Le développement historique de la technologie photovoltaïque thermique (PVT) : du concept à la commercialisation

Introduction

La structure énergétique mondiale a connu d'importantes transformations au cours des cinquante dernières années. Les systèmes photovoltaïques et solaires thermiques (PVT) intégrés se sont progressivement imposés comme une solution innovante capable de répondre simultanément aux deux besoins énergétiques fondamentaux que sont l'électricité et le chauffage. Le système PVT intègre des cellules photovoltaïques et des capteurs solaires dans une seule plaque plane, optimisant ainsi l'utilisation du rayonnement solaire et améliorant considérablement le rendement global de conversion énergétique.

Bien que le panneau solaire PVT soit généralement considéré comme un concept technique relativement nouveau, son histoire remonte en réalité aux alentours des années 1950. Du prototype expérimental du début des années 1970 à son application commerciale progressive et mature aujourd'hui, le processus de développement du PVT reflète une évolution plus large du développement des énergies renouvelables, incluant l'évolution coordonnée des avancées technologiques, le soutien politique et la prospection de marché. Cet article vise à clarifier le contexte historique de la technologie PVT et à explorer son évolution progressive, d'un concept théorique à une solution énergétique complète et commercialement viable.

Origine : années 1970 - le stade naissant du concept

La technologie PVT a débuté dans les années 1970. Durant cette période, face aux menaces pour la sécurité énergétique suscitées par les deux crises pétrolières de 1973 et 1979, l'importance mondiale accordée aux énergies renouvelables a fortement augmenté. Les chercheurs recherchent activement des alternatives aux combustibles fossiles. L'énergie solaire est considérée comme l'une des voies les plus prometteuses en raison de son universalité et de sa durabilité.

L'utilisation traditionnelle de l'énergie solaire se divise en deux grandes catégories : le photovoltaïque et le solaire thermique. Cependant, les ingénieurs ont constaté que, lors de la production d'électricité photovoltaïque, l'augmentation de la température entraîne une baisse du rendement. Ce phénomène a donné naissance à une idée clé : la chaleur résiduelle peut-elle être récupérée lors du refroidissement des panneaux photovoltaïques et ainsi optimiser l'utilisation de l'énergie thermique ? 

Au début des années 1970, le concept PVT reposait principalement sur des systèmes à air, destinés à être combinés aux systèmes de chauffage et de ventilation des bâtiments. La structure de base est constituée d'un panneau photovoltaïque, derrière lequel se trouve un canal de circulation d'air pour capter et faire circuler l'air chaud. Bien que l'amélioration du rendement ne soit pas significative, elle pose les bases conceptuelles du PVT en tant que système à double fonction.

Expansion et progrès technologique : les années 1980-1990 

Les années 1980 et 1990 ont été marquées par des progrès constants de la technologie photovoltaïque et un intérêt croissant des chercheurs. Avec la popularisation des panneaux photovoltaïques en silicium cristallin et l'amélioration de leur rentabilité, les chercheurs ont commencé à étudier le refroidissement liquide comme une méthode de refroidissement plus efficace que la circulation d'air.

Le système photovoltaïque à air (PVT) a été amélioré en améliorant la conception du pipeline et en l'intégrant au système de chauffage des locaux.

Cela a favorisé le développement des systèmes photovoltaïques liquides (PVT), qui utilisent l'eau ou l'antigel comme fluide caloporteur pour absorber plus efficacement la chaleur. Cette méthode permet de refroidir efficacement les panneaux photovoltaïques et d'obtenir un rendement thermique plus élevé, ce qui la rend idéale pour la production d'eau chaude sanitaire ou les applications industrielles.

Durant cette période, de nombreuses études en laboratoire et installations expérimentales ont été réalisées dans des universités d'Europe, d'Amérique du Nord et d'Asie. Des modèles techniques ont été développés pour analyser les flux d'énergie, prédire les performances et optimiser la conception. Bien que les retombées commerciales restent limitées, les fondements académiques de la technologie photovoltaïque moderne ont été solidement établis.

Le début du XXIe siècle a marqué un tournant crucial pour le développement des énergies renouvelables à l'échelle mondiale. Durant cette période, l'Europe et le Japon ont pris l'initiative de mener des recherches et des démonstrations d'application à grande échelle sur la technologie de l'énergie solaire. C'est dans ce contexte qu'est né le système photovoltaïque et solaire thermique intégré au bâtiment (BIPVT). Ce système intègre non seulement des capteurs photovoltaïques à l'enveloppe extérieure du bâtiment, comme les murs extérieurs, les puits de lumière ou les éléments de toiture, mais il assure également l'intégration de la production d'électricité, du chauffage, de l'esthétique architecturale et de l'isolation, améliorant ainsi considérablement l'efficacité énergétique et l'esthétique du bâtiment.

L'Europe explore activement la voie de l'intégration de la production d'énergie photovoltaïque dans les systèmes énergétiques urbains, par le biais de projets de démonstration dans le cadre du Plan européen pour les énergies renouvelables. Le Japon a intégré ses recherches sur le photovoltaïque à sa stratégie nationale afin d'améliorer son taux d'autosuffisance énergétique et de réduire sa dépendance aux combustibles importés. Parallèlement, l'énergie photovoltaïque a commencé à être couplée à diverses technologies telles que les pompes à chaleur, le stockage saisonnier de chaleur et les réseaux de chauffage urbain pour former un système énergétique hybride. Bien qu'il s'agisse encore d'une application de niche à l'époque, son potentiel d'intégration intersectorielle avait initialement attiré l'attention des décideurs politiques et de l'industrie.

À l'aube des années 2010, avec la baisse significative des coûts du photovoltaïque, l'urgence croissante des enjeux climatiques et le renforcement des mesures d'incitation, le déploiement mondial des énergies renouvelables s'est accéléré. La technologie PVT sort progressivement du laboratoire pour atteindre sa phase initiale de commercialisation. De nombreuses entreprises européennes, israéliennes et asiatiques ont successivement lancé divers produits PVT, notamment des capteurs plans, des capteurs vitrés/non vitrés et des systèmes à concentration. Les principaux facteurs favorisant la commercialisation à ce stade sont :

• Progrès dans la technologie des matériaux, tels que les échangeurs de chaleur à haut rendement, les revêtements à absorption sélective et les procédés d’emballage durables ;

• L'efficacité énergétique globale du système a été améliorée, les avantages globaux dépassant généralement 70 %, ce qui est particulièrement avantageux dans les scénarios avec un espace limité.

•  La demande de solutions énergétiques distribuées dans les secteurs résidentiel, commercial et industriel continue de croître.

• Des cas réels ont également confirmé les multiples avantages du système PVT, notamment la réduction des coûts énergétiques, l’augmentation du taux d’autoconsommation de l’énergie solaire et l’amélioration du retour sur investissement dans le cadre de l’utilisation combinée de l’électricité et de la chaleur.

Depuis 2020, portée par l'objectif de neutralité carbone et des politiques climatiques de plus en plus strictes, la transition énergétique mondiale est entrée dans une nouvelle phase. De nombreux pays se sont fixé des objectifs de zéro émission nette d'ici le milieu du siècle, ouvrant de vastes perspectives aux technologies intégrées photovoltaïques et solaires thermiques. Les technologies solaires intégrées telles que le PVT bénéficient désormais d'opportunités de développement sans précédent.

La pandémie de COVID-19 a mis en lumière l'importance de la résilience énergétique et de la production locale d'énergie propre. Par conséquent, la technologie PVT est de plus en plus utilisée dans les domaines suivants : 

• Les résidences et les familles recherchent des systèmes efficaces pour répondre à leurs besoins en électricité et en eau chaude.

• Les bâtiments commerciaux, bénéficiant de l’intégration du BIPVT, ont réduit leurs coûts énergétiques d’exploitation. 

• Dans les processus industriels, notamment dans les industries agroalimentaires, textiles et chimiques, la chaleur à moyenne et basse température est d’une importance vitale. 

Parallèlement, l’innovation technologique élargit constamment les possibilités : 

• La combinaison du PVT et des pompes à chaleur a permis d'obtenir un chauffage et un refroidissement efficaces tout au long de la saison. 

• Intégré au stockage d’énergie thermique, il a permis une meilleure gestion de la charge. 

• Le système de contrôle intelligent a amélioré l’adaptation de la demande et l’interaction avec le réseau.

Aujourd’hui, le PVT n’est plus considéré comme une technologie expérimentale mais est devenu un concurrent sérieux sur le marché des énergies renouvelables, soutenu par des dizaines de fournisseurs commerciaux et de plus en plus populaire dans le monde entier.

Les avantages de promouvoir la vulgarisation

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles le PVT est reconnu comme une solution d’énergie solaire très précieuse :

• Rendement global élevé : Le rendement global des systèmes photovoltaïques et solaires thermiques (PVT) intégrés peut atteindre plus de 70 %, tandis que celui des systèmes photovoltaïques indépendants est d'environ 20 %. Le rendement d'utilisation de l'énergie solaire thermique se situe généralement entre 40 % et 60 %.

• Performances et durabilité photovoltaïques supérieures : le système PVT peut réduire le stress thermique des modules photovoltaïques grâce à une dissipation thermique efficace, prolonger leur durée de vie et améliorer la stabilité de la production d'électricité. 

• Utilisation efficace de l'espace : le système PVT peut produire simultanément de l'énergie électrique et thermique sur la même zone, ce qui est particulièrement important dans les scénarios d'application urbains ou à espace restreint. 

• Larges domaines d'application : il peut être largement utilisé dans divers scénarios tels que résidentiels, commerciaux, industriels et agricoles. 

• Conformément aux objectifs de développement durable : la technologie PVT contribue à réduire les émissions de carbone, favorise l'intégration des énergies renouvelables dans le réseau et soutient la mise en œuvre de stratégies énergétiques distribuées

Défis et défis 

Bien que la production d’énergie photovoltaïque (PVT) ait progressé, elle est également confrontée à de nombreux défis :

• Par rapport à la production indépendante d’énergie photovoltaïque ou solaire thermique, le coût initial est plus élevé. 

• Les exigences en matière de conception et de maintenance du système sont complexes. 

• Par rapport à la production d’énergie solaire photovoltaïque traditionnelle, la compréhension actuelle du marché de la technologie d’intégration thermique photovoltaïque (PVT) est encore relativement limitée. 

• Le système actuel de soutien politique ne parvient souvent pas à prendre pleinement en compte les caractéristiques de ces technologies hybrides, ce qui entraîne de nombreuses restrictions pour ces dernières lorsqu’elles sollicitent des mesures d’incitation. 

• Il est crucial de surmonter ces obstacles pour promouvoir l’application à grande échelle des systèmes photovoltaïques et solaires thermiques et pour exploiter pleinement leur potentiel énergétique.

Conclusion 

Si l'on examine le développement de la technologie PVT, depuis sa conception dans les années 1970 jusqu'à sa commercialisation progressive aujourd'hui, on constate que cette technologie a connu près de cinq décennies d'évolution. Elle marque non seulement le passage des modes d'exploitation de l'énergie solaire d'une « production unique d'électricité » ou de « production unique de chaleur » à un modèle intégré de « production combinée de chaleur et d'électricité », mais reflète également la tendance générale du secteur des énergies renouvelables à passer de l'exploration expérimentale à l'application commerciale. 

Dans le contexte des efforts conjoints mondiaux vers la neutralité carbone, la technologie PVT, avec sa conversion d'énergie composée très efficace, sa cogénération stable de chaleur et d'électricité et son excellente adaptabilité du système, présente des perspectives d'application uniques. Il s'applique non seulement à divers scénarios de consommation d'énergie, mais répond également mieux aux multiples exigences du futur système énergétique en matière de propreté, de faibles émissions de carbone, de flexibilité et de rendement élevé. 

L'histoire du développement du PVT n'est pas seulement le fruit du processus de maturation d'une technologie, mais aussi un exemple frappant de l'effet conjugué des mécanismes innovants, du soutien politique et de la demande du marché pour stimuler la transformation énergétique. À l'avenir, le PVT devrait jouer un rôle plus important dans la construction d'un nouveau système énergétique dominé par les énergies renouvelables.