de caractéristiques identiques...

De même, un toit solaire peut être agrandi et complété par un autre toit solaire à tout moment, éventuellement avec des équipements de modèles différents. La compatibilité des onduleurs aux normes sévères du réseau garantit aussi la compatibilité des onduleurs entre eux.

Qui peut installer un toit solaire ?

Une amélioration constante et une standardisation facilitent l’installation, mais si cette dernière n’est pas réalisée selon les règles de l’art, l'installation peut être défaillante tant au niveau de la réalisation électrique qu'au niveau de l'intégration dans le bâti. Les puissances et les tensions du courant peuvent s’avérer dangereuses, notamment pendant les travaux, et des pertes de rendement importantes ou des dégâts aux appareils peuvent être constatés ultérieurement.

L'étanchéité et la solidité de la toiture (ou autre surface de pose) peuvent être compromis, avec des conséquences importantes sur l'intégrité du bâtiment. De ce fait, il est impératif que la vérification des travaux et la mise en service soient effectuées par une personne qualifiée et compétente, sans quoi la responsabilité du propriétaire pourrait être engagée en cas d’accident ou de dégâts, et il n'aurait pas de recours en cas de détérioration des équipements ou du bâtiment hôte.

Il est fortement recommandé de faire appel à une entreprise ou un artisan compétent et correctement assuré pour les travaux électriques et pour les travaux de couverture (garantie décennale).

L’installation peut être réalisée par l’utilisateur lui même, s’il est sûr de satisfaire aux normes de sécurité, et s’il ne craint pas de se passer de la garantie sur les travaux réalisés mais, même dans ce cas, un contrôle des travaux électriques par le Consuel devrait rapidement devenir obligatoire pour la mise en service du raccordement.

Comment s’effectue le contrôle du fonctionnement ?

Sans qu’il y ait besoin d’engager des frais supplémentaires, le fonctionnement de l'onduleur peut être vérifié à tout instant à l'oreille (petit bourdonnement), ou à l'oeil (lumière témoin ou écran de contrôle). Dans la durée, un relevé du compteur de production chaque mois permet de suivre la production tout au long de l'année, et de détecter des anomalies. Pour un petit investissement, un écran d'affichage des données de base (puissance immédiate, production cumulée, …) peut être installé dans une pièce à vivre, ce qui permet une visualisation en temps réel de l'état de l'installation. Plus sophistiquée et plus onéreuse, la transmission des données par modem ou par l’Internet permet un suivi plus poussé et plus détaillé, mais n'est en général pas justifiée pour des installations de quelques kWc, sauf peut-être pour les « mordus ».