1. L’ÉNERGIE SOLAIRE
LES TROIS VOIES DE L’ÉNERGIE SOLAIRE
Les trois façons d’utiliser “directement” l’énergie solaire font l’objet de nouveaux développements
pour améliorer leurs performances et surtout leur compétitivité économique. La plus ancienne,
l’utilisation thermodynamique, connue depuis l’Antiquité, a eu naguère son heure de gloire
avec des installations comme, en France, le four d’Odeillo ou la centrale Thémis. L’utilisation
thermique, pour le chauffage direct de locaux ou de circuits d’eau, reste une solution attractive
que garanties, subventions et améliorations technologiques contribuent à relancer. La trans-
formation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, constitue la voie
potentiellement la plus riche de progrès. Le CEA travaille depuis une dizaine d’années (encadré
p. 26) à en développer les avantages et à en alléger les contraintes.
Cellules photovoltaïques
en silicium polycristallin
testées au CEA par le Genec à
Cadarache (Bouches-du-Rhône).
CEA/Coulon
25
L’électricité solaire dizaine de mégawatts (MW) ont été Un potentiel d’amélioration de 20 à 30 %
thermodynamique construites à travers le monde au cours des reste envisageable, notamment via la pro-
deux décennies écoulées. Dans les Pyrénées, duction directe de vapeur dans les capteurs,
La concentration du rayonnement solaire la centrale Thémis, d’une puissance de et l’optimisation des miroirs. Les États-Unis,
sur un seul foyer permet d’atteindre des tem- 2 MW, a fonctionné au début des années 80. Israël et, pour l’Europe, l’Allemagne et l’Es-
pératures élevées. Ce principe, connu depuis Le plus grand développement commercial pagne mènent conjointement des recherches
l’Antiquité, utilise des capteurs paraboliques, a toutefois été réalisé par la société Luz sur ces thèmes. Dans le cadre des facilités
cylindro-paraboliques, ou des centrales dites “à Corp., qui a construit au cours de la même financières offertes par le Fonds pour l’envi-
tour”, pour lesquelles une multitude d’héliostats décennie trois centrales à capteurs cylindro- ronnement mondial, des réalisations sont
orientables concentrent l’énergie solaire sur paraboliques totalisant une puissance élec- annoncées d’ici deux à trois ans dans plusieurs
une chaudière unique située sur une tour. Il trique nominale de 354 MWe, et fournissant pays tels que l’Égypte, l’Inde et le Brésil.
permet le réchauffement de fluides calopor- au réseau de Southern California Edison -
teurs, en général de l’huile ou des sels fondus, qui alimente Los Angeles – une électricité de L’énergie solaire thermique
dans une gamme de température allant de 250 pointe durant les après-midi d’été. Malgré
à 800 °C, selon les techniques utilisées. Ces la faillite du constructeur il y a dix ans, ces L’énergie solaire thermique s’utilise prin-
fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur centrales n’ont cessé d’être exploitées et de cipalement au travers de deux applications :
d’eau, qui entraîne un turboalternateur, comme voir leur productivité s’améliorer. Elles le chauffage de l’eau chaude sanitaire et le
dans les centrales thermiques conventionnelles. témoignent maintenant de la relative matu- chauffage des locaux. Pour ces utilisations,
Des unités prototypes de l’ordre de rité de cette filière avec des prix de revient les capteurs vitrés utilisés offrent des rende-
quelques dizaines de kilowatts (kW) à une de l’électricité autour de 0,1 euro le kWh. ments de l’ordre de 50 % aux températures
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2. L’ÉNERGIE SOLAIRE
Les dix ans du Genec
Le Genec (Groupement pour les éner-
gies nouvelles de l’établissement de
Cadarache), créé en 1991 sous le nom
de Groupement énergétique de Cada-
rache, est chargé de la recherche et du
développement technologique dans le
domaine de l’utilisation rationnelle de
l’énergie solaire photovoltaïque et ther-
mique. Fruit d’une collaboration entre le
CEA et l’Agence de l’environnement et
de la maîtrise de l’énergie (Ademe), il
a accumulé une large expérience dans
les essais en laboratoire et en enso-
leillement réel ainsi que dans l’assis-
tance technique aux programmes d’élec-
trification photovoltaïque, en particulier
dans les pays en développement.
B. Charlon/GAMMA
Un Club d’utilisateurs regroupe les
industriels et les organismes collabo-
Miroirs orientables sur le site rant avec le groupement en vue d’op-
de la centrale solaire Thémis,
exemple d’application de l’élec-
timiser les travaux et l’information et
tricité solaire thermodynamique. de créer des partenariats.
recherchées. Quatre mètres carrés permet- la garantie de résultats solaires et l’activité donc disponible en de multiples endroits.
tent de répondre aux besoins en eau chaude des marchés allemand, autrichien et hollan- Dès lors, l’utilisation de cellules ou de
d’une famille de quatre personnes, pour un dais au cours de la décennie 90 ont induit une modules photovoltaïques permet la produc-
investissement moyen de 3 000 euro, et dix forte croissance, avec une augmentation des tion d’électricité “sur place”, à proximité
à vingt mètres carrés assurent le chauffage surfaces vendues d’un facteur 2 à 4 sur les immédiate des besoins. C’est là l’atout essen-
d’une maison individuelle. cinq dernières années par rapport à la décen- tiel de l’électricité solaire : elle permet d’évi-
Un chauffage d’appoint est nécessaire pour nie précédente. À court terme, le marché ter les coûts de distribution inhérents aux
les périodes climatiques les plus défavorables, annuel européen est estimé à plusieurs mil- solutions conventionnelles, que ce soit l’uti-
et en moyenne sur l’année, une installation de lions de m2. En France, le récent programme lisation de groupes électrogènes alimentés
chauffage solaire procure un taux de couver- national Helios 2006 vise à favoriser une dif- par énergies fossiles (diesel, essence ou gaz),
ture des besoins, donc une économie sur la fusion plus large de ces produits en apportant ou l’extension d’un réseau électrique prin-
facture, de l’ordre de 50 à 60 %. Selon les une contribution financière aux usagers. cipal jusqu’au lieu d’utilisation.
types d’énergie d’appoint et d’énergie substi- Les développements technologiques en En effet, dans le premier cas, il est néces-
tuée, les temps de retour s’étalent de 6 à 12 ans. cours ont pour objectif de baisser les coûts, saire de prendre en compte la disponibilité
26 De tels capteurs thermiques produisent via une meilleure facilité d’intégration et de et le coût d’approvisionnement du combus-
annuellement de 200 à 800 kWh par m2, mise en œuvre dans le bâti. tible jusqu’au site concerné ainsi que la main-
selon les besoins et les modes d’utilisation. tenance périodique. Dans le second cas, les
Les valeurs les plus basses correspondent à L’électricité solaire coûts de l’extension ou du renforcement
des usages épisodiques d’eau chaude sani- photovoltaïque d’une ligne renchérissent de manière très
taire à température élevée (supérieure à importante le prix du kWh, surtout si les
55 °C), les plus fortes étant obtenues dans besoins sont faibles. S’ils sont importants,
le cas de chauffage continu à basse tempé- Réels avantages l’amortissement sur chaque kWh sera pro-
rature. Pour ce type d’application, souvent et vraies contraintes portionnellement réduit.
appelée “plancher solaire direct”, le fluide L’absence de tout mouvement mécanique
caloporteur issu des capteurs est injecté direc- L’énergie solaire photovoltaïque est un ou de circulation de fluide confère à l’élec-
tement dans le plancher des bâtiments à une moyen intéressant de réduire les coûts de dis- tricité photovoltaïque une fiabilité excep-
température de 25 à 30 °C. Cette conception tribution de l’électricité dans certaines régions. tionnelle : les modules les plus vendus, à
conduit d’une part à des habitations très Particulièrement disponible dans la plupart base de silicium cristallin, font maintenant
confortables, d’autre part à une rentabilité des pays situés entre l’équateur et les couramment l’objet de garanties de l’ordre
technico-économique des meilleures. 45e parallèles, c’est une source d’énergie de vingt ans, pour des durées de vie escomp-
Le développement du marché européen a d’une fiabilité remarquable qui présente un tées largement supérieures. Le bilan éner-
été relativement stagnant autour de bilan énergétique et environnemental tout à gétique est favorable, puisqu’un module
250 000 m2 par an dans les années 80, suite à fait favorable (encadré C, Comment fonc- photovoltaïque rend l’énergie nécessaire à
de nombreuses contre-références, liées à un tionne une cellule solaire photovoltaïque ?). sa fabrication en deux à quatre ans d’expo-
manque de formation des installateurs. Mais L’énergie solaire est une ressource relati- sition au soleil, selon sa technologie de
l’introduction de nouveaux concepts comme vement bien répartie géographiquement, et fabrication.
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3. Le principal facteur limitant la faisabilité dès les années soixante pour les satellites, source, autrement dit le soleil (encadré F,
d’un système photovoltaïque est la quantité où les modules solaires photovoltaïques se Accumulateurs, piles et batteries : des per-
d’énergie souhaitée, qui doit correspondre sont imposés face à la plupart des autres solu- formances en constante amélioration).
aux possibilités de la ressource. Pour don- tions, principalement pour des questions de
ner quelques ordres de grandeur, des besoins poids et de fiabilité. Croissance accélérée pour
d’éclairage se montant à quelques heures par Les premières applications terrestres se l’électricité “au fil du soleil”
jour nécessiteront un “productible” quoti- sont répandues dans les années soixante-dix,
dien de quelques dizaines de Wh, ce qui cor- essentiellement pour des besoins profes- La seconde application, plus récente et
respond à une surface de modules photo- sionnels (alimentation de stations météoro- donc pour l’instant moins développée, béné-
voltaïques nettement inférieure à un mètre logiques ou de relais de télécommunications). ficie d’un taux de croissance encore plus
carré. Les besoins domestiques liés à un Les années quatre-vingt ont vu l’apparition rapide. Il s’agit dans ce cas de transformer
niveau de confort moderne incluant télévi- successive de nombreuses niches de mar- directement le courant continu des modules
sion, hifi et électroménager, ou une installa- ché : le balisage maritime et aérien, la pro- photovoltaïques en courant alternatif iden-
tion de pompage pour une distribution d’eau tection cathodique des oléoducs ou des tique à celui qui est utilisé dans les réseaux
villageoise demanderont plusieurs kWh, pylônes, le mobilier urbain et surtout l’élec- électriques basse tension. L’électricité ainsi
voire, dans certains cas, une dizaine de kWh trification rurale, qui englobe principalement produite “au fil du soleil” est soit consom-
par jour. Dans tous ces cas de figure, des ins- des besoins tels que l’éclairage domestique, mée sur place, soit injectée dans le réseau.
tallations de l’ordre du m2 ou de la dizaine de l’audiovisuel et le pompage de l’eau. L’ap- L’intérêt économique et l’engouement actuel
m2 font l’affaire, et celles-ci posent rarement provisionnement en eau des sites isolés et pour cette solution viennent du fait que l’élec-
des difficultés d’intégration. son traitement en vue de la rendre potable tricité ainsi produite peut être vendue à la
En revanche, l’utilisation de l’électricité représenteront dans un avenir proche un mar- compagnie de distribution d’électricité.
solaire est rarement économique pour des ché très important tant les difficultés envi- Ce “couplage” au réseau peut se faire de
besoins supérieurs, dès lors qu’ils sont ronnementales sur ce thème sont prévisibles. façon centralisée avec des centrales photo-
concentrés en un seul point : cette source Les années les plus récentes auront per- voltaïques de quelques mégawatts : des cen-
d’énergie n’est pas appropriée aux fortes mis une montée en puissance du nombre de trales de puissance ont ainsi été réalisées aux
intensités énergétiques. réalisations dans chacun de ces secteurs. En États-Unis au milieu des années 80. L’ap-
L’électricité solaire photovoltaïque peut France, 90 % des balises maritimes sont ainsi proche complémentaire utilise le caractère
être utilisée de deux manières : pour la four- équipées. Dans les pays en développement, réparti de la ressource et se décline en réa-
niture d’électricité en sites isolés ou pour l’in- toutes les stations de télécommunications ou lisations “domestiques”, c’est-à-dire d’en-
jection d’électricité sur un réseau électrique. les relais hertziens utilisent cette source viron quelques kilowatts. Les précurseurs en
d’énergie. Les programmes d’électrification matière de “toits solaires” ont été la Suisse et
Montée en puissance rurale se réalisent maintenant par tranches l’Allemagne à la fin des années quatre-vingt.
de l’alimentation des sites isolés de plusieurs milliers de systèmes. Quelques opérations ou programmes de
La caractéristique principale de cette pre- démonstration, intégrant des installations de
La première application est la plus mière catégorie d’applications de l’électri- modules en façade de bâtiment ou en toiture
ancienne et la plus répandue au regard des cité solaire est qu’elle nécessite l’utilisation ont eu lieu au cours des années quatre-vingt-
millions de systèmes installés à travers le de batteries lorsque le besoin d’électricité dix. À l’heure actuelle, des programmes
monde. Ce type d’application a commencé n’est pas en phase avec la production, la res- importants sont en phase de réalisation, au
27
Essai sur le simulateur solaire du
CEA/Cadarache d’un modèle de
toit à double paroi permettant
aux courants d’air naturels (créés
ici par des hélices) d’abaisser la
température dans une habitation.
CEA/Coulon
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4. L’ÉNERGIE SOLAIRE
Lampadaires alimentés
individuellement par des cellules
photovoltaïques à Antibes
(Alpes-Maritimes).
CEA/GENEC
Japon et en Europe du Nord principalement, 20 %. Les principaux acteurs sont de grands
sur un rythme de l’ordre du millier de sys- groupes industriels pétroliers ou de l’élec-
tèmes montés en toiture chaque mois. tronique : BP Amoco, Siemens, Kyocera,
Sharp et Sanyo. Photowatt, entreprise d’ori-
Des prix de revient en baisse gine française implantée en Rhône-Alpes, se
régulière situe au premier rang européen et au sep-
tième rang mondial.
28 En 1999, le marché a représenté un Les prix de vente des modules sur le mar-
volume de 200 MW de puissance de module, ché international se situent actuellement
et un chiffre d’affaires total du secteur pho- autour de 3,35 euro le watt (prix sortie usine,
tovoltaïque de plus de 1,5 milliard d’euro. en grande série). L’observation des prix et
La croissance est forte, de 18 % par an en des volumes de ventes sur les vingt dernières
moyenne sur les dix dernières années, et en années montre une évolution régulière, cor-
accélération : + 27 % sur les cinq dernières respondant à une division des prix par deux
années, et + 34 % par an sur les trois der- tous les dix ans. La projection vers le futur
nières. Le lancement des programmes de dif- conduit ainsi à un prix de l’ordre de 1,5 euro
fusion à grande échelle des toits photovol- le watt en 2010. Pour un système photovol-
taïques au Japon puis en Allemagne en est à taïque couplé au réseau de quelques kW, le
l’origine. prix de revient pour l’usager, installation et
Des projections pour l’année 2010, éta- onduleur compris, est de l’ordre du double
blies sur des hypothèses de croissance de 20 du prix du module sortie usine, soit un peu
et 25 % par an, donnent respectivement un plus de 6 euro le watt. Pour un système avec
marché annuel de 1 500 et 2 300 MW. Pour stockage sur batterie, les prix varient selon les
2020, selon les mêmes estimations, le mar- applications entre 9 et 12 euro le watt. ●
ché serait compris entre 9 et 21 GW. À
l’heure actuelle, les principaux pays pro- Philippe Malbranche et Olivier Dieudonné
ducteurs sont par ordre d’importance le Genec
Japon, les États-Unis et l’Europe, avec des Direction de la recherche technologique
parts de marché respectives de 40, 30 et CEA/Cadarache
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5. Les modules solaires photovoltaïques :
du silicium cristallin aux couches minces
Les cellules solaires photovoltaïques utilisent actuellement le silicium comme matière pre-
mière, comme la plupart des composants de la microélectronique. Après avoir utilisé les rebuts
de fabrication de cette dernière, leur production tend à suivre ses propres spécifications et à adop-
ter des voies nouvelles, dont les couches minces, voire l’utilisation de matières plastiques.
Le CEA s’est engagé dans plusieurs de ces voies.
Du lingot à la plaquette Le silicium obtenu doit être très pur, car la Cellules et modules
présence d’impuretés même à des taux très
Une cellule photovoltaïque présente la faibles réduit le rendement des cellules : les Globalement, la fabrication des plaquettes
propriété de convertir directement les rayons concentrations en impuretés tolérées vont de de silicium représente 40 % du prix du
solaires en électricité (encadré C, Comment 0,1 à quelques dizaines de ppm (parties par module, élément qui remplit plusieurs fonc-
fonctionne une cellule solaire photovol- million) et même de l’ordre de quelques tions : connecter les cellules entre elles de
taïque ?). Sur le plan électronique, c’est une dizaines de ppb (parties par milliard) pour cer- manière à fournir la tension voulue (typique-
diode. Le matériau semi-conducteur le plus taines impuretés. Après solidification, les blocs ment 36 cellules en série pour une sortie sur
largement utilisé pour sa fabrication est le de silicium cristallin obtenus sont découpés 12 V) et les protéger contre les agressions de
silicium cristallin : sa largeur de bande inter- en lingots, puis en plaquettes. La découpe des l’environnement (érosion, humidité, grêle, sel,
dite en fait un des matériaux permettant les plaquettes, réalisée par une scie à fil, est longue UV, etc.). Pour en réduire le coût, des gains
plus forts rendements de conversion, sa et coûteuse en matériau : le trait de scie fait doivent être recherchés à toutes les étapes : la
technologie est bien maîtrisée, et il est très environ 200 µm de large, et pratiquement la purification du silicium, la fabrication des lin-
abondant. Actuellement, plus de 80 % des moitié du silicium est perdue. gots et la découpe des plaquettes. Une solution
cellules sont faites avec du silicium cristal-
lin. Le silicium amorphe ne représente
qu’environ 10 % du marché, les cellules faites
avec ce matériau ayant des rendements de
conversion moitié de ceux des cellules en sili-
cium cristallin. La part des autres matériaux
(CdTe, CIS, etc.) est encore faible.
Les cellules photovoltaïques sont réalisées
dans des plaquettes de silicium très fines
(épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surface
allant de 10 x 10 cm2 à 15 x 15 cm2), décou-
pées dans des lingots de silicium monocris-
tallin ou multicristallin. Le procédé Czo-
chralski (CZ) permet de fabriquer les lingots
monocristallins. Un germe lui-même mono- 29
cristallin, trempé à la surface d’un bain de sili-
cium faiblement surchauffé contenu dans un
creuset en silice, est tiré à vitesse continue.
La solidification a lieu et reproduit le motif
cristallin du germe. Si les conditions de tirage
sont bien contrôlées, l’opération produit une
billette de silicium monocristallin sans défauts.
Le procédé permet d’obtenir des cellules de
très bon rendement de conversion (16 à 17 %
en production) mais reste relativement cher.
Le procédé de fabrication des lingots de
silicium multicristallin est basé sur la fusion
de silicium dans des creusets en silice. Cette
méthode consiste à refroidir très lentement du
silicium liquide suivant une direction donnée
afin d’obtenir une structure de solidification
orientée uniformément suivant cette direction.
Elle donne un lingot aux grains relativement
gros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cel-
lules avec un bon rendement (14 %). C’est De la pierre de silice
un procédé lent mais de faible coût. au bloc de silicium.
CEA/Coulon
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6. L’ÉNERGIE SOLAIRE
C
Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?
Le silicium a été choisi pour réaliser alors qu’il y a conduction par un trou, et matériau p. La zone initialement dopée
les cellules solaires photovoltaïques pour le semiconducteur est dit dopé de type p. n devient chargée positivement, et la
ses propriétés électroniques, caractéri- Les atomes tels que le bore ou le phos- zone initialement dopée p devient char-
sées par la présence de quatre électrons phore sont des dopants du silicium. gée négativement. Il se crée donc un
sur sa couche périphérique champ électrique entre les
(colonne IV du tableau de zones n et p, qui tend à
Mendeleiev). Dans le silicium repousser les électrons
solide, chaque atome est lié à dans la zone n et un équi-
quatre voisins, et tous les libre s’établit. Une jonction
électrons de la couche péri- a été créée, et en ajoutant
phérique participent aux liai- des contacts métalliques
contact sur zone n
sons. Si un atome de silicium sur les zones n et p, c’est
est remplacé par un atome une diode qui est obtenue.
de la colonne V (phosphore absorption des photons Lorsque cette diode est
par exemple), un des élec- zone dopée n éclairée, les photons sont
I
trons ne participe pas aux
- collecte
absorbés par le matériau et
liaisons ; il peut donc se
déplacer dans le réseau. Il zone dopée p
- + + des porteurs
chaque photon donne nais-
sance à un électron et un
génération
y a conduction par un élec- des porteurs trou (on parle de paire
tron, et le semiconducteur électron-trou). La jonction
est dit dopé de type n. Si au contact sur zone p de la diode sépare les élec-
contraire un atome de sili- trons et les trous, donnant
cium est remplacé par un naissance à une différence
atome de la colonne III (bore par Lorsqu’un semiconducteur de type n de potentiel entre les contacts n et p, et
exemple), il manque un électron pour est mis en contact avec un semicon- un courant circule si une résistance est
réaliser toutes les liaisons, et un électron ducteur de type p, les électrons en excès placée entre les contacts de la diode
peut venir combler ce manque. On dit dans le matériau n diffusent dans le (figure).
séduisante consiste à produire des rubans de les photons et l’établissement d’une
silicium, permettant de s’affranchir de l’étape connexion électrique avec le circuit exté-
de découpe de plaquettes. Cependant cette rieur. La première étape de sa fabrication
technique, largement développée au cours des est donc une attaque chimique de la sur-
vingt dernières années, n’a pas réussi à s’im- face pour la nettoyer et la rendre rugueuse,
poser, en raison notamment de la moins bonne donc peu réfléchissante. La jonction est
qualité du silicium obtenu. ensuite formée par diffusion de dopants
Le bon fonctionnement d’une cellule (les plaquettes utilisées sont généralement
nécessite plusieurs fonctions : une absorp- dopées p, mais du phosphore est introduit
Cellules de silicium cristallin tion maximum de la lumière sur tout le par diffusion afin de doper n le silicium sur
assemblées en modules sur le spectre solaire, une collecte efficace des une profondeur de l’ordre du micromètre)
site d’expérimentation du
CEA/Cadarache. porteurs (électrons et trous) générés par et un dépôt anti-réfléchissant est effectué.
30 Les grilles métalliques servant à collecter
le courant, très étroites afin de ne pas créer
un effet d’ombrage important, sont ensuite
réalisées par sérigraphie. Un recuit permet
alors la formation du contact électrique
entre le silicium et les grilles collectrices.
Les rendements de conversion de ces cel-
lules sont de l’ordre de 14 à 17 %, selon la
nature du matériau utilisé (multi ou mono-
cristallin) et le procédé de fabrication de
la cellule. Un ruban d’aluminium destiné
à réaliser les interconnexions entre cellules
est ensuite soudé sur les grilles. Puis les
cellules sont testées individuellement, triées
selon leurs rendements de conversion, et
assemblées en modules. La face éclairée
des cellules est collée sur un verre trempé
qui assure la protection mécanique. L’ar-
rière des cellules est protégé par une feuille
de verre ou de plastique. Les collages sont
réalisés par un polymère qui assure la pro-
J.-F. Mutzig
tection contre l’humidité.
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7. Les verrous technologiques
Jusqu’à présent, les volumes de silicium
utilisés par l’industrie photovoltaïque étaient
faibles (3 000 tonnes par an, soit de l’ordre
de 10 % de la consommation de silicium de
la microélectronique), et le silicium provenait
des rebuts (têtes et queues de lingots, sili-
cium polycristallin) de la microélectronique,
qui fournissaient un silicium d’une pureté
de quelques ppb, supérieure à celle deman-
dée par les cellules photovoltaïques. Mais
les prévisions de croissance du photovol-
taïque rendent maintenant nécessaire une
source autonome produisant à un faible coût
un silicium de pureté adaptée à ses besoins.
Parmi les alternatives possibles à l’utilisa-
tion des rejets de la microélectronique, le
procédé à lit fluidisé utilisant comme maté-
riau de base le silicium métallurgique semble
le plus prometteur. Il permettrait d’élaborer
du silicium de qualité satisfaisante à un coût
accessible. Le groupe chimique allemand
PHOTOWATT INTERNATIONAL
Bayer étudie actuellement l’industrialisation Cellule en silicium multicristallin
de ce procédé. qui nécessitent un suivi du soleil suivant un de 100 mm.
Le procédé actuel de fabrication des lin- axe ; les systèmes à forte concentration (plus
gots est lent. L’industrie s’oriente vers des de 100) un suivi selon deux axes. Cette
méthodes de coulée continue en creuset froid : approche, particulièrement adaptée à la pro-
le silicium fondu y est introduit, confiné par duction d’électricité dans des micro-cen-
un champ électromagnétique et solidifié sans trales, devrait permettre de réduire le coût de
contact avec les parois. Il est ainsi possible l’énergie produite. Pour améliorer les sys-
d’obtenir en continu des lingots de grande tèmes à concentration, on cherche bien sûr
dimension (35 × 35 cm2 de section et 3 m de à augmenter les rendements des cellules,
longueur) ayant une structure cristalline com- mais aussi à développer des systèmes
patible avec les applications photovoltaïques. optiques ayant des focales plus courtes afin
Ce type de procédé présente plusieurs avan- de réduire l’épaisseur et donc l’encombre-
tages par rapport aux procédés classiques. Il ment des panneaux.
évite toute contamination par le creuset grâce
au confinement électromagnétique, sa pro- Les voies du futur :
ductivité est multipliée par 10 et l’homogé- les modules en couches minces
néité du lingot permet d’obtenir des cellules
au rendement de conversion très ciblé et
d’abandonner le tri des cellules. Les verrous scientifiques
31
et technologiques
Les cellules à concentration
La faible consommation de matière, l’éla-
Dans un système à concentration, une boration directe du matériau par les tech-
cellule de petite taille est placée au foyer niques de dépôt usuelles sur un matériau sup-
d’une optique (figure 1). La surface de la
cellule silicium est donc divisée par le fac- optique de
teur de concentration, qui peut aller jusqu’à concentration
300. La cellule peut être réalisée dans du
silicium de très bonne qualité avec les tech-
nologies de la microélectronique, ce qui
autorise des rendements de conversion plus
élevés (supérieurs à 20 %) que ceux des cel-
lules utilisées sans concentration (15 %).
Le système doit toutefois être placé sur un
support orientable pour suivre le soleil. Le
coût du système est alors essentiellement
déterminé par l’optique, qui peut être réa-
lisée en plastique, et donc être peu chère,
par l’assemblage et par le système de suivi.
Les systèmes à faible concentration (moins cellule silicium Figure 1. Schéma de principe
de 50) utilisent des optiques cylindriques d’une cellule à concentration.
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8. L’ÉNERGIE SOLAIRE
port de faible coût comme le verre, l’acier ment limité. Ceci tient à la difficulté d’obtenir
ou un polymère, sans avoir besoin d’autres ce type de matériaux avec une faible densité
étapes de mise en forme coûteuses comme de défauts et, par là, de bonnes propriétés élec-
le sciage, font de la technologie en couche troniques. Le silicium amorphe souffre de plus
mince une solution particulièrement attractive d’un effet de vieillissement lié à l’instabilité
pour les cellules photovoltaïques (encadré). de l’hydrogène dans sa structure et la présence
Le silicium cristallin, de par sa structure de du cadmium, un métal lourd de toxicité com-
bandes électroniques, n’est pas naturelle- parable à celle du mercure, rend le CdTe rela-
ment le matériau semi-conducteur adapté à la tivement inapproprié à une application grand
conversion photovoltaïque en couche mince. public. Récemment, des avancées remarquables
Les profondeurs d’absorption pour la partie ont été obtenues sur un autre type de matériaux,
du spectre solaire se situant dans le proche les chalcopyrites, avec comme référence le
infrarouge sont en effet élevées et se chif- diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2)
frent en dizaines de microns. Les cellules au ou CIS. Cette filière est donc devenue rapide-
silicium monocristallin en film mince ont ment la filière couche mince de référence.
cependant leur intérêt, comme nous le ver- Mais tout n’est pas dit et les efforts se
rons plus loin. poursuivent dans de nombreuses autres direc-
Pour avoir une cellule couche mince, il faut tions : fabrication de matériau silicium avec
de préférence utiliser des semi-conducteurs des grains de taille très faible amenant à une
ayant une bande électronique interdite directe modification de la structure de bande élec-
(et non indirecte comme le silicium) et de valeur tronique (silicium dit “microcristallin”), cel-
adaptée au spectre solaire (de l’ordre de 1,5 eV). lules multi-jonctions à base d’alliages sili-
Avec de tels matériaux, tout le spectre solaire cium-germanium amorphes, cellules à base
peut être absorbé dans une épaisseur de l’ordre de matériaux semi-conducteurs organiques.
du micromètre. De plus, la faible profondeur Un des gros enjeux de la filière couche mince
d’absorption rend la cellule relativement tolé- est également lié à la possibilité de réaliser ces
rante à la présence de défauts agissant comme couches directement sur un matériau souple
centres de recombinaison des porteurs de permettant ensuite de recouvrir un matériau de
charge (électrons et trous). construction. Ceci pose un autre défi, celui de
De très nombreux efforts de recherche ont trouver des polymères de support étanches à
donc été entrepris sur un assez grand nombre l’humidité et donc permettant de prévenir toute
de matériaux depuis une quarantaine d’années, corrosion et toute dégradation du matériau semi-
afin d’arriver à des cellules photovoltaïques en conducteur et des connexions électriques.
couche mince possédant, à la fois, un bon ren- Le champ des recherches sur ces matériaux
dement de conversion et un faible coût. Histo- couches minces reste relativement ouvert.
riquement, deux matériaux ont été particuliè- Toute la gamme des matériaux possibles n’a
rement étudiés et ont fait l’objet d’une pas été étudiée en détail. De nombreux efforts
industrialisation : le silicium amorphe et le tel- sont encore nécessaires pour obtenir une mise
lurure de cadmium (CdTe), tous deux déposés en œuvre assurant à la fois le coût minimum
sur verre. Malgré les efforts entrepris, le ren- et le rendement maximum. Enfin les méca-
dement maximum de ce type de cellules, pour nismes physiques élémentaires commandant
des tailles significatives, reste malheureuse- les rendements initiaux et les facteurs de
32
Figure 2. Schéma de principe de
l’empilement d’une cellule photo-
contact supérieur ZnO (0,3 )
voltaïque CIS (diséléniure de
cuivre et d’indium) et de l’inter-
jonction n-CdS/p-CIS (0,005 )
connexion électrique entre deux couche CIS (2 )
cellules en série. L’épaisseur des contact arrière molybdène (1 )
différentes couches est indiquée support verre (3000 )
entre parenthèses.
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9. dégradation sont encore relativement mal
compris dans tous les matériaux couches
minces étudiés, quelle que soit leur maturité. Photowatt-CEA :
une coopération qui s’intensifie
Les technologies en cours
Les collaborations établies entre Pho- canadienne Automation Tooling Sys-
de développement towatt International, premier fabricant tems) et Asie/Pacifique (le Japon étant
ou d’industrialisation européen verticalement intégré de le plus gros marché mondial). Son objec-
Ces dernières années, alors que le rende- plaques, cellules et modules photovol- tif ? Figurer parmi les cinq premiers
taïques, le CEA/Cadarache et le Leti à fabricants mondiaux. Photowatt attache
ment de conversion des cellules solaires basées
Grenoble devraient s’intensifier dans les une importance particulière au déve-
sur les couches minces de CdTe a stagné autour
années à venir, dans les domaines de loppement des nouvelles technologies
de 16 % en laboratoire, des progrès constants
l’intégration des modules dans le bâti- et des nouveaux procédés de fabrica-
ont été obtenus avec le matériau semi-conduc-
ment et du développement de nouveaux tion. L’entreprise consacre, avec la par-
teur CIS. Une valeur de rendement de 18,8 %, procédés de fabrication des cellules pho- ticipation de l’Ademe, environ 15 % de
record pour le domaine des couches minces, a tovoltaïques. Photowatt poursuit sa stra- son chiffre d’affaires à la recherche et
été atteinte en laboratoire pour une cellule de tégie de croissance sur un marché mon- au développement de la technologie. Ses
petite dimension. Pour des modules de 30 × dial en expansion rapide. Passé de 5 MW principaux objectifs pour le court et le
30 cm2 , des performances de 12,8 % sont de capacité en 1997 à 18 MW aujour- moyen terme sont d’une part un four de
d’ores et déjà obtenues. De plus, des études d’hui, Photowatt International propose coulée continue du silicium dans un
fondamentales ont montré que ce matériau a la aussi une gamme élargie de produits creuset froid, qui permet de fabriquer
particularité d’être très stable sous rayonne- avec deux tailles de wafers et cellules des lingots dix fois plus rapidement que
ment et qu’il a la propriété de s’autorégéné- et une gamme de modules allant de 10 à la technique utilisée aujourd’hui, avec
rer. Ce phénomène d’autoguérison est expliqué plus de 100 watts-crête (Wc). Cela a une réduction d’un facteur 2 de la valeur
par la structure chalcopyrite de ce matériau, permis l’élargissement de sa présence ajoutée, d’autre part le développement
qui n’est pas totalement ordonnée, et par le géographique : Photowatt est mainte- d’un procédé innovant de fabrication
fait que de nombreux défauts de type lacunes nant présent à égalité sur les zones des cellules permettant une augmenta-
d’atomes ou d’atomes étrangers (sodium, fer, Europe (marché du “raccordé réseau”, tion significative du rendement de
or…) sont présents et que les atomes de cuivre particulièrement en Allemagne), Amé- conversion. D’autres projets pour le plus
qui le constituent sont relativement mobiles. rique (grâce notamment à sa maison- long terme portent sur le raffinage du
Ces résultats ont provoqué un regain d’intérêt mère américaine Matrix Solar Techno- silicium et le développement de cellules
logies, elle-même filiale de la société ultra-minces (100 -150 µm).
pour cette filière, en particulier en Allemagne.
La structure de l’empilement d’une cel-
lule CIS (figure 2) comprend un support en
verre et une électrode en molybdène déposée
par pulvérisation cathodique. La jonction
sulfure de cadmium (CdS) de type n/CIS de
type p est obtenue par le dépôt d’une couche
de 50 nanomètres de CdS en bain chimique
(Chemical Bath Deposition CBD) sur le CIS.
Une électrode transparente en oxyde de zinc
(ZnO) dopé à l’aluminium constitue le
contact supérieur. Plusieurs techniques de
dépôt ont été utilisées pour l’obtention de la
couche CIS (évaporation sous vide, séléni- 33
sation des précurseurs métalliques, pulvéri-
sation cathodique ou par spray, électrodépo-
sition). Les meilleures performances sont Fabrication de cellules
atteintes avec la technique de co-évapora- de silicium multicristallin
tion des éléments. La surface finale de la cel- à l’usine Photowatt
lule est ensuite encapsulée par une couche International de
Bourgoin-Jallieu (Isère).
polymère et un verre de protection. PHOTOWATT INTERNATIONAL
Les principaux acteurs industriels sont Sie-
mens Solar (Allemagne et États-Unis), Wurth
Solar (Allemagne) et Matsushita (Japon). En Cellules au silicium verre ou la céramique. Ceci permettrait de
France, il n’y a encore aucun industriel impli- n’utiliser que la quantité de silicium stricte-
monocristallin en film mince
qué dans cette filière, et dans le domaine de ment nécessaire au bon fonctionnement de
la recherche, le laboratoire d’électrochimie Même si, comme nous l’avons vu, le sili- la cellule et d’éviter les pertes liées au sciage,
de l’ENSCP (École nationale supérieure de cium nécessite des épaisseurs de plus de tout en gardant un matériau et une filière par-
chimie Paris) travaille sur ce matériau depuis 10 microns pour espérer un rendement de ticulièrement fiables et éprouvés. Plusieurs
plusieurs années avec une réputation inter- conversion suffisant, une solution très attrac- procédés sont en cours d’étude dans plusieurs
nationale. EDF, Saint-Gobain Recherche et tive pour réaliser à faible coût des cellules laboratoires au Japon, en Allemagne, en Aus-
l’ENSCP participent à un projet permettant le photovoltaïques est de prélever dans une pla- tralie et en France. Tous ont en commun la
développement en France d’une filière couche quette de silicium monocristalline un film fragilisation du silicium en profondeur de
mince CIS originale basée sur l’électro- épais de quelques dizaines de microns et de manière à pouvoir ensuite détacher le film
déposition. le rapporter sur un support à faible coût tels le de surface situé au dessus de cette zone fra-
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10. L’ÉNERGIE SOLAIRE
permettrait de plus de traiter selon une même
support bas coût technologie le substrat (support mécanique),
le matériau actif où a lieu la conversion pho-
tovoltaïque et l’encapsulation.
pavage couche mince Il existe aujourd’hui des cellules photo-
voltaïques organiques dont le rendement
de conversion dépasse la barre des 10 %.
Elles reposent sur la technologie dite de
Grätzel qui consiste en une jonction entre
un polymère organique et un électrolyte
liquide.
La génération photovoltaïque se situe dans
le polymère et l’électrolyte permet d’assu-
silicium rer le transfert de charge et la différence de
monocristallin potentiel (force électromotrice) par sa jonc-
technologie cellule tion avec le polymère. Ce type de cellule est
développé en Suisse par Solaronix pour les
applications basse puissance et en Allemagne
par l’INAP (Institut für Angewandte Photo-
voltaik) pour les applications haute puissance.
Figure 3. Schéma de principe de gile et de le reporter sur le support à bas coût La présence de l’électrolyte liquide constitue
report de couche mince et de
pavage de support bas coût de de grande dimension (figure 3). Avantage l’inconvénient majeur de cette technologie
grande dimension avec réalisation supplémentaire : la réalisation des étapes avec une faible stabilité en temps (évapora-
des étapes technologiques de technologiques des cellules se fait à l’échelle tion) et une plage de température de fonc-
fabrication des cellules à l’échelle
du module. d’un module de grande surface et non plus au tionnement limitée.
niveau de chaque tranche de silicium, ce qui La recherche s’oriente donc vers une solu-
permet de réduire de façon significative le tion tout polymère. Dans cette filière, les
coût ramené à l’unité de surface. Le CEA/Leti meilleures performances actuelles sont un ren-
(Laboratoire d’électronique et de technolo- dement de conversion de 3,6 %. Le nombre
gie de l’information), qui a joué le rôle de de laboratoires travaillant dans le domaine, à un
pionnier dans le développement de ce type stade encore relativement amont, reste limité,
d’approche pour les applications à la micro- mais les publications, brevets et conférences
électronique, se propose d’étudier son appli- illustrent l’émergence de cette voie qui pour-
cation aux cellules photovoltaïques dans le rait entrer en phase de développement à une
cadre d’un contrat avec l’Ademe, en colla- échéance voisine de 2010. Le CEA/Leti a acquis
boration avec l’INSA de Lyon. une expérience significative dans ce domaine
suite à un contrat européen, le premier sur le
Les cellules organiques : sujet. Il a proposé une voie originale pour amé-
vers le tout polymère liorer les performances de collecte des por-
teurs de charge dans ce type de structure. Un
La recherche et développement de cellules projet national alliant le Leti, plusieurs labo-
solaires à base de matériaux organiques ou de ratoires universitaires et le groupe TotalFinaElf
polymères est motivée par les avantages que est en cours de montage afin de développer
34 présentent ces matériaux : faible coût, matière des cellules photovoltaïques en polymères pour
première illimitée, facilité de mise en œuvre, les applications de production d’énergie. Il
technologies basse température, grandes sur- s’agit dans un premier temps d’une activité de
faces, dispositifs souples... Cette solution recherche amont. ●
Claude Jaussaud, Jean-Pierre Joly,
Alain Million et Jean-Michel Nunzi
Laboratoire d’électronique
et de technologie de l’information
Direction de la recherche technologique
CEA/Grenoble
Cellule photovoltaïque souple
développée à l’université de Linz
(Autriche).
JKU Linz
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11. Les systèmes photovoltaïques
Au-delà du module qui porte les cellules exposées au soleil, l’exploitation de l’électricité
photovoltaïque passe par des “systèmes” dont le développement futur nécessite, pour chaque
composant, un effort de recherche pour améliorer son économie et sa fiabilité. C’est particu-
lièrement vrai du chaînon essentiel que constitue le stockage, la contrainte principale pesant sur
la filière étant la nécessité de stocker l’électricité entre les périodes d’ensoleillement. Le CEA
cherche entre autres à modéliser le fonctionnement des systèmes photovoltaïques en intégrant
les évolutions des caractéristiques du stockage au fil du temps.
L’interface entre l’usager
et la ressource
Le système photovoltaïque est l’interface
entre l’usager et la ressource, il “met en
forme” l’énergie captée par les modules pho-
tovoltaïques selon les types d’applications.
En plus d’une association de modules pho-
tovoltaïques, un onduleur permet de conver-
tir le courant continu en courant alternatif
pour une utilisation sur le réseau électrique.
L’usager peut alors consommer l’énergie
qu’il produit ou la réinjecter dans le réseau
électrique si, par exemple, les conditions de
rachat par l’exploitant du réseau lui sont favo-
rables. L’onduleur peut entraîner une pompe
dans le cas d’un système de pompage dit “au
fil du soleil” : de l’eau est alors refoulée dans
un réservoir dimensionné selon les besoins du
village, pendant la journée, et restituée à la
demande. Ph. Malbranche
S’il est nécessaire de stocker l’énergie élec- Les axes de recherche et de développe- Installation destinée à couvrir les
besoins en électricité et en eau
trique produite, un parc de stockage sera ment sur tous ces systèmes visent principa- d’un camp de vacances pour ado-
introduit. La gestion de ce parc se fera alors lement la baisse des prix de revient des ser- lescents à Alice Springs, dans le
via un régulateur : celui-ci se charge lorsque vices rendus. Cette baisse s’obtient en jouant bush australien. Elle associe des
modules solaires photovoltaïques,
l’ensoleillement le permet, et alimente l’uti- sur les couples coûts/performances des com- un parc de batteries, un groupe
lisation dès que nécessaire. Un tel stockage posants constituant le système mais aussi sur électrogène, une pompe de
permet, d’une part de pallier les alternances des facteurs plus globaux de gestion et d’ar- forage, une unité de dessalement
et une réserve d’eau douce.
jour-nuit ainsi que plusieurs jours consécu- chitecture des systèmes.
tifs de mauvaises conditions météorolo- Dans l’ordre d’importance des coûts d’in- 35
giques, d’autre part de répondre à des besoins vestissement initiaux d’un système photo-
de puissance nettement supérieurs à ce que voltaïque hybride, par exemple, le généra-
pourrait fournir instantanément le généra- teur photovoltaïque représente en moyenne
teur photovoltaïque. 35 %, le parc batterie 20 %, les autres com-
posants 20 %, les sources d’énergie addi-
Les solutions hybrides tionnelles (groupe électrogène) 10 %, la logis-
tique et l’installation 15 %. L’intégration des
Ce type d’architecture se complexifie coûts de maintenance, d’intervention et de
pour des applications plus importantes : remplacement de matériel (parc de stockage
afin d’éviter la mise en place d’un stockage par exemple) bouleverse la ventilation des
trop imposant, et donc coûteux, un géné- coûts dits de “cycle de vie” : le parc batterie
rateur auxiliaire tel qu’un groupe électro- en représente 50 %, le générateur photovol-
gène peut être retenu. Ce sera alors un sys- taïque 20 %, les sources d’énergie addition-
tème photovoltaïque dit “hybride”, nelles 15 % et les autres composants 10 %, la
c’est-à-dire associant un générateur pho- logistique et l’installation 5 %.
tovoltaïque à une source d’énergie, conven- La recherche sur les modules photovol-
tionnelle ou non : si les conditions météo- taïques a des retombées directes sur les coûts
rologiques sont favorables, l’association des systèmes tant en termes d’augmentation
de plusieurs sources renouvelables (photo- des performances et du rendement de conver-
voltaïque, éolienne ou micro-hydraulique) sion des cellules (plus de puissance pour un
est même envisageable. prix constant), qu’en termes de diminution des
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12. L’ÉNERGIE SOLAIRE
Résidence secondaire, dans le tiellement de trois ordres. Le premier relève
centre de la Finlande, alimenté en
de la fiabilité des systèmes. À court et moyen
électricité par un système photo-
voltaïque délivrant en été de terme, c’est l’un des moyens d’action les
l’ordre de 5,6 kWh par jour. plus efficaces : il s’agit par exemple de
Les modules de toit assurent réduire les fréquences de maintenance sur
également des fonctions de
couverture et d’isolation. les sites isolés, ou de conférer à l’ensemble
des composants des durées de vie aussi
longues que celle des modules photovol-
taïques. Cela passe par une meilleure
connaissance de la fiabilité du système et la
mise en place de dispositifs de surveillance
et d’aide à l’utilisateur, mais aussi par une
certaine standardisation des composants et
Neste Oy NAPS une approche d’assurance de la qualité et de
prix de production en travaillant sur les pro- normalisation de plus en plus présente. Une
cédés de fabrication (module photovoltaïque partie des études du Groupement pour les
moins cher à puissance équivalente, voir Les énergies nouvelles de l’établissement de Cada-
modules solaires photovoltaïques : du silicium rache (Genec) vise à l’élaboration des normes
cristallin aux couches minces). Il est raison- internationales de tests des systèmes.
nable aujourd’hui d’estimer qu’une marge de Le second levier est celui de la gestion des
gain existe qui permettrait de réduire de 30 % flux énergétiques : à moyen terme, cette solu-
le coût d’un système complet. Les deux autres tion semble la plus prometteuse. Elle consiste
axes de recherches les plus importants ne sont à utiliser au mieux les flux d’énergie de tous
pas à négliger. Sur le parc de stockage, le gain les composants, en tentant de faire produire
potentiel est estimé à 50 % s’il est, par les modules photovoltaïques au plus près de
exemple, possible de multiplier par deux la leur puissance maximale, en recherchant une
durée de vie de la batterie. Sur les autres com- meilleure connaissance de la stratégie de ges-
posants, il s’agit de minimiser les pertes de tion des batteries, en optimisant les associa-
conversion : les onduleurs dits “solaires” sont tions de sources énergétiques en vue de pri-
bien plus performants que les onduleurs stan- vilégier l’utilisation des énergies renouvelables
dard. Leur rendement atteint 95 % pour une tout en correspondant à un optimum écono-
consommation à vide de quelques pour-cent mique. La mise en œuvre de méthodes de ges-
de leur puissance nominale alors que le ren- tion “prédictives”, c’est-à-dire visant à pré-
dement des onduleurs pour alimentation sans voir l’état futur des ressources ou du système,
interruption dépasse à peine 80 % avec une constitue aujourd’hui un axe important des
consommation à vide supérieure d’un ordre études menées au Genec.
de grandeur. Le prix est en conséquence. Le troisième levier s’exerce sur l’architec-
ture globale du système : c’est certainement le
Fiabilisation, gestion des flux point le plus innovant qui donnera le jour à
et nouvelles architectures des produits dont l’architecture sera éloignée
de celle des premiers systèmes. Cette tendance
Dans le cas des systèmes complets, les est très nette pour des applications du type
principaux leviers technologiques qui gui- “couplage au réseau”. Des produits de plus
36 Batteries en test accéléré au
Genec, au CEA/Cadarache. dent les actions de recherches sont essen- en plus diversifiés sont en cours de dévelop-
pement pour permettre une intégration plus
simple et modulaire dans les bâtiments : tuiles,
ardoises ou couvertures “solaires”, fenêtres
de toit ou de façade semi-transparentes, et
même des composants multifonctionnels assu-
rant simultanément une ou plusieurs des fonc-
tions telles que rigidité mécanique du bâti-
ment, isolation, protection solaire, captation de
l’énergie thermique et production d’électri-
cité photovoltaïque. Mais c’est aussi le cas
pour les autres applications où les réponses
techniques permettront au produit final de
mieux correspondre aux besoins, voire de
trouver de nouvelles applications.
Si les améliorations apportées aux sys-
tèmes complets sont plutôt liées au processus
d’innovation technologique, les gains pres-
sentis dans le domaine du stockage électro-
chimique – comme celui de la conversion
photovoltaïque examiné plus précédem-
ment – sont du ressort de la recherche amont.
CEA/GENEC
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13. Le stockage de l’électricité Essais sur un prototype
de batterie au Genec.
d’origine photovoltaïque
Les générateurs photovoltaïques auto-
nomes ont besoin d’un stockage électrique
pour assurer une fourniture d’énergie quasi
permanente quelles que soient les séquences
d’ensoleillement. Suivant les applications,
cette fourniture sera assurée par exemple
pendant deux à trois jours pour certains petits
systèmes domestiques, et pendant une quin-
zaine de jours pour les applications profes-
sionnelles comme les phares et balises mari-
times.
Divers types de batteries
Les différentes applications font appel
à des batteries de technologie différente
afin de garantir le service rendu. Parmi ces
technologies, la batterie au plomb, bien que
connue depuis plus de cent ans, offre actuel-
lement, et pour de longues années encore,
la meilleure réponse en termes de prix et
de durée de vie. Certains sites où les
contraintes d’exploitation et d’environne-
ment climatique sont particulièrement
sévères peuvent être équipés de batteries
au nickel-cadmium mais leur coût prohi-
bitif ne permet pas la généralisation de leur CEA/GENEC
utilisation. Les nouveaux couples (lithium- (relais hertziens de télévision et de télé- charge les moins contraignants. Ces amélio-
ion, lithium métal hydrure) présentent des communications, phares maritimes). La bat- rations nécessitent une meilleure connais-
solutions intéressantes pour les applica- terie au plomb “étanche” est utilisée essen- sance des dégradations observées sur site.
tions portables de faible capacité mais sont tiellement dans des environnements Les travaux menés actuellement au Genec
également trop chers (encadré F, Accumu- contraignants ne permettant qu’une main- dans le cadre de contrats avec l’Ademe, EDF,
lateurs, piles et batteries : des perfor- tenance très espacée comme l’équipement la Commission européenne et les industriels,
mances en constante amélioration). de balises maritimes ou dans des installa- permettent d’identifier et d’étudier les para-
Des expériences sont menées dans cer- tions confinées. mètres influents qui sont à l’origine des
tains pays du Nord (Allemagne, Finlande) Le stockage dans un système photovol- mécanismes de dégradation.
pour utiliser la pile à combustible comme taïque contribue pour une part non négli- Les dommages observés, sur des batteries
générateur associé à un stockage conven- geable au coût total d’exploitation par ses de retour de terrain, sont essentiellement la
tionnel. Dans ce cas le stockage est assuré remplacements successifs durant la durée de sulfatation dure, la décohésion de la matière
par des réserves d’hydrogène produit par des vie d’un système. En effet, suivant la tech- active et, dans une moindre mesure, la cor-
électrolyseurs alimentés à partir de généra- nologie et l’utilisation des batteries au plomb, rosion des grilles. Pour mener à bien ces tra- 37
teurs photovoltaïques. Cette forme de stoc- leur durée de vie peut varier entre 2 et 15 ans. vaux, le laboratoire dispose de moyens en
kage inter-saisonnier ne présente pas d’auto- En outre, le coût total du stockage ne suit cyclage charge-décharge, en étude électro-
décharge. Si les prix étaient suffisamment pas la même baisse que celle obtenue sur les chimique, en caractérisation optique et chi-
compétitifs pour compenser le faible rende- autres composants d’un système photovol- mique. Les connaissances acquises permet-
ment actuel de cette technologie, celle-ci per- taïque. Un des objectifs actuels est de doubler tront la modélisation de ces mécanismes et
mettrait de résoudre sous nos latitudes les la durée de vie des batteries bon marché de leur intégration dans des algorithmes de ges-
problèmes liés à la variation de production conception proche des batteries de démar- tion adaptative qui évoluera en fonction des
électrique entre été et hiver. rage et de prolonger à 20 ans les batteries contraintes réellement subies par la batterie
Les systèmes autonomes utiliseront des industrielles de type stationnaire à plaques soumise aux conditions particulières d’ex-
batteries au plomb à plaques planes de type positives tubulaires. Pour ce faire, la ploitation. Celle-ci sera alors gérée suivant
démarrage pour les installations d’une puis- recherche au niveau des industriels porte sur son propre état, son propre comportement et
sance crête installée proche de la centaine la conception de nouveaux produits plus non plus en fonction de paramètres prééta-
de watts. Les installations plus importantes adaptés aux contraintes des applications pho- blis lors de son installation, ce qui contribuera
seront équipées de batteries à plaques tubu- tovoltaïques. fortement à l’amélioration du service rendu et
laires plus adaptées au cyclage journalier à terme de la durée de vie du stockage. ●
mais d’un coût du kilowattheure stocké de Mieux gérer la vie des batteries
1,5 à 2 fois plus élevé. Ce type de batterie
équipe les installations de plusieurs cen- Un deuxième axe de travail concerne Pascal Boulanger et Daniel Desmettre
taines de watts à plusieurs kilowatts crête l’amélioration des systèmes de gestion de la Genec
et toutes les applications professionnelles batterie ; il s’agit de préserver celle-ci en la Direction de la recherche technologique
pour des raisons de fiabilité et de sécurité faisant travailler dans les domaines d’état de CEA/Cadarache
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