Développement durable] les trois voies de l'energie solaire

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  • 1. L’ÉNERGIE SOLAIRELES TROIS VOIES DE L’ÉNERGIE SOLAIRELes trois façons d’utiliser “directement” l’énergie solaire font l’objet de nouveaux développementspour améliorer leurs performances et surtout leur compétitivité économique. La plus ancienne,l’utilisation thermodynamique, connue depuis l’Antiquité, a eu naguère son heure de gloireavec des installations comme, en France, le four d’Odeillo ou la centrale Thémis. L’utilisationthermique, pour le chauffage direct de locaux ou de circuits d’eau, reste une solution attractiveque garanties, subventions et améliorations technologiques contribuent à relancer. La trans-formation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, constitue la voiepotentiellement la plus riche de progrès. Le CEA travaille depuis une dizaine d’années (encadrép. 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 recherchesl’Antiquité, utilise des capteurs paraboliques, a toutefois été réalisé par la société Luz sur ces thèmes. Dans le cadre des facilitéscylindro-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 sontorientables concentrent l’énergie solaire sur paraboliques totalisant une puissance élec- annoncées d’ici deux à trois ans dans plusieursune 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 thermiquedans une gamme de température allant de 250 pointe durant les après-midi d’été. Malgréà 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 ledans 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 CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 disponibilité26 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. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 dener quelques ordres de grandeur, des besoins poids et de fiabilité. Croissance accélérée pourd’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 etrespond 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 pluscarré. Les besoins domestiques liés à un Les années quatre-vingt ont vu l’apparition rapide. Il s’agit dans ce cas de transformerniveau de confort moderne incluant télévi- successive de nombreuses niches de mar- directement le courant continu des modulession, 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 réseauxvillageoise demanderont plusieurs kWh, pylônes, le mobilier urbain et surtout l’élec- électriques basse tension. L’électricité ainsivoire, 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 actuelm2 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 debesoins 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 auxintensités 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 caractèreêtre 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 toitureancienne 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 programmesmonde. 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 CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 5. Les modules solaires photovoltaïques : du silicium cristallin aux couches mincesLes cellules solaires photovoltaïques utilisent actuellement le silicium comme matière pre-mière, comme la plupart des composants de la microélectronique. Après avoir utilisé les rebutsde 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 plaquettespropriété de convertir directement les rayons concentrations en impuretés tolérées vont de de silicium représente 40 % du prix dusolaires 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 detaïque ?). 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 surlargement utilisé pour sa fabrication est le de silicium cristallin obtenus sont découpés 12 V) et les protéger contre les agressions desilicium 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 gainsplus forts rendements de conversion, sa et coûteuse en matériau : le trait de scie fait doivent être recherchés à toutes les étapes : latechnologie 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 solutioncellules sont faites avec du silicium cristal-lin. Le silicium amorphe ne représentequ’environ 10 % du marché, les cellules faitesavec ce matériau ayant des rendements deconversion moitié de ceux des cellules en sili-cium cristallin. La part des autres matériaux(CdTe, CIS, etc.) est encore faible. Les cellules photovoltaïques sont réaliséesdans des plaquettes de silicium très fines(épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surfaceallant 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 lingotsmonocristallins. Un germe lui-même mono- 29cristallin, trempé à la surface d’un bain de sili-cium faiblement surchauffé contenu dans uncreuset en silice, est tiré à vitesse continue.La solidification a lieu et reproduit le motifcristallin du germe. Si les conditions de tiragesont bien contrôlées, l’opération produit unebillette de silicium monocristallin sans défauts.Le procédé permet d’obtenir des cellules detrès bon rendement de conversion (16 à 17 %en production) mais reste relativement cher. Le procédé de fabrication des lingots desilicium multicristallin est basé sur la fusionde silicium dans des creusets en silice. Cetteméthode consiste à refroidir très lentement dusilicium liquide suivant une direction donnéeafin d’obtenir une structure de solidificationorientée uniformément suivant cette direction.Elle donne un lingot aux grains relativementgros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cel-lules avec un bon rendement (14 %). C’est De la pierre de siliceun procédé lent mais de faible coût. au bloc de silicium. CEA/Coulon CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 7. Les verrous technologiques Jusqu’à présent, les volumes de siliciumutilisés par l’industrie photovoltaïque étaientfaibles (3 000 tonnes par an, soit de l’ordrede 10 % de la consommation de silicium dela microélectronique), et le silicium provenaitdes rebuts (têtes et queues de lingots, sili-cium polycristallin) de la microélectronique,qui fournissaient un silicium d’une puretéde quelques ppb, supérieure à celle deman-dée par les cellules photovoltaïques. Maisles prévisions de croissance du photovol-taïque rendent maintenant nécessaire unesource autonome produisant à un faible coûtun silicium de pureté adaptée à ses besoins.Parmi les alternatives possibles à l’utilisa-tion des rejets de la microélectronique, leprocédé à lit fluidisé utilisant comme maté-riau de base le silicium métallurgique semblele plus prometteur. Il permettrait d’élaborerdu silicium de qualité satisfaisante à un coûtaccessible. Le groupe chimique allemand PHOTOWATT INTERNATIONALBayer étudie actuellement l’industrialisation Cellule en silicium multicristallinde 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 (plusgots est lent. L’industrie s’oriente vers des de 100) un suivi selon deux axes. Cetteméthodes 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 decontact 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 sûrdimension (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 systèmespatible avec les applications photovoltaïques. optiques ayant des focales plus courtes afinCe 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 grâceau confinement électromagnétique, sa pro- Les voies du futur :ductivité est multipliée par 10 et l’homogé- les modules en couches mincesnéité du lingot permet d’obtenir des cellulesau rendement de conversion très ciblé etd’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 lacellule silicium est donc divisée par le fac- optique deteur de concentration, qui peut aller jusqu’à concentration300. La cellule peut être réalisée dans dusilicium de très bonne qualité avec les tech-nologies de la microélectronique, ce quiautorise des rendements de conversion plusélevés (supérieurs à 20 %) que ceux des cel-lules utilisées sans concentration (15 %).Le système doit toutefois être placé sur unsupport orientable pour suivre le soleil. Lecoût du système est alors essentiellementdéterminé 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 principede 50) utilisent des optiques cylindriques d’une cellule à concentration. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 de32 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. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 9. dégradation sont encore relativement malcompris dans tous les matériaux couchesminces 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 attachement 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 technologiesde 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 % derecord pour le domaine des couches minces, a tovoltaïques. Photowatt poursuit sa stra- son chiffre d’affaires à la recherche etété atteinte en laboratoire pour une cellule de tégie de croissance sur un marché mon- au développement de la technologie. Sespetite dimension. Pour des modules de 30 × dial en expansion rapide. Passé de 5 MW principaux objectifs pour le court et le30 cm2 , des performances de 12,8 % sont de capacité en 1997 à 18 MW aujour- moyen terme sont d’une part un four ded’ores et déjà obtenues. De plus, des études d’hui, Photowatt International propose coulée continue du silicium dans unfondamentales ont montré que ce matériau a la aussi une gamme élargie de produits creuset froid, qui permet de fabriquerparticularité d’être très stable sous rayonne- avec deux tailles de wafers et cellules des lingots dix fois plus rapidement quement et qu’il a la propriété de s’autorégéné- et une gamme de modules allant de 10 à la technique utilisée aujourd’hui, avecrer. Ce phénomène d’autoguérison est expliqué plus de 100 watts-crête (Wc). Cela a une réduction d’un facteur 2 de la valeurpar la structure chalcopyrite de ce matériau, permis l’élargissement de sa présence ajoutée, d’autre part le développementqui n’est pas totalement ordonnée, et par le géographique : Photowatt est mainte- d’un procédé innovant de fabricationfait 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 deor…) sont présents et que les atomes de cuivre particulièrement en Allemagne), Amé- conversion. D’autres projets pour le plusqui le constituent sont relativement mobiles. rique (grâce notamment à sa maison- long terme portent sur le raffinage duCes 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 enverre et une électrode en molybdène déposéepar pulvérisation cathodique. La jonctionsulfure de cadmium (CdS) de type n/CIS detype p est obtenue par le dépôt d’une couchede 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 lecontact supérieur. Plusieurs techniques dedépôt ont été utilisées pour l’obtention de lacouche CIS (évaporation sous vide, séléni- 33sation des précurseurs métalliques, pulvéri-sation cathodique ou par spray, électrodépo-sition). Les meilleures performances sont Fabrication de cellulesatteintes avec la technique de co-évapora- de silicium multicristallintion des éléments. La surface finale de la cel- à l’usine Photowattlule 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), WurthSolar (Allemagne) et Matsushita (Japon). En Cellules au silicium verre ou la céramique. Ceci permettrait deFrance, il n’y a encore aucun industriel impli- n’utiliser que la quantité de silicium stricte- monocristallin en film mincequé dans cette filière, et dans le domaine de ment nécessaire au bon fonctionnement dela 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. Plusieursplusieurs années avec une réputation inter- conversion suffisant, une solution très attrac- procédés sont en cours d’étude dans plusieursnationale. 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 ladéveloppement en France d’une filière couche quette de silicium monocristalline un film fragilisation du silicium en profondeur demince CIS originale basée sur l’électro- épais de quelques dizaines de microns et de manière à pouvoir ensuite détacher le filmdéposition. le rapporter sur un support à faible coût tels le de surface situé au dessus de cette zone fra- CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 développer34 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 CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 11. Les systèmes photovoltaïquesAu-delà du module qui porte les cellules exposées au soleil, l’exploitation de l’électricitéphotovoltaïque passe par des “systèmes” dont le développement futur nécessite, pour chaquecomposant, 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 surla filière étant la nécessité de stocker l’électricité entre les périodes d’ensoleillement. Le CEAcherche entre autres à modéliser le fonctionnement des systèmes photovoltaïques en intégrantles évolutions des caractéristiques du stockage au fil du temps. L’interface entre l’usager et la ressource Le système photovoltaïque est l’interfaceentre l’usager et la ressource, il “met enforme” 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 alternatifpour une utilisation sur le réseau électrique.L’usager peut alors consommer l’énergiequ’il produit ou la réinjecter dans le réseauélectrique si, par exemple, les conditions derachat par l’exploitant du réseau lui sont favo-rables. L’onduleur peut entraîner une pompedans le cas d’un système de pompage dit “aufil du soleil” : de l’eau est alors refoulée dansun réservoir dimensionné selon les besoins duvillage, pendant la journée, et restituée à lademande. 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 eautrique 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 levia 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 groupelisation dès que nécessaire. Un tel stockage posants constituant le système mais aussi sur électrogène, une pompe depermet, 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- 35giques, 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 moyenneteur 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 depour des applications plus importantes : remplacement de matériel (parc de stockageafin d’éviter la mise en place d’un stockage par exemple) bouleverse la ventilation destrop imposant, et donc coûteux, un géné- coûts dits de “cycle de vie” : le parc batterierateur 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 %, lac’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 coûtsrologiques sont favorables, l’association des systèmes tant en termes d’augmentationde plusieurs sources renouvelables (photo- des performances et du rendement de conver-voltaïque, éolienne ou micro-hydraulique) sion des cellules (plus de puissance pour unest même envisageable. prix constant), qu’en termes de diminution des CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 plus36 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 CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
  • 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 électriquepour assurer une fourniture d’énergie quasipermanente quelles que soient les séquencesd’ensoleillement. Suivant les applications,cette fourniture sera assurée par exemplependant deux à trois jours pour certains petitssystèmes 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 appelà des batteries de technologie différenteafin de garantir le service rendu. Parmi cestechnologies, la batterie au plomb, bien queconnue depuis plus de cent ans, offre actuel-lement, et pour de longues années encore,la meilleure réponse en termes de prix etde durée de vie. Certains sites où lescontraintes d’exploitation et d’environne-ment climatique sont particulièrementsévères peuvent être équipés de batteriesau nickel-cadmium mais leur coût prohi-bitif ne permet pas la généralisation de leur CEA/GENECutilisation. 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 Genecégalement 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 destains 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 batteriesgénérateur associé à un stockage conven- geable au coût total d’exploitation par ses de retour de terrain, sont essentiellement lationnel. Dans ce cas le stockage est assuré remplacements successifs durant la durée de sulfatation dure, la décohésion de la matièrepar 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- 37teurs photovoltaïques. Cette forme de stoc- leur durée de vie peut varier entre 2 et 15 ans. vaux, le laboratoire dispose de moyens enkage 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 etmettrait 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 desélectrique 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 suivantdémarrage pour les installations d’une puis- recherche au niveau des industriels porte sur son propre état, son propre comportement etsance 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 contribueraseront équipées de batteries à plaques tubu- tovoltaïques. fortement à l’amélioration du service rendu etlaires 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 batteries1,5 à 2 fois plus élevé. Ce type de batterieéquipe les installations de plusieurs cen- Un deuxième axe de travail concerne Pascal Boulanger et Daniel Desmettretaines de watts à plusieurs kilowatts crête l’amélioration des systèmes de gestion de la Genecet toutes les applications professionnelles batterie ; il s’agit de préserver celle-ci en la Direction de la recherche technologiquepour des raisons de fiabilité et de sécurité faisant travailler dans les domaines d’état de CEA/Cadarache CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001