Installer des panneaux photovoltaïques aujourd’hui fait sans conteste partie des solutions à envisager de mettre en œuvre si l’on veut tendre vers l’émission zéro. Toutefois, le coût, même rentabilisé rapidement (3 à 6 ans), reste important. La question légitime est donc de savoir si le jeu en vaut la chandelle. Et, surtout, si la performance est au rendez-vous et peut faire la pluie ou le beau temps sur votre facture d’énergie.

1. Les technologies

Les panneaux solaires photovoltaïques ont un rendement légèrement différent. Essentiellement en fonction d’une part de la technologie de base (il y en a 3 qui sont à maturité industrielle et commerciale) et, de l’autre, des marques et modèles basés sur ces 3 technologies. Celles-ci se déclinent en « couches minces » (Thin film sur la figure ci-dessous) et Silicium, en « poly cristalline » (mc-SI sur la figure, pour multi cristal) ou en « mono cristalline » (sc-Si sur la figure, pour single crital). La figure est issue du « Trends 2022 » de l’Agence Internationale de l’Energie[1].

Les couches minces ont un rendement assez faible et sont très peu installées en Belgique. A l’image de l’évolution du marché mondial (figure), le mono cristal tend à y devenir la technologie dominante, notamment à Bruxelles. Ce qui a du sens dans la mesure où c’est la technologie qui a le rendement le plus élevé et qui est donc la plus intéressante dans un espace où la surface de toiture disponible pour produire est restreinte, relativement à la quantité de consommation sur le même territoire.

La technologie cristalline possède un maximum de rendement théorique. Cette limite, appelée Shockley-Queisser, du nom des deux premiers scientifiques à l’avoir calculée, William Shockley et Hans-Joachim Queisser, se situe à 32%. Il s’agit donc d’un rendement dans des conditions théoriques idéales (lesquelles ne sont jamais rencontrées dans la réalité).

Figure 1: Répartition des technologies industrielles de capteurs photovoltaïques dans le monde. Source IEAPVPS, trends 2022.

2. Les rendements de transformation (la qualité du captage)

L’analyse peut se faire pour chacune des composantes, même si c’est finalement le complexe associant cellules, panneaux et onduleur, connecté au système électrique plus global, qui est relevant. Les définitions des rendements évoqués plus bas sont toutes encadrées par des normes techniques internationales, elles sont donc fiables en valeur absolue et les rendements de différents matériels sont comparables entre eux.

La cellule (26,1%)

Le premier rendement se situe au niveau de la cellule, c’est le rendement le plus élevé.

A ce titre nous pouvons observer l’état actuel des performances de la recherche. Le NREL[2 ] américain (National Renewable Energy Laboratory), la référence mondiale en la matière, répertorie les performances de toutes les technologies solaires au niveau mondial.

On y identifie que le record de conversion du rayonnement lumineux en électricité est de 26,1% pour des cellules cristallines au niveau laboratoire.

Ce record, établi par l’Institute for Solar Energy Research Hamelin allemand, date de 2018 et démontre que la recherche permet aujourd’hui de fabriquer des cellules qui atteignent plus de 80% du maximum théorique idéal (à savoir les 32% de la limite de Shockley-Queisser évoquée ci-avant).

Figure 2: Une cellule ne capte pas 100% de la lumière car ses matériaux ne sont pas tous sensibles à l’énergie de l’ensemble des photons composants le flux lumineux terrestre. Certains sont trop puissants, d’autres trop peu.

Les panneaux (22,6%)

Une fois assemblées en panneaux, les cellules offrent un rendement plus faible que seules, en fonction des fabricants et des modèles de panneaux. Ce rendement plus faible s’explique par le fait qu’il y a une perte induite par la pose d’une vitre, d’une part, et des pertes liées aux différentes connectiques entre cellules, qui sont plus ou moins optimisées par les fabricants.

A titre d’exemple de rendement de panneaux, nous plaçons la fiche technique des panneaux SunPower Maxeon (entreprise active dans le solaire depuis les années 80 et propriété du groupe Total Energie depuis 2011) au sein de laquelle nous pouvons observer un rendement maximum de 22,6% de conversion solaire[3], avec une garantie de production de 40 ans[4].

Figure 3: Fiche technique d’un panneau solaire SunPower/Maxeon, rendement capteur maximal 22,6%. Possibilité de 40 ans de garantie par le fabricant, avec un maintien de 88,7% de performance par rapport au rendement initial au bout des 40 ans.

L’onduleur (98%)

Enfin, nous avons le rendement final au niveau du système, c’est-à-dire un ensemble de panneaux connectés à un onduleur, lorsqu’on ajoute cet onduleur pour une connexion au système électrique.

L’onduleur génère des pertes de transformation d’un courant continu (celui délivré par les panneaux) en courant alternatif (celui délivré par l’onduleur). Comme expliqué dans notre article sur les onduleurs, il sera toujours possible de veiller à une performance optimale et continue de l’onduleur via un système de screening.

Son rendement diffère suivant qu’il est fortement chargé par de la puissance solaire (typiquement au milieu de la journée ensoleillée) ou qu’il est faiblement chargé (au démarrage en matinée, en fin de journée ou lors d’une journée très sombre).

Figure 4: Figure illustrant la courbe de rendement d’un onduleur solaire photovoltaïque. Le rendement Européen permet de normaliser les rendements en tenant compte des moments de faible ensoleillement et donc des saisons.

Le rendement dit « Rendement Européen » permet d’estimer un rendement de fonctionnement réel en ce sens qu’il intègre des heures de fonctionnement à différents niveaux de charge pour correspondre aux ensoleillements des différentes saisons, entre autres.

A titre d’exemple, les rendements européens repris sur les fiches techniques pour les onduleurs SMA[5] (pionnier allemand de la fabrication de ce type de matériel) affichent un rendement normé compris entre 97,3 et 98,2%).

Le système (22%)

La « qualité de captage des panneaux », soit du rendement de transformation de la lumière en électricité, doit donc se voir au regard de l’ensemble du système panneaux-onduleur.

Globalement, on peut conclure qu’un système solaire équipé des meilleurs panneaux, du meilleur onduleur et avec un dimensionnement optimal peut avoir, en 2022, un rendement annuel d’environ 22%. A titre de comparaison, on considère que la photosynthèse réalisée par les plantes pour la fabrication de sucres en utilisant l’énergie solaire, a un rendement moyen de 0,1%. La comparaison est cependant limitée car les plantes, en fabriquant des cellules organiques végétales, réalisent non seulement la transformation de la lumière, mais également le stockage sous forme de biomasse. L’électricité produite par les panneaux solaires, elle, n’est pas stockable sans y ajouter une autre étape, qui va posséder ses propres rendements (et donc pertes).

Un système solaire photovoltaïque, orienté de l’Est à l’Ouest en passant par le Sud, aura dès lors une productivité annuelle comprise entre 850 et 1150 kWh/kW crête, soit, pour un système résidentiel moyen de 5 kW crête, une production comprise entre 4.250 et 5.750 kWh/an. Et cela devrait sans doute encore évoluer avec le temps.

Les panneaux photovoltaïques actuels sont-ils performants ?