BTE Solar : une analyse comparative des systèmes PVT avec les systèmes photovoltaïques et solaires thermiques traditionnels

Dans le contexte de la transition énergétique mondiale actuelle, l'énergie solaire, forme d'énergie la plus propre et la plus renouvelable, s'intègre rapidement à la production et à la vie quotidienne. Les principales utilisations de l'énergie solaire sont la production d'électricité photovoltaïque (PV) et l'utilisation du solaire thermique (TS). La première convertit directement le rayonnement solaire en énergie électrique par effet photoélectrique, tandis que la seconde l'absorbe via des capteurs et le convertit en énergie thermique. Elle est souvent utilisée pour la production d'eau chaude sanitaire, le chauffage ou le chauffage industriel. Ces dernières années, une nouvelle technologie combinant les avantages des deux – l'intégration photovoltaïque et solaire thermique (PVT) – a progressivement gagné en popularité et a démontré une valeur unique en recherche et en applications commerciales. Cet article compare le système PVT aux systèmes photovoltaïques et solaires thermiques traditionnels sous différents angles, et explore leurs avantages et inconvénients.

I. Comparaison de la composition du système et du principe de fonctionnement

Système photovoltaïque (PV)

Le cœur d'un système photovoltaïque est le module de cellules solaires, dont les matériaux courants sont le silicium cristallin ou les cellules à couches minces. Lorsque la lumière du soleil éclaire la surface de la batterie, les photons excitent les électrons du matériau semi-conducteur pour former un courant électrique, qui est ensuite converti en courant alternatif par un onduleur pour alimenter les foyers ou le réseau électrique. La structure d'un système photovoltaïque est relativement simple et sa fonction principale est de produire de l'électricité.

2. Système solaire thermique (ST)

Le système solaire thermique est principalement constitué de capteurs plans ou de capteurs à tubes sous vide. Après exposition au soleil, la plaque absorbante convertit l'énergie en chaleur, laquelle est transférée au ballon d'eau chaude par l'intermédiaire du fluide (eau ou antigel) pour la production d'eau chaude ou le chauffage. La capacité de production d'électricité du système solaire thermique est quasi nulle, mais son rendement thermique atteint généralement 40 à 70 %.

3. Système intégré photovoltaïque et solaire thermique (PVT)

Le système PVT associe des modules photovoltaïques à des capteurs, récupérant ainsi l'énergie thermique résiduelle à l'arrière des panneaux photovoltaïques tout en produisant de l'électricité. Cela permet non seulement d'éviter la baisse de rendement des cellules photovoltaïques due aux températures élevées, mais aussi d'améliorer le rendement énergétique global par unité de surface. Son concept principal est « une seule carte produisant simultanément électricité et chaleur ».

II. Comparaison de l’efficacité énergétique et des performances

1. Efficacité photoélectrique

Pour un système photovoltaïque simple, le rendement de conversion photoélectrique des composants courants se situe entre 18 % et 22 %. Une augmentation de température entraîne une baisse du rendement. Pour chaque augmentation de température de 1 °C, la puissance de sortie moyenne des panneaux photovoltaïques diminue de 0,3 % à 0,5 %. Par conséquent, dans les régions chaudes, le problème de dissipation thermique à l'arrière des panneaux photovoltaïques est plus important.

Le système PVT maintient un rendement de production d'électricité plus stable en refroidissant les modules photovoltaïques afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Des études montrent que, dans des conditions environnementales identiques, la production d'électricité du PVT peut être augmentée de 5 à 15 % par rapport aux systèmes photovoltaïques traditionnels.

2. Efficacité énergétique thermique

L'avantage du système solaire thermique réside dans son rendement thermique élevé. Le rendement des capteurs plans est d'environ 50 à 70 % à moyennes et basses températures (30 à 70 °C), tandis que les capteurs à tubes sous vide sont plus performants en hiver ou sous les hautes latitudes. En revanche, le rendement thermique des capteurs photovoltaïques à vapeur de sodium (PVT) est légèrement inférieur, généralement compris entre 40 et 60 %, mais compte tenu de la production simultanée d'électricité, son rendement énergétique global est supérieur.

3. Efficacité globale

Le principal avantage du PVT réside dans son rendement global. Le rendement des systèmes photovoltaïques ou solaires thermiques purs varie de 20 % à 70 %, tandis que le rendement global des systèmes PVT peut atteindre 70 % à 80 %, et certains produits avancés dépassent même 85 %. Cela signifie que, pour une même surface de toiture, le PVT peut produire davantage d'énergie exploitable.

III. Comparaison économique

1. Investissement initial

En tant que technologies matures, le PV et le ST présentent des coûts d'installation relativement faibles lorsqu'ils sont installés séparément. En raison de sa conception complexe et des exigences élevées de son processus de production, le système PVT est généralement plus coûteux qu'un système unique. Cependant, si l'on prend en compte la nécessité de produire et de chauffer simultanément sur le même toit, l'installation combinée du PVT peut réduire les coûts liés aux supports, aux canalisations et à l'espace.

2. Exploitation et maintenance

L'exploitation et la maintenance des systèmes photovoltaïques sont simples, se limitant principalement au nettoyage régulier des composants et à l'inspection des équipements électriques. Le système solaire thermique nécessite des opérations de maintenance telles que l'antigel, l'antitartre et le remplacement régulier du fluide de travail. Le PVT combine ces deux opérations, ce qui complexifie légèrement l'exploitation et la maintenance. Cependant, grâce à sa forte intégration structurelle, la stabilité globale est satisfaisante.

3. Délai de récupération de l'investissement

Dans les régions où les prix de l'électricité et du chauffage sont élevés (comme en Europe et au Japon), le retour sur investissement d'un système PVT peut être plus court que celui d'un système unique. En particulier, grâce au soutien des politiques énergétiques décentralisées, les avantages combinés des subventions au raccordement au réseau électrique et de la substitution de l'énergie thermique renforcent l'efficacité économique du PVT. Cependant, dans les régions où les prix de l'énergie sont bas ou où le soutien politique est insuffisant, la promotion du PVT se heurte encore à des résistances.

Iv. Comparaison des scénarios d'application

1. Familles résidentes

Les ménages ont généralement besoin d'électricité et d'eau chaude. Si la surface du toit est limitée, l'installation d'un système PVT permet de réaliser une double production d'énergie dans un espace confiné, particulièrement adapté aux résidences urbaines et aux villas.

2. Bâtiments commerciaux et publics

Les bâtiments tels que les écoles, les hôpitaux et les hôtels ont non seulement une forte demande en électricité, mais nécessitent également un approvisionnement stable en eau chaude. PVT propose une solution intégrée pour réduire l'encombrement des équipements et les coûts de maintenance.

3. Domaine industriel

Certaines productions industrielles (comme l'agroalimentaire, le textile et la chimie) ont un fort besoin d'énergie thermique basse température. L'énergie solaire thermique traditionnelle peut répondre à une partie de cette demande, mais la demande en électricité est également très élevée. Le PVT a le potentiel de remplacer une partie des énergies fossiles dans ces secteurs.

4. Agriculture et serres

Dans les serres agricoles, l'alimentation photovoltaïque pour alimenter les équipements et l'énergie thermique pour maintenir la température sont nécessaires. Le PVT permet de répondre simultanément à ces deux besoins et d'améliorer l'autonomie énergétique.

V. Comparaison des avantages environnementaux et sociaux

Le photovoltaïque et le solaire thermique jouent un rôle majeur dans la réduction des émissions de carbone. Le photovoltaïque et le solaire thermique peuvent non seulement remplacer l'énergie thermique pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, mais aussi réduire l'utilisation de chaudières à gaz ou à charbon. Dans le contexte de la neutralité carbone, l'intérêt du photovoltaïque et du solaire thermique prend de l'importance. Parallèlement, il permet de pallier le manque d'espace sur les toits et d'éviter l'embarras du choix entre deux options dans un espace restreint.

Vi. Problèmes et défis existants

Coût élevé : Actuellement, le prix du PVT est encore plus élevé que celui des systèmes individuels, ce qui limite sa popularisation.

Manque de normes techniques : Les normes internationales pour les tests, la certification et l’installation du PVT ne sont toujours pas unifiées.

Connaissance insuffisante du marché : de nombreux consommateurs et entrepreneurs en ingénierie ont une connaissance limitée du PVT, ce qui rend la promotion sur le marché difficile.

Complexité d'exploitation et de maintenance : Bien que l'intégration globale soit élevée, elle implique deux systèmes, à savoir l'électricité et le chauffage, qui imposent des exigences professionnelles plus élevées aux installateurs et au personnel de maintenance.

Vii. Orientations de développement futures

De nouvelles applications de matériaux, telles que les revêtements à absorption sélective et les matériaux composites conducteurs thermiques, contribuent à améliorer l’efficacité thermique.

Conception modulaire : rend le PVT aussi facile à installer et à remplacer que les modules photovoltaïques ordinaires.

Combiné avec le stockage d'énergie : le double système de stockage d'énergie électrique et de stockage d'énergie thermique améliorera la flexibilité d'utilisation de l'énergie du PVT.

Promotion des politiques : les subventions gouvernementales, les récompenses pour la réduction des émissions de carbone, les certifications de bâtiments écologiques, etc., peuvent toutes faciliter l’application du PVT.

viii. Résumé

En tant que nouvelle méthode d'exploitation de l'énergie solaire, le PVT ne se résume pas à la superposition des énergies photovoltaïque et solaire thermique, mais permet d'atteindre une efficacité énergétique globale supérieure grâce à l'intégration des systèmes. Comparé au photovoltaïque traditionnel, il résout le problème de la baisse d'efficacité liée à la hausse des températures. Comparé au solaire thermique traditionnel, il offre une valeur ajoutée à la production d'énergie électrique. En termes d'économie, d'optimisation de l'espace, de réduction des émissions de carbone, etc., le PVT a démontré des avantages évidents. Bien sûr, sa promotion reste confrontée à des défis en termes de coût, de normes et de sensibilisation. Grâce aux avancées technologiques et à la promotion des politiques, le PVT devrait devenir un élément important de la distribution d'énergie propre à l'avenir.