Les Panneaux Photovoltaïques

Les Panneaux Photovoltaïques

1. Présentation générale de la technologie

La technologie photovoltaïque est une des énergies renouvelables les plus utilisées en France et en Europe. Les panneaux photovoltaïques (Figure 1) peuvent à la fois être utilisés par des particuliers (sur toits) ou par des industriels (centrale solaire).

Figure 1 : Photographie d'un champ de panneaux photovoltaïque
(D. Baker, n.d.)

La composition des panneaux est variée selon les constructeurs. Cependant, le composant le plus répandu dans leur conception est le silicum cristallin. Ces panneaux se décomposent alors en deux catégories : les monocristallins et les polycristallins. (EDF-ENR, 2013)

Les panneaux monocristallins ont un taux de rentabilité plus important mais leur fabrication est plus complexe et donc plus chère que les polycristallins. Ces derniers présentent le meilleur rapport qualité/prix et sont donc les plus utilisés.

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement de la ferme solaire en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

 

Le but de cette partie est de dimensionner d'un point de vue énergétique l'installation de panneaux photovoltaïques afin de produire C=74,872GWh/an avec un potentiel photovoltaïque en Vendée pp=1250kWh/kWc.

La centrale solaire correspondante à une telle production a une puissance nominale de :

$ P=\frac{C}{pp} $

$ P=59~897~kWc $

Il faudrait donc une centrale d'une puissance de 60 MWc.

En reprenant le tableau comparatif des constructeurs présenté dans la partie précédente (Evaluation du rayonnement solaire), on obtient un nombre de panneaux photovoltaïques et une surface nécessaire présentés dans le Tableau 1 :

Tableau 1 : Comparaison du dimensionnement entre différents modèles de panneaux photovoltaïques 

Modèle Conergy PX 305P Sillia 60P SW E19
Puissance nominale (W) 305 W 250 W 270 W 425 W
Dimension du module (mm) 1956 × 992 × 50 mm 1665 x 1001 x 42 mm 1675 x 1001 x 31 mm 2067 x 1046 x 30 mm
Surface du module (m²) 1,94 m² 1,67 m² 1,88 m² 2,16 m²
Nombre de panneaux nécessaire 196 722 240 000 222 223 141 177
Surface totale (m²) 381 640 m² 400 800 m² 417 780 m² 304 943 m²
Surface totale (ha) 39 ha 41 ha 42 ha 31 ha
Production annuelle moyenne par ha (GWh/ha) 1,907 GWh/ha 1,826 GWh/ha 1,783 GWh/ha 2,415 GWh/ha
Nombre de panneaux par ha 5044 5 854 5 291 4 554
Puissance nominale par ha (MWc/ha) 1,538 MWc/ha 1.463 MWc/ha 1,429 MWc/ha 1,935 MWc/ha

Le calcul de la surface totale en m² et en ha a été arrondi à chaque fois à la décimale supérieure pour prendre en compte l'espacement entre les panneaux.

Toutes les données ont été calculées en estimant une inclinaison de 35° et une orientation Sud. De plus, on considère que 1 ha de toits peut être couvert au niveau de l'usine par des panneaux photovoltaïques. Le reste devra être installé en champs.

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

1. Règlement sur l'exploitation de panneaux photovoltaïques

L'installation de panneaux photovoltaïques est soumise à de nombreuses lois.

Tout industriel ou particulier se doit d'abord de consulter la mairie afin d'obtenir un permis de construire si l'installation est sur toits. L'installation est soumise au Code de l'Urbanisme et ne peut se faire aux alentours d'un site historique. De plus, le Plan Local d'Urbanisme (PLU) pose les conditions de l'installation des panneaux. (Comprendre-choisir, 2013)

La demande doit aussi se faire auprès de la DDE afin de savoir si la construction ne se situe pas en zone spécifique du territoire à savoir :

- zone de protection du patrimoine architectural urbain et paysager,
- périmètre de protection d'un site classé,
- périmètre de rénovation immobilière,
- plan de sauvegarde et de mise en valeur, ...

Dans le cadre d'installation sur champs, les procédures d'installation dépendent de la puissance de la centrale solaire :

  • Puissance < 3 kWc et hauteur de l'installation > à 1,80m : Déclaration préalable de travaux.
  • Puissance entre 3 et 250 kWc :  déclaration préalable de travaux et permis de construire si la zone est proche d'un site classé
  • Puissance > à 250 kWc : Etude d'impact, enquête publique et permis de construire.

De plus l'exploitation et elle aussi soumise à réglementation selon la puissance des installations :

  • Puissance < 250 kWc : pas de démarches
  • Puissance entre 250 et 4 500 kWc : Déclaration d'exploiter.
  • Puissance > 4 500 kWc : Autorisation d'exploiter.

Une installation de 60 MWc nécessite donc la réalisation d'une étude d'impact et une autorisation d'exploitation.

2. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

La réglementation sur les conditions d'achat de l'énergie produite et des tarifs en vigueur est soumise à l'Arrêté du 4 Mars 2011 modifié par l'Arrêté du 7 Janvier 2013.

Un résumé des tarifs en vigueur est présenté dans le Tableau 1. 

Tableau 1 : Résumé des tarifs en vigueur
(Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie, 2013)

1 IAB : installation photovoltaïque sur toiture respectant les critères d'intégration au bâti
2 ISB : installation photovoltaïque sur toiture respectant les critères d’intégration simplifiée au bâti (ISB)

Notre installation correspond à la catégorie "Tout type d'installation". Cependant, la puissance du projet de centrale solaire est de 60 MWc et est supérieure à l'intervalle d'achat obligatoire de [0-12 MWc]. Le projet sera donc soumis à un appel d'offres.

Implantation

Implantation

Afin de choisir une zone d'implantation pour une centrale photovoltaïque, deux contraintes majeures sont à prendre en compte :

- la couverture du sol

- les espaces protégées

On considère que le potentiel photovoltaïque est globalement constant sur le département vendéen.

1. La couverture du sol

La première contrainte à respecter est la couverture du sol. L'implantation d'une centrale solaire d'un superficie supérieure à 30 ha ne peut se faire que sur des toits de bâtiments. Une implantation "en champs" est donc nécessaire. Ainsi, à partir des données téléchargées sur le "Corinne Land Cover", seules quatre catégories de couverture du sol ont été retenues : terres arables, prairies, fôrets et végétation arbustive représentées sur la carte ci dessous (Figure 1).

Figure 1 : Carte de la couverture des sols de la Vendée
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

2. Les zones protégées

La seconde contrainte à prendre en compte est la protection de nombreuses zones dont les forêts. Les données de zone protégées sont issues du site de la DREAL de Pays de la Loire et sont :

- les zones Natura 2000
- les ZNIEFF
- les ZICO
- les Arrêtés de Protection Biotope
- les Réserves Naturelles Nationales

Ces informations ont été regroupées et présentées en Figure 2.

 

Figure 2 : Carte des zones de protection de la Vendée
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

3. Bilan

La zone potentielle d'implantation d'une centrale solaire de superficie supérieure à 30 ha et proche de l'usine de dessalement peut se faire sur la partie encadrée en rouge sur la Figure 2. Cependant, afin d'exploiter cette centrale, il est nécessaire d'utiliser des terres agricoles. Dans ce cas, le rachat des terres ou des contrats liant l'exploitant de l'usine et les propriétaires des parcelles sont nécessaires. Cependant, de telles mesures semblent très difficiles à réaliser.

L'implantation de panneaux photovoltaïques sur une telle superficie semble peu probable.

Aspect économique

Aspect économique

Afin d'évaluer l'aspect économique de la mise en place d'une centrale solaire nous prenons en compte :

- le coût d'investissement, (construction, entretien et location des parcelles de terre ...)

- la rentabilité économique (prix de revente de l'énergie produite)

Cette analyse est basée sur le module solaire Conergy PX-305P, seul modèle dont nous disposions des données d'ordre économique.

1. Coûts d'investissement

Les investissements liés à l'étude et à la construction d'une centrale solaire sont de l'ordre de 1 €/Wc (Conergy, 2013). D'après le dimensionnement global, la puissance de la centrale solaire devrait atteindre 60 MW. Ce qui représente donc un investissement de 60 000 000 €.

Une fois construite, les coûts de maintenance de la centrale s'élèvent à 15 c€/ kWc. Le calcul donne alors un montant de 9 000 € d'entretien par an.

La location des champs aux propriétaires terriens est de l'ordre de 2500 €/ha/an. L'exploitation de 39 ha sur une période d'exploitation de vingt ans revient donc à 1 950 000 €.

Ainsi le total des coûts d'investissement pour l'implantation de la ferme solaire est de 62 130 000 €.

2. Recettes

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

      - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie photovoltaïque produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque année, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89 11,11 11,33 11,55 11,79 12,02

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 20 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'une centrale solaire en Vendée est de 150 116 146 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2032}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=150~116~146~€ $

      - Vente du surplus

En revanche, dans ce dimensionnement et avec ce scénario, il n'y a pas de surplus d'énergie donc pas de revente possible.

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Le prix d'achat de l'énergie photovoltaïque (a) par une entreprise telle qu'EDF pour notre type d'installation est de 9 c€/kWh (EDF,2013). Sachant que la production annuelle réelle est p' = 74,872 GWh/an, on obtient ainsi une recette annuelle (R) de :

$ R=a.p' $

A.N. : $ R= 6~738~480~€/an $

De la même manière que précédemment, en considérant que la durée d'exploitation de la centrale solaire est de 20 ans, la recette totale de l'exploitation d'une centrale solaire en Vendée est de 134 769 600 €.

Bilan

Le scénario 1 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'une centrale solaire avec une recette de 150 116 146 €.

3. Seuil de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation de la centrale solaire au cours du temps (en milliers d'euros). Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 60+0,009.t+0,0975.t $
$ F_{1}(t)= 60+0,1065.t $

 

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=\sum_{i=1}^t{(6,057145*1,02^t)}$

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel l'exploitation devient rentable.

Figure 1 : Détermination du seuil de rentabilité à partir des fonctions F1 et F2
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

On constate donc que la centrale solaire deviendrait rentable à partir de t=9,05 années soit environ 9 ans d'exploitation.

 

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

L'installation de panneaux photovoltaïques n'est pas source d'impacts majeurs dans un environnement. Leur installation affecte peu les paysages et ils sont sans danger pour la faune locale. Par ailleurs le démantèlement des installations dans le cas d'installation en champs n'altère pas le milieu, les panneaux étant simplement posés sur le sol.

En revanche leur conception est source d'impacts environnementaux. Des analyses de cycle de vie sont disponibles pour quantifier ces impacts mais n'ayant pas les données pour toutes les technologies (notamment les pelamis et les éoliennes), ces impacts ne seront pas traités.

2. Impacts sociétaux

De manière générale la présence de panneaux photovoltaïques sur les toits des bâtiments est plutôt bien acceptée par la société actuelle donnant une image de production "d'énergie propre".

Cependant, il n'en est pas de même pour les panneaux en champs. En effet, de telles installations peuvent provoquer les ires des agriculteurs qui voient une diminution de surfaces cultivables. De plus, ces différents champs sont moyennement acceptés par les riverains qui y voient une dégradation de leur paysage. Néanmoins, ces controverses restent bien moindres en comparaison avec celles suscitées par l'implantation de parcs éoliens.