💃🏽 🚱 🥪 L'énergie solaire: aujourd'hui et demain 🍯 👙 🤲

Depuis la crise pétrolière des années 1970, la société a commencé à penser à trouver une alternative à l'énergie traditionnelle des hydrocarbures. Le potentiel de l'énergie solaire, en tant que plus grande et la plus accessible pour l'humanité, a toujours attiré l'attention de la communauté scientifique. L'utilisation des énergies renouvelables a constitué la base du concept de mouvements sociaux et politiques entiers. Au cours des dix à quinze dernières années, l'énergie solaire s'est développée rapidement et a gagné une certaine distribution dans le secteur de la production d'électricité. En général, nous pouvons parler de la tendance à la croissance exponentielle de la production d'énergie photovoltaïque au cours des vingt dernières années [1]:

Il semblerait que maintenant les données empiriques soient déjà suffisantes, ce qui signifie qu'il est possible d'évaluer les capacités de l'industrie en aucune façon théorique. Mais malgré cela, les opinions restent extrêmement polaires. Un côté note que le coût de l'électricité dans les centrales solaires est plus cher que les centrales traditionnelles, il n'y a pas de technologies rentables pour le stockage de l'électricité, nécessaires en raison des fluctuations quotidiennes de la production, et bien plus encore. L'autre côté rend compte de la croissance exponentielle de la production d'énergie électrique SES, réduction des coûts en dessous du niveau de l'industrie de l'énergie thermique traditionnelle. Qui a raison? Comme nous le constatons souvent, la vérité est au milieu. À notre avis, la raison des différences dans les estimations est assez simple et résout le différend des parties en conflit:La pertinence de l'énergie solaire varie considérablement à bien des égards et, selon la situation, elle se révèle être un camp de supporters ou vice versa. Ci-après, l'énergie solaire est synonyme de photovoltaïque, l'utilisation des technologies solaires thermiques est encore plus chère et de telles centrales sont moins courantes.

Niveau conceptuel - approche par niche

Pour quelles raisons l'agitation s'est-elle produite?
• Insolation. Si nous comparons la Californie et les régions du nord de la Russie, nous pouvons parler d'une différence quadruple avec un effet proportionnel sur le coût.
• Au cours des 35 dernières années, les prix des cellules solaires ont baissé et il existe même un schéma empirique: tous les 5 ans, le prix baisse deux fois. Ainsi, les estimations du coût de la production solaire deviennent constamment obsolètes et ce facteur doit être pris en compte dans la discussion.
• La complexité des réseaux de distribution d'électricité, le besoin de technologies de stockage pour l'énergie électrique générée, les capacités de manœuvre et l'augmentation du débit des principaux réseaux électriques augmentent avec l'augmentation de la part de l'énergie solaire dans le bilan électrique.
• Le coût de l'énergie électrique traditionnelle varie considérablement en fonction du choix de l'État étudié et de la période.
Vous pouvez continuer pendant longtemps, mais il est évident que si vous envisagez l'option avec une forte insolation, avec les bas prix attendus dans un proche avenir, une petite part du bilan électrique et une énergie électrique traditionnelle locale chère, l'énergie solaire dépassera considérablement celle traditionnelle en termes de rentabilité et ne nécessitera pas d'investissements spéciaux dans les infrastructures. Pour la situation inverse, l'énergie solaire semblera inacceptable.

Ainsi, on ne peut pas «se couper l’épaule» et précipiter des thèses sur l’énergie solaire sans regarder les conditions territoriales, climatiques et autres d’un cas particulier. À notre avis, une approche de «niche» devrait être appliquée pour comprendre l'acceptabilité de la production d'énergie solaire.

Estimations quantitatives - le coût de l'électricité

Les estimations du coût de la production d'énergie photovoltaïque dépendent de la méthodologie choisie, du coût du capital et d'autres paramètres; par conséquent, pour avoir une vue d'ensemble, il convient de s'appuyer sur de nombreuses estimations indépendantes:

les limites supérieures de l'énergie traditionnelle, sans parler de la production à partir de produits pétroliers, croisent les limites inférieures du coût estimé de l'électricité photovoltaïque. Avec d'autres nuances, cela crée des niches pour l'attractivité de l'énergie solaire. Selon nos estimations, leur taille représente aujourd'hui environ 3 à 5% de la production mondiale d'électricité. En dehors de ces niches étroites, l'énergie solaire, en général et aujourd'hui, n'est pas économiquement viable.

La taille des niches est insignifiante par rapport à l'ensemble de la production mondiale d'électricité, mais elle dépasse toujours la capacité installée de trois fois, ce qui offre à l'industrie solaire des opportunités de croissance à long terme. Compte tenu des facteurs de l'augmentation de la consommation d'électricité dans les pays en développement, de la réduction du coût de la production d'énergie solaire et de l'augmentation du coût de la production traditionnelle, il est logique de supposer que les «niches» augmenteront avec le temps. Regardons quelques exemples.

Archipel d'énergie solaire

Si vous regardez à un niveau général, alors aujourd'hui et en général, l'utilisation de l'énergie solaire est tout à fait injustifiée. Mais parmi l'océan d'énergie traditionnelle, il y a une place pour les îles photovoltaïques individuelles. Nous énumérons les raisons pour lesquelles des niches pour l'énergie solaire sont apparues:

Substitution des produits pétroliers. Premièrement, le coût déjà mentionné. Par exemple, le Japon, qui occupe la troisième place dans la production mondiale d'électricité, produit 10% de l'électricité à partir de produits pétroliers et ce n'est pas une conséquence de la tragédie de Fukushima - c'était comme ça avant. Selon la Banque mondiale, dans 43 pays, la part des produits pétroliers (fioul, diesel) dans la production d'électricité est supérieure à 10% [10]. En règle générale, ce type de production d'électricité est utilisé temporairement, pour passer les pics quotidiens de consommation d'énergie, car la nuit, la consommation d'énergie est nettement inférieure. Cette génération de pointe coûteuse dans tous les sens, 100 $ / MWh et plus dans le cas des produits pétroliers, est remplacée commodément et à moindre coût par l'énergie solaire (100 $ et moins), ce que le Japon a commencé à faire. Une situation similaire peut être observée dans le cas d'importations coûteuses de gaz naturel.

Déficit de ses propres ressources énergétiques. L'Inde est un autre bon exemple. Le pays connaît une pénurie catastrophique d’électricité et de sa propre production d’énergie, comme l’illustrent avec éloquence les promesses électorales du Premier ministre: «De l’électricité dans tous les foyers!» Une telle pénurie aiguë incite à résoudre le problème par tous les moyens, et en plus de la génération de base, un pic est également nécessaire. Mais le pays n'a pas suffisamment de ressources en charbon et aucun gazoduc n'a été posé - les États-Unis ont menacé le Pakistan de sanctions pendant de nombreuses années pour avoir accepté de participer au projet de transport de gaz de l'Iran vers l'Inde via son territoire, bien que récemment la situation ait évolué.

Le résultat de pénuries énergétiques chroniques, de jeux politiques d'acteurs externes, d'une dépendance à l'importation, etc. il est devenu une décision d'augmenter la part de la production d'énergie solaire, l'avantage d'une forte insolation et d'une main-d'œuvre bon marché la rendra relativement bon marché, bien que plus chère que le charbon. Compte tenu de la dynamique effrénée de l'économie (croissance de 7,5% en 2014) et des raisons ci-dessus, c'est mieux que le manque total actuel d'accès à l'électricité pour 250 millions de citoyens indiens. Le ministère des énergies nouvelles et renouvelables a lancé un programme de projets sous le nom symbolique de «méga-centrales solaires», dans le cadre duquel des territoires ont été attribués à des parcs de centrales solaires, des infrastructures ont été aménagées, etc. L'objectif immédiat est de 100 GW d'ici 2022 [11].

Facteurs environnementaux. Le coût de la production de chaleur dans la plupart des pays est inférieur à celui du solaire, en particulier en Chine. Mais, par exemple, la santé ne peut pas être achetée pour de l'argent. La pollution de l'air enlève annuellement la vie d'environ 0,5 à 1 million de personnes en Chine et affecte négativement la situation sociale et politique. De plus, les deux tiers des capacités mondiales de production de cellules solaires sont situées dans l'Empire du Milieu [12]. Ainsi, un autre créneau de l'énergie solaire est apparu et le Centre national des énergies renouvelables de Chine vise à 100 GW de capacité installée d'ici 2020 et 400 GW d'ici 2030 [13]. Étant donné que pour le premier trimestre 2015, la capacité photovoltaïque installée en Chine a augmenté de 5 GW et atteint 33 GW [14], les objectifs semblent tout à fait adéquats.

Il y a des cas complexes, comme l'Australie. Alors que les entreprises de production et les forces politiques se disputent à qui reprocher les prix de détail élevés de l'électricité, à savoir 250-350 $ / MWh, 14% des ménages utilisent déjà des cellules solaires [15]. Etc.

Ainsi, lorsque l'on utilise une approche de niche, il devient évident que dans le cas de niches étroites spécifiques, la vérité est du côté des adhérents de l'énergie solaire, et dans d'autres cas, les thèses des opposants sont déjà valables. Mais, comme précédemment, les simplifications sont importantes et les nuances de la bonne approche seront examinées ci-dessous.

Perspectives. Coût en fonction du temps.

La question du développement énergétique ne doit pas se concentrer sur les facteurs tactiques et les coûts actuels. La durée de vie des centrales nucléaires approche d'un siècle, les dépenses en capital pour le développement de gisements d'hydrocarbures individuels ont atteint des centaines de milliards de dollars avec une période de récupération appropriée, le coût de l'électricité des cellules solaires est réduit annuellement de 15%, etc. Autrement dit, l'approche doit être stratégique et avec un horizon de planification de plusieurs décennies, et dans le cas de la France et de la Russie, où l'énergie nucléaire joue un rôle spécial, l'horizon de planification va à une échelle historique - un siècle. Il est donc contre-productif de se concentrer sur le coût actuel de la production d'électricité.

Comme vous le savez, les prévisions sont une tâche ingrate. Mais c'est mieux que rien. Les progrès technologiques ont permis de réduire les coûts de production des photocellules ( 200 fois au cours des 35 dernières années), des onduleurs, etc., tandis que le développement du marché fait baisser les prix d'installation et de maintenance. Il est peu probable que les progrès s'arrêtent et que les travailleurs deviennent moins qualifiés, de sorte que de nouvelles réductions des prix des cellules solaires et des services connexes sont attendues, tandis que les prix de l'énergie, toutes choses égales par ailleurs, augmenteront. L'essence générale de toutes les prévisions est la même - la réduction exponentielle des coûts qui a été observée au cours des 35 dernières années se poursuivra et il n'y a pas de raisons évidentes pour arrêter les progrès:

Dans le cadre de l '«approche de niche», il est logique de s'appuyer sur la limite inférieure des coûts, car l'énergie solaire commence son développement avec les situations les plus économiques et les comblera longtemps et lentement. Remplir même 5% de la production mondiale d'énergie prendra environ 10 ans.

Conformément aux prévisions de l'Agence internationale de l'énergie, dont la Russie est membre, et de l'Institut allemand de l'énergie solaire nommé d'après Fraunhofer, l'énergie solaire devient moins chère, mais ne devient pas «gratuite». L'énergie traditionnelle bon marché de pays comme la Russie, les États-Unis, la Chine, la Norvège, etc., devrait être moins chère que l'énergie solaire pendant de nombreuses années.

Contexte du réseau

Le problème de l'intégration de l'énergie solaire à grande échelle dans un réseau énergétique unique n'est pas résolu aujourd'hui et, de plus, il n'y a pas de solution même à l'horizon. «Le soleil» est une option pratique pour faire face aux pics de consommation quotidiens, mais dans certains cas, il y a un problème de pointe en soirée, sans parler de l'hiver. Même le brouillard inattendu du matin d'été, qui a caché le soleil à plusieurs gigawatts d'énergie photovoltaïque en Allemagne, peut surprendre les ingénieurs électriciens - il y a des exemples . À l'heure actuelle, par exemple, l'Europe résout ses déséquilibres de «réseau» en important et en exportant de l'électricité, mais à notre avis, les possibilités de cet outil sont limitées. Au niveau conceptuel, il existe un certain nombre d'approches:

Réservation. Un exemple pratique est l'Allemagne. En raison des problèmes décrits ci-dessus, il est nécessaire de garder la production au gaz «10 alertes» «en alerte», c'est-à-dire de réserver la production solaire, bien que l'utilisation de la production solaire ait permis d'abandonner complètement cette génération coûteuse aux pics diurnes de l'été. La majeure partie du coût de l'électricité d'un TPP gaz est le carburant, et l'entreprise, dans une certaine mesure, a gagné en économisant sur l'importation de gaz naturel, malgré l'oisiveté des TPP en été.

La situation inverse est observée dans le cas des TPP sur le charbon, où la majeure partie du coût est constituée par les dépenses en capital. Dans ce cas, l'inverse est vrai: le combustible ne représente qu'une petite fraction du prix de revient et avec une diminution du facteur d'utilisation de la capacité installée (KIUM), l'électricité dans son ensemble coûtera plus cher à la société car elle devra payer à la fois pour la production solaire et pour les capacités inutilisées des centrales thermiques à charbon, qui sont beaucoup plus chères que le gaz [16 ].

Accumulation. Il est possible d'aborder la question des problèmes de réseau par l'accumulation d'électricité. Dans les pays où l'insolation estivale est nettement plus élevée que l'hiver (par exemple en Allemagne), les problèmes d'intégration commencent lorsque le photovoltaïque représente 7% de la production annuelle moyenne d'électricité. Dans ce cas, en été, le pourcentage quotidien moyen monte à 10%, et pendant la journée à 30% [17], ce qui est un grave problème pour le système électrique. L'accumulation est une voie de sortie naturelle pour le développement ultérieur de la situation, malgré le fait qu'elle ne soit pas nécessaire pour le moment [18]. De plus, les doutes sur le développement à grande échelle de l'énergie solaire sont réductibles à la question de l'accumulation bon marché, car le problème du coût élevé de la production d'énergie solaire à forte probabilité cessera tôt ou tard d'exister et seul le problème de l'intégration dans le réseau restera.

Pour 2014, la capacité installée mondiale des systèmes de stockage est de 145 GW, dont 99% sont représentés par des centrales de pompage (PSP) [19]. Les systèmes de stockage d'air comprimé (ACSV) sont utilisés depuis plus d'une décennie, mais n'ont pas encore été distribués - la mise en œuvre actuelle des deux systèmes est essentielle aux conditions géographiques et géologiques.

[20.21]

Le seuil inférieur actuel est de 80 $ / MWh et il y a des raisons de croire que l'AHRN et d'autres technologies peuvent l'abaisser, mais c'est plutôt une réalité pour au moins la prochaine décennie. Les 80 $ / MWh supplémentaires de capacité de stockage sont insupportables pour l'énergie solaire, mais dans une certaine mesure, c'est une question de méthodologie. Les batteries rechargeables au plomb et autres types pour le moment et à moyen terme ne sont pas recommandées dans le rôle des systèmes de stockage pour le photovoltaïque industriel.

EROEI photovoltaics - efficacité énergétique

Brièvement sur la rentabilité énergétique, avec des exemples et des calculs, a été décrit dans un article précédent , donc nous omettons la répétition des bases. Le photovoltaïque EROEI n'est pas un «secret derrière sept sceaux» et il existe de nombreuses études à ce sujet. Si nous résumons 38 études [22], nous pouvons obtenir la gamme EROEI suivante pour différentes technologies:

À notre avis, ce sont de bons résultats. En conséquence, énergétiquement, les cellules solaires sont rentables en 0,5 à 4 ans.

Aspects territoriaux

La question territoriale du photovoltaïque est un autre excellent exemple de «vérité moyenne» - les pays varient considérablement en termes de consommation d'énergie par unité de surface. Les gars du Massachusetts Institute of Technology estiment la superficie requise en photovoltaïque pour répondre à la demande américaine d'électricité en carré de 170x170 km [9]. Le même chiffre peut être obtenu empiriquement: par exemple, la centrale solaire moderne Solar Star a une capacité de 579 MW et une superficie de 13 km², le système de suivi du soleil vous permet d'élever le facteur d'utilisation de la capacité installée (KIUM) à 30% [7], et toute la consommation l'électricité aux États-Unis est de 4,1 * 10 ^ 15 Wh * h - un certain nombre de calculs simples mèneront le lecteur curieux au même nombre. Par exemple, voici une carte des États-Unis,sur lequel nous avons appliqué la surface requise des centrales solaires (sous réserve de la correction KIUM) pour satisfaire toute la consommation électrique américaine:

Basé sur GoogleMaps, comme

vous pouvez le voir, il est facile de se débarrasser d'une petite partie des déserts de l'Arizona et du Nevada. Il est intéressant d'ajouter que la superficie totale de tous les toits aux États-Unis est de 140 x 140 km2 [9]. Mais le Japon n'a que quatre fois moins de consommation d'énergie par rapport aux États-Unis et 25 fois moins de superficie, donc pour le Japon la nuance territoriale du photovoltaïque est beaucoup plus nette et il n'y a pas de 90x90 km supplémentaires là-bas.

Leçons d'histoire: L'évolution des estimations du potentiel photovoltaïque

Le paradoxe de Hegel déclare que «l'histoire enseigne à l'homme que l'homme n'apprend rien de l'histoire». Malgré la jeunesse de l'énergie solaire, à ce jour il existe déjà une expérience qui est «le fils d'erreurs difficiles», et il convient de prêter attention aux erreurs précédentes pour ne pas multiplier les vôtres. Résumant les prévisions sur l'énergie solaire d'il y a de nombreuses années par deux grandes agences de l'énergie:

[23,24,25,26]

La conclusion est évidente - le photovoltaïque a été systématiquement sous-estimé, et très fortement: en 2006, l'AIE prévoyait 87 GW pour 2030, mais ce niveau a été dépassé après six ans. La prévision de référence de 2009 (208 GW) sera dépassée en 2015-2016. Les prévisions d'AEI (EIA), une division du département américain de l'Énergie, étaient similaires. L'essence des prévisions était la même - un ralentissement du développement exponentiel actuel, mais le développement du photovoltaïque a systématiquement réfuté ces hypothèses.
Ainsi, regarder le développement du photovoltaïque dans des couleurs pessimistes sera plutôt une erreur, que la rétrospective enseigne. Il convient de mentionner l'effet d'une base basse: malgré le fait que la production solaire a augmenté de 50% par an, en chiffres absolus, elle est d'environ 30 TW * h ces dernières années. Alors que la consommation mondiale d'électricité augmente, en moyenne, de 650 TW * h par an [27]. Autrement dit, la contribution du photovoltaïque est encore négligeable - 1% de la production mondiale d'électricité et 0,2% de la production mondiale d'énergie primaire (ce paramètre inclut toutes les sources d'énergie en général: les hydrocarbures, etc.).

résultats

La vérité est au milieu, entre les deux positions indiquées au début de la matière.

La production d'électricité photovoltaïque se développe à grande vitesse et la tendance se poursuivra
- 2030-

Ainsi, malgré les progrès significatifs du photovoltaïque et des énergies renouvelables en général, les énergies fossiles devront être utilisées assez longtemps et les difficultés de transition vers un nouveau stockage d'énergie sont à venir. Le développement en général et l'augmentation de la consommation d'énergie en particulier sont des attributs invariables de l'humanité depuis des centaines d'années, et la société continuera sans aucun doute à s'améliorer. Selon la Banque mondiale, un milliard de personnes n'ont pas accès à l'électricité [28] et la tâche de fournir de l'électricité à l'humanité est un défi pour l'énergie solaire. Étant donné que la consommation mondiale d'électricité augmente à un rythme de 3% par an et doublera d'ici 2040, la taille des niches augmentera en nombre relatif et absolu.
Il est intéressant de regarder les résultats sous l'aspect civilisationnel [12]:

dans le cadre de l'approche proposée, on peut affirmer que la niche créée artificiellement en Europe, en général, était remplie et que le développement futur est brumeux et sera déterminé par la situation économique. Par conséquent, l'Association européenne du photovoltaïque prévoit le développement du photovoltaïque dans une large gamme: 120-240 GW d'ici 2020 [28]. Le vecteur de production et d'utilisation des cellules solaires au cours des deux dernières années a été redirigé vers l'Asie, où sur deux ans la capacité installée des cellules solaires dépassera celle correspondante pour les pays européens.

Sources:
1. www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2014.pdf
2.www.iea.org/bookshop/480-Medium-Term_Renewable_Energy_Market_Report_2014
3. www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
4. www.iea.org/media/workshops/2014/solarelectricity/bnef2lcoeofpv.pdf
5 . www.db.com/cr/en/docs/solar_report_full_length.pdf
6. www.agora-energiewende.org/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/PV_Cost_2050/AgoraEnergiewende_Current_and_Future_Cost_of_PV_Feb2015_web.pdf
7. www.irena.org/DocumentDownloads/Publications /IRENA_RE_Power_Costs_2014_report.pdf
8.www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/study-levelized-cost-of-electricity-renewable-energies.pdf
9. mitei.mit.edu/system /files/MIT%20Future%20of%20Solar%20Energy%20Study_compressed.pdf
10. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.PETR.ZS
11. mnre.gov.in/file-manager/UserFiles/Draft-Scheme -Solar-Park-and-Ultra-Mega-Solar-Power-Projects-for-comments.pdf
12. www.iea-pvps.org/index.php?id=3&eID=dam_frontend_push&docID=2150
13. www.cnrec.org .cn / go / AttachmentDownload.aspx? id = {1056eb44-8882-46a2-b4a4-c45c42d5c608}
14. cleantechnica.com/2015/04/20/china-installed-5-04-gw-new-solar-q115
15 .www.abs.gov.au/ausstats/abs@.nsf/mf/4602.0.55.001
16. www.iea.org/publications/freepublications/publication/projected_costs.pdf
17. www.ise.fraunhofer.de/en/downloads -englisch / pdf-files-englisch / data-nivc- / electric-production-from-solar-and-wind-in-germany-2014.pdf
18. www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf -dateien-en / studien-und-konzeptpapiere / recent-facts-about-photovoltaics-in-germany.pdf
19. www.iea.org/publications/freepublications/publication/Tracking_Clean_Energy_Progress_2015.pdf
20. www.iea.org/publications /freepublications/publication/TechnologyRoadmapEnergystorage.pdf
21. energy.gov/sites/prod/files/2013/08/f2/ElecStorageHndbk2013.pdf
22. www.researchgate.net/profile/Defne_Apul/publication/273818473_Energy_payback_time_%28EPBT%29_and_energy_return_on_energy_invested_%28EROI%29_of_solar_photovoltaic_systems_A_systematic_review_and_meta-analysis/links/55143adb0cf23203199d12be.pdf?disableCoverPage=true
23. www.eia.gov/oiaf/aeo/tablebrowser/# release = IEO2011 & subject = 9-IEO2011 & table = 25-IEO2011®ion = 0-0 & cases = Reference-0504a_1630
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25. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2006.pdf
26. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2009.pdf
27.www.bp.com/content/dam/bp/excel/Energy-Economics/statistical-review-2014/BP-Statistical_Review_of_world_energy_2014_workbook.xlsx
28. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS

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