Panneaux solaires photovoltaïques (producteurs d’électricité)

1100 kWh d’énergie solaire par m² et par an

En Suisse, le soleil délivre annuellement sur chaque mètre carré une quantité d’énergie comprise entre 1000 kWh (en plaine, au nord du pays) et 1500 kWh (en altitude) – pour autant que ce mètre carré ne soit pas à l’ombre des montagnes, des arbres ni des constructions. En moyenne, on peut compter chaque année sur 1100 kWh, soit l’équivalent de 100 litres de mazout, ou de 100 m³ de gaz naturel, ou de 200 kg de pellets de bois. Mais encore faut-il parvenir à capter et à valoriser cette énergie renouvelable. Dans le secteur du bâtiment, il y a surtout quatre moyens d’en profiter :

• De manière passive, grâce à une architecture qui facilite non seulement la pénétration directe du soleil par les fenêtres en hiver (mais pas en été), mais aussi le stockage de la chaleur solaire dans la masse des murs et des dalles (voir sources de chaleur passives).

• Avec des capteurs solaires thermiques. Le but est de collecter de la chaleur dans un accumulateur d’eau pour produire de l’eau chaude sanitaire (toute l’année). Avec une plus grande surface de capteurs et un accumulateur d’eau plus volumineux, il est possible de participer aussi au chauffage durant la saison froide. Si l’appoint de chauffage est assuré par une pompe à chaleur "sol-eau" couplée à des sondes géothermiques, on peut même profiter de la belle saison pour conduire la chaleur solaire en profondeur dans le sol, afin de compenser la chaleur soutirée en hiver – ce qui permet d’utiliser des sondes moins profondes et moins coûteuses.

• Avec des panneaux solaires photovoltaïques (producteurs d’électricité) :
  • Pour injecter toute l’électricité dans le réseau public.
  • Pour consommer une partie de l’électricité dans le bâtiment (autoconsommation).
  • Pour partager une même installation solaire entre plusieurs ménages (communauté d'autoconsommateurs).
  • Pour produire de l’eau chaude avec un chauffe-eau "pompe à chaleur" (CEPAC).
  • Pour produire du chauffage et de l’eau chaude avec une pompe à chaleur.
  • Pour rafraîchir les locaux en été.
  • Pour électrifier un bâtiment qui n’est pas relié au réseau public.

• Avec des panneaux photovoltaïques-thermiques (panneaux "hybrides") qui produisent à la fois de l’électricité et de la chaleur.

• Avec une petite installation photovoltaïque Plug & Play mobile branchée directement sur une prise électrique.

Les watts-crête (Wc) définissent une installation photovoltaïque

Les panneaux solaires photovoltaïques fonctionnent grâce à des matériaux semi-conducteurs qui convertissent une partie du rayonnement du soleil en électricité (les LED d’éclairage, constituées du même genre de matériaux, font exactement le contraire en convertissant l’électricité en lumière). Les panneaux font cette conversion avec des rendements qui vont de 10 à 21% au maximum. Ils sont généralement assemblés en groupe, reliés par des câbles à plusieurs dispositifs qui gèrent leur électricité afin de la stocker dans des batteries ou de la rendre compatible avec l’électricité du réseau.

Pour définir une installation photovoltaïque, on ne parle pas de sa surface mais de sa puissance en watt-crête (Wc ou, en anglais, Wp = Watt-peak), à savoir la puissance électrique qu’un ensemble de panneaux peut délivrer dans des conditions standardisées d’ensoleillement: les panneaux reçoivent perpendiculairement un rayonnement solaire d’une puissance de 1000 W/m², et ils sont à une température de 25°C (ils ne sont pas échauffés par le rayonnement solaire). Ainsi, pour atteindre une même puissance de crête, des panneaux solaires avec une efficacité de 20% occupent deux fois moins de place que des panneaux avec une efficacité de 10%.

Dans la réalité, les conditions nécessaires à atteindre la puissance de crête sont rarement réunies: le ciel est souvent nuageux, l’angle d’arrivée du soleil sur les panneaux varie dans la journée et au fil de saison, et la température des panneaux s’élève sous l’effet du rayonnement solaire – ce qui diminue leur rendement. D’autant que des pertes dans le câblage et les dispositifs qui gèrent l’électricité réduisent la performance générale.

Sur le Plateau suisse, pour couvrir la consommation d’électricité annuelle d’un ménage standard – soit environ 3500 kWh – une installation de 4 kWc (4 kilowatts-crête) peut suffire. On peut, par exemple, les atteindre avec 20 m² de panneaux en silicium monocristallin (rendement 20%) orientés vers le sud et inclinés à 35°. Si ces panneaux sont placés sur la façade, il en faut 30 m². Et si le pan du toit regarde vers le sud-est ou le sud-ouest, il en faut 24 m². Lorsque le toit est plat, les panneaux sont généralement disposés en rangs inclinés vers le soleil et suffisamment espacés pour ne pas se faire mutuellement de l’ombre. Ils prennent alors plus du double de surface que s’ils sont juxtaposés sur un toit en pente.

Ceci-dit, lorsqu'on dit qu'une installation photovoltaïque "couvre" la consommation électrique annuelle d'un bâtiment, cela ne veut pas dire que le bâtiment soit autonome en électricité. La production d'électricité solaire est faible en hiver, période où les besoins en électricité sont souvent les plus importants. D'où l'intérêt d'installer la plus grande surface de panneaux photovoltaïques possible.

Consulter le cadastre solaire et faire une simulation avec un calculateur solaire

De nombreux cantons et communes disposent d’un cadastre solaire, à savoir d’une carte (généralement disponible sur internet) sur laquelle on peut voir quelles toitures sont les plus favorables à capter le soleil. La carte tient compte de l’orientation des pans de toit ainsi que des ombres portées par les montagnes, les arbres et les autres bâtiments. Cependant ces données restent indicatives: seul un examen du bâtiment sur place peut vraiment définir son potentiel solaire.

Par ailleurs, un calculateur solaire permet de se faire une idée de la taille, des performances et des coûts d’une installation solaire, en fonction du lieu d’implantation du bâtiment et de son orientation face au soleil. Mais l’ensoleillement du toit reste théorique: il ne tient généralement pas compte de l’environnement direct du bâtiment, comme c’est le cas d’un cadastre solaire.

Une installation photovoltaïque peut être isolée, rapportée (ajoutée) ou intégrée

Une installation photovoltaïque peut être isolée, c’est-à-dire posée sur le sol. Mais étant donné qu’en Suisse le terrain est rare, les panneaux solaires trouvent mieux leur place sur les toits et les façades des bâtiments, ainsi que sur les ouvrages d’art (ponts, murs de soutènement, murs-antibruit autoroutiers, etc). Sur un bâtiment, les capteurs peuvent être soit rapportés (on dit aussi ajoutés), c’est-à-dire fixés par-dessus un toit ou une façade, soit intégrés, c’est-à-dire qu’ils remplissent aussi une fonction architecturale: ils remplacent la couverture du toit, les panneaux de protection de façade ou les barrières de balcon. Cette distinction est importante pour le calcul de la rentabilité économique de l’installation solaire et pour le montant d’une éventuelle subvention. Si on doit rénover un toit en pente, il faut envisager l’intégration en priorité car la durée de vie des panneaux peut dépasser 30 ans. Pour un toit plat, il est également recommandé de coordonner la pose de l’installation solaire avec la réfection de l’étanchéité (les deux ont une durée de vie estimée à 30 ans ou plus).

www.solarchitecture.ch, exemples de bâtiments avec des panneaux solaires intégrés à l'architecture

La rentabilité d’une installation solaire photovoltaïque

Une installation photovoltaïque privée est le plus souvent raccordée à un réseau électrique public, afin de lui revendre tout ou partie de son électricité solaire. Pour un profane, prévoir la rentabilité économique de sa future installation est un exercice compliqué. Il y a les coûts de mise en place: matériel et main d’oeuvre. Les coût de maintenance: contrôle, entretien et assurance (si elle n’est pas comprise dans l’assurance bâtiment). Les éventuelles subventions et les déductions fiscales: de Pronovo (SRI et RU), du canton et de la commune. Et il faut estimer la quantité d’électricité que les panneaux solaires vont engendrer au cours des années et qui sera revendue au réseau public.

Dans le calcul de rentabilité, on doit aussi tenir compte du courant que le bâtiment va lui-même économiser s’il profite directement de cette électricité solaire (autoconsommation) – ce qui est généralement souhaitable. Or, la performance des panneaux solaires dépend de leur technologie de fabrication, de l’ensoleillement et du climat du lieu où ils sont implantés, de leur orientation face au soleil, de l’ombrage (montagnes, arbres et bâtiments voisins). Sans oublier les pertes induites par le câblage, les dispositifs électriques et l’onduleur – le boîtier qui transforme l’électricité solaire (courant continu) en électricité compatible avec nos prises (courant alternatif). Il faut encore prendre en compte la baisse de production due au vieillissement de l’installation: de 0,5 à 0,8% par année suivant la technologie. Et les imprévus: des arbres qui grandissent, de nouvelles constructions qui s’installent, ou des étages qu’on rajoute aux bâtiments voisins. Ces nouveaux obstacles à la lumière solaire peuvent réduire la production électrique d’une proportion bien plus grande que la part d’ombre qu’ils portent sur les panneaux solaires.

Il est aussi très important que les panneaux soient ventilés par dessous. Au fur et à mesure qu’ils s’échauffent sous le soleil, leur rendement baisse: lorsque leur température dépasse 25°C, ils perdent en moyenne 0,4% de rendement pour chaque degré supplémentaire – et ils peuvent s’échauffer juqu’à 100°C !

Sur le site du service de l’énergie de son canton, ainsi que sur le site de Swissolar, on trouve des informations et des feuilles de calcul Excel pour faire ces estimations. Voir aussi sur le site web de son distributeur d’électricité: certains offrent leurs services pour deviser, installer et suivre l’installation au fil des ans. La plupart des installateurs de panneaux solaires offrent aussi un service complet – de la recherche de subvention à la mise en service. Étant donné les rapides évolutions du marché, il vaut la peine de comparer plusieurs offres comprenant un calcul de rentabilité.

Si on a une grande surface de toit à disposition, par exemple une ferme ou un hangar agricole, on peut même la louer à une société qui prendra en charge l’ensemble des coûts d’installation et de maintenance (contracting). De telles opérations sont aussi possibles pour réduire les coûts liés à la rénovation ou l’isolation d’un toit. Il est important que le contrat traite tous les cas de conflits possibles, notamment les fuites d’eau à travers les capteurs qui pourraient endommager le bâtiment.

Les différents panneaux solaires photovoltaïques

La technologie solaire évolue vite. Les performances des panneaux photovoltaïques s’améliorent en même temps que leur prix baisse. Le marché propose aussi régulièrement de nouveaux types de capteurs plus performants, plus minces, plus souples ou translucides. On peut les diviser en quatre familles :

Panneau avec cellules en silicium monocristallin : cellules carrées aux coins arrondis encadrées sous verre, aspect bleu uni ou noir, rendement 16 à 21%, peut être utilisé comme couverture translucide (auvent, toiture de garage).

Panneau avec cellules en silicium polycristallin : cellules juxtaposées sans jour, à l’aspect scintillant (dû à l’amalgame de cristaux orientés en tout sens) et encadrées sous verre, rendement 15-17%, plus sensible à la couverture nuageuse et à la chaleur qu’un panneau monocristallin.

Panneau avec cellules en couche-mince ou en silicium amorphe : aspect foncé et uniforme (comme les cellules de calculette), rendement 6-14%, nombreuses technologies en plein développement, très mince ou souple, moins sensible aux températures élevées, certains ont une nette baisse de performance au cours des 1-2 premières années mais qui se stabilise par la suite.

Panneau solaire hybride "photovoltaïque-thermique" : un panneau solaire photovoltaïque a une production optimale d’électricité lorsque sa température est à environ 20°C. Or, il s’échauffe sous le soleil et perd de son efficacité. D’où l’idée de l’associer à un capteur solaire thermique non vitré: sous les cellules photovoltaïques est disposé un circuit d’eau qui récupère la chaleur (qui peut être utilisée pour le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, la régénération de la chaleur du sous-sol, ou le stockage saisonnier dans un très grand accumulateur d’eau). Ce "capteur hybride" permet de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur avec une surface plus compacte que si on utilisait ces deux types de capteurs sur un même toit. En hiver et en entre-saison, la performance de la partie thermique est moins bonne que celle d’un capteur thermique classique. Mais en été, le fait que la température soit plus basse devient un avantage pour éviter la surchauffe de l’installation – surtout si la chaleur solaire est conduite par des sondes géothermiques pour réchauffer le sous-sol (refroidi durant l’hiver pour chauffer le bâtiment). En effet, une température trop haute peut modifier l’entourage des sondes et réduire les bons échanges de chaleur avec le terrain. S’ils offrent en théorie beaucoup d’avantages, les panneaux hybrides doivent encore faire leur preuve sur la durée.

La performance d’une installation photovoltaïque ne dépend pas uniquement de la qualité des cellules solaires. L’appareillage électrique et le schéma de câblage sont aussi très importants. Par exemple, lorsqu’un panneau reçoit de l’ombre (celle d’une cheminée, par exemple), la performance de tous les panneaux branchés en série diminue. Les panneaux récents contiennent des diodes by-pass ou un optimiseur de puissance pour contourner ce problème. Il peuvent aussi être équipés d'un micro-onduleur sous chaque panneau solaire: ils fonctionnent ainsi comme branchés en parallèle, et la défaillance (ou l'ombrage) d'un panneau n'influence pas la performance des autres.

Électrifier un bâtiment qui n’est pas relié au réseau public

Les panneaux photovoltaïques permettent d’électrifier un bâtiment qui n’est pas raccordé à un réseau électrique public (maison isolée, chalet, cabane). Dans ce cas, on peut choisir la forme de l’électricité que délivrent les prises. Si on opte pour du courant continu 12 ou 24 volts (tel que le produisent les panneaux solaires), il n’y a pas besoin d’onduleur. Ce système à l’avantage de provoquer moins de pertes d’énergie, mais il faut acquérir des appareils spéciaux qui fonctionnent sur 12 ou 24 volts (voir dans les équipement pour bateaux ou caravanes). Si on opte pour le courant alternatif 230 volts (le standard de nos prises), il faut un onduleur qui convertit le courant continu en courant alternatif et qui élève la tension. L’installation est plus chère à mettre en place, mais elle offre davantage de souplesse, notamment parce qu’on peut utiliser les appareils électriques ordinaires qui sont souvent moins chers.

Dans tous les cas, il faut prévoir des batteries et un boîtier qui règle leur charge (chargeur). Ce sont des éléments très important pour une installation solaire autonome et ils peuvent représenter plus de la moitié de son coût sur le long terme. Les batteries et le chargeur doivent être choisis en rapport avec la puissance des panneaux. Ainsi, pour dimensionner une installation solaire autonome, il faut d’abord faire l’inventaire des appareils que l’on prévoit d’utiliser (lampes, frigo, ordinateur etc.) et totaliser l’énergie qu’ils utiliseraient pendant plusieurs jours sans soleil, en fonctionnant uniquement sur les batteries. Comme il existe de nombreux modèles de batteries et de panneaux solaires, il vaut mieux passer par un spécialiste pour faire le choix, ou acquérir un kit complet (panneaux photovoltaïques, connexions, chargeur, batteries).

Les batteries contiennent des substances malvenues dans l’environnement. Lorsqu’elles arrivent en fin de vie, on a le devoir de les remettre dans une déchèterie officielle ou dans un commerce spécialisé.

Aides financières pour les installations photovoltaïques

En mai 2017, le peuple suisse a adopté la Loi sur l'énergie qui permettra de mettre en place la Stratégie énergétique 2050 de la Confédération. Depuis le 1^er janvier 2018, c'est la fondation Pronovo (une "filiale" de Swissgrid, la société nationale qui possède et exploite le réseau électrique suisse à très haute tension) qui gère les aides financières pour l'achat et la mise en place des installations photovoltaïques, et pour rétribuer le courant solaire injecté dans le réseau électrique. En résumé, il y a désormais deux systèmes d'encouragement financier:

• Le SRI (Système de Rétribution à l'Injection), c'est le rachat du courant solaire produit.
• La RU (Rétribution Unique), qui est une aide financière à l'investissement. Elle se divise en PRU (Petite Rétribution Unique) pour les installations situées entre 2 kWc et 100 kWc, et en GRU (Grande Rétribution Unique) pour les installations entre 100 kWc et 50 MWc.

Pour que Pronovo puisse prendre en compte une installation, il faut lui adresser l’avis de mise en service complet émis par le distributeur d’électricité auquel l’installation est raccordée.

Pour les installations solaires mises en service avant 2018, consulter les informations et le module "tarificateur" sur le site de Pronovo.

Il y a parfois des possibilités de recevoir des subventions auprès de certains cantons, communes et fournisseurs d’électricité. Dans presque tous les cantons, les dépenses liées à la mise en place d’une installation solaire sur un bâtiment existant sont déductibles des impôts.

Petite installation photovoltaïque Plug & Play mobile branchée directement sur une prise électrique

En Suisse, un abonné du réseau électrique est en droit d'installer chez lui une petite installation solaire photovoltaïque mobile, dite "Plug & Play" ou "plug-and-play", d'une puissance maximale de 600 watts et qui s'enfiche directement dans une prise électrique. Avec une installation Plug & Play, le courant solaire est injecté dans le circuit du bâtiment sans passer par un appareillage de contrôle spécial, ni par un compteur (comme c'est le cas pour une installation plus puissante). Cette énergie renouvelable peut alors alimenter les appareils électriques et électroniques en cours de fonctionnement: frigo, modem, chargeur de batteries, pompe de circulation de chauffage, etc. L'électricité qui n'est pas consommée in situ est mise à la disposition du réseau pour les abonnés du voisinage.

Sur l'année, une installation Plug & Play de 500 watts peut produire environ 500 kWh d'électricité, soit un cinquième de ce que consomme un ménage-type de 2 personnes (~2500 kWh par an) – sans compter le chauffage et la production d'eau chaude.

En savoir plus

Mon installation solaire photovoltaïque produira-t-elle de l'électricité en cas de panne du réseau public (blackout) ?

En cas de panne ou d'interruption du réseau électrique public (blackout), une installation solaire photovoltaïque reliée au réseau est conçue pour se déconnecter automatiquement: elle n'injecte plus d'électricité, ni sur le réseau public, ni dans le bâtiment (installation avec autoconsommation). Il n'y a donc plus d'électricité disponible pour le ménage, ni pour charger les véhicules électriques. Le but de cette déconnexion automatique est d'éviter que les panneaux solaires n'injectent de l'électricité sur le réseau, alors que des personnes y travaillent pour gérer la panne (risque d'électrocution). La déconnexion automatique protège aussi le circuit électrique du bâtiment contre un risque d'incendie.

Pour qu'une installation solaire photovoltaïque puisse continuer à fournir de l'électricité au bâtiment en cas de panne du réseau public, elle doit disposer de batteries de stockage et être dotée d'une fonction "blackout", qui permet de la transformer momentanément en une installation autonome découplée du réseau (off-grid).

Injecter toute son électricité solaire dans le réseau public

Lorsque l’installation photovoltaïque injecte (on dit aussi "refoule") toute son électricité dans le réseau public auquel le bâtiment est raccordé, on peut la considérer comme une petite centrale solaire indépendante. Les kilowattheures injectés sont comptabilisés par un compteur de production – c’est sur cette base que le propriétaire de l’installation est rétribué par le distributeur local, qui a l’obligation légale de lui racheter son courant. Le prix de rachat varie suivant le distributeur, la taille de l’installation et le fait qu’elle soit ou non bénéficiaire d'un système de rétribution.

Pour ses propres besoins en électricité, le bâtiment possède un compteur ordinaire, et il est un client "normal" du réseau. Bien que "consommation" et "production" soient séparées sur le plan comptable, dans la réalité les électrons suivent le plus court chemin vers les appareils et les lampes: le bâtiment consomme aussi sa propre électricité.

Disposé pour être vu par les élèves, ce compteur d’électricité solaire affiche la production des panneaux photovoltaïque situés sur le toit de leur école.