Où en est le photovoltaïque à concentration en 2011 ?

Le solaire photovoltaïque à concentration ou Concentrated PhotoVoltaic (CPV) est une technologie qui concentre les rayons du soleil sur de petites cellules très efficaces afin de réduire la surface active de conversion photovoltaïque, ainsi les matériaux semi-conducteurs sont remplacés par des éléments optiques bien moins onéreux. Certains constructeurs comme Solfocus utilisent des miroirs pour concentrer les rayons. D'autres, comme Amonix ou Opel Solar optent pour des lentilles de Fresnel, qui sont soit en polyméthacrylate de méthyle (ou PMMA en anglais) soit en silicium sur verre (silicon on glass : SOG) [27].

La concentration diminue la capture des rayons qui ne proviennent pas directement du soleil, comme par exemple les rayons réfléchis sur les nuages ou le sol, c'est pourquoi les modules CPV sont constamment orientés face au soleil à l'aide d'héliostats (ou trackers). Ceci engendre un surcoût à la fois pour l'investissement initial mais aussi pour l'opération et la maintenance puisque les héliostats comportent des parties mécaniques nécessitant une attention particulière.

Basse concentration VS haute concentration

Les systèmes se différencient surtout selon leur facteur de concentration, qui peut être bas (2 à 100), moyen (100 à 300) ou haut (supérieur à 300) [28]. L'avantage de la basse concentration est que le tracking peut être moins précis car les instruments optiques collectent plus de rayons qui ne sont pas exactement perpendiculaires au récepteur : cela permet l'utilisation de trackers plus simples, parfois avec un seul axe de rotation.

En contrepartie, l'avantage de la haute concentration est de tellement réduire la taille de la cellule photovoltaïque que des matériaux et structures ultraperformants et d'ordinaire réservés aux engins spatiaux deviennent financièrement accessibles. Le principe des cellules multi-jonctions (MJ) est d'empiler trois jonctions p-n qui sont chacune optimisées pour la conversion d'une partie du spectre solaire. Celle du haut, qui possède une largeur de bande interdite (bandgap) élevée, agit comme un filtre passe-bas et récupère les photons de plus grande énergie (ultra-violets et une partie du spectre visible). Celle du milieu exploite la plupart des photons du spectre visible restants et la dernière cellule le reste (infra-rouges) [29]. Les ressources en germanium, substrat de base de ces cellules, sont parfois évoquées comme un frein au développement des cellules MJ mais Umicore, leader du marché des wafers au germanium semble cependant confiant et prépare l'avenir en investissant dans des mines [30].

L'entreprise Solar Junction, dont la base de la technologie a été inventée à l'université Stanford par Homan Yuen détient aujourd'hui le record de rendement photovoltaïque au niveau cellule certifié par le National Renewable Energy Laboratory (43,5%). L'exploit est particulièrement remarquable car les différentes couches de la cellule ont des systèmes réticulaires de même paramètre de maille (lattice-matched) alors que la plupart des cellules MJ mises au point par les autres compagnies ont une structure métamorphique dont la stabilité dans le temps n'a pas été prouvée. Solar Junction est en lice avec quelques autres compagnies pour obtenir une garantie de prêt du Department of Energy (DoE) qui l'aiderait à construire une ligne de production de 250 MW à San Jose en Californie [31].

Notons que la recherche sur l'un des matériaux des cellules MJ, l'arsénure de gallium (GaAs), donne lieu au développement de cellules photovoltaïques qui pourraient être utilisées dans les systèmes "classiques". C'est le pari de la compagnie AltaDevices qui utilise un procédé de croissance épitaxiale, utilisé pour la première fois par le professeur Eli Yablonovitch, actuellement directeur d'un centre de recherche à Berkeley [32].

Finalement, les systèmes à haute concentration (HCPV) sont plus distincts des systèmes photovoltaïques conventionnels que les systèmes à basse concentration (LCPV) puisque :
- les trackers doivent être très précis et offrir un large débattement, ils représentent 21% du prix du système [33];
- lles systèmes optiques sont souvent constitués d'un élément primaire et d'un élément secondaire ;
- lles matériaux photovoltaïques utilisés (cellules MJ III-V GaInP/GaInAs/Ge ou GaInP/GaAs/GaInAs) permettent d'atteindre un rendement au niveau module de presque 30%;
- lles niveaux de concentration rendent nécessaire un système de gestion (actif ou passif) de la température car il faut évacuer en chaleur l'énergie que la cellule n'a pas convertie en électricité ;
- lla puissance solaire exploitable, appelée DNI (direct normal irradiance) n'est pas répartie de la même façon que celle des systèmes sans concentration et elle ne se mesure pas avec les même instruments [34]. Les zones où le HCPV serait le plus rentable sont celles où l'ensoleillement direct normal quotidien serait supérieur à 5-6 kWh/m2 [35].

Développement du CPV aux Etats-Unis

Malgré ses attraits et ses vingt années d'existence, le CPV ne s'est pour l'instant déployé que dans des proportions limitées. D'après Strategy Analytics, la puissance mondiale installée est actuellement de 16,3 MW soit 0,1% de la puissance photovoltaïque globale. Cependant, cela pourrait bien changer et il estime que le CPV pourrait atteindre 1 GW d'installations dès 2014 ou 2015 [36].

Aux Etats-Unis la phase de déploiement à grande échelle semble amorcée et des installations HCPV dépassant 1 MW ont récemment été annoncées [37]. Citons par exemple le projet de 30 MW à Alomosa développé par Cogentrix et utilisant la technologie d'Amonix, qui a obtenu début mai une garantie de prêt conditionnelle de $90,6 millions par le Department of Energy [38].

En effet, contrairement à la France les Etats-Unis ont des zones où l'ensoleillement est assez important pour que l'installation de systèmes à haute concentration ait du sens. D'après le rapport 2010 de l'industrie CPV, la puissance installée passera de 1,5 MW à 75 MW dans les cinq prochaînes années. En 2015, le coût moyen actualisé de l'électricité CPV serait de 8 c$/ kWh seulement, le prix d'installation HCPV serait abaissé à $2,47/W et $1,75/W pour le LCPV [33].

La carte ci-dessus recense les activités de développement du CPV aux Etats-Unis : fabrication de cellules MJ, de systèmes LCPV et HCPV et développement de projets (NB: les entreprises de trackers n'ont pas été représentées). Il apparaît que tous les acteurs de la chaîne sont présents sur le territoire et en nombre suffisant pour qu'il y ait compétition et émulation entre eux. Comme souvent, l'activité technologique a lieu surtout le long des côtes auprès des grands centres de recherches et la Californie est d'autant plus entreprenante que son climat politique est favorable au développement des énergies renouvelables et qu'elle se situe à proximité des zones fortement ensoleillées [26]. Les projets de grandes centrales (tous HCPV pour le moment) sont naturellement situés dans des régions où l'énergie directe normale provenant du soleil est la plus forte -supérieure ou égale à 6 kWh/m2- mais s'éloignent le moins possible des pôles de consommation d'électricité (notamment les agglomérations urbaines). Des usines d'assemblages des modules sont localisées aux mêmes endroits pour diminuer les frais de transports, ce qui favorise la création de main d'oeuvre locale.

Ce sont les trois entreprises leaders du marché mondial du HCPV qui initient les larges projets du sud-ouest américain :
- Solfocus et Amonix, qui sont originaires de Californie ;
- Soitec-Concentrix, une spin-off de l'institut Fraunhofer (allemand) rachetée en décembre 2009 par le français Soitec.

Soulignons que, même si elle ne fait pas l'objet de cet article, la recherche sur de nouveaux systèmes est toujours active. A l'université d'Arizona par exemple, le Dr. Angel s'inspire de ses connaissances en conception de télescope pour mettre au point des systèmes à très haute concentration (X1000) composés de larges optiques d'environ trois mètres carrés et utilisant le moins de verre et d'acier possible [39]. Outre l'augmentation de rendement des cellules MJ mentionnée plus haut, l'amélioration des systèmes actuels est encore possible grâce à des idées nouvelles. Les étudiants du programme Cleantech to Market (cf. notre autre article [40]) ont par exemple pensé à utiliser un revêtement thermoélectrique innovant dans les systèmes HCPV, pour exploiter la différence de température entre la cellule et l'air ambiant et augmenter le rendement de conversion électrique. D'après eux, ceci est envisageable car leur matériau polymère recouvert de nanotubes de tellure présente l'avantage d'être imprimable et bien moins coûteux que le tellure de bismuth (Bi2Te3) utilisé d'ordinaire pour les usages thermoélectriques.

En conclusion, le CPV semble avoir amorcé sa phase de développement aux Etats-Unis. Grâce au retour d'expérience acquis et aux différents projets en cours de construction, le CPV pourrait rentrer dans un cercle vertueux et ainsi faire enfin baisser le coût moyen actualisé de son électricité. Bonne nouvelle pour les américians, leur pays est en avance sur les autres. En effet d'après un rapport de GreenTech Media recemment publié, 331 MW y sont installés ou en construction, loin devant les deux pays suivants : l'Espagne (18 MW) et l'Australie (3 MW) [41].

Pour en savoir plus :

- Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry, NREL, nov. 2009 - http://www.nrel.gov/pv/pdfs/43208.pdf

- Concentrating Photovoltaic SolarTechnology Assessment, EPRI, Technical update april 2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/pyE5b

Publié dans http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66820.htm le 20/05/2011