Panneaux photovoltaïques et transition énergétique dans le bâtiment : quels enjeux et solutions ?

Face à l’augmentation actuelle du prix de l’énergie, la consommation d’électricité écoresponsable et provenant de sources renouvelables permet de réduire la facture, en plus de constituer un geste citoyen. Depuis 2020, toute construction à usage commercial, industriel, artisanal, ou de stationnement de plus de 1000 m² d’emprise au sol doit intégrer, pour être autorisée, soit un procédé de production d’énergie renouvelable, soit un système de végétalisation, soit tout autre dispositif permettant d’atteindre le même résultat. A compter de 2023, cette obligation, s’étend aux constructions de plus 500 m², et demeure à 1000m² pour les bâtiments de bureau. La production d’électricité via les panneaux photovoltaïques progresse continuellement en France. Quels en sont les avantages, les inconvénients, mais aussi la rentabilité, leur impact environnemental réel ? Nous vous aidons à y voir plus clair.

Panneaux photovoltaïques : de quoi parle-t-on précisément ?

Rappelons quelques notions de base à propos des panneaux photovoltaïques ; composition, fonctionnement, état du parc notamment.

Le module photovoltaïque : de quoi est-il composé ?

Une cellule photovoltaïque (PV) est un composant qui génère une tension électrique suite à une réaction photochimique lorsqu’il est exposé au rayonnement solaire. Ces cellules sont créées à partir d’un matériau semi-conducteur, en général du silicium, dont la conductibilité électrique varie en fonction des conditions spectrales du rayonnement reçu. En fin de vie, jusqu’à 95% des composants du panneau photovoltaïque peuvent être revalorisés.

Un module photovoltaïque standard d’1,7m² présente une puissance nominale de l’ordre de 300 Wc pour du monocristallin et de 250 Wc pour du multicristallin. Il s’agit de la puissance maximale pouvant être générée, en condition d’ensoleillement idéal, d’où le choix de l’unité Wc, dit « Watt-crête ». Dans la réalité, la puissance générée varie selon les conditions météorologiques. Plus généralement, le rendement d’un panneau solaire PV correspond à sa capacité à convertir le rayonnement solaire reçu en courant électrique.

 

©TERAO

 

Qu’est-ce qu’un Wc ? Petit rappel sur les unités utilisées dans le domaine de l’énergie.

L’unité de la puissance est le Watt (W). Quant au Watt-crête (Wc) mentionné plus haut, il correspond à la puissance maximale pouvant être générée par une installation PV, et est utilisé pour indiquer la puissance nominale d’une installation photovoltaïque.

Il est important de ne pas confondre le Watt avec le Watt-heure (Wh), qui lui est une unité d’énergie, où la notion de temps vient donc s’ajouter. Un appareil électrique fonctionnant pendant 2 heures à une puissance de 100 W aura consommé 200 Wh.

En résumé :

  • Le Watt = la puissance, soit la capacité de production d’une centrale ou la puissance de fonctionnement d’un appareil électrique.
  • Le Watt-heure = l’énergie produite ou consommée.

A grande échelle, comme au niveau national, on utilisera le Gigawatt (GW) pour la capacité de production et le Térawatt-heure (TWh) pour l’énergie produite.

Quels facteurs ont une influence sur la productivité des panneaux photovoltaïques ?

Le rendement des cellules photovoltaïques dépend de multiples facteurs. Un panneau bien installé, dans des conditions optimales et respectant quelques règles simples, permet de maximiser le retour sur investissement économique ainsi que son impact environnemental.

Ci-dessous les facteurs principaux :

  • Le niveau d’ensoleillement du site : c’est le facteur le plus évident : selon la région où les panneaux sont installés, la productivité photovoltaïque est différente pour une même puissance installée.
  • Les matériaux utilisés et les techniques de fabrication : On distingue notamment trois principales technologies, dans l’ordre décroissant d’efficacité : les panneaux monocristallins, multicristallins, et amorphes.
  • La température : on note une diminution de la tension à mesure que la température s’élève au-delà de 25°C, d’où l’importance d’une bonne ventilation à l’arrière des panneaux.
  • L’orientation du bâtiment et l’inclinaison de la toiture : sous nos latitudes, une orientation plein Sud et une inclinaison de 30 à 35° constituent la configuration optimale pour maximiser les gains solaires annuels.
  • Les ombrages provenant des obstacles proches ou lointains : il convient de choisir un emplacement qui soit le moins possible soumis aux ombres fixes provoquées par l’environnement et de veiller à l’ombrage généré par les panneaux entre eux, particulièrement sur toiture plate.

Productivité en fonction de la localisation ©Hespul

Le solaire photovoltaïque, un des piliers de la transition énergétique française.

Le parc photovoltaïque français : où en sommes-nous ?

A la fin du deuxième trimestre 2022, la puissance du parc photovoltaïque français était de 15,2 GW. Elle était de 9,9 GW fin décembre 2019, soit une augmentation de 53% en moins de 3 ans. En 2021, la production d’électricité photovoltaïque en France a atteint 14,3 TWh, ce qui représente 3% de la consommation électrique nationale.

Les objectifs de la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) sont de 20,6 GW en 2023 et entre 35,6 et 44,5 GW en 2028. Malgré l’accélération du développement du photovoltaïque, la France accuse toujours un retard significatif par rapport au PPE.

Les aides pour accélérer le développement du photovoltaïque

Des dispositifs nationaux soutiennent le développement du photovoltaïque. Un système de guichet ouvert est mis en place pour des installations inférieures à 500 kWc. Il s’agit d’obligations d’achat sur 20 ans qui permettent au producteur de revendre l’électricité injectée sur le réseau à un prix fixé par la loi. Dans le cas d’une opération en autoconsommation, lorsque le producteur consomme sa production et injecte le surplus sur le réseau, une prime à l’investissement est proposée en fonction de la puissance installée.

Le seuil limite du guichet ouvert était de 100 kWc jusqu’au 6 octobre 2021, puis rehaussé à 500 kWc par un arrêté, signe de la volonté d’accroissement des installations de production PV de plus grande envergure.

Les tarifs de vente diffèrent selon qu’on soit en vente de la totalité de la production ou en autoconsommation avec vente du surplus.

Les installations dépassant 500 kWc sont soumises à la mise en concurrence via des appels d’offres, et peuvent bénéficier de complément de rémunération définies au cas par cas. Les appels d’offres sont opérés par la Commission de Régulation de l’Energie (CRE). Afin d’atteindre les objectifs fixés pour 2023 et 2028, la PPE prévoit une multiplication ces appels d’offres.

De nouvelles filières pour le développement du photovoltaïque sont également explorées. On peut citer en exemple l’agrivoltaïsme, où des synergies entre production agricole et production PV sont recherchées. L’ADEME a réalisé récemment une étude pour dresser un état de l’art des connaissances sur le sujet et identifier les types de projets envisageables.


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© JP Energie Environnement (JPee)


Energie photovoltaïque et RE2020

La nouvelle réglementation environnementale, la RE2020, valorise la production d’énergie renouvelable locale, notamment le solaire photovoltaïque. Celle-ci permet de réduire les consommations en énergie primaire comptabilisées sous l’indicateur Cep. Attention néanmoins, car seule la part autoconsommée est prise en compte !

De la vente en totalité au réseau à l’autoconsommation : vers un changement de paradigme pour le photovoltaïque ?

Il y a désormais trois façons d’exploiter une centrale solaire photovoltaïque :

  • Vente en totalité : la production est intégralement injectée et vendue sur le réseau.
  • Autoconsommation avec vente du surplus : seule la part non consommée par le producteur est vendue (possible jusqu’à 500 kWc).
  • Autoconsommation totale : aucune injection sur le réseau, principalement pour des sites isolés.

Initialement, seule la vente totale de l’électricité était possible pour les sites connectés au réseau national. Néanmoins, avec les évolutions législatives, la baisse progressive des tarifs de rachat de l’électricité, et l’augmentation générale des prix de l’énergie, l’autoconsommation devient de plus en plus intéressante. D’autant plus que les installations en autoconsommation avec revente du surplus bénéficient de prime à l’investissement, ce qui n’est plus le cas de la vente en totalité. Une fois l’installation photovoltaïque mise en place, la production d’énergie ne coûte plus rien au-delà des opérations de maintenance. Ainsi, l’énergie produite et autoconsommée n’est pas sujette aux fluctuations du marché de l’énergie, apportant alors une stabilité budgétaire appréciable et une rentabilité qui tend à augmenter au fil du temps vis-à-vis des événements géopolitiques récents.

L’autoconsommation est de plus en plus encouragée pour les raisons suivantes :

  • Elle réduit la pression sur le réseau électrique, en incitant le développement d’installations PV au plus près des lieux de consommation.
  • Elle diminue les pertes de distribution et de transport d’électricité grâce au rapprochement entre lieu de production et de consommation.
  • Elle sensibilise le producteur à sa consommation d’électricité.
  • Elle offre un moyen de limiter l’impact de la hausse des prix sur le marché de l’énergie.
  • Elle propose un mode de financement du PV complémentaire au dispositif historique, basé sur la revente totale de l’électricité produite.

L’autoconsommation totale, sans revente de surplus, est possible, surtout pour des sites isolés du réseau électrique. Le surplus n’est alors utilisable que si l’on dispose d’une solution de stockage telles que les batteries. Or, celles-ci sont très couteuses et peuvent par conséquent allonger le temps de retour sur investissement, tout en ayant un impact écologique important.

Cependant l’énergie solaire, comme beaucoup d’énergies renouvelables, est intermittente. Les panneaux solaires ne produisent qu’en journée. Le stockage peut être envisagé pour stocker de l’énergie sur les périodes où la production est supérieure à la consommation pour ensuite la restituer lorsque celle-ci n’est plus suffisante pour couvrir les besoins. Pour éviter le recours à du stockage sur batteries, dimensionner la production par rapport aux besoins est important, ainsi que l’adaptation des usages pour consommer lorsque la production est plus abondante. Cela peut se traduire par l’activation d’appareils électroménagers comme le lave-linge ou le ballon d’eau chaude sanitaire en journée.

Un nouveau modèle d’autoconsommation est possible depuis 2017 : l’autoconsommation collective. Davantage d’utilisateurs, situés à proximité du producteur, bénéficient ainsi de l’énergie produite au lieu de revendre le surplus à un fournisseur. Les objectifs de ce dispositif sont multiples :

  • Etendre la production PV à la communauté locale pour augmenter collectivement les taux d’autoconsommation et renforcer la notion de “produire et consommer local”.
  • Offrir de l’énergie décarbonée et à coût maitrisé à une communauté.
  • Mutualiser l’investissement, afin d’encourager le développement de projet de plus grande capacité.

 

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©transenergie.eu

 

L’installation de panneaux PV : coûts, aides gouvernementales et contraintes

Globalement, le coût total d’une petite installation photovoltaïque (de 3 à 9 kWc) se répartit comme suit :

  • 50 % pour les panneaux photovoltaïques en eux-mêmes ;
  • 10 % pour l’onduleur ;
  • 20 % pour les éléments de montage et la pose
  • Environ 20 % pour la gestion de l‘énergie (appareils et dispositifs de suivi, optimisation et pilotage des consommations électriques) et autres.

Lors de l’installation d’un système photovoltaïque, divers coûts sont également à prendre en compte :

  • Les coûts de raccordement ;
  • Les coûts d’installation : ils varient beaucoup selon le projet et le type de matériel installé.
  • Les coûts de fonctionnement : tous les 10 ans environ, il convient de réparer ou de changer l’onduleur. Le Tarif d’Utilisation du Réseau Public d’Électricité (TURPE) est facturé tous les ans, et correspond à la rémunération des gestionnaires de réseau de transport et de distribution d’électricité (RTE, ENEDIS et les régies locales). Son objectif est de compenser les charges liées à l’exploitation, au développement et à l’entretien du réseau électrique.
  • Impôts et taxes

Pour des installations de plus grande puissance, des économies d’échelles sont réalisées. Globalement, pour un projet sur toiture il faut compter entre 1,8 et 2,2 €/Wc pour une installation de 3 à 9 kWc, et près de 1 €/Wc pour une installation de 100 kWc*. Les projets au sol présentent en moyenne des coût plus bas. En revanche, les projets en ombrière de parking coûtent plus cher compte tenu de l’investissement pour les structures. Comme mentionné précédemment, les projets en autoconsommation bénéficient de primes à l’investissement.

Les contraintes liées à l’installation de panneau solaires sont principalement de l’ordre :

  • Technique : structure/charpente suffisamment résistantes et étanches, présence de masques solaires.
  • Administrative : terrain éligible pour accueillir des panneaux solaires (présence de sites patrimoniaux/historiques, préservation des sols contre l’artificialisation, prise en compte des risques d’éblouissement si proche d’un aéroport).

*Ces coûts sont ceux représentatifs d’avant 2022 et n’incluent pas l’impact d’événements de cette année.

Le bilan environnemental et économique du photovoltaïque 

Quelques repères chiffrés et comparatifs

Tout comme le secteur de la microélectronique, l’industrie photovoltaïque utilise des gaz et produits chimiques pour la fabrication des cellules.

Actuellement en France, on compte environ :

  • 1 à 2 ans pour produire l’énergie qui a été nécessaire lors de la fabrication d’une installation ;
  • 8 à 12 ans pour avoir un retour sur investissement ;
  • 15 à 20 ans de temps de retour carbone (Source : Base INIES). Cette durée relativement longue s’explique par les faibles rejets en carbone du mix électrique français, et ce notamment en lien avec l’utilisation de l’énergie nucléaire.

L’empreinte carbone d’un système PV varie selon le lieu de production des modules. D’après l’ADEME, l’empreinte carbone de panneaux produit en Chine est de 43,9 gCO2eq/kWh, de 32,3 gCO2eq/kWh pour une production européenne, et de 25,2 gCO2eq/kWh pour une production française. Néanmoins, la majorité des panneaux sur le marché français étant produits en Chine, la valeur retenue par défaut est de 43,9 gCO2eq/kWh. A titre comparatif, les émissions de gaz effet de serre de l’électricité du réseau national est pris à 64gCO2eq/kWh dans la RE2020.

Les émissions de gaz à effet de serre d’un système PV sont majoritairement liées à la fabrication des modules : 80 à 90 % se concentrent sur les étapes de production (extraction de matières premières et fabrication). Le reste couvre la mise en place des systèmes, comprenant notamment le transport, l’impact variant donc selon le lieu de production des panneaux (Source : Base INIES).

 

De nouvelles techniques et améliorations technologiques sont attendues dans le développement de l’énergie photovoltaïque, et l’Europe réindustrialise progressivement sa fabrication de panneaux solaires. Des évolutions qui laissent présager des réductions de l’impact environnemental de la fabrication des systèmes PV !

Terres rares : le bât qui blesse ?

Une idée reçue consiste à dire que des terres rares sont utilisées pour la fabrication de panneaux PV, et que cela présenterait un danger de surexploitation des ressources naturelles.

Les terres rares sont des éléments du tableau périodique. Elles doivent davantage leur nom à la difficulté rencontrée pour les extraire qu’à leur quantité dans la croûte terrestre. Cette appellation est aussi renforcée par le fait que la Chine dispose d’un quasi-monopole sur la production de ces matériaux (environ 86% de la production mondiale de terres rares en 2017).

Cette donnée est donc erronée : l’ADEME précise que les panneaux solaires disponibles sur le marché (soit 90% de la production) sont essentiellement fabriqués à base de silicium et n’utilisent pas de terres rares. Certaines technologies utilisent des matériaux comme le tellure, le cadmium, l’indium et l’argent dont l’approvisionnement peut s’avérer critique, mais ce ne sont pas non plus des terres rares.

L’impact environnemental des batteries

Les batteries les plus couramment utilisées aujourd’hui en combinaison avec une installation PV sont de technologie lithium-ion. Elles sont plus chères que des batteries au plomb ou nickel, mais elles présentent une durée de vie et une densité énergétique nettement supérieures.

Le choix d’opter pour un système de stockage par le biais de batteries est généralement motivé par le désir d’autonomie énergétique, mais aussi de maximisation des taux d’autoconsommation. Souvent nécessaire pour un projet isolé du réseau électrique national, l’option est aussi considérée pour des sites connectés au réseau. Cela peut cependant dégrader les performances financières et environnementales d’un projet. La production de batterie lithium-ion implique l’extraction de lithium, exigeante en eau et potentielle source de rejet de produits chimiques dans l’environnement alentour. La production requiert aussi l’extraction de cobalt et de nickel, également source de pollution.

Par conséquent, lorsque l’usage des batteries n’est pas nécessaire, il est recommandé de ne pas y faire recours afin de ne pas dégrader les performances environnementales d’un projet solaire PV.

Le recyclage des modules : une étape essentielle

La collecte et le traitement en fin de vie des panneaux PV est obligatoire. Jusqu’à 95% des éléments composant les modules PV peuvent être valorisés. Le verre et l’aluminium sont les composants les plus facilement récupérables, et constituent près de 80% de la masse d’un panneau PV. C’est en revanche plus compliqué pour le silicium et l’argent, alors que ces éléments représentent le plus de valeur financière. Actuellement il n’est pas possible de produire un nouveau module à partir des anciens : les composants sont valorisés pour d’autres usages. A titre d’exemple, le verre est généralement employé pour la fabrication de fibre de verre.

Nous sommes néanmoins dans une phase initiale de la valorisation des panneaux PV. Il existe des infrastructures de valorisation telles que l’usine de traitement de Rousset en France. Néanmoins, les panneaux solaires ayant une durée de vie moyenne de 25 à 30 ans, il y a encore peu de masse disponible pour la revalorisation. Par ailleurs, de nouvelles techniques de fabrication sont explorées pour faciliter le démontage des composants en fin de vie, pour permettre à terme le recyclage et la fabrication de nouveau panneaux à base de composants réutilisés.

Les systèmes photovoltaïques représentent un investissement à moyen terme, pertinent s’ils sont envisagés à bon escient, et qui continuent de bénéficier d’améliorations permanentes de leurs performances énergétiques et environnementales. Il y a fort à parier qu’ils auront, dans les décennies à venir, de beaux jours devant eux !


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Article co-écrit avec Stéphane Pawlak

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Doctorant – Ingénieur d’études

Ingénieur de recherche en énergétique et éco-conception des bâtiments, Stéphane travaille sur l’analyse de performance en autoconsommation des parcs de bâtiments associés à des réseaux locaux d’énergie. Il développe les expertises de la cellule R&D de TERAO.

Responsable du Développement et de Contenu Digital.
Experte en développement commercial et rédaction web.