Après avoir décrit les difficultés d'obtention du silicium métallurgique, ainsi que la complexité de la purification chimique et structurale, on a également présenté les différents types de cellules de 2e et 3e générations et les différentes opérations de finition des cellules PV. Dans la 2e partie, on avait décrit les difficultés d'exploitation des centrales photovoltaïques telles que les points chauds, les ombrages, l'inspection thermique et l'influence de la température sur le rendement, ainsi que les risques d'incendie. Dans cette 3e partie, on décrit les risques d'intervention des pompiers et la combustibilité des différents composants exposés au soleil et aux courts-circuits. On exposera en bref les différents défauts obtenus lors de l'exploitation des centrales photovoltaïques et on terminera par une conclusion générale. 8 - Risques pour les pompiers Une des premières tâches des pompiers arrivant au niveau d'un bâtiment en train de brûler est de couper l'alimentation électrique, ce qui n'est pas possible avec les installations photovoltaïques puisque l'onduleur en charge peut renvoyer de l'électricité vers les panneaux photovoltaïques. Les cellules elles-mêmes continuent de produire de l'énergie aussi longtemps que le soleil brille et potentiellement même la nuit en présence d'un éclairage lunaire. En conséquence, le circuit électrique qui raccorde les panneaux photovoltaïques à l'onduleur reste sous tension avec du courant continu, même si le tableau électrique principal à courant alternatif a été coupé. Les pompiers doivent alors combattre un feu en présence de tension et de courant continu élevés et peuvent être exposés à un choc électrique. Lors de la propagation d'un incendie comportant des systèmes photovoltaïques, l'isolation des câbles à courant continu peut fondre et causer un arc électrique. Les autres risques possibles d'une installation photovoltaïque en cas d'intervention incendie manuelle sont les suivants : - les panneaux photovoltaïques peuvent bloquer des points ou passages stratégiques que les pompiers auraient pu utiliser sur le toit ; - le poids ajouté par une chaîne de panneaux photovoltaïques peut conduire à l'effondrement du toit du bâtiment, si l'intégrité de la structure est déjà compromise dans un incendie ; - des fumées potentiellement toxiques peuvent être émises par la décomposition thermique des matériaux constitutifs des panneaux. Certains pompiers ont refusé de combattre des incendies sur des bâtiments résidentiels quand ils ont remarqué une installation photovoltaïque sur le toit. Une large couverture médiatique de ces cas a amplifié la peur. Entre-temps, des guides de bonnes pratiques et des formations spécifiques à destination des pompiers ont été développés. La mise en sécurité d'un système photovoltaïque en cas d'incendie devrait idéalement résulter dans une diminution de la tension et du courant continu à des seuils qui ne sont plus dangereux pour les pompiers. Mais une isolation des panneaux photovoltaïques n'est pas économiquement faisable. Ces dispositifs de coupure entre les modules et l'onduleur doivent pouvoir être activés à distance à partir d'un lieu sûr. Afin de procurer un espace pour l'accès et le cheminement des pompiers, la taille des champs photovoltaïques devrait être limitée. La centrale PV ou le toit d'un bâtiment devraient avoir des cheminements suffisants et un périmètre libre autour des panneaux photovoltaïques pour que les pompiers puissent circuler en toute sécurité. 9 - Combustibilité des systèmes photovoltaïques Tous les composants des systèmes photovoltaïques exposés au soleil et aux intempéries doivent avoir des caractéristiques hautement durables et certains matériaux qui ont de bonnes performances à cet égard (par exemple certains plastiques...) n'ont pas nécessairement de bonnes caractéristiques de résistance au feu. Les panneaux photovoltaïques eux-mêmes contiennent généralement une quantité limitée de plastique, les supports de montage, les câbles et les boîtes de jonction peuvent contribuer à la combustibilité de l'installation. Les systèmes photovoltaïques sont sujets à des défauts électriques comme toute autre installation électrique. Il peut s'agir d'arcs électriques, de court-circuit, de défauts de terre et de défauts d'inversion de courant continu. Ces défauts et d'autres défaillances dans le système comme la perte d'isolation d'un câble, la rupture d'un module et une mauvaise connexion peuvent entraîner des points chauds susceptibles de provoquer un départ de feu des matériaux combustibles situés à proximité. Les onduleurs mal installés ou défectueux ont également été la cause de plusieurs incendies d'installations photovoltaïques. Dans le cas le plus défavorable, les conditions défectueuses sur les installations photovoltaïques ne vont pas seulement résulter de points chauds, mais aussi provoquer un arc continu qui est la cause principale des incendies. Toute déconnection ou défaut de connexion d'un câble porteur d'un courant électrique peut causer un arc électrique qui est la continuité du courant à travers l'air. Toute installation électrique est exposée à un risque d'arc, mais les installations photovoltaïques sont particulièrement sensibles à cette exposition du fait de la présence permanente de courant continu. Les arcs liés aux courants continus ne s'éteignent pas d'eux-mêmes et peuvent atteindre des températures de 3000°C. L'isolation peut devenir inefficace du fait d'animaux qui la rongent, de l'usure par les ultraviolets, de l'effritement, de la pénétration d'humidité et de cycles de gel/dégel. L'arc se produit également sur un câble relié accidentellement à la terre avec un défaut d'isolation. Des incidents peuvent exister tels que des brasures défectueuses, des pertes de connexions, des défauts d'isolation, le vieillissement ou la corrosion ont entraîné des arcs qui provoquent des incendies. En considérant que l'installation photovoltaïque dure plus de 20 ans, la réelle incidence d'un feu pourrait ne pas apparaître avant 10 à 20 ans quand le vieillissement du matériel se fera sentir. De plus, les installations des centrales photovoltaïques ont des centaines, voire des milliers de connexions qui augmentent la probabilité d'apparition des défauts. 10 - Récapitulatif des différents défauts d'une installation photovoltaïque : Dans le cadre du projet européen DLDPV[1] [2], les défauts et anomalies principaux ont été identifiés grâce au retour d'expérience des partenaires industriels. Une liste a été confirmée par des travaux identiques conduits par le laboratoire NREL [KURTZ] [3]. La modification des caractéristiques est confirmée lorsque qu'il y a un changement de l'état du champ PV provoqué par un changement des conditions de fonctionnement (ensoleillement et température). En exploitant des informations du courant en fonction de la tension d'un champ PV (en défaut), la détection et la localisation de défauts peuvent être réalisées. Une telle analyse a été trouvée dans plusieurs travaux à l'aide de la dérivée du courant par rapport à la tension (dI/dV) tout au long de la fonction permettant de détecter les défauts d'ombrage dans un champ PV. Une liste des origines de défauts les plus fréquents sont mis en évidence qui sont : les modules arrachés ou cassés – les pylônes, cheminée, sable, neige, etc. —, l'échauffement des cellules, la dégradation des interconnexions, les fissures, la corrosion des liaisons entre cellules, les performances différentes des modules, la détérioration des cellules, la pénétration de l'humidité, la destruction des diodes «by-pass», les insuffisances ou l'absence de diodes, l'inversion de la polarité des diodes, la diode mal connectée, la diode court-circuitée, les modules court-circuités, l'inversion de polarité du module, les modules shuntés. Dans le cas d'une chaîne de modules, on constate la rupture du circuit électrique, la destruction de la liaison, la corrosion des connexions et des contacts, court-circuit, module déconnecté. 11 - Conclusion générale : Les aspects technologiques en amont caractérisés par la production du silicium (carbo-réduction, purification, caractérisation du silicium, les différentes cellules photovoltaïques...) exigent beaucoup d'énergie et de temps. L'introduction du carbone sous forme de coke permettant d'extraire l'oxygène de la silice produit le monoxyde de carbone «CO», très pollueur en plus de son impact sur l'effet de serre. Pour obtenir le silicium métallurgique par carbo-réduction, les températures atteintes sont comprises entre 1800°C et 2000°C. Le bon choix du minerai de la silice (SiO2) a une grande importance, c'est-à-dire la nécessité de l'absence des éléments du groupe III ( Al, Ti, B, ...) car leur extraction lors de l'opération ultérieure de purification par la méthode physique reste difficile, d'où l'obligation de recourir à la purification chimique «méthode de Siemens». La purification par la voie physique s'effectue vers 1 700°C qui se traduit par la volatilisation des impuretés dans un milieu de plasma. Une fois la purification chimique du silicium assurée pour augmenter le rendement, la purification structurale est également exigée et le cycle nécessaire à la cristallisation est de l'ordre de 60 heures, la production de silicium monocristallin par le procédé Czochralski nécessite également une cinétique de refroidissement très lente à partir de 1 500 °C jusqu'à 800°C. Lors de la découpe des cellules d'épaisseur (0,2 à 0,3) mm appelés wafer, une perte sous forme de poudre dont le total dépasserait la moitié du lingot. Les perspectives du passage vers les cellules organiques polymériques est en bonne voie pour délaisser le silicium. Ainsi, la carbo-réduction et la purification du silicium sont des technologies complexes et coûteuses, il serait préférable d'effectuer l'importation de Chine, d'autant plus que le silicium sera bientôt dépassé par de nouveaux matériaux. Contrairement aux pays européens, au Maghreb, les grandes étendues ne manquent pas dans les Hauts-Plateaux et le Sahara algérien. Tandis que l'ensoleillement dépasse les 3 500 heures «146 jours» dans le sud à un moment où il n'est que de 1 400 à 1 700 heures en Europe. Au nord de l'Algérie le nombre d'heures annuel où le soleil brille serait en moyenne de 2 500 correspondant à une centaine de journées par an, en excluant les journées nuageuses, pluvieuses et les nuits au courant de l'année. Pour un couple avec 2 enfants, cette consommation moyenne se situe entre 2 500 et 3 100 kWh par an et par habitant sans tenir compte du chauffage. Dans cette contribution, on est entré dans les détails techniques et scientifiques pour réussir à sensibiliser le citoyen sur les inconvénients du photovoltaïque. La variation entre l'intensité et le voltage du générateur photovoltaïque (GPV) dépend du niveau d'éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l'ensemble. C'est en été que les panneaux possèdent leur meilleur rendement sous réserve de réguler la température par l'arrosage. Or, c'est durant la saison hivernale que nos besoins sont les plus élevés en énergie. De plus, les moyens de stockage de l'énergie ont un coût moyen non négligeable. Nous constatons que même si les panneaux photovoltaïques utilisent une énergie renouvelable (le soleil), leur fabrication est coûteuse et consomme de l'énergie. La cellule photovoltaïque est un produit de haute technicité qui évolue dans un environnement rude. On exige de lui une durée de service de 25 ans alors qu'on ne demande que 5 années pour la quasi-totalité des produits électroniques du marché (boîte de jonction, by-pass, onduleurs) qui sont protégés dans un boîtier. Alors que les cellules sont dans la nature (température, poussière, humidité, pluie, neige, grêle, vent de sable, produits corrosifs...) dépourvues de protection. Malgré ces aléas, on exige une propreté permanente pour assurer un bon rendement. Les cellules de silicium doivent dissiper une puissance importante, alors que normalement un semi-conducteur de puissance dispose d'un radiateur. Les cellules doivent également résister à 9 000 alternances jour/nuit durant 25 ans avec des écarts de température importants qui provoquent les dilatations et des contractions pour chaque cycle de température. Ce régime subit par la nature pendant plusieurs années sans interruption des agressions et pénalise la fiabilité des cellules qui se traduit par de nombreuses pannes et dysfonctionnements et par conséquent une chute du rendement de façon apparente après, au plus, dix années de fonctionnement, même avec un programme de maintenance sévère. Ainsi, les pannes qui peuvent troubler la bonne santé de l'installation PV sont la détérioration des contacts électriques et des courts-circuits des cellules, la formation d'arc électrique, les microfissures dues aux contraintes (dilatation-contraction), la délamination des couches de protection (anti-réflexion), la détérioration de plusieurs by-pass, les points chauds, la corrosion électrochimique, la surchauffe de toute l'installation... Les constats effectués aujourd'hui sur des installations PV vieilles de 10 à 15 ans ont peu de valeur car les technologies et les matériaux ont largement évolué. Que devient la garantie offerte il y a dix ans ? Il est recommandé de souscrire auprès d'une compagnie internationale une assurance qui est très coûteuse. Compte tenu de la période d'amortissement des centrales photovoltaïques (entre 6 et 10 ans), la thermographie est un outil indispensable pour analyser le fonctionnement et l'efficacité des différents composants de l'installation : modules photovoltaïques, connexions, moteurs, transformateurs, onduleurs, etc. Une caméra infrarouge est alors un outil très précieux qui permet au responsable du site de détecter les panneaux photovoltaïques présentant des défauts de fabrication. Dans le cas des surfaces importantes des centrales photovoltaïques, l'inspection aérienne nécessite un Drome Tech. Une augmentation de 10 °C au-dessus de la température de fonctionnement recommandée peut entraîner une réduction de 50% de sa durée de vie utile. La fondation Desertec, qui cherche à mettre en place des solutions de ce type, estime que le projet coûterait l'inimaginable sans faire allusion à l'existence de nombreux axes de recherche en cours dont les résultats ne sont pas satisfaisants et présentent des limites. L'énergie éolienne participe à long terme au maintien de la biodiversité. Lorsque de grands parcs d'éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2% du sol environ est requis pour les éoliennes. La surface restante est disponible pour l'exploitation agricole, l'élevage et d'autres utilisations. Les propriétaires fonciers qui accueillent des éoliennes reçoivent souvent un paiement pour l'utilisation de leur terrain. L'énergie éolienne est l'une des sources de production d'électricité à moindre coût. Le prix de revient d'une éolienne a fortement diminué depuis 2011 par rapport au PV. Un parc éolien prend peu de temps à construire et son démantèlement garantit la remise en état du site original. Les frais de maintenance d'un parc éolien sont négligeables. Les problèmes de bruit persistent sous réserve d'utiliser les équipements selon les derniers développements de la technologie des éoliennes modernes. Pour cela, il y a lieu d'assurer le graissage des pièces rotatives. Malgré les inconvénients du photovoltaïque, on peut recommander éventuellement le couplage des énergies intermittentes solaire et éolienne, dont 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 et l'éolien produit nettement plus en hiver qu'en été Il est bien constaté qu'on ne consomme pas toujours l'énergie là où le soleil brille. Sa mise en pratique présente des inconvénients. Le transport de l'énergie a un coût et les pertes se limiteraient à quelque 3% par 1000 km après conversion en courant alternatif à haute tension. Après 4 000 km traversés depuis le Sahara, on aurait donc perdu 12% du courant ainsi généré. Les panneaux solaires sahariens seraient soumis à des conditions extrêmes et on pense tout de suite aux tempêtes de sable, mais le problème n°1 serait la chaleur. Pour éviter d'endommager les panneaux solaires, il faudrait les refroidir avec de l'eau d'arrosage qui n'est pas abondante et parfois inexistante pour les centrales PV dans le Sud algérien. Nous proposons pour le moment de laisser le photovoltaïque aux particuliers qui sont alimentés déjà par un réseau Sonelgaz et pour le cas des sites isolés en mettant au courant le citoyen de l'ensemble des inconvénients. Par contre, oui pour les centrales éoliennes, oui pour les centrales de valorisation des déchets (voir article dans Le Soir d'Algérie du 1er octobre 2015), oui pour les centrale thermiques solaires dites thermodynamiques, mais laissons les centrales photovoltaïques suite au coût et aux difficultés de production du silicium, d'exploitation et de transport et stop à la politisation de ce créneau sous la pression des lobbies. Depuis 2009, avec la promulgation de la loi 04-09 qui permet au citoyen de devenir propriétaire de sa propre énergie, le constat est nul et les prévisions énergétiques de 2030 pour l'Algérie sont trop ambitieuses, et l'avenir nous le dira. L'Etat veut combler le déficit énergétique par de nombreuses centrales photovoltaïques, avec tous les inconvénients sus-énumérés, sans l'existence de la rationalité. Ainsi, l'avenir énergétique se trouverait beaucoup plus dans les centrales solaires thermodynamiques. C'est une approche qui consiste à collecter indirectement la lumière du soleil après l'avoir concentrée avec des miroirs. Contrairement aux cellules photovoltaïques, les miroirs ne coûtent pratiquement rien à fabriquer. Effectivement c'est une technologie intéressante qu'il faut programmer au Sud algérien sous réserve que la centrale fonctionne avec un taux supérieur à 50% solaire et inférieure à 50% gaz. Malgré les efforts de recherche, la maturité scientifique sur le photovoltaïque n'est pas atteinte, du fait que la production du silicium pur nécessite beaucoup d'énergie ; et les résultats sur l'aspect rendement ont montré leurs limites. La technologie est très complexe et une surveillance draconienne lors de l'exploitation doit être envisagée, sans cela la durée de vie qui est de l'ordre de 25 à 30 années préconisée sera réduite et les risques d'incendie non exclus. On peut confirmer que le photovoltaïque présente une maturité scientifique en mettant en évidence ses limites, d'où d'autres axes de recherche sont en cours sur de nouveaux matériaux. Les mégaprojets du photovoltaïque solaire représenteront une autre gaffe dépensière pour l'Algérie dont les conséquences graves seraient mis à découvert à travers les différents coûts d'installation, les coûts de l'exploitation avec les nombreux arrêts des centrales photovoltaïques dus à la maintenance. Malheureusement, la publicité de l'autosatisfaction dans les réseaux d'information ne cesse de s'amplifier pour vanter les décisions laborieuses. Les prévisions de 22 gigawatts d'électricité en 2035 sont utopiques et populistes. Un programme ambitieux dépend d'une stratégie qui consiste en une qualification suffisante à tous les niveaux de la formation. Nous n'incitons ni le citoyen ni les structures étatiques à ne pas inonder le pays en centrales photovoltaïques, cependant, suite à nos arguments cités dans cette contribution, il leur appartient de décider en leur âme et conscience de cet investissement. S'il existe un engagement dans cette technologie, on doit effectuer le nettoyage fréquemment, s'assurer des inspections et l'arrosage automatique des cellules est conseillé. Il est également conseillé que la technique du photovoltaïque ne soit mise à exécution que pour les sites isolés et accompagnée de l'éolien. Il appartient au citoyen de juger de l'acceptation ou du refus de la technologie du photovoltaïque. S. E. * Professeur d'université, ancien de l'Ecole nationale polytechnique. email : [email protected] Bibliographie : [1] Long Bun – Thèse de Doctorat - Projet DLDPV- INP Grenoble-Détection et localisation de défauts dans un système photovoltaïque -2011 [2] [Transénergie'08] Transénergie, «Etat de l'art sur les systèmes de supervision et des défauts rencontrés dans une installation PV», Rapport du projet DLDPV, Tâche1– Livrable 1, ANR 07–PSPV–001–04, 2008. [3] [Kurtz'09] S. Kurtz, J. Granata and M. Quintana, «Photovoltaic-Reliability R&D Toward a Solar-Powered World», National Renewable Energy Laboratory, 2009.
