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Le Japon, pionnier dans le domaine de l’énergie solaire à meilleur rendement

De plus en plus de systèmes de production d'électricité solaire photovoltaïque sont installés au Japon pour des usages résidentiels, contribuant à réduire l'impact sur l'environnement de la production d'énergie pour l'habitat. Les systèmes produisant trois kilowatts (kW) ou moins étaient répandus par le passé, mais des systèmes à haute capacité pouvant produire plus de 5 kW ont fait leur apparition. Une grande variété de systèmes est d'ores et déjà disponible, non seulement pour l'habitat mais aussi pour les usines, les phares, les îles isolées, les régions désertiques, les zones reculées ou les satellites.

Ces systèmes sont très respectueux de l'environnement puisqu'ils utilisent l'énergie solaire, une ressource renouvelable, et n'émettent pas de dioxyde de carbone. L’énergie solaire bénéficie d’un appui grandissant, la communauté internationale étant de plus en plus préoccupée par le réchauffement de la planète et la préservation des ressources non-renouvelables. Au cœur d'un marché mondial des systèmes photovoltaïques en pleine expansion, le gouvernement japonais soutient avec force le développement des technologies photovoltaïques.

Le procédé photovoltaïque convertit la lumière du soleil en énergie électrique, les semi-conducteurs en silicium produisant de l'électricité lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Un système rudimentaire de production d'électricité solaire se compose de modules photovoltaïques, d’un onduleur pour convertir le courant continu en courant alternatif, et d’appareils périphériques dont un régulateur de charge. La plupart des modules photovoltaïques sont fabriqués en silicium, que ce soit du silicium cristallin (monocristallin ou multicristallin) ou du silicium amorphe.

L'unité élémentaire du système photovoltaïque est la cellule. Le silicium est cristallisé pour créer une barre appelée lingot, lequel est finement découpé et transformé en cellules. Ces cellules sont disposées, reliées entre elles, recouvertes de verre trempé et conditionnées pour ainsi former un produit appelé module. Il existe différentes tailles et formes de modules en panneaux pour des applications résidentielles, allant d’environ 1 x 1,2 m à la moitié de cette taille. Certains sont rectangulaires, d'autres triangulaires. Un générateur photovoltaïque est un ensemble de modules mis dans un cadre pour être montés sur un toit. La puissance nominale d'un système représente la puissance électrique fournie par un générateur.

Un rendement de conversion de 15,7 %

Kyocera Corporation a développé un système photovoltaïque à usage résidentiel ayant un rendement de conversion de 15,7 %. Ce coefficient se calcule en divisant la puissance maximale de production électrique du système par la surface totale des modules photovoltaïques (en silicium multicristallin). Il s'agit du coefficient le plus élevé au monde pour un système à usage résidentiel. Les cellules elles-mêmes sont effectivement évaluées à 17,7 %, mais la résistance dans les électrodes et le câblage du modèle affaiblit le rendement de conversion du système. Etant donné que le Soleil produit à la surface de la Terre approximativement 1 kW d'énergie par mètre carré, un rendement de conversion de 15,7 % signifie une production électrique de 157 watts par mètre carré de la surface du module.

Bien que les toits des maisons japonaises soient, en général, assez petits, ils peuvent tout de même accueillir des systèmes de 3 ou 4 kW. En conséquence, des systèmes à rendement satisfaisant et nécessitant relativement moins de place devraient connaître un plus grand succès. De plus, ces systèmes sont plus faciles à installer et moins coûteux que les précédentes générations de modèles.

Les nouveaux systèmes auront un rendement encore supérieur. Un “ module de concentration ” va suivre le Soleil grâce à une lentille spéciale qui concentre sa lumière dans des cellules au germanium qui ont un rendement 1,5 fois supérieur à celui des cellules au silicium, les plus utilisées de nos jours. Récemment, un module de ce type de 1,7 x 3 m a généré une puissance de 150 watts avec un rendement de 28,1 %. Développé en commun par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), Sharp Corporation et Daido Metal Co., ce nouveau système devrait être commercialisé en 2005. Ces trois collaborateurs espèrent parvenir toujours en 2005 à un rendement de 40 % et réaliser un module dont le coût serait inférieur à 100 000 yens par kW.

Bien entendu, l'efficacité des systèmes photovoltaïques dépend de la quantité de lumière disponible, laquelle varie selon la région, la saison, l'heure de la journée et le temps. Elle dépend aussi de l'inclinaison et de la direction de la toiture, ainsi que de l'élévation de la température dans la cellule. Prenant en compte tous ces paramètres, les systèmes actuels sont susceptibles d'atteindre un rendement de 12 % et de produire par an près de 1 000 kilowatts heure (kWh) par kW disponible. Un foyer japonais moyen de quatre personnes a une consommation électrique de 4 500 kWh par an, qui pourrait être couverte par un système de 4 à 5 kW avec un rendement de conversion de 15,7 %. Ne consommant pas d'énergie fossile, le système permettrait à la famille de réduire ses émissions de CO2 de 180 kg et d'économiser 243 litres de pétrole par an.

Les systèmes à usage résidentiel présentent également l'avantage de permettre aux particuliers de vendre leur surplus d'électricité aux compagnies électriques à un prix équivalent à celui auquel ils auraient acheté l'électricité. Les cellules solaires ne peuvent pas stocker de l'énergie ; par conséquent, lorsque la production est faible (matin, soir, par temps nuageux, etc) ou non disponible (nuit), le manque d’électricité doit être compensé par l'achat d'énergie auprès d'une compagnie.

Un nouveau défi : réduire les coûts d'installation

Le gouvernement espère voir la capacité cumulative des systèmes photovoltaïques atteindre 4 820 MW, soit l'équivalent de cinq centrales nucléaires de 1 000 MW, d'ici 2010. Cet objectif est des plus ambitieux si l'on considère que, d'après l'Agence internationale de l'énergie, la capacité était estimée à 637 MW en 2002. Ces chiffres de 2002, soit dit en passant, représentaient 49 % du total mondial, comparés au 277 MW de l’Allemagne et 212 MW des Etats-Unis.

Atteindre cet objectif nécessite une baisse des coûts d'installation à un niveau comparable à ceux facturés aux particuliers pour l’achat d’électricité. Les systèmes seraient non seulement plus abordables mais le gouvernement serait également libéré du besoin d'offrir des abattements aux consommateurs pour les inciter à acquérir des systèmes photovoltaïques. En 1999, le coût d'installation hors taxes d'un système photovoltaïque pour l'habitat était de 930 000 yens, soit près de 9 000 dollars US, par kilowatt de puissance nominale. En 2004, ce chiffre est tombé à 7 000 yens. Des réductions plus importantes du coût d'installation permettraient au coût par kilowatt de passer sous la barre des 500 000 yens (4 500 dollars US environ).

Dans le même temps, les coûts de production d'électricité sont restés élevés. L'électricité produite par les systèmes à usage résidentiel est trois fois plus chère que celle des compagnies d'électricité (24 yens par kWh), alors que celle produite par des systèmes plus importants est cinq fois plus coûteuse que les tarifs pour les entreprises (16 yens par kWh). Le développement du marché et l'expansion à l'étranger, y compris la coopération internationale, dépendent de la baisse du coût de l'électricité pour les particuliers à un niveau équivalent à l'électricité pour les entreprises.

Mais des coûts plus faibles nécessitent une amélioration de la production d'énergie et des techniques de fabrication. Les nouvelles cellules doivent proposer des rendements de conversion plus élevés, des membranes plus fines, des surfaces plus étendues (plus de 300 x 300 mm) et des débits plus élevés, et par ailleurs elles doivent être produites en masse. Parallèlement, les efforts vont se poursuivre pour développer de meilleures technologies afin d’évaluer les performances et la fiabilité des modules et des systèmes, et de recycler et réutiliser les composants des systèmes photovoltaïques. Sharp Corporation, Kyocera Corporation, Sanyo Electric Co. et d'autres fabricants japonais poursuivent ces objectifs en collaboration avec la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).

Les réalisations japonaises en tête dans le monde

Près de 50 % de la production totale des cellules solaires dans le monde est japonaise, et les fabricants japonais dominent le marché mondial, exportant près de 30 % de leur production. Ils devraient continuer à tenir la première place à court et à moyen terme, y compris par la production à l'étranger. En dehors du Japon, la demande mondiale devrait croître de plus de 20 % par an, grâce notamment aux nouvelles mesures d’incitation prises en Californie et dans d'autres Etats américains, à la poursuite de la promotion en Allemagne et dans d'autres pays membres de l'Union Européenne ainsi qu’à la demande générée par les Jeux Olympiques de Pékin en 2008. L’avenir des systèmes solaires photovoltaïques est brillant !