Faut-il installer des panneaux solaires photovoltaïques ?

Dans cet article, je vous propose de faire un point sur la manière de produire de l’électricité à l’aide de panneaux photovoltaïques.

Commençons par une petite question : qu’elle est, à votre avis, la source d’électricité actuellement la moins chère ?

La réponse va peut-être vous surprendre, il s’agit de l’énergie solaire photovoltaïque !

Et qui le dit ? L’agence internationale de l’énergie (IEA) dans son dernier rapport annuel :

Rapport IEA

Même si cette énergie pose le problème de son intermittence, il est tant d’en finir avec tous les préjugés qui la décrédibilisent depuis des décennies.

L’énergie solaire représente l’énergie renouvelable la plus attirante qui soit, on pourrait la qualifier d’énergie rêvée. En effet, le soleil irradie gratuitement notre planète tous les jours d’une énergie colossale. En moyenne, car cela varie suivant la latitude de chaque lieu, la surface de la Terre reçoit une énergie de 342 watts par mètre carré.

Faisons un petit calcul pour se fixer les idées

Pour la France, notre consommation interne, hors exportation, nécessite une capacité moyenne de production d’électricité de 55 GW (un GW = un gigawatt = un milliard de watts), cela correspond à environ 820 watts par Français.

Quelle surface de panneaux solaires faudrait-il installer pour disposer d’une capacité de 55 GW ?

Le calcul, que vous pouvez retrouver en détail en fin d’article, nous indique qu’il faudrait un capteur solaire équivalent à un panneau solaire de 45 km de côté. À chacun de juger cette valeur, on peut la trouver très faible ou énorme, je vous laisse réfléchir et lire en fin d’article des remarques à ce sujet.

Si nous faisons maintenant le calcul au niveau d’un foyer de deux personnes. Le besoin moyen est de 820 x 2 = 1640 watts. Dans ce cas, le calcul donne un besoin de 60 m² de panneaux solaires, soit une installation d’environ 10 KWc. Il faudrait ensuite mutualiser toutes les installations des particuliers pour pouvoir gérer les variations de consommations ou simplement les relier au réseau général qui jouerait le rôle de tampon.

Le solaire c’est bien, mais attention aux arnaques

Vu le grand nombre de paramètres qui entre en jeu lors d’une installation photovoltaïque, il et très difficile de s’y retrouver et il est impossible de comparer plusieurs offres, car les entreprises cachent toujours certains paramètres. Je vais essayer d’être le plus clair possible et de ne conserver que les points importants pour simplifier, mais  sans perdre trop en précision.

Avant de commencer, je vous explique en deux lignes, comment les commerciaux du photovoltaïque à domicile ou sur internet procèdent pour vous forcer la main. J’en ai reçu un à la maison et j’ai rapidement compris l’entourloupe.

Le commercial va vous expliquer longuement tous les paramètres qui entre en ligne de compte pour votre installation, zone géographique, orientation, inclinaison, type de panneaux, type d’installation, etc. Jusque là, c’est parfait.

Puis à la fin, il va vous chiffrer le coût de l’installation.

Ensuite, il y a deux types d’arnaques :

- Premier cas : il va vous demander votre consommation d’électricité annuelle et va calculer le retour sur investissement à partir de cette consommation ! Il va alors, par exemple, vous indiquer qu’il faut 10 ans pour rembourser votre investissement, et que sur les 30 années de durée de vie des panneaux vous allez obtenir un rendement financier de 10 % par an. 

Vous voyez le piège ? Tous les paramètres expliqués au départ sont ignorés, le commercial considère d’emblée que la production de vos panneaux correspond à votre consommation actuelle !! Or cela n’a rien à voir, pour connaitre la production d’électricité et le gain, il faut faire le calcul avec l’ensemble des paramètres, ce que je vous propose de faire dans la suite de l’article.

- Deuxième cas : il va vous indiquer que les panneaux photovoltaïques se financent d’eux-mêmes ! C’est-à-dire que la production d’électricité des panneaux va couvrir le montant mensuel de votre emprunt pour l’installation. Vous n’avez donc rien à débourser ! 

Même arnaque, les paramètres de départs sont oubliés, le commercial ajuste automatiquement, comme par magie, le gain produit par vos panneaux au montant de l’échéance de votre crédit. Vous devez donc bien faire attention si vous ne souhaitez avoir une surprise.

Cas pratique : projet de mise en place de panneaux photovoltaïques

Si vous souhaitez installer des panneaux photovoltaïques chez vous, je vous propose de dérouler ci-dessous les différents points à prendre en compte. Pour être plus concret, je prendrai en exemple mon habitation. 

Vérification de l’exposition solaire de votre toit

Cela dépend de quatre paramètres : la zone géographique où vous vous trouvez, l’inclinaison de votre toit, l’orientation de votre toit, et la présence d’obstacle au soleil pouvant réduire l’insolation des panneaux (Montagne, arbres, bâtiment, etc.)

Le but de cette étape est de calculer combien de kilowattheures d’énergie solaire par an et par mètre carré vous êtes susceptible de recevoir sur votre toit.

Zone géographique

En résumant, plus vous êtes au sud mieux c’est ! En France, la durée moyenne d’ensoleillement annuel montre un gradient nord-sud avec environ 1500 heures d’ensoleillement au nord et 2900 heures sur la Côte d’Azur. 

Le sud du Jura où je me trouve se situe entre 1800 à 1900 heures d’ensoleillement par an.

Inclinaison du toit

Pour une orientation sud, l’optimum se situe à 30° d’inclinaison. Pour une orientation Sud-Est par exemple, l’optimum est plutôt à 25°.

Pour une orientation sud : pour un capteur à plat sur un toit (inclinaison 0°) la perte est de 10 % par rapport à l’optimal. Pour un toit à 45 °, la perte est de 3 % , elle de 9 % pour 60° et de 32 % pour un capteur vertical. À condition qu’il n’y ait pas d’ombrage, car plus le capteur est incliné et plus le risque d’ombrage augmente.

Mon toit est incliné à 35°, la perte est négligeable, inférieure à 1%.

Orientation du toit

L’orientation plein sud est la meilleure, une orientation sud-est (-45°) ou Sud-Ouest (+45°) vous fera perdre 4 % par rapport à l’optimum.

Une orientation Est (-90°) ou Ouest (+90°) vous fera perdre 15 % par rapport à l’optimum. 

Pour une installation photovoltaïque, il ne faut pas aller au-delà, les pertes deviennent trop importantes et rendent le projet non rentable. Pour information, une exposition Nord entraine une perte de 32 % pour une inclinaison de 30° et de plus de 53 % pour une inclinaison de 60°.

Dans le cas de mon toit, les capteurs seraient orientés Sud-Est, soit une perte de 4 % par rapport à l’optimum de ma région.

Ombrages

Vous devez vérifier que les panneaux ne seront pas ou le moins possible masqués par le relief, des arbres, des bâtiments ou autres objets.

Détermination de votre gisement solaire en kWh/m²

Une fois que vous êtes en possession de ces quatre paramètres, rendez-vous sur le calculateur de l’INES (Institut national de l’énergie solaire) ici :

Calculateur INES

En entrant mes paramètres, Besançon, Orienation Sus-Est (-45°), inclinaison 35°, j’obtiens 1251 kWh/m²/an contre 1313 pour l’optimal de la région soit une perte de 5 % environ.

Prise en compte de l’ombrage  

Le calculateur vous permet de prendre en compte l’ombrage constaté, pour cela indiquez « oui » dans la case « Prendre en compte un masque » et lancez le calcul. Les zones permettant la saisie du masque apparaissent.

Vous devez indiquer pour chaque direction sur 180° de votre toit, l’angle maximum formé avec les obstacles.

Rappel pour ceux qui ont oublié leur trigonométrie ! Pour trouver l’angle que forme un bâtiment de 7 mètres de haut situé à 30 mètres, vous devez utiliser la formule suivante : tang(angle) = 7 / 30 ce qui donne : angle = Invtang(0,23) = 13°.

Avec mon masque j’obtiens 1146 kWh/m²/an. Soit une perte liée au masque de près de 9 %.

Au final, mon installation sera à environ -13 % de l’optimum de ma région.

Étant situé à mi-distance de Besançon et de Lyon, je vais prendre la moyenne des valeurs de ces deux villes : (1146 + 1203) / 2 = 1174 kWh/m²/an.

Calcul de la production théorique d’électricité

Le résultat de ce calcul va dépendre de la surface de panneaux solaires que vous allez installer et de leur rendement.

La surface va être déterminée en fonction des possibilités de votre toit et de votre budget. Mais il faut savoir que plus l’installation est importante et plus son coût au mètre carré diminue par économie d’échelle. 

Exemple : si une installation de 10 panneaux coûte 100, une installation de 20 panneaux coûtera -20 % sur les 10 panneaux supplémentaires, elle coûtera donc 180 et une installation de 30 panneaux -40 % sur les 10 derniers, elle coûtera donc 240. Il s’agit d’ordre de grandeur.

Exemples de coût d'installation proposé :

3 kWc (10 panneaux) compter entre 7 000 € et 9 000 €.

6 kWc (20 panneaux) compter entre 13 000 € et 16 000 €.

9 kWc (30 panneaux) compter entre 17 000 € et 20 000 €. 

Type de panneaux et rendement

Silicium amorphe (Panneaux gris foncé uniformes, peuvent être souples)

Se sont des panneaux à faible coût et à faible rendement entre 5 et 8 %. Leur faible rendement impose d’en utiliser une grande surface, ce qui n’est pas possible pour une installation photovoltaïque sur un toit d’une maison individuelle.

Tellurure de cadmium (Panneaux bleu très foncé à noirs)

Cette technologie est utilisée par une seule entreprise américaine (First Solar). Ces capteurs disposent d’un rendement moyen de 12 %. En outre, l’utilisation de tellure et de cadmium pose des questions sur un probable risque environnemental.

Silicium polycristallin (Panneaux bleus non homogènes)

Se sont les panneaux photovoltaïques les plus utilisés, car disposant du meilleur rapport rendement / coût. Leur rendement se situe entre 12 et 18 %, la moyenne des installations se situe à 15 %.

Silicium monocristallin (Panneaux de couleur noire homogène)

Se sont des panneaux plus performant, mais plus cher. Leur rendement se situe entre 14 et 24 %, souvent aux alentours de 18 %.

Le monocristallin est intéressant si vous disposez de peu d’espace sur votre toit et sa couleur noire est plus discrète.

Nouvelles technologies

Il existe de nombreuses autres technologies en cours de développement dans les laboratoires avec en autres des systèmes à couches multiples pour permettre l’absorption d’une plus grande partie du spectre électromagnétique, l’utilisation de pérovskite semble montrer un fort potentiel, mais la technologie n’est pas encore mature. Le record mondial de rendement en laboratoire est actuellement (en 2021) de 47,1 % avec la technologie à 4 jonctions du NREL (National Renewable Energy Laboratory du Colorado).

Voir à ce sujet l'excellent article sur le magazine La Recherche N° 565 (Avril 2021): La pérovskite donne un solide avantage au solaire. Avec un entretien de Daniel Lincot.

Remarque : il est important de nettoyer une fois par an la surface des panneaux solaires, sans quoi les poussières peuvent entrainer des pertes de rendement allant de 2 à 7 %.

Calcul de la production d’électricité

En reprenant la valeur de mon gisement solaire corrigé de 1174 kWh / m² / an et avec des capteurs polycristallins à 15% de rendement nous obtenons :

1174 * 15 % = 176 kWh / m² / an d’électricité produite.

Si nous choisissons d’installer 20 panneaux de 1,7 x 1 m soit 34 m² de capteurs solaires nous produiront :

176 x 34 = 5 984 kWh / an.

Si l’on décide de revendre la production au tarif de 0,1521 € le kilowattheure, nous réaliserons un gain annuel de 910 €.

Si l’installation complète a coûté 16 000 € (Coût moyen d’une installation de cette taille avec des panneaux polycristallins à 15 % de rendement), il faudra donc 17,5 ans pour l’amortir. Dans ma commune, si je disposais d’une orientation optimale et sans ombrage, l’amortissement se ferait en 15 ans.

Cela peut rester intéressant, mais nous ne sommes tout de même pas aux 10 ans souvent annoncés, c’est certainement possible au sud de la France. Néanmoins, il faut garder à l’esprit que la motivation pour la mise en place d’une installation photovoltaïque ne doit pas être seulement pécuniaire, le plus important étant la participation à la lutte contre le réchauffement climatique.

La notion de watts-crête (Wc)

Cette notion est trompeuse, il faut bien la comprendre.

Il s’agit de l’unité qui est utilisée pour spécifier la puissance maximale d’un panneau solaire sous certaines conditions. 

Elle est définie comme suit : c’est la puissance électrique que le panneau solaire va produire sous un ensoleillement de 1000 watts / m², à une température de 25°, avec une orientation sud, une inclinaison de 30° et sans ombrage.

C’est-à-dire qu’il s’agit de la puissance que le panneau va délivrer sous un ensoleillement de 1000 watts / m² dans des conditions optimales. La valeur indiquée donne la puissance du panneau, pas du mètre carré de capteur. Les panneaux font en général 1,7 m par un mètre, soit 1,7 m².

Un panneau polycristallin type de 250 Wc a donc un rendement de ((250 / 1,7) / 1000) * 100 = 14,7 %

Un panneau monocristallin type de 325 Wc a donc un rendement de 19 % et les plus performants de 400 Wc ont un rendement de 23,5%.

Dans notre calcul précédent pour la production d’électricité, nous avons considéré un rendement de 15%, cela signifie que nous supposions avoir des panneaux de 255 Wc.

Personnellement, je trouve qu’il est beaucoup plus facile de comprendre et de travailler avec la notion de rendement qu’avec celle de watts-crête.

Vendre son électricité ou l’autoconsommer ?

Concernant l’électricité produite, vous avez plusieurs possibilités :

- Tout vendre à EDF

- Autoconsommer uniquement

- Autoconsommer et vendre le surplus à EDF

Autoconsommer uniquement est fortement déconseillée, car vous n’arriverez pas à consommer toute votre production et la différence sera perdue ou offerte à EDF. Le seul intérêt de tout autoconsommer se présente pour les lieux isolés qui ne peuvent se connecter au réseau.

Il vous reste donc les deux autres options. Attention, le tarif de vente n’est pas le même pour ces deux options : 

Si vous vendez tout à EDF, vous appliquez le tarif suivant qui dépend de la puissance de votre installation :

Tarif 2021 :

Il est de 0,1789 € le kWh si votre installation fait 3 kWc ou moins.

Il est de 0,1521 € le kWh si votre installation fait 9 kWc ou moins (notre exemple 6kWc).

Il est de 0,1121 € le kWh si votre installation fait 36 kWc ou moins.

Il est de 0,0974 € le kWh si votre installation fait 100 kWc ou moins.

L’avantage de cette solution est qu’elle est sans contrainte, vous consommez comme vous avez l’habitude et vous vendez tout ce que vous produisez. L’inconvénient est que le coût de raccordement est plus important, vous devez faire installer un deuxième compteur (1000 € environ), sauf si vous avez un compteur Linky (500 € environ), car ce dernier peut mesurer aussi bien la consommation que la production d’électricité.

Autre inconvénient : votre facture d’électricité va augmenter de 3 % par an en moyenne et votre gain de production sera stable, car le prix d’achat par EDF est fixé pour 20 ans. Il y a néanmoins une légère indexation sur le coût de la vie pour 20 % du tarif.

Si vous autoconsommez et vendez le surplus, le tarif est de :

Tarif 2021 :

Il est de 0,10 € le kWh si votre installation fait 9 kWc ou moins (notre exemple).

Il est de 0,06 € le kWh si votre installation fait 100 kWc ou moins.

- Cette solution présente l’inconvénient que le prix d’achat par EDF du surplus est beaucoup plus faible, 0,10 € le kWh contre 0,1521 ou 0,1789 soit -35% ou -45% suivant la puissance de votre installation.

- Vous devez modifier votre manière de consommer votre électricité de manière à utiliser au mieux l’électricité que vous produisez en journée. Si vous possédez un abonnement « heure creuse / heure pleine » il faudra le résilier et si vous possédez un véhicule électrique cela devient contradictoire. Car la forte puissance dont vous aurez besoin pour charger le véhicule dépassera la production photovoltaïque et vous ne pourrez plus bénéficier du tarif heure creuse. Donc, si vous possédez un véhicule électrique avec une borne de charge type wallbox 7,2 kW mieux vaut vendre toute l’électricité et conserver l’abonnement avec heures creuses. Si vous chargez le véhicule sur une prise standard 2,2 kW ou Green Up 3,2 kW, les deux solutions peuvent s’envisager.

Quels sont les avantages de l’autoconsommation avec vente de surplus ? 

- Le coût du raccordement peut-être moins élevé, mais il faudra vérifier au cas par cas.

- Le coût de l’électricité augmente en moyenne de 3 % par an, votre autoconsommation n’est pas sujette à cette hausse. Votre dépense en électricité sera donc plus stable.

- Vous bénéficiez d’une prime à l’installation de 380 € par kWc installés pour les installations de 3kWc ou moins et de 280 € par Kwc pour les installations de 9 kWc ou moins. Cette prime est payée annuellement sur 5 ans. 

Exemple pour notre exemple avec une installation de 6 kWc, nous toucherions une prime de 280 x 6 = 1680 €. Soit 336 € par an pendant 5 ans.

Il est clair qu’il est beaucoup plus difficile, voire impossible, de calculer le délai de retour sur investissement avec cette solution. Il est très difficile de déterminer quelle part de votre production vous allez pouvoir autoconsommer sur l’année.

Bref, vous êtes averti, à vos calculettes !

Remarques annexes

- Pour une installation de 3kWc ou moins, la TVA est de 10 %, elle est de 20 % pour toutes les autres.

- Pour convertir le courant continu issu des capteurs en courant alternatif, votre installation a besoin d’un onduleur. Pour cela vous avez deux possibilités :

Un unique onduleur qui regroupe tous les capteurs. Avantage, c’est la solution la moins chère à l’installation. Inconvénient, il a une durée de vie de seulement 10 à 12 ans. Autre inconvénient, si un seul capteur est ombragé, l’ensemble de la production est coupé ! 

Un microonduleur à chaque panneau : c'est plus cher, mais ils disposent d’une durée de vie très importante (40 à 50 ans), de plus si un panneau est ombragé seule la production de ce panneau est coupée.

- Pour une installation de panneaux photovoltaïques, vous devez réaliser une demande d’autorisation à la mairie et vérifier qu’il n’y a pas de contraintes particulières au niveau du plan local d’urbanisme (PLU).

Détail du calcul pour déterminer la taille du capteur solaire couvrant 100 % de nos besoins en énergie

La France produit actuellement, environ 540 TWh d’électricité par an. (un TWh = un térawattheure, soit l’équivalent de mille milliards de watts pendant une heure). La production d’électricité en France pendant un an est donc équivalente à la production de cinq cent quarante mille milliards de watts pendant une heure. Si nous réalisons une moyenne par heure sur l’année, nous obtenons :

Dans une année il y a 365 x 24 = 8 760 heures.

 5,4.1014  / 8760 = 6,2 1010 Watts, soit 62 GW (un GW = un gigawatt= un milliard de watts).

Cela signifie que la France doit produire chaque heure de l’année 62 GW en moyenne. Le parc nucléaire français dispose de 18 centrales comptant 56 réacteurs pour une capacité totale de 61,4 GW et qui produit 70 % de l’électricité, les réacteurs n’étant jamais fonctionnels à 100 %. Les 30 % restant étant produit par les différentes énergies renouvelables (22 %) et les centrales thermiques (8 %).

La France exporte une partie de sa production d’électricité, 55 à 60 TWh par an en moyenne, soit une capacité de production « dédiée » à l’exportation de près de 7 GW. 

Nous en déduisons un besoin actuel de 62 – 7 = 55 GW. En réalité, il faut disposer d’une puissance de réserve pour absorber les pics de consommation en période froide l’hiver. Pour notre calcul, nous allons ignorer ce fait, en considérant qu’un passage à une énergie purement solaire serait accompagné de mesures fortes d’économie d’énergie.

Quelle surface de panneaux solaires faudrait-il installer pour disposer d’une capacité de 55 GW ?

En prenant des panneaux solaires monocristallins avec un rendement moyen de 20 %, une exposition sud, une inclinaison de 0° pour pouvoir les plaquer au sol, sans ombrage, avec un ensoleillement moyen pris à Besançon on obtient une énergie solaire de 1200 kWh / m² / an et une énergie électrique produite de 240 kWh / m² / an. Il faudrait donc un capteur solaire de :

(55.109 x 8760) / 240 000  = 2 . 109 m² soit environ 2 000 km².

Le capteur solaire ferait environ 45 km de côté. Cela parait ridiculement peu. Il s’agit bien sûr d’un calcul théorique et en admettant que l’on dispose d’une place d’un seul tenant disponible, pour des questions de gestion des capteurs, il devrait être espacé, la surface disponible nécessaire est donc à multiplier par 4. Il faudrait donc disposer de 8 000 km², soit un carré de 90 km de côté au minimum. Cela représente tout de même 1,5% de la surface du territoire.

Cela parait à la fois énorme et très peu. Très peu dans le sens où l’on règle tous les problèmes de risque nucléaire, de dépendance aux hydrocarbures et d’émission de CO2 pour la lutte contre le réchauffement climatique.

Énorme dans le sens où il parait impossible de disposer d’une plaque aussi grande sur le territoire métropolitain. Mais sachant que 9 % du territoire est déjà artificialisé, il faut essayer de placer nos 1,5 % de surface de capteurs solaires dans ces 9 % artificialisés. 

Quand on voit la surface des déserts dans le monde, on se dit qu’un carré de 90 km de côté ce n’est pas difficile à trouver, mais dans ce cas, il apparaît le problème du transport de l’énergie ainsi que les pertes qui vont avec.

Quand au coût d’un tel projet, en prenant le tarif de 150 € / m² de panneaux solaires installés, il reviendrait à :

2 000 . 106 x 150 = 3 . 1011 €, soit 300 milliards d’euros. 

Cela représente un coût important certes, mais permettrait de créer un grand nombre d’emplois non délocalisables. L’idéal serait bien sûr que nous soyons en capacité de produire nous même ces panneaux solaires.

Détail du calcul pour déterminer la taille de capteur solaire nécessaire en moyenne par foyer

En France, la taille moyenne d’un foyer est de 2,22 personnes. Nous allons faire le calcul en considérant des foyers de 2 personnes.

En reprenant les valeurs obtenues du précédent calcul, pour disposer d’une capacité moyenne de 1640 watts (820 x 2 personnes) il faut : 

1 640 x 8760 / 240 000 = 60 m².

Soit un capteur d’un peu moins de 8 m de côté, ou de 4 m par 15 m.

Cela est presque compatible avec les surfaces de toit des maisons individuelles, mais dépasse largement les surfaces utiles du toit des immeubles. Pour les immeubles, il faudrait utiliser les façades avec une baisse de rendement dû à l’inclinaison trop forte des capteurs.

Mais n’oublions pas que ce calcul est fait à partir des consommations actuelles, sans réaliser d’économie d’énergie ! Les différentes politiques visant à réduire les consommations d’énergie, l’amélioration des normes d’isolation des habitations, utilisation de produits à basse consommation, etc., devrait permettre de revenir à terme à des valeurs de surfaces compatibles.