Explosion des marchés & Boom Economique

Impact de la nouvelle Technologie LPRL à haut rendement PV

1 Vue rapide du Marché du Photovoltaïque (PV)

Marché Mondial :

Parmi les énergies nouvelles le Photovoltaïque connaît depuis 1998 le plus fort taux de croissance, de l’ordre de 30% l’an pour arriver à 1 700 MW crête en 2005 et une puissance installée de 3 500 MWc ;

CA produit en 2004/2005                                                 14 G€

Projection de la production à 2010                                     40 G€

Projection à 2030                                                          200 G€

Cependant ces marchés à forte expansion ont deux facteurs limitants qui pénalisent les prix de revient et limitent les marchés :

·         Les rendements de conversion/m² des cellules (= < 15%)

·         La S² nécessaire importante (10m²/KWh)

Des solutions ont été mises au point par LPRL pour améliorer ces ratios et augmenter la production des installations PV, toutes choses égales par ailleurs.    

(cf. notes techniques 1 & 2))

Production moyenne d’une installation

En première approximation ( source ADEME) on peut considérer qu’une installation PV de 1 kWc a une production annuelle de 1100 à 1300 KWh . Ces données peuvent varier en fonction du lieu géographique et des conditions d’installation du générateur PV.

Marché du PV

Taux de croissance du PV 30% annuels

Cette croissance pourrait être freinée par le manque d’investissement dans la fabrication de Si qualité PV.  Seule, la société EMIX a investi dans un outil de coulée continue de Si polycristallin).

Répartition du Marché Mondial 2005 par Zones

JAPON                    50%               

EU                         26%

USA                       12%

Reste du Monde       12%

 Les Prescripteurs

Les Institutions (DOE, CEE….)

Les Organismes (ADEME…..)

Les Aides ou Financement

Publics & Privés

 Les Acteurs Industriels

Les Fabricants de cellules

Les Fabricants de modules

Les Systèmiers ou les assembleurs.

Coût d’une installation complète

Installation totalement autonome :

Ce type d’installation est prévu pour la production en sites isolés et doit donc posséder un dispositif de stockage électrochimique. La décomposition du coût de cette installation est typiquement décomposée comme suit:

·         Coût module 34%

·         Coût batteries 33%

·         Coût régulation et infrastructure 33%

Dans ce type d’installation, prévoir le coût de possession des batteries et leur remplacement tous les 8-10 ans (Batteries stationnaires).

Installation connectée au réseau :

La décomposition du coût de cette installation est la suivante:

Coût module 50%

Coût régulation, armoire de raccordement réseau et infrastructure 50% 

Les directions à prendre pour les Technologies  (classique et LPRL) 

 Evolution des cellules Photo voltaïques PV : Si mono, poly, amorphe…..       

coût 100 M € pour 1% de gain

Evolution des techniques d’encapsulation suivant solution LPRL           

coût : 10 M € pour 30% de gain 

Les gains de « production électrique » par augmentation du rendement des composants électroniques, cellules Si (i.e.), sont dispendieux et le maximum des gains de productivité par les moyens de la métallurgie industrielle a  été obtenu.

Si l’on excepte la découverte de nouveaux composants PV qui restent à inventer ou la mise au point industrielle de certaines applications de laboratoire, il reste à utiliser les ressources de la Physique du Rayonnement  pour mobiliser le maximum d’énergie utile sur les cellules Si (ou autre matériau)  des modules PV industrialisés.

C’est pourquoi LPRL a mis au point des matériaux à Cascades Lumineuses et piégeage de photons, et des modes d’encapsulation active & économique autorisant des gains de production photo-électronique de l’ordre de 1,3 à 1,9 selon les systèmes choisis, plans ou volumiques, tout en réduisant le coût de l’incidence foncière nécessaire à l’installation PV.

2 La technique  du PHOTOVOLTAÏQUE

La reprise récente du développement des énergies renouvelable et notamment du photovoltaïque, nous incite à reprendre les études d’amélioration de l’encapsulation pour améliorer la production énergétique des modules.

Technologies de cellules actuellement en place :

Cellules SI mono- cristallin.

Cellules Si poly- cristallin

Cellules en As Ga

Cellules en Si Amorphe

Cellules multicolores

La plus grande production de cellules est celle qui utilise le Si polycristallin et le Si mono cristallin. Ces derniers représentent le gros du marché PV de puissance  extérieur et

Vient ensuite la technologie Si amorphe ; son utilisation est essentiellement axée sur des utilisations intérieures.

Les quelques applications extérieures sont des installations de faible puissance. Un champ d’applications dans le bâtiment est en train d’émerger avec la production de modules en Si amorphe de grandes surfaces (voir doc RWE SCHOTT) pour des modules constituant des revêtements en verres pour le bâtiment.

Les cellules AsGa sont pratiquement abandonnées (sauf pour des applications de niche) pour des raisons de coût du matériau de base entrant dans sa fabrication.

Les cellules multicolores, tandem Greatzel et ruban  en sont encore au stade du laboratoire et ne sont pas encore commercialisées à grande échelle.

Part de marché par technologie PV

Le graphique ci-dessous nous donne les parts de marché pour chaque technologie 

Rendement de conversion par technologie

Le graphique ci-dessous nous montre les rendements de conversion typique pour chacune de ces technologies.

Rendements de conversion typique de différentes technologies de cellules 

Le CEA a lancé un programme de recherche portant à 20% le rendement de conversion en production industrielle des cellules PV.

Coût de production énergétique par type de source d’énergie renouvelable

Le tableau ci-dessous donne l’évolution des coût du KWh produits par différentes sources d’énergies renouvelables (source NREL).

Evolution de la production mondiale de modules solaires

La production mondiale de cellules solaires, donc de la puissance installée, a peu évolué jusqu’en 1998 et a ensuite progressivement atteint un taux de croissance de l’ordre de 30-40% du parc PV installé.  Selon les projections actuelles, ce taux de croissance devrait se maintenir si :

• La production de Si de qualité PV suit
• Les fabricants de cellules ou de modules consomment moins de Si par KWh produit.

La courbe ci-dessous nous donne la production actuelle (en MW crête).

Le point situé en 2010 est une projection de la production

Les principaux acteurs dans la production solaire photovoltaïque

 Actuellement ce sont les japonais qui sont en pointe de la production des modules PV. Ceci s’explique par la part mondiale de la puissance installée dans le pays du soleil levant (50%) de la puissance mondiale installée . Ensuite viennent l’Europe puis les Etats Unis.

Si l’Europe décide de promouvoir les énergies renouvelables comme c’est le cas actuellement, le marché PV Européen devrait se développer de façon plus importante (surface de territoire libre et population plus grande que celle du japon)

Le reste du monde, notamment les pays émergents qui n’ont pas d’infrastructures énergétique développée, devrait être des zones où le marché PV pourrait se développer.

Le graphique ci-dessous nous donne la répartition mondiale de la puissance PV installée (3500MWc) 

Répartition des marchés PV en % de la production PV produite

Qui produit actuellement ? 

Les japonais étant les principaux utilisateurs d’installation PV, il parait évident que l’industrie nipponne soit entête des producteurs de systèmes PV.

Le tableau ci-dessous donne les principales entreprises de fabrication de modules /cellules (en % de la production en Wc). 

Que fait la France ?

Dans l’Europe la France après avoir été en pointe dans le domaine PV s’est laissée distancée et veut rattraper son retard de deux manières : 

• Relance de programme de recherche dans le domaine PV
• Incitation du citoyen à s’équiper en systèmes de production d’énergie renouvelable

Incitations à l’équipement :

Par crédit d’impôt sur l’achat d’installation d’énergie renouvelable et rachat du KWh solaire produit.

Depuis le 14 mars 2002, les services ministériels ont proposé des prix d'achat du kWh d'origine photovoltaïque de 0,152 € / kWh pour la France continentale, et de 0, 305 € / kWh pour la Corse et les DOM (contrats sur 20 ans).

Ce tarif est applicable pour les installations disposant de deux compteurs d'électricité : un pour la vente, l'autre pour l'achat (contrairement au programme Phébus où l'on avait un seul compteur pouvant tourner " à l'envers ").

Actuellement, le particulier (ou la collectivité) est véritablement assimilé à un petit producteur d'électricité.

Depuis peu, EDF payerait désormais l'électricité produite par les panneaux solaires photovoltaïques 0,30 euros/kWh, contre 0,15 euros auparavant. Une prime de 0,25 euros/kWh serait payée en plus quand les installations seront intégrées lors de la construction du bâtiment.

Des aides financières peuvent être apportées par l'ADEME. Elles s'élèvent à 4,6 €/Wc installé avec un plafond de 2,5 kWc (6,1 €/Wc si le système est sécurisé, c'est à dire si il dispose d'un parc de batteries). Certaines régions apportent, elles aussi, leur aide.

Dans le cadre des programmes européens, les aides de l'ADEME et l'Europe se cumulent pour plafonner, elles aussi, à 4,6 €/Wc installé. On reçoit donc le même taux de subvention, que l'on soit dans un programme européen ou non.

Le montant global des subventions ne peut cependant pas dépasser 80 % du coût global de l'installation.

Coût des études pour améliorer l’énergie produite par les modules PV

Dans le prix de production d’un module solaire, la répartition du coût des composants et main d’œuvre s’établit comme suit :

Cellules

Matériaux d’encapsulation

Câblage

Main d’oeuvre

Répartition des coûts de fabrication des modules PV

Sur ce graphique, nous voyons que les travaux visant à réduire les coûts de fabrication doivent se porter sur trois postes principaux :

• Les cycles de purification du Si
• L’élaboration des cellules (cristallisation, diffusion, découpe et sérigraphie
• L’encapsulation

LPRL se propose d’intervenir sur l’encapsulation par emplois de matériaux organiques. 

La figure ci-dessous montre la courbe d’évolution du prix du Wc lors de ces dernières années.

Evolution du prix du Wc au cours de ces dernières années (source OCDE).

L’année 2010 est une estimation du CEA :ADEME

On évalue actuellement le coût d’étude pour un gain de 1%  de rendement par amélioration de la filière silicium à 100 millions d’euros ce coût tendra à augmenter lorsque l’on s’approchera des rendements obtenus en laboratoire.

Encapsulation plane de LPRL :

On voit que les solutions proposées par LPRL  portent sur l’amélioration de l’encapsulation, notamment sur la modification des propriétés optiques de la face avant et arrière d’un module plan.

Ces solutions proposées par LPRL apportent un gain minimal de 30% de l’énergie produite. En effet, le rendement de conversion actuel est de 15% et la modification de l’encapsulation effectuée par LPRL porte le rendement moyen du module à 19,5%.

A noter que la solution LPRL atteint déjà de son côté l’objectif que s’est fixé le CEA dans 5 ans en traitant la filière silicium !!!!.

Lorsque les modules atteindront le rendement silicium de 20%, le système d’encapsulation LPRL portera le rendement du module à 26%. Ce système d’encapsulation améliorera la production énergétique des modules Si mono et polycristallin, quelle que soit l’évolution des rendements de conversion des cellules Si On peut estimer que le surcoût de l’encapsulation LPRL sera de l’ordre de 5% du poste encapsulation, soit 1,5% du prix d’un module produisant 33% d’énergie en plus.

Incidence économique de la solution LPRL en 2006

a) Si on se base sur un prix de 3$ du Wc d’un module en encapsulation standard,

le prix du Wc avec l’encapsulation LPRL sera de 1,015*3/1,3 = 2,34 $ le Wc

b) Coût des compléments d’étude pour adapter le procédé LPRL à l’industrie :

On peut estimer un coût d’étude (pour adapter l’encapsulation LPRL) entre 5 et 10% de l’effort de recherche effectué pour améliorer le rendement des cellules PV

Encapsulation volumique de LPRL :

Avec l’encapsulation volumique, l’augmentation de l’énergie produite devrait se situer entre -60 et 90% à surface de Si égale.

Le surcoût de ce type d’encapsulation devrait se situer autour de 10 - 15% du prix d’encapsulation.

Si l’on prend la fourchette haute, ce surcoût sera de 5% pour un module LPRL produisant entre 60 et 90% d’énergie en plus.

Incidence économique d’une telle solution en 2008

Si on se base sur un prix de 2 $ du Wc d’un module en encapsulation standard, le prix du Wc avec l’encapsulation LPRL sera de :

Fourchette défavorable : 1,05*2/1,6 = 1,31 $ le Wc

Fourchette favorable : 1,05*2/1,9 =     1,10 $ le Wc 

D’après l’ADEME (conférence du 12 juillet 2004 à l’UNESCO) pour produire au même coût au Wh que celui d’un module PV à 20% de rendement, un système PV à rendement deux fois plus faible (10%) devra coûter 3 fois moins cher le Wc.

A l’heure actuelle un module de technologie amorphe (rendement de 9% pour les meilleurs) ayant un rendement 2 fois plus faible devra coûter 0,78 US $ le Wc.

Les cellules polymères ayant leur rendements labo à 5% les rend pour le moment hors course car le prix du Wc devrait être  d’environ 0,25 US $ le Wc

Quant aux cellules en couches minces de type Cu-In-Se/CdS  (cellules pc-CIGS), elles ont un coût de revient identique au Si amorphe et au Si polycristallin. Elles sont donc aussi hors course et resteront dans des applications de niche pour lesquelles elles sont conçues

Dans un futur proche :

Si l’on estime que les technologies amorphe et organique obtiennent des rendements de conversion industrielle de 10 % en 2010, le coût du Wc de ces modules devra être d’environ 6 fois inférieur à celui d’un module volumique soit un coût du Wc de 0,218 US $.

Les modules à base de cellules tandem dites cellules multicolores ont des rendements de rêve en laboratoire (entre 36 et 39%) MAIS elles sont compliquées à industrialiser et leurs domaines d’action sont en dehors des productions de masse.