L’énergie photovoltaïque en Allemagne

Introduction

L’Allemagne se positionne aujourd’hui à l’avant-garde du développement des énergies renouvelables et bénéficie d’une réputation de leader dans la lutte contre le changement climatique. Pourtant, sixième émetteur au monde de gaz à effet de serre, le pays remplace actuellement ses centrales nucléaires par des centrales à charbon.

Conséquences de la crise nucléaire au Japon (Fukushima) :

- moratoire sur l’allongement de la durée de vie des centrales nucléaires allemandes

- arrêt temporaire des sept plus anciennes centrales du pays

En quoi l’énergie photovoltaïque constitue-t-elle le futur non nucléaire de l’Allemagne ?

I La situation énergétique de l’Allemagne : état des lieux

• Mix énergétique de l’Allemagne

Il y a deux types d’énergie :

• Energies renouvelables

Les énergies renouvelables sont des formes d’énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l’échelle humaine (soleil- énergie solaire, vent-énergie éolienne, vagues-énergie houlomotrice, courants sous-marins-énergie hydrolienne, la chaleur interne de la Terre- énergie géothermique).

• Energies fossiles

L’énergie fossile désigne l’énergie que l’on produit à partir de roches issues de la fossilisation des êtres vivants : pétrole, gaz naturel et houille. Elles sont présentes en quantité limitée et non renouvelable, leur combustion entraîne des gaz à effet de serre. Le nucléaire est une énergie fossile car les centrales énergétiques nucléaires fonctionnent sur le principe de la fission nucléaire et utilisent l’uranium comme combustible.

Si l’uranium est un élément relativement abondant sur la planète (plus que l’or), sa faible concentration le rend économiquement difficile à exploiter. Au coût de 130 dollars le kilogramme, les réserves connues sont estimées en 2008 à environ 5,5 millions de tonnes par l’Agence pour l’énergie nucléaire (AEN). Dans les conditions actuelles de fonctionnement, ce stock d’uranium permettrait d’alimenter les centrales nucléaires du monde entier pendant un siècle.



En 2008

En 2004, au cœur de la Bavière, une infrastructure solaire de 12 hectares est devenue le plus grand parc à énergie solaire au monde. Avec deux autres parcs avoisinants, ces installations génèrent assez d’énergie pour alimenter plus de 9 000 foyers allemands. En 2005, l’Allemagne s’est convertie en leader mondial des installations solaires, dépassant le Japon avec 57 % du marché mondial. Des estimations récentes chiffraient à 9 000 MW la capacité de production solaire installée en Allemagne, dont 1 500 MW ont été déployés récemment.

En termes de production éolienne, l’Europe est en tête dans le monde et l’Allemagne est première sur le continent avec une capacité de production de 27 214 MW 2010. 6,2 % des besoins en électricité du pays ont été couvert grâce à l’éolien et 17% grâce à des énergies renouvelables en 2010 (d’après le Global Wind Energy Council).

Un peu moins du quart de la production d’électricité de l’Allemagne est assuré à l’aide de 17 réacteurs nucléaires. Le programme de sortie du nucléaire décidé par le gouvernement Schröder et confirmé par le gouvernement actuel devrait s’étaler entre 2008 (arrêt du réacteur Biblis 1) et 2022 (arrêt du réacteur de Neckarwestheim-2). La relève sera fournie par des centrales thermiques à flamme brûlant du charbon. En effet, entre 2009 et 2017, il est prévu de mettre en service 30 centrales à charbon.

• Volonté politique et pression de l’opinion publique

En 2008, le Ministère fédéral de l’environnement (BMU) a financé 170 nouveaux projets de recherche dans le domaine des énergies renouvelables, pour un montant total de 150 millions d’euros. Les secteurs ayant bénéficié des financements les plus élevés sont le photovoltaïque et l’énergie éolienne, avec 40 millions d’euros chacun.

Les catastrophes de Tchernobyl (plus grande catastrophe du nucléaire civil, qui a eu lieu dans une centrale ukrainienne le 29 avril 1986) et de Fukushima ont entraîné un refroidissement de l’opinion publique sur le nucléaire civil qui juge que l’atome est trop dangereux. En effet, dès le début des années 2000, le secteur mondial de l’énergie nucléaire a connu une stagnation suite à la tragédie de Tchernobyl, qui avait eu une grande résonnance. Cette catastrophe s’est non seulement répercutée sur l’opinion publique russe, mais aussi sur les sociétés civiles du monde entier. Sous la pression des populations effrayées d’Amérique du nord et d’Europe de l’ouest, la construction de nouvelles centrales fut gelée. L’Allemagne a notamment pris la décision de renoncer totalement au nucléaire et de passer progressivement à l’énergie thermique et alternative.

Expliquer grâce à des sondages / interviews ce rejet du nucléaire par la population locale (sécurité, stabilité, maîtrise)

Explication culturelle de ce rejet

• Alternatives énergétiques de compensation de l’arrêt du nucléaire

Pour compenser cet arrêt progressif du nucléaire, deux solutions complémentaires s’offrent à l’Allemagne :

• Economiser l’énergie

Il est par exemple, possible de consommer moins d’énergie en construisant des bâtiments « verts » en agissant à la fois au niveau de la conception du bâtiment, de ses installations (eau, chauffage notamment), ou du type de matériaux utilisés.

On peut aussi envisager une utilisation optimale de l’énergie en travaillant sur la sobriété et l’efficacité énergétique (augmenter les services fondamentaux lorsqu’ils ne sont pas assurés et faire décroître les besoins superflus).

Ex : arrêt de l’éclairage nocturne des zones industrielles ou des vitrines), limiter la vitesse sur l’autoroute, interdire les panneaux publicitaires numériques, isolation des bâtiments.

Cependant, ces efforts, difficiles à réaliser ne sont pas suffisants pour compenser cet arrêt du nucléaire.

• Développer des énergies propres

Il apparaît ici la nécessité de développer les énergies renouvelables pour compenser le nucléaire avec des énergies vertes.

II L’énergie photovoltaïque peut-elle remplacer l’énergie nucléaire ?

Est-ce qu’on peut développer suffisamment le photovoltaïque pour qu’il compense le besoin couvert par le nucléaire ? Est-ce possible ? Est-ce vraiment vert ?

• Les panneaux solaires

Un panneau solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie de l’énergie du rayonnement solaire pour la convertir en une forme d’énergie (électrique ou thermique) utilisable par l’homme.

Il existe deux types de panneaux solaires :

• Panneaux solaires photovoltaïques
  

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre-elles en série et en parallèle qui produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ensuite l’utilisation de ce courant continu diffère d’une installation à l’autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d’utilisation, celui où l’installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d’électricité (onduleurs pour transformer le courant continu en courant alternatif) et celui où elle ne l’est pas (calculatrices solaires et autres gadgets, conçus pour fonctionner en présence de lumière naturelle ou artificielle).

Ils peuvent s’installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers. Dans ce dernier cas la production électrique augmente d’environ 30 % par rapport à une installation fixe.

• Les capteurs solaires (panneaux solaires thermiques)

Dans les capteurs thermiques « à eau », l’eau ou plus souvent un liquide caloporteur, circule dans des tubes munis d’ailettes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, l’ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d’obtenir un effet de serre. Les ailettes, qui forment ce qu’on appelle l’absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l’eau chaude sanitaire dans un chauffe eau solaire individuel. C’est actuellement la solution la plus rentable en termes d’énergie solaire. Ils ont pour objectif de produire de l’eau chaude sanitaire et de l’eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d’économiser de l’ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs (sachant qu’un foyer consomme 2652kwh).

Dans les capteurs thermiques « à air », de l’air circule et s’échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d’effet de serre. L’air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des productions).

• Avantages de cette énergie propre

Prévisions de gain de productivité d’ici quelques années ? è où en est la recherche sur cette technologie ?

Production d’électricité sans émission de CO2
L’énergie solaire figure en tête des énergies renouvelables. La lumière du soleil est directement transformée en électricité. Comparé aux systèmes conventionnels de production d’électricité mixte, chaque kilowattheure produit dégage environ 0,6 kg d’émissions de CO2 de moins dans l’atmosphère.

Indépendance énergétique
L’approvisionnement énergétique de nombreux pays repose actuellement en grande partie sur l’importation de l’énergie. Les parcs solaires permettent d’amener de la valeur ajoutée au niveau local et de s’écarter des régions du monde en pleine crise.

Une source d’énergie durable
Les ressources disponibles en énergies fossiles ne permettent de couvrir nos besoins que pendant quelques décennies. Dans le contexte actuel du changement climatique, une conversion rapide vers des sources d’énergie sans émission de CO2 est une nécessité. Les parcs solaires contribuent à cette reconversion inévitable.

Un moteur de l’économie

Création d’emplois non délocalisables. Durée de vie finie des panneaux et donc nécessité de les renouveler et de les recycler.

De plus, le rendement des panneaux solaires, aujourd’hui assez faible (seulement 10% du rayonnement solaire est transformée), va augmenter dans les prochaines années et leur coût de production va diminuer. Une économie d’échelle va aussi jouer son rôle : une plus grande production va entraîner un plus faible coût.

• Limites de l’énergie photovoltaïque

L’énergie photovoltaïque ne comporte cependant pas que des avantages : de nombreuses études montrent qu’elle tiendra peut être une place importante dans notre mix énergétique dans quelles années, mais pour l’heure ce jour semble encore loin. En Allemagne, la production d’énergie solaire représente moins de 1 % de la production globale, un chiffre supérieur à celui de la production mondiale mais qui ne peut être considéré comme significatif. Les inconvénients actuels du photovoltaïque sont nombreux et le resteront au cours du développement de cette énergie. Du point de vue technologique, de grands progrès restent à faire pour rendre l’énergie photovoltaïque compétitive. Les politiques devront eux aussi parvenir à des accords qui ne seront pas nécessairement économiquement bénéfiques.

• Il existe un certain nombre d’inconvénients à produire de l’énergie photovoltaïque que les progrès technologiques ne parviendront pas à supprimer :

La quantité d’énergie produite est extrêmement variable et dépend de nombreux paramètres. La quantité d’énergie lumineuse reçue par un panneau solaire est fonction de son lieu d’implantation dans le monde : un panneau solaire placé dans un désert africain produira une quantité d’énergie bien supérieure à celui placé dans une forêt amazonienne. Cette production est aussi fonction de l’heure de la journée, avec une production nulle pendant la nuit en sachant que la demande en énergie est maximale la nuit.

Le photovoltaïque ne peut être la seule source d’énergie. Du fait de sa production variable et en sachant que l’on ne peut stocker de grandes quantités d’énergie, l’énergie solaire ne peut être la seule source d’énergie d’un récepteur (nécessité d’un apport d’énergies différentes). De ce fait, l’énergie photovoltaïque restera longtemps une source d’énergie chère puisqu’elle nécessitera l’installation d’un raccord au secteur ou à une toute autre source d’énergie.

L’installation des panneaux solaires doit se faire en accord avec les contraintes architecturales. En effet, l’ombre portée par un édifice sur le panneau solaire pourra modifier la quantité d’énergie produite. Un ombrage sur les capteurs peut avoir des origines diverses : arbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud que le système photovoltaïque. Selon la taille de l’obstacle et surtout sa hauteur, l’impact de l’ombrage, qui se traduit par une perte de production, est plus ou moins important, c’est pourquoi il vaut mieux bien le déterminer avant d’investir.
Il faut observer comment évolue l’ombrage au long de la journée et installer ses modules tels qu’ils soient le moins gênés par les obstacles infligés à la lumière solaire.

• Les progrès technologiques parviendrons peut être à résoudre ces problèmes, mais pour l’heure :

L’énergie photovoltaïque est coûteuse et le restera un certain temps puisque son exploitation relève de la haute technologie et que les rendements des installations ne peuvent pour l’instant rivaliser avec les rendements d’installations nucléaires ou fossiles. Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 20 % (pour les meilleurs). L’énergie photovoltaïque convient donc mieux pour des projets à faibles besoins, comme une maison unifamiliale, par exemple.

Investir dans l’énergie photovoltaïque est coûteux et risqué. Le développement intense de l’électronique permet aux panneaux solaires de doubler leurs rendements en dix ans. Aussi les investisseurs (l’Etat, les particuliers) ont une attitude attentiste et préfèrent attendre un stade plus avancé de l’évolution de l’énergie photovoltaïque. Le marché du photovoltaïque est donc très limité pour le moment même si il est actuellement en développement.

Le bilan énergétique d’une installation photovoltaïque est négatif pendant au moins cinq ans.

(Source : outilssolaires.com)

On remarque que la production d’énergie est linéaire sur ce graphique. Pourtant elle décroit au fur et à mesure du temps du fait de l’usure des panneaux (dépôt de couches de pollution sur les surfaces exposées ; moins bon rendement du matériau semi conducteur).

L’énergie photovoltaïque n’est pas rentable et sa subvention reste sujette aux changements (politiques, économiques, …). Sans les aides gouvernementales, l’installation à grande échelle de panneaux solaires ne serait pas envisageable. L’installation chez un particulier peut se faire selon deux principes : soit celui si décide de revendre sa production d’électricité à la société qui gère le réseau public et dans ce cas seule la contribution de l’Etat lui permet de rentabiliser son installation. Soit le particulier décide d’utiliser à perte l’énergie qu’il produit et il lui faut investir dans des batteries ou autres accumulateurs, couteux et polluants (voir point suivant). D’un point de vue économique, l’augmentation du prix des matières premières joue elle aussi un rôle néfaste sur la rentabilité de cette énergie. En effet, la production de silicium nécessaire à la fabrication des panneaux solaires n’arrive pas à suivre la demande aussi son prix augmente il très fortement. De plus, le remplacement de l’énergie nucléaire peut devenir inévitable dans les prochaines années devant la pression de l’opinion publique et des médias; aussi se tournera-t-on vers des énergies compétitives au moment présent et il est possible que dans ce cas l’énergie solaire redevienne une énergie utilisée de façon marginale.

L’énergie photovoltaïque est polluante ! Certaine études prétendent que l’énergie nécessaire à la mise en service d’une installation photovoltaïque n’est pas rentabilisée avant vingt ans. Le processus de fabrication des panneaux solaires, quand à lui, nécessite l’utilisation d’un gaz 17 000 fois plus nocif pour le réchauffement de la planète que le dioxyde de carbone : le trifluorure d’azote ou NF3. De plus, la durée de vie de ce gaz dans l’atmosphère est 5 fois plus élevée, de 550 à 740 années. Selon des études scientifiques, la concentration de NF3 dans l’atmosphère augmente de 11 % par an. L’émission de ce gaz n’est pas régie par le protocole de Kyoto pour des raisons qui semblent bien étranges. Du fait de la durée de vie limitée des panneaux solaires, il se pose la question de leur recyclage qui est actuellement polluant. La production et le recyclage des batteries restent elles aussi problématiques. Les seules batteries pouvant être utilisées du fait de leur caractéristique de décharge sont celle constituées de plomb, l’un des métaux reconnus parmi les plus toxiques. Il est émis dans l’environnement durant le raffinage du minerai, la fabrication des batteries et leur recyclage. Les usines de recyclage du plomb des batteries, très polluantes ont souvent quitté les pays riches pour délocaliser leur activité dans des pays où la main d’œuvre est moins chère et les réglementations environnementales sont moins contraignantes.

		Irradiation / an	Energie annuelle kWh / kWc		Temps de retour énergie en années		Facteur de gain produit/consommé
	Ville	kWh/m2	Toit	Façade	Toit	Façade	Toit	Façade
1	Paris	1 057	872	595	2,9	4,2	9,4	6,1
1	Lyon	1204	984	632	2,6	4,0	10,7	6,5
1	Marseille	1540	1317	878	1,9	2,9	14,6	9,4
2	Barcelone	1446	1193	759	2,1	3,3	13,2	8,0
2	Madrid	1660	1394	884	1,8	2,9	15,6	9,5
2	Séville	1754	1460	895	1,7	2,8	16,3	9,6
2	Lisbonne	1682	1388	858	1,8	2,9	15,5	9,2
3	Milan	1251	1032	676	2,4	3,7	11,3	7,0
3	Rome	1552	1315	861	1,9	2,9	14,6	9,2
3	Athènes	1563	1278	774	2,0	3,3	14,2	8,2
4	Berne	1117	922	620	2,7	4,1	9,9	6,4
4	Vienne	1108	906	598	2,8	4,2	9,8	6,1
4	Budapest	1198	988	656	2,6	3,9	10,7	6,8
5	Amsterdam	1045	886	611	2,9	4,1	9,5	6,3
5	Bruxelles	946	788	539	3,2	4,7	8,4	5,4
5	Luxembourg	1035	862	582	2,9	4,3	9,2	5,9
5	Berlin	999	839	584	3,0	4,3	9,0	5,9
5	Cologne	972	809	561	3,1	4,5	8,6	5,7
5	Munich	1143	960	660	2,6	3,8	10,4	6,8
5	Prague	1000	818	548	3,1	4,6	8,7	5,5
6	Londres	955	788	544	3,2	4,6	8,4	5,5
6	Edimbourg	890	754	547	3,3	4,6	8,0	5,5
6	Dublin	948	811	583	3,1	4,3	8,6	5,9
7	Copenhague	985	850	613	3,0	4,1	9,1	6,3
7	Oslo	967	870	674	2,9	3,7	9,3	7,0
7	Stockholm	980	860	639	2,9	3,9	9,2	6,6
7	Helsinki	956	825	602	3,1	4,2	8,8	6,2

Facteur de gain : Rapport entre l’énergie produite pendant la durée d’utilisation d’une installation et l’énergie consommée par cette installation pendant son cycle de vie. En anglais : Energy Return Factor (ERF)

Sources : eupvplatform
Conclusion
Le photovoltaïque ne répond pas totalement aux besoins énergétiques de l’Allemagne et ne peut aujourd’hui remplacer le nucléaire dans sa totalité. Les alternatives possibles sont la recherche dans le secteur des énergies renouvelables et la combinaison de plusieurs énergies renouvelables (biomasse, éolien…). Il est alors important d’analyser le type d’énergie le mieux adapté à la région en fonction du climat…

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