Énergies renouvelables et photovoltaïque : cours de Bac pro MELEC

Dans ton métier, tu ne te contentes plus de tirer des câbles depuis un tableau électrique. Le référentiel du Bac pro MELEC place la production d'énergie électrique dans le champ d'activité, avec les énergies renouvelables, la production centralisée et la connexion de réseaux hybrides.¹ Il prévoit aussi la connexion des systèmes de production électrique locale aux bâtiments, qu'ils soient résidentiels, tertiaires ou industriels.¹

Concrètement, cela veut dire qu'un jour, tu poseras des panneaux sur un toit, tu câbleras un onduleur, tu régleras un compteur et tu devras expliquer au client ce qu'il produit réellement. Pour le faire sérieusement, il faut maîtriser deux choses : le vocabulaire des énergies renouvelables, et les calculs de base d'une installation photovoltaïque.

Ce cours avance en six temps :

1. ce qu'est une énergie renouvelable et quelle place elle occupe dans le monde ;
2. le principe du photovoltaïque et ses éléments constitutifs ;
3. la quantité de soleil reçue et la productivité d'une installation ;
4. les trois relations de calcul à connaître ;
5. l'autoconsommation, l'injection et les usages ;
6. les avantages et les limites de ces filières.

Tu retrouveras ensuite des exercices corrigés, un quiz et une foire aux questions.

Le mot « renouvelable » ne dit pas « sans impact ». Il dit seulement que la source ne se vide pas à l'échelle de nos vies. Le soleil continue de briller, le vent de souffler, l'eau de circuler. En revanche, fabriquer les équipements qui captent ces flux demande des matériaux, de l'énergie et de la place. Nous y reviendrons dans la dernière partie.

Un peu d'histoire. Pendant longtemps, l'humanité a surtout brûlé de la biomasse, et en particulier du bois, jusqu'au XVIIIe siècle.⁶ Les éoliennes modernes ont pris de l'ampleur à partir des années 1990.⁶ Le solaire thermique et le solaire photovoltaïque se sont développés au début des années 2000.⁶ Depuis, les progrès techniques et les volumes installés de plus en plus grands ont fait évoluer rapidement les coûts de ces filières.⁶

Quelle part dans l'énergie consommée ? En 2018, les énergies renouvelables représentaient environ 17,9 % de la consommation finale d'énergie dans le monde.⁶ Cette part se découpe ainsi :

• 6,9 % de biomasse traditionnelle, comme le bois ou les déchets agricoles ;⁶
• 4,3 % de chaleur issue de renouvelables thermiques (biomasse, géothermie, solaire thermique) ;⁶
• 3,6 % d'hydroélectricité ;⁶
• 2,1 % pour les autres renouvelables électriques, dont l'éolien et le solaire photovoltaïque ;⁶
• 1 % de biocarburants.⁶

Tu remarques que le photovoltaïque pèse encore peu dans ce total mondial. Pourtant, c'est une des filières qui se déploient le plus vite, et c'est celle que tu rencontreras le plus souvent sur un chantier de bâtiment.

Une cellule produit peu à elle seule. On associe donc des cellules dans un module (le panneau que tu vois sur un toit), puis des modules entre eux pour former un champ photovoltaïque. Un chantier pédagogique du réseau Éduscol parle justement de réalisation et de mise en service d'une installation de production d'électricité, avec un champ photovoltaïque.² Dans ce chantier, on construit même une structure mobile montée sur châssis pour pouvoir travailler sur l'énergie photovoltaïque à presque toute période de l'année.²

La chaîne de conversion. Retiens l'ordre des éléments, il te servira pour le câblage, le dépannage et la mise en service :

1. le rayonnement arrive sur les modules ;
2. les cellules produisent un courant continu ;
3. un onduleur transforme ce courant continu en courant alternatif, compatible avec le réseau et les récepteurs du bâtiment ;
4. un tableau de protection et un compteur assurent la sécurité et la mesure ;
5. l'énergie est consommée sur place ou envoyée vers le réseau.⁵

Un panneau ne produit pas pareil à Lille et à Marseille, ni en décembre et en juillet. Pour comparer, on regarde l'énergie lumineuse qui arrive sur la surface des modules. Les documents d'Éduscol appellent cela l'irradiation ou énergie incidente : on la donne généralement en kWh par mètre carré et par an, pour un plan donné.³ Le « plan » compte : un module posé à plat, incliné ou orienté au sud ne reçoit pas la même énergie.

Le même document parle de production au « fil du soleil » : l'installation produit quand le soleil brille, au rythme de la lumière, par analogie avec la production au fil de l'eau d'une centrale hydroélectrique.³ Cela implique deux conséquences pratiques. D'abord, la production varie dans la journée et selon la météo. Ensuite, si tu veux consommer quand il n'y a pas de soleil, il faut soit du stockage, soit le réseau.

Pourquoi tous les rayons ne deviennent-ils pas de l'électricité ? Parce qu'un module a un rendement, c'est-à-dire la part de l'énergie reçue qui devient énergie électrique. Pour t'en donner un ordre de grandeur, une source déjà ancienne donne 14 à 16 % pour une cellule en silicium monocristallin, et les modules vendus aujourd'hui dépassent souvent 20 %. La photosynthèse, qui alimente la biomasse, plafonne à 3 à 6 %.⁶ Cette comparaison explique pourquoi produire de l'énergie avec des cultures demande bien plus de surface qu'avec des panneaux.⁶

Association de modules. Quand tu relies des modules identiques en série, leurs tensions s'additionnent et l'intensité reste celle d'un module. Quand tu les relies en parallèle, leurs intensités s'additionnent et la tension reste celle d'un module. Dans les deux cas, la puissance totale est la somme des puissances des modules, aux pertes près.

Une fois l'électricité produite, deux destinations existent. Elle peut être autoconsommée, c'est-à-dire utilisée sur place par les récepteurs du bâtiment, ou injectée sur le réseau.⁵ Beaucoup d'installations combinent les deux : le bâtiment consomme d'abord ce qu'il produit, et le surplus part sur le réseau.

Les collectivités sont concernées au premier chef. Leurs bâtiments et équipements publics peuvent recevoir des panneaux photovoltaïques pour produire de l'électricité renouvelable et locale, autoconsommée ou injectée.⁵ Les zones déjà artificialisées, comme des parkings ou des terrains délaissés, se prêtent bien à l'implantation d'installations.⁵ Avant de choisir, on évalue le gisement potentiel du territoire.⁵

Des usages très variés. Dans les documents d'Éduscol, le photovoltaïque alimente aussi des véhicules : bateaux, aéronefs, voitures.³ Le même texte juge la recharge photovoltaïque beaucoup plus réaliste pour rouler à l'énergie solaire que de couvrir un véhicule de cellules.³ C'est un lien direct avec les bornes de recharge des véhicules électriques.

Quand le photovoltaïque devient rentable. Selon la documentation d'Éduscol, le solaire photovoltaïque coûte déjà moins cher que certaines alternatives dans de nombreuses régions du globe.³ Le même texte note que l'investissement devient très rentable dès que le site est assez loin du réseau. Cette distance seuil diminue quand les besoins en énergie sont modestes.³ Pour un site isolé, comme un abri ou un équipement de mesure, poser des modules revient donc souvent moins cher que tirer une ligne jusqu'au réseau.

Les arguments en faveur des renouvelables sont réels. Produire de l'énergie avec elles rejette moins de gaz à effet de serre qu'avec les combustibles fossiles. Elles apportent aussi d'autres atouts : autonomie énergétique, santé publique, rentrées fiscales pour les collectivités locales.⁶ D'après une étude de l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) parue en 2019, la nouvelle production d'électricité la moins chère vient, dans la majorité des régions du monde, des renouvelables.⁶

Mais un discours honnête cite aussi les limites. Les renouvelables demandent des matières premières critiques.⁶ Elles peuvent créer une dépendance à l'importation d'équipements, notamment de cellules photovoltaïques.⁶ Elles peuvent aussi contribuer à d'autres pollutions et nuisances, qui touchent notamment la biodiversité.⁶

Reste la question du réseau. Raccorder beaucoup de production renouvelable oblige à investir dans les lignes qui transportent l'électricité. Pour la période 2010-2035, l'Agence internationale de l'énergie évalue à près d'un quart la part des dépenses de réseau liée à l'essor de la production d'origine renouvelable.⁶