LE Silicium amorphe hydrogéné Comme son nom l'indique, le silicium amorphe hydrogéné (a-Si : H) est composé d'atomes de silicium qui sont en configuration désordonnée, loin de tous les réseaux de Bravais. Le silicium amorphe hydrogéné a été fabriqué en 1969, où il a connu un regain d'intérêt par rapport au silicium amorphe non hydrogéné (R. C. Chittick, J. H. Alexander et H. F. Sterling Journal of Electrochemical Society, vol. 116, p. 77, 1969). De plus, il a été démontré qu'introduire de l'hydrogène dans le matériau permet d'y intégrer efficacement des atomes dopants, indispensables aux applications photovoltaïques (W. Spear et P. Lecomber Solid State Communications, vol. 17, p. 1193, 1975). Le procédé de fabrication consiste en l'introduction des gaz d'hydrogène dans la chambre pour la synthèse. L'hydrogène est lié pour donner le silane (SiH4). Le dopage au bore peut être effectué avec du tri-méthylbore (TMB, B) (CH3 3) ou du diborane (B2H6) et le dopage au phosphore avec de la phosphine (PH3). On peut aussi utiliser le procédé Hot Wire Chemical Vapour Deposition (HWCVD) pour déposer des films minces de silicium amorphe hydrogéné. Avantages du photovoltaïque – L'énergie émanant du soleil est gratuite. – Les systèmes d'énergie renouvelables peuvent être autonomes. – Le soleil fournit une alimentation quasi-illimitée en énergie solaire. – Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu que les entretiens ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé. Inconvénients du photovoltaïque – Déphasage : on a besoin de plus de chauffage la nuit et en hiver, mais ce sont les périodes les moins ensoleillées. – Le temps est imprévisible. – La cellule PV fragile en cas de grêle. – Nettoyage en cas de poussière ou ensablement «à prévoir l'accessibilité». – Batterie longévité limitée. – La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d'un coût élevé. – Le rendement réel de conversion d'un module est faible. – Stockage de l'énergie électrique en batterie parfois insuffisant en hiver lors des nuits très longues et peu de soleil le jour. – Occupation d'une superficie importante pour les installations. A titre d'exemple, l'implantation en France d'une centrale solaire de 40 MW nécessite une superficie de 75 ha. La productivité d'un seul panneau solaire dans le Sud algérien est environ deux fois supérieure à celui implanté en Europe. D'où la superficie pour une centrale de même capacité serait de 37,5 ha. On peut mentionner la complémentarité entre le solaire et l'éolien par le couplage de ces deux énergies intermittentes. Le solaire produit l'électricité le jour, pas la nuit ; et l'éolien produit l'électricité un peu plus la nuit que le jour. Le solaire produit surtout en été et très peu en hiver : l'éolien produit nettement plus en hiver qu'en été. Le solaire peut contribuer à atténuer le problème de l'absence quasi-totale du vent lors des épisodes anticycloniques, particulièrement en été. Perspective de la recherche dans le solaire – Les techniques industrielles n'ont pas atteint leur maturité scientifique et de nombreuses pistes de recherche sont encore à développer ; il s'agit tout d'abord de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite et surtout obtenir des progrès technico-économiques dans la cellule PV. A l'état actuel, les recherches sont en cours pour définir le meilleur matériau sur l'aspect rentabilité. Les quelques axes de recherche en cours à retenir sont : – La valorisation de toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infrarouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes dont la transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité). Des panneaux solaires transformant les infrarouges en électricité ont été mis au point par le Boston Collège de Chestnut Hill (Massachusetts). Une production électrique devient théoriquement possible à partir de toute source de chaleur, même de nuit. – Des concentrateurs (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre via des miroirs et des lentilles incorporés dans le panneau ; ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qu'est la cellule photovoltaïque. A la fin 2008, Sunrgi a annoncé disposer à l'échelle du laboratoire d'un système de concentration pouvant atteindre 1600 fois. Ces résultats permettent de diminuer le nombre de panneaux consacrés à la production de l'électricité, ainsi que le coût. De plus, ces nouveaux matériaux dopants (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important dû à la concentration du flux solaire. – Des recherches sont en cours sur la purification du silicium à l'échelle semi-industrielle à moindre coût. L'optimisation serait sur les proportions des gaz plasmagènes (Ar + H2 + O2) et différents paramètres de brassage et de pression afin de réduire la durée du traitement de purification et augmenter la volatilisation des différents éléments. – Les résultats des études de vieillissement des cellules varient en fonction de la zone d'exposition solaire qui se traduit par la durée de vie des cellules photovoltaïques. – L'application de semi-conducteur sous forme de «spray» sur un support. Cela évitera les pertes de semi-conducteur lors de la découpe dans la masse du lingot. Cette technologie permettra dans l'avenir de réduire significativement les coûts de production des cellules PV. – Des recherches sur la réduction de la ségrégation chimique sur toute la hauteur du lingot malgré le brassage électromagnétique. – L'optimisation sur l'état cristallographique, tels les défauts de maclage et les dislocations, a fait l'objet de plusieurs publications. – Les joints de grains peuvent être considérés comme des interfaces séparant deux cristaux de même nature dont l'orientation est différente. Ces joints contiennent beaucoup de liaisons pendantes et facilitent la ségrégation des impuretés, ils ont généralement une activité électrique recombinante. – Les défauts structuraux sont les macles et les dislocations qui entrent en interaction avec les impuretés. Les joints de grains peuvent être considérés comme des interfaces séparant deux cristaux de même nature dont l'orientation est différente, ils facilitent la ségrégation des impuretés, ils ont généralement une activité électrique recombinante. Ces défauts ont fait l'objet de nombreuses études. Conclusion Actuellement, le silicium polycristallin est le plus utilisé pour des raisons économiques, malgré un rendement de moins de 18% et correspond à 40% du prix total de l'emplacement des cellules photovoltaïques. L'Algérie aurait trois choix : soit acheter la matière première sous forme de lingots et ne s'occuper que de l'industrie en aval (découpe, dopage, reflet, équiper les panneaux PV et installation), soit acheter directement les cellules et concevoir uniquement les panneaux PV, soit entreprendre l'industrie photovoltaïque en amont et en aval. Dans le dernier cas où l'Algérie s'engagerait dans la production du silicium poly-cristallin PV, elle doit assurer un marché africain en plus du marché intérieur dû à l'investissement élevé avec les risques d'un changement de technologie plus rentable dans les prochaines années telle la technique de fabrication des cellules par spray ou bien le développement des concentrateurs permettant de diminuer le nombre de panneaux solaires. Actuellement, les panneaux photovoltaïques prendraient la majeure partie de la toiture ou de toute une façade d'une maison et ces panneaux doivent être orientés vers le sud qui permettra d'obtenir un maximum de rayonnement solaire. Il y a lieu de relever que le propriétaire doit rester tributaire de Sonelgaz pour des énergies d'appoint, en particulier pendant la saison hivernale. Si la volonté politique existe, on devrait commencer d'abord par installer les panneaux solaires sur les édifices publics. Le privé reste réticent vu le prix et la maintenance que cela engendre tel le nettoyage fréquent (une pluie boueuse ou la poussière). Les cellules sont très fragiles à la grêle dont il faut prévoir des cellules de rechange qui sont coûteuses sous réserve de prescrire une assurance. Dans le Sud algérien, est-ce que le vent de sable ne présenterait pas un impact sur la surface ? Peut-on présager l'avenir des résultats des recherches qui réduiront à néant les résultats de recherches existants à ce jour et aboutiront à de nouvelles technologies plus performantes. – Ainsi, nous préconisons à l'Algérie de s'investir dans tous les axes de recherche relatifs à toutes les énergies (géothermique, éolien, solaire, et surtout la biomasse qui résoudrait un problème majeur environnemental). – De ne pas s'investir dans des mégaprojets, mais plutôt dans les projets pilotes d'énergie intermittente permettant d'effectuer de nombreuses recherches. Energie solaire thermique Le soleil émet un rayonnement qui entre en contact avec un corps qui lui fait augmenter la température. L'énergie solaire thermique est une source d'énergie gratuite, inépuisable, fiable et non polluante. Les applications du solaire thermique dans le bâtiment consistent à capter la chaleur offerte par le soleil afin de la stocker et de la réutiliser pour des besoins de chauffage, d'eau chaude sanitaire ou encore pour réchauffer les piscines. Les économies réalisées représentent de 50 à 80% des dépenses d'énergie nécessaires à la production d'eau chaude sanitaire pour couvrir une partie des besoins de chauffage des habitations individuelles ou des bâtiments. L'énergie solaire thermique bénéficie des progrès réalisés dans la conception et la construction des capteurs solaires, dont la fiabilité est garantie par les fabricants pour une durée de vie d'au moins 20 années. Le Chauffe-eau et le chauffage solaire Il est possible d'installer un chauffe-eau solaire, ou un chauffage solaire à l'échelle d'une habitation individuelle ou collective. Il s'agit de capteurs vitrés installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un réservoir d'eau. Ce procédé permet de couvrir plus de 50% des besoins annuels en eau chaude, et d'apporter éventuellement un complément de chauffage. En France, la Réglementation thermique (RT) 2012 a fait évoluer l'utilisation des énergies renouvelables pour les constructions neuves. Toute maison individuelle doit désormais utiliser une énergie renouvelable. A ce titre, un nouveau chauffe-eau solaire individuel (CESI) a été optimisé. C'est un CESI réduit en dimension (capteur de 2 m2 et ballon de 150 litres) et à coût réduit (Le CESI optimisé, des performances au rendez-vous sur Xpair – mai 2014). Dans le logement collectif, l'utilisation du solaire trouve également toute son utilité pour produire prioritairement l'eau chaude sanitaire (installations solaires collectives pour l'ECS [archive] sur le site conseils.xpair.com) et four solaire [archive] modèles de fours solaires). Il existe également des centrales de chauffage solaire fonctionnant sur le même principe que le chauffage solaire individuel, mais à plus grande échelle. L'eau chaude produite est ensuite distribuée à travers des réseaux de chaleur. Aspects réglementaires et avantages Tous les bâtiments doivent en faire obligatoirement l'objet, préalablement au dépôt de la demande de permis de construire, et dans ce cadre il y a lieu d'effectuer une étude de faisabilité technique et économique des diverses solutions d'approvisionnement en énergie pour le chauffage, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage des locaux. Cette étude examinera notamment le recours à l'énergie solaire et aux autres énergies renouvelables. – L'orientation des capteurs doit être plein sud d'une manière idéale. Toutefois, il faut tenir compte des masques environnants (végétation, bâtiments, etc.) et l'orientation du site. Les capteurs solaires délivrent le maximum de puissance lorsque le rayonnement solaire parvient à 90° dans le plan du champ solaire. Il est alors intéressant d'incliner les capteurs pour maximiser la période où l'on souhaite le plus de production. Dans l'idéal, il faut orienter les capteurs solaires plein sud et les incliner à 40° pour la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage. La pose des capteurs solaires thermiques peut se faire sur une toiture terrasse, sur une toiture en pente, intégré en façade ou au sol sur des châssis métalliques. Le préchauffage de l'eau chaude sanitaire d'un bâtiment par l'énergie solaire est une technique maîtrisée. L'installation solaire thermique peut venir en complément d'une installation existante électrique, fioul ou gaz, etc. Le matériel doit être homologué par Sonelgaz afin que l'équipement soit acheté en hors taxe et de faire poser le matériel par un installateur agréé. Une installation solaire thermique est dimensionnée pour répondre à des besoins d'eau chaude sanitaire, de chauffage d'une habitation ou de l'eau d'une piscine. La production de chaleur par le biais de capteurs solaires présente un certain nombre d'avantages importants : – La ressource d'énergie utilisée est renouvelable et gratuite, aucune pénurie ou fluctuation des prix n'est à craindre – Le processus de production de chaleur n'a aucun impact sur l'environnement. Les centrales solaires thermodynamiques sont des systèmes de production d'énergie qui permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis atteignant une température de vapeur considérable. Une production électrique est alors possible via, entre autres, des turbines à vapeur. La solution la plus réaliste économiquement à l'heure actuelle pour la production d'électricité solaire à l'échelle industrielle consiste à chauffer un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) en y concentrant le rayonnement solaire. L'irrégularité propre de l'énergie solaire peut être contournée, soit en stockant de la chaleur avec un réservoir de fluide chaud, soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique au gaz, en utilisant la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la même turbine à vapeur. Plusieurs centrales ont déjà été conçues :- La centrale de Mojave en Californie vers 1980 avait fait figure de projet pionnier. Quelque peu oubliée depuis, cette filière revient d'actualité, avec de nombreux projets pilotes dans une dizaine de pays. – La centrale thermo-solaire Nevada Solar One a été construite entre 2006 et 2009 à Boulder City. En 2009, on développa une puissance de 64 mégawatts (Claudine Mulard, «Une centrale solaire géante pour alimenter la Californie» dans Le Monde du 11/4/2006]. La Pacific Gas and Electric a annoncé en novembre 2007 une centrale solaire à San Luis Obispo, qui produira 177 MW d'électricité pour 120 000 foyers (Matt Rochtel, John Markoff, A Green Energy Industry Takes Root in California [archive], The New York Times, 1-2-2008 (consulté le 23-2-2008) . Le 31 mars 2007, à 25 km de Séville, a été officiellement inaugurée une centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MW électrique par an, dont la production prévue est d'environ 23 GWh par an (PS10 Final Report – NNE5-1999-356 [archive], sur le site europa.eu) . En 2011, Alba Nova 1, située en Corse, est la première centrale solaire thermodynamique française d'envergure (Tenerrdis – Solar Euromed : obtention du permis de construire pour la première centrale française de R&I solaire thermodynamique à concentration [archive], sur le site tenerrdis.fr).
