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L’avenir du solaire photovoltaïque

Philippe Malbranche

CEA-INES

Tél : 33 4 79 44 45 46

Mél : philippe.malbranche @ cea.fr

www.ines-solaire.com

Janvier 2011 – GENELEC, Ivry 2

Situé sur une technopole, à destination :

Un écosystème pour l’innovation sur le solaire

Des chercheurs et enseignants

Des start-up

Des PME

Des industriels

En montant des projets collaboratifs

En déposant des brevets

En développant des prototypes, des procédés, des

équipements à échelle industrielle, pour des transferts de

technologies plus rapides

Facilitant l’innovation :


Institut National de l’Energie Solaire

270 chercheurs

15000 m2

40 brevets/an

100 partenaires industriels

30 M€ de contrats/an


La situation actuelle

Quelques exemples d’installations

Le marché

Les technologies


Applications souvent « non

rentables » dans les

conditions économiques

usuelles

Des applications multiples, avec des critères variés

Spatial Grand

public

Appli.

Pro.

Electrif.

rurale

Couplage réseau

Production Architecture

décentralisée

Rapport

puissance/

poids

Design

Prix unitaire

Investisseme

nt évité, Prix

/puissance

Prix / service

rendu

Prix / kWh Esthétique,

Prix / m²

Applications économiques

pour le besoin prévu,


En Allemagne, 6 MW


En Espagne, 11 MW


Aux USA, 14 MW, 2008


4,3 MW à Vinon sur Verdon, 2009


Olmedilla, 2008, 60 MW, 85 GWh, cSi fixes

Modules : Siliken

Onduleurs : Ingeteam

Systémier : Nobesolhttp://www.pvresources.com/en/top50pv.php


Sarnia, 2010, 80 MW, 120 GWh, CdTe fixes

Modules : First Solar

Systémier : Enbridge


Des lotissements, au Japon, dès 2005

Janvier 2011 – GENELEC, Ivry 13Tokyo University of Agriculture and Technology

La ville d’OTA


Des lotissements, en Allemagne

Janvier 2011 – GENELEC, Ivry 15Des lotissements, aux USA, 2007


Les perspectives de progrès …

Lotissement Les Hauts de Feuilly, MCP

Saint Priest, en cours de construction


Exemples sur l’enveloppe du bâtiment


Autres exemples en Rhône Alpes


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500

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Un marché mondial en très forte croissance

Environ 6000 MW en 2009, pour un CA de près de 25 G€

La croissance s ’accélère :

15% par an autrefois

35% par an sur les 6 dernières années

50% par an sur les 2 dernières

15%/an

>35%/an

>50%/an

Estimation du marché 2010 : environ 12 à 16 GW


Les technologies, en part relative, données 2009

Source & graphics: EPIA


Répartition de l’offre et de la demande

32

19 17

8

5 5

20,4

1610

56

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2008 2009 2010

RoW

Chine

Japan

USA

Europe71 76 81

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2008 2009 2010

Production Demande

Des marchés européens, des producteurs asiatiques

Données 2010


Les douze premiers producteurs mondiaux

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

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1 200,00

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

Q-CELLS

FIRST SOLAR

SUNTECH

SHARP

JA SOLAR

KYOCERA

YINGLI

MOTECH

SUNPOWER

SANYO

TRINA

Gintech


Les prix actuels : - 5% par an (moyenne sur 3 décennies)

• Cellules : 1 à 1,2 €/Wc

• Modules : 1,4 à 2,5 €/Wc,

• Systèmes : 2 à 8 €/Wc

0

5

10

15

20

1980 1990 2000 2010 2020 2030

Système PV

Module

Objectifs EPIA

et EUREC

€/Wc


Source: European Commission, DG Joint Research Centre

Les prix de revient de l’électricité solaire :

Hypothèses d’un petit système

individuel : < 5 kWc

• Coût du système: 4 €/Wc

• Durée d’amortissement : 20

ans

• Taux d’intérêt: 4%

• Inflation: 2%

• Coût annuel de maintenance

= 1% de l’investissement.

• Inclinaison optimisée

• Variable selon l’ensoleillement, de 0,16 à 0,45€/kWh


Une diffusion progressive, par niches successives

Le photovoltaïque a d’abord été compétitif dans les sites isolés

Sur les réseaux, il vient d’entrer dans la zone de compétitivité avec

l’électricité de pointe :

Cas des îles et des pays à forte pointe diurne et estivale

Le Japon depuis 2005 : poursuite du marché malgré l’arrêt des subventions

L’Italie, la Californie


La multiplication des acteurs français de la filière (liste non exhaustive)

Plusieurs acteurs

de rang mondial

Silicium Lingots Plaquettes Cellules Modules Systèmes Installation

Ferropem

ECM

FEE

Solarezo

Emix

Tenesol

Photowatt

Solaire Direct

Sillia Energie

Vesuvius Solems

Cyberstar

PV Alliance

First SolarEDF

Schneider

Sun Land 21

Adixen

Sunnco

Carbone Lorraine

Apex BP Solar

Total GDF Suez Soprema

Clipsol

Air Liquide : 50% St Gobain : 30%

Arkema : 40%

Urbasolar

Fonroche

Auversun

MPO

8500 emplois, 150 entreprises, 5000 installateurs :

Solar Force


Bilan actuel :• Ressources bien réparties géographiquement

• Énergie décentralisée

• Conception modulaire

• Technologie fiable

• Prix de revient constant sur au moins 30 ans

• Impact environnemental réduit, produit 5 à 15 fois l’énergie nécessaire à sa fabrication

• Implantation rapide : plusieurs GW par an et par pays

• Baisse des coûts, depuis 3 décennies, pour > 2 décennies

Mais

• Énergie intermittente

• Énergie peu adaptée aux fortes intensités énergétiques

• Coût du kWh encore élevé, mais < prix de vente sur 90% marché européen d’ici 2020


Les perspectives


Baisse des coûts et facteur d’expérience

1. La baisse des quantités de matériaux utilisés, et de leur prix

2. L’augmentation des performances

3. Des procédés et des équipements plus productifs

expérience &

effets d’échelle

innovationR&D


1. La baisse des quantités de matériaux nécessaires

Filière silicium

20 tonnes de silicium par MW en 1990

10 tonnes de silicium par MW en 2006

7-8 tonnes de silicium par MW en 2009

Vers les 3 à 5 tonnes de silicium par MW :

Des cellules toujours plus fines

Des plaquettes obtenues sans sciage :

Ruban

Moulage direct

Filière couches minces

100kg à 1 tonne de matériau photovoltaïque par MW


Concentration

Silicium

Couches minces

Organique

Le silicium apporte souvent le meilleur coût de revient en €/kWh

Rendements : + 4% tous les dix ans

2. L’augmentation des performances : le passé


2. L’augmentation des performances : le futur

Une meilleure absorption de la lumière

Une meilleure utilisation du spectre solaire :

Hétérojonctions

Multijonctions

Des nouveaux concepts via les

nanotechnologies

Oxyde Transparent Conducteur (TCO)

Si amorphe a-Si:H (n) ou (i/n)

Si cristallin c-Si (n)

Si amorphe a-Si:H (p) ou (i/p)

Oxyde Transparent Conducteur (TCO)

500 1000 1500 2000 25000

200

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800

1000

1200

1400

1600

Le

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W/m

2µ

m]

AM15

GaInP

GaInAs

Ge

Wellenlänge [nm]


18.5 %

Evolution du rendement des cellules PV hétérojonction

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Février

Mars

Avril

Mai

Juin

Juillet

2009 2010

20.5%

37 713 77,7 20,5CZ, 300µm

Evolution du rendement des cellules PV hétérojonction

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Juin

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Evolution of efficiency of heterojunction PV cells

Fraunhofer certification

RECORD, Juillet 2010:

Isc (mA/cm²) Voc (mV) FF(%) Rend (%)

Exemple 1 : développement de la filière Si hétérojonction sur INES


Intégration de nanofils de silicium dans une

cellule photovoltaïque

Collecteurs

électriques

Nanofils

Tranches

de silicium

Exemple 2 : 3ème génération, via les nanotechnologies

1° Résultat: 2% de rendement

Performances 15 fois supérieures à l’état de l’art(η=0.1% démontré dans Th. Stelzner et al., Nanotechnology 2008, 19, 295203)

(0,15% pour GENERAL ELECTRIC)

Exploitation de la totalité du

spectre solaire


Banc d’évaporation

Exemple 3 : filière organique

Résultat au meilleur niveau mondial

Rendement = 5%Durée vie 1000 heures


Dépôt industriel en 5 minutes

rendement de

3-5 %

Dépôts en Labo

Reproduction

des conditions

Industrielles,

en 5 min

5%

Procédé modifié

3 phases en

5 minutes

15%

Procédé

3 phases

En 30 minutes

>19%

3. Vers des procédés et équipements plus productifs

Des vitesses de dépôts plus rapide sans dégrader

les performances du matériau


3. Vers des procédés et équipements plus productifs

Des procédés continus, avec des temps de cycle courts :

ex : 2,5 heures du verre au module chez First Solar

Vers des usines avec des capacités de l’ordre du GW


Des dimensions plus grandes :

- Actuellement : 2 à 2,5 m

- Prochainement > 3 m


Autres évolutions technologiques, sur les produits

l’apparition de produits innovants,

« multifonctionnels » :

Colorisation,

Transparence variable

Fenêtre « permanente », à LED

Des produits préfabriqués pour

installation facilitée


Autres évolutions technologiques, sur les produits

l’apparition de produits flexibles

l’apparition de formes nouvelles


Les systèmes et paysages du futur

Une optimisation liée à la synergie :

Bâtiments

Transports

Réseaux électriques

Ronnie Belmans - Eurec agency - June 17 2009 42


Les scénarios de croissance de l’EPIA

3 scénarios pour 3 objectifs européens : 4%, 6% ou

12% en 2020, soit 100 à 300 GW


Le potentiel d’intégration sur le réseau français


Conclusions : Evolutions du marché et des technologies

Toutes les filières vont continuer à croître en volume

La part relative du Silicium cristallin va se réduire, celle des couches minces et des nouveaux concepts va augmenter

Des filières industrielles sont possibles en Europe

Le marché mondial décollera vraiment à partir de 2020. Le solaire représentera rapidement > 10% de la consommation

L’optimisation économique nécessite une approche globale : efficacité énergétique, gestion de la demande, production solaire

0%

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2010 2015 2020 2025 2030

New concepts

Thin Films

C Si

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2007 2008 2009 2010 2011 2012

Thin Films

C Si


Merci pour votre attention

Il doit y avoir une source d’énergie là-dessous ...

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