Produire sa propre électricité à partir du solaire ouvre la perspective de participer à la sauvegarde de la planète tout en faisant des économies. Mais le rendement d’un panneau photovoltaïque dépend de nombreux facteurs : choix des matériaux, puissance de l’installation, conditions d’ensoleillement, orientation, inclinaison… Une fois le choix effectué, sera-t-il possible d’influer dessus ? Pas si sûr… Alors autant s’informer au mieux avant de procéder à une installation.
L’énergie solaire nous accompagne depuis toujours, son effet est perceptible sur nos organismes comme sur la végétation et l’ensemble de nos écosystèmes. C’est par excellence une énergie renouvelable, puisqu’issue du soleil – dont la durée subsistante estimée est de 5,5 milliards d’années. Rapportée à l’échelle humaine, cette source d’énergie est inépuisable !
Pourtant, son exploitation pour produire de l’électricité est relativement récente. Le panneau solaire trouve son origine dans les travaux de l’inventeur américain Charles Fritts qui, en 1883, crée une cellule solaire à base de sélénium sur une mince couche d’or. Il constate son efficacité, quand bien même elle était alors minime. Auparavant, l’énergie des photons, ces particules élémentaires qui constituent la lumière, était transformée en énergie thermique, mais n’avait jamais encore été convertie en électricité. Et aujourd’hui, les cellules sont en silicium.
En une année seulement, la Terre reçoit du soleil une quantité d’énergie plus de 10 000 fois supérieure aux besoins énergétiques mondiaux !
Il est possible de transformer l’énergie solaire en énergie électrique ou thermique. Le principe d’une installation solaire photovoltaïque consiste à convertir l’énergie solaire, c’est-à-dire la fraction de l’énergie électromagnétique venant du soleil qui, après absorption par l’atmosphère, atteint la surface terrestre, en électricité.
Comment évalue-t-on alors la performance d’un panneau photovoltaïque ? En mesurant la puissance électrique en watts (W), ou l’énergie électrique en watt/heure (Wh) qui en est extraite.
Le rendement d’un panneau solaire s’exprime à partir d’une puissance de référence, qui correspond au pic de captation qui n’intervient que lorsque l’ensoleillement est maximal :
Dans cette situation, le soleil rayonne en moyenne avec une puissance de 1 000 watts/m², au niveau du sol.
Ce standard de mesure intègre l’ensemble du spectre lumineux, (ultra-violet, lumière visible, infrarouge, etc.). Il est en vigueur dans le monde entier pour mesurer l’efficacité des panneaux solaires.
Le rendement se calcule comme le rapport entre la puissance électrique que le panneau est capable de produire et cette puissance de référence.
Si par exemple, la puissance produite par le panneau est de 100 W, son rendement sera de 10 %.
Le rendement varie en fonction de plusieurs facteurs comme l’emplacement géographique, les conditions d’ensoleillement, l’orientation, l’inclinaison des panneaux.
La traversée de l’atmosphère entraîne une perte de puissance du rayonnement solaire.
Hors atmosphère, par exemple sur la Station Spatiale Internationale, la puissance reçue du soleil est 1 361 W – on parle alors de constante solaire. Cette constante peut varier selon la distance de la Terre au soleil à un moment donné, les éruptions solaires et autres facteurs.
L’énergie (en Wh) est le produit de la puissance (en W) par le temps (en h). Ainsi 1 kWh correspond à la production d’un kilowatt (1 000 watts) en une heure.
La puissance d’un panneau est estimée sur la base d’une heure de production en kWc (kilowatt crête).
Le kWc désigne la production maximale du panneau photovoltaïque dans les conditions de référence d’emplacement et d’usage.
Actuellement le rendement moyen d’un panneau solaire se situe aux alentours de 20 %. Le record de rendement constaté à ce jour est de 26,7 %. Ce chiffre est appelé à croître dans les années à venir.
Cela pourrait sembler peu, mais en réalité il s’agit d’une vraie prouesse technologique. En effet, convertir l’énergie du solaire en électricité via des cellules de silicium a nécessité beaucoup de recherches et développements, de tests et d’améliorations successives.
Comparons avec d’autres énergies : un moteur à explosion ou une centrale à vapeur, des technologies plus anciennes mais optimisées, ont un rendement égal à 33 % !
Bon à savoir
De nouveaux types de panneaux solaires sont en développement et divers laboratoires travaillent sur une technologie appelée « cellules-tandem », intégrant une couche d’un minerai, la pérovskite (qui aide à la conversion optimale de la longueur d’onde correspondant à la couleur bleue) et dont le rendement pourrait atteindre 40 %. Grâce à cette technologie, il est tout à fait envisageable de disposer dès 2030 de panneaux d’un rendement courant aux alentours de 30 %.
Lorsque la lumière parvient sur un panneau solaire, une partie est absorbée et donc convertie en énergie électrique, tandis qu’une autre est perdue. La capacité d’absorption de la lumière par un panneau va fortement influer sur son rendement. C’est la raison pour laquelle les panneaux sont noirs et conçus de façon à être peu réfléchissants.
Plus la taille d’un panneau est importante, plus il intègre de cellules photovoltaïques et donc, plus sa production d’énergie va être grande. Un panneau de base mesure environ 1,7 m2 et sa puissance théorique est de 0,3 kWc.
La surface disponible sur le toit doit être de 10 m2 minimum. Selon EDF, avec 20 m2, dans des conditions optimales, un ménage pourrait produire l’équivalent de sa consommation annuelle. Cela dépend naturellement de la taille de la maison, de la consommation du ménage et de la position géographique. Une estimation plus personnalisée est nécessaire, notamment via notre simulateur.
Autre facteur à considérer : la « bande interdite » ou « gap » du panneau. Les cellules d’un panneau absorbent la lumière jusqu’à une certaine longueur d’onde. Au-delà, la lumière va traverser la surface. Les photons ayant une énergie inférieure à ce gap ne sont pas absorbés et ne contribuent donc pas à produire de l’électricité.
A l’heure actuelle, on obtient la performance maximale d’un panneau avec un gap qui se situe dans l’infrarouge (autour de 0,8 micron (µm)).
La puissance électrique produite va suivre l’ensoleillement. Si nous avons un panneau solaire d’un rendement de 20 % et que nous l’éclairons avec 1 000 W, nous avons vu que nous obtenons 200 W vers midi. Toutefois, le soir, l’éclairage sera 5 fois moindre et donc la production du panneau solaire sera réduite aux alentours de 40 watts. Et en pleine nuit, cela va de soi, l’ensoleillement sera nul.
Il est donc important que les panneaux puissent exploiter au maximum cet éclairage à divers moments de la journée. Les deux facteurs qui vont jouer ici sont l’orientation et l’inclinaison de la toiture.
L’orientation des panneaux doit favoriser une exposition maximale aux rayons du soleil. Il est souhaitable qu’ils soient orientés sud, mais ce peut-être le sud-est, le sud-ouest. Si cela est impossible, l’est ou l’ouest peuvent toutefois convenir.
Sachant qu’un panneau solaire est fixé sur une toiture, son inclinaison ne peut être changée ; c’est le soleil qui va changer de position au cours de la journée et de l’année. En juillet ou en août, lorsque le soleil est au zénith et quasi vertical, la toiture est fortement « arrosée ». L’hiver, lorsqu’il est presque à l’horizontale (de 20 à 30°), le rendement est bien moindre.
Il faudrait théoriquement que les panneaux soient inclinés à 60° en hiver, à 10° en été, etc. Or, ce que l’on recherche c’est une production maximale tout au long de l’année. L’angle jugé optimal à une latitude telle que Paris se situe entre 30° et 35°.
La technologie majoritairement mise à contribution (95 % des installations) est celle du silicium. Au sein de cette famille, on distingue trois types de cellules :
On peut également exploiter un silicium dit amorphe (c’est-à-dire dans lequel les atomes ne sont pas rangés de façon ordonnée selon une structure cristalline), mais son rendement est faible (de 6 à 9 %).
De nombreuses innovations sont en cours. Il existe ainsi une catégorie appelée « couches minces », qui exploite un matériau appelé CdTe (tellurure de cadmium), il représente à ce jour environ 3% des installations. Une autre technologie, le CIGS, commence à se développer. Toutefois, les espoirs se concentrent autour de la pérovskite évoquée plus haut.
Un panneau solaire fournit annuellement une certaine quantité d’électricité et il en sera ainsi pendant toute sa durée de vie. Ce qui se dégrade, c’est avant tout la structure qui est sujette à la corrosion. Si l’on se réfère aux chiffres d’EDF la puissance d’un panneau baisse en moyenne de 0,5 % par an. Aujourd’hui, la durée de vie d’un panneau se situe couramment autour de 25 à 30 ans.
Il peut être bon d’acquérir une batterie en vue de stocker l’énergie produite lors des heures d’ensoleillement maximum.
Par ailleurs, il importe de faire procéder régulièrement à un nettoyage de l’installation afin de vérifier que des poussières ne sont pas incrustées dans la structure.
Le mieux est de procéder à un “repowering”, qui consiste à remplacer ses panneaux au bout d’un certain nombre d’années d’usage de façon à bénéficier d’une technologie plus moderne avec un rendement plus élevé – les installations d’il y a une dizaine d’années par exemple affichaient un rendement plus faible, autour de 15 à 16 %.
Un panneau ancien pourra être revendu en seconde main, car on voit aujourd’hui émerger un marché de l’occasion. Des fabricants proposent des garanties pouvant aller jusqu’à 40 ans.
Un panneau est rentable s’il couvre les besoins quotidiens en énergie : éclairage, chauffage, production d’eau chaude. Mais le rendement d’une installation ne peut être estimé sur la seule base de la production d’électricité. Il existe divers avantages secondaires qu’il convient de faire entrer dans l’équation.
Les panneaux photovoltaïques ont tendance à ajouter de la valeur à une maison. En effet, une installation solaire sur une toiture constitue un bien immeuble. Les panneaux font donc partie intégrante du bâtiment, il ne serait pas possible de les emporter à l’occasion de la vente d’une maison. Ils autorisent donc une plus-value puisque les panneaux sont une source d’économie pour les futurs occupants.
Les panneaux solaires sont écologiques, en ce sens que la conversion en électricité n’engendre pas d’émission directe de CO2. Par ailleurs, les technologies photovoltaïques n’exploitent pas de terres rares, ces matériaux dont l’exploitation se révèle polluante et coûteuse.
Comment déterminer l’impact réel des panneaux solaires sur la planète ? La réponse réside dans le « temps de retour énergétique », qui détermine le temps nécessaire pour rembourser une dette énergétique. En d’autres termes : au bout de combien de temps, un matériau aura produit plus d’énergie qu’il n’en aura consommé.
Ce facteur prend en compte le cycle de vie complet du produit, à savoir :
D’après les estimations d’EDF en France, le temps de retour énergétique d’un panneau se situe aux alentours d’un an. L’énergie solaire est donc assurément une énergie verte !
Contrairement à une idée reçue, les panneaux solaires sont presque entièrement recyclables. Le taux de valorisation varie entre 85 % et 95 %. Le verre, élément principal du panneau à 75 %, s’avère réutilisable à l’infini, et il en est de même pour l’aluminium.
Un dispositif photovoltaïque constitué de cellules de silicium cristallin et d’un cadre en aluminium est recyclable à 94,7 %.
Résumons-nous, il importe donc idéalement :
L’idéal est donc de choisir au mieux son installation dès l’origine, car une fois les panneaux en place, il ne sera pas possible d’améliorer leur rendement à moins d’en changer. Se faire aider d’un conseiller peut être crucial. Et grâce à un tel article, vous parlerez le même langage que lui et ce sera pour le mieux.
