Centrales photovoltaïques : comment fonctionnent-elles ?

Si vous êtes du Sud-Ouest, vous avez peut-être un jour aperçu la plus grande centrale photovoltaïque d’Europe à l’époque de sa construction en 2015. La centrale photovoltaïque de Cestas est une pionnière dans un aspect de la transition énergétique où la Nouvelle Aquitaine est à la pointe : la production d’électricité solaire. 

Une centrale photovoltaïque, aussi appelée Ferme Solaire, (les panneaux étant comme des “cultures d'électricité”) est un ensemble de panneaux solaires photovoltaïques qui produisent de l’électricité à partir de la lumière du soleil.

Ces grands ensembles de panneaux peuvent être situés dans divers endroits : terrain urbain, champ escarpé, ancienne mine ou proximité d’usine. Les centrales solaires investissent les terrains abandonnés, pollués, et friches, en somme toutes les surfaces artificialisées qu’on peut exploiter sans déranger l’environnement.

En France, dans le cadre de la loi pour la transition énergétique, le président de la République a fixé en février 2022 des objectifs de 100 GW de puissance installée de photovoltaïque d'ici à 2050. 

Dans cet article, nous allons voir comment fonctionnent les centrales photovoltaïques et quels sont leurs indéniables avantages pour la transition énergétique. 

Qu'est-ce qu'une centrale photovoltaïque ?

Définition et principes de fonctionnement

Alignés sur des dizaines de mètres, les panneaux photovoltaïques produisent en silence et sans émissions de CO2 une énergie qui contribuera à augmenter un peu plus l’autonomie énergétique de la France. 

Une centrale photovoltaïque est un système de production d'électricité à partir de la lumière du soleil. Les modules ou panneaux photovoltaïques captent le rayonnement solaire et le transforment en un courant électrique continu. 

Ce courant est ensuite déplacé vers un local technique où un onduleur le transformera en courant alternatif, puis un transformateur ajuste la tension pour permettre de distribuer l’électricité au réseau.

On parle de centrale photovoltaïque au sol, car les panneaux ne sont pas sur toiture, mais directement posés au sol ou surélevés de quelques dizaines de centimètres.  

Il existe également des centrales solaires flottantes, qui sont quant à elles des systèmes flottant sur des étendues d’eau, lacs et étangs. Les centrales flottantes sont cependant moins répandues, parce que plus chères à entretenir et qu’au stade où en est la recherche, elles peuvent encore perturber l’environnement. 

En constante évolution technologique, ces centrales au sol sont devenues de plus en plus puissantes, investissant les plus grands déserts du monde, au Pakistan, au Mexique, de Californie, du Maroc ou de Chine.

Évolution et importance dans le contexte de la transition énergétique

Dans un contexte de transition énergétique, c'est-à-dire de raréfaction des énergies fossiles, notre devoir est de remplacer ces dernières par des énergies renouvelables. Le réchauffement climatique nous incite à préparer un futur avec moins d'émissions de CO2 et une consommation plus raisonnée de l’énergie.

La Programmation Pluriannuelle de l’Énergie (PPE) est un document stratégique de pilotage de la transition énergétique en France. L'objectif est de diversifier les sources de production d'énergie en augmentant l’impact des énergies durables et ainsi anticiper la consommation future de la France. 

En France, le mix énergétique est composé de nucléaire, de pétrole, de gaz naturel, d’un peu de charbon et des énergies renouvelables. La production photovoltaïque représente environ un dixième de la production d’énergies vertes, en lice avec l’éolien, l’hydraulique ou les biocarburants (Source : “L'énergie” sur notre-environnement.gouv).

En 2022, la capacité photovoltaïque installée en France a dépassé les 16 GW (Gigawatts). La Programmation pluriannuelle de l’énergie prévoit un objectif de développement du photovoltaïque de 20,1 GW en 2023 et entre 35,1 et 44 GW en 2028. (Source : “Planifier et accélérer la transition énergétique” sur gouvernement.fr).

Les avantages des centrales photovoltaïques

Durabilité, environnement et réduction des émissions de CO2

Les centrales photovoltaïques sont des systèmes de production énergétique ayant le triple avantage d’être silencieuses, peu ou pas dangereuses et non émettrices de particules polluantes. 

La durabilité améliorée des matériaux, couplée à une innovation technologique exponentielle ces dernières années, permet une meilleure performance des panneaux solaires. 

Pour l’environnement, les centrales photovoltaïques sont plutôt discrètes : ce sont les sources privilégiées de production d’énergie en autonomie dans les bâtiments isolés et les parcs naturels.  Les panneaux solaires ne provoquent pas ou peu de nuisances et offrent de nombreux avantages : 

• Le photovoltaïque ne produit pas de fumée ni d’odeurs ;
• Il n’émet pas de déchets chimiques ni de particules toxiques ;
• Il est silencieux, n’utilise pas de pales ni de retenues d’eau ; 
• Il ne nécessite pas de transport thermique des intrants (comme c’est le cas pour la méthanisation) avec un véhicule thermique ;
• Il ne provoque pas ou peu de dérangement visuel ;
• Il est sécurisé pour les animaux et peut être couplé avec une activité agricole. 

Ne demandant pas d'électricité pour fonctionner, les projets d’installations solaires permettent une réduction des émissions CO2. Un panneau photovoltaïque est recyclable grâce à une filière spécialement créée pour le photovoltaïque, ainsi qu’un organisme appelé le SOREN.

Rentabilité économique et opportunités d'investissement

Une centrale photovoltaïque représente un investissement conséquent de plusieurs centaines de milliers d’euros pour les plus vastes. 

C’est pour cela que le coût des centrales photovoltaïques est pris en charge par des entreprises spécialisées dans la mise en place et le développement des projets photovoltaïques. Ces énergéticiens signent un contrat avec le propriétaire terrien et lui fournissent une rente mensuelle pour la durée du bail. 

Les panneaux solaires ont une durée de vie de 25 à 30 ans en moyenne. La rentabilité des centrales solaires, c'est-à-dire le temps d’amortissement de l’investissement initial, est en moyenne de 8 à 10 ans.  

Dans sa loi sur l’agrivoltaïsme, le gouvernement demande aux installateurs de centrales photovoltaïques installées sur des friches agricoles que ce dispositif soit réversible en fin de contrat. Ce dispositif permet de préserver la fonction originale du terrain où est implantée la ferme solaire. 

Après cette période, la production d’électricité renouvelable est une source d’électricité durable pour les producteurs et dégage une rente assurée pour le propriétaire du terrain, que ce soit une entreprise, une institution, un particulier ou un agriculteur.  

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Fonctionnement et composants d'une centrale photovoltaïque

Panneaux Solaires et conversion de l'énergie solaire en électricité

Le fonctionnement des panneaux solaires repose sur la capacité des photons de lumière, en rebondissant sur la surface absorbante des modules photovoltaïques, de créer un courant continu. Avec leurs cellules en silicium, les modules photovoltaïques utilisent l’effet de la lumière dont les photons réagissent en fonction de l’ensoleillement. 

L’énergie issue du rayonnement solaire est répercutée sur les cellules photovoltaïques, équipées d’un matériau semi-conducteur dont les électrons se mettent en mouvement, pour créer ainsi un courant continu.

On appelle puissance installée la somme de toutes les puissances nominales des panneaux de l’installation photovoltaïque. Elle se mesure en kilowatts (kW). 

Systèmes de stockage et de distribution de l'électricité produite

Le courant continu sort des panneaux via des câbles pour aller jusqu’à un local technique disposé à proximité de la centrale. Il est ensuite transformé en courant alternatif grâce à un onduleur, puis, après passage dans le transformateur, le courant sera injecté ensuite dans le réseau national d’électricité. 

Les onduleurs et transformateurs sont utilisés pour que le courant puisse être utilisé directement par le réseau national électrique après sa vente à EDF OA. 

• Si l’installation a une puissance de crête située entre 100 et 499 kWc, le raccordement de la centrale se fait en basse tension (BT) ; 
• Si l’installation a une puissance de crête supérieure à 500 kWc, alors le raccordement se fait en haute tension (c’est-à-dire une tension supérieure à un kilovolt). 

On appelle puissance de crête la production d’énergie du panneau lorsqu’il est à son ensoleillement maximal. Elle se mesure en watt crête et permet de mieux anticiper la production d’électricité. 

Implémentation et réglementation des centrales photovoltaïques

Choix du site et conditions idéales pour l'installation

Une centrale solaire permet de valoriser un terrain en friche, pollué, bétonné, stérile ou en phytosanitation, une ancienne mine, un ancien terrain militaire, un ancien karting ou un terrain artificialisé. La loi encourage les propriétaires de terrains peu rentables ou artificialisés à y installer une centrale photovoltaïque. 

En termes de disposition des panneaux, les installateurs de la centrale s’assureront que les paramètres du terrain assurent un ensoleillement maximal de la centrale : 

• Une orientation sud permet de capter des rayons du matin au soir ; 
• Une inclinaison avec un angle de 60° en moyenne permet en toute saison d’avoir la lumière ; 
• Un site dans une région réputée pour son ensoleillement annuel élevé favorise des résultats satisfaisants en termes de rendement. 

Autre point important, la future centrale solaire devra être à faible distance de raccordement au réseau électrique, car le prix du raccordement détermine le coût et donc la faisabilité du projet.

Une étude de rentabilité est réalisée avant installation de la centrale photovoltaïque. Les mesures et les calculs préalables permettent de maximiser les chances de production et la rentabilité de la centrale dans son ensemble. 

Cadre réglementaire et incitations gouvernementales

L’implantation de centrales solaires est encadrée en France et leur développement est généralement confié à des entreprises spécialisées. Ces intermédiaires sont à jour de la réglementation sur le solaire et s’occupent de la prise en charge administrative.

Le cadre réglementaire du photovoltaïque encourage la réhabilitation de sites dégradés ou pollués, et recommande que les projets s’intègrent avec leur environnement direct. 

Une autorisation à la mairie sera demandée pour tout projet de centrale, ainsi qu’un permis de construire afin qu’il s’intègre dans le Plan Local d’Urbanisme (PLU).

Les centrales photovoltaïques peuvent sous certaines conditions être installées dans des sites protégés ou classés : 

• Pour un bâtiment ou un village classé, un accord des Architectes des Bâtiments de France (ABF) peut être nécessaire ; 
• Une étude environnementale sera demandée pour les projets se faisant en site protégé. 

Le photovoltaïque peut tout à fait venir en complément d’une activité comme l’agriculture, le rural, l’industriel, les bureaux, etc. Le seul critère important est que la centrale photovoltaïque ne soit pas trop proche d’un aéroport ou d’un aérodrome en activité, afin de ne pas gêner la navigation des aéroplanes. 

Concernant les aides financières, le gouvernement prévoit des aides en fonction de la taille et de la puissance des projets : 

• La prime à l’autoconsommation n’est malheureusement disponible que pour les petites installations, par exemple un panneau thermique sur toiture ; 
• En revanche, la TVA déductible s’applique pour les constructeurs qui paient normalement cette taxe et peuvent bénéficier de cette réduction d’impôt si le photovoltaïque est leur activité principale ; 
• Enfin, les tarifs d’achat réglementés par EDF OA sont une manière de protéger les centrales photovoltaïques d’une variation trop importante des prix sur le marché de l’énergie, en garantissant un tarif encadré sur toute la durée du bail. 

Un système d’appel d’offres a été mis en place afin d’assurer le rachat du kWh d'électricité produit par le photovoltaïque à un tarif réglementé. Les développeurs de centrale photovoltaïque répondent à un appel d’offres pour pouvoir vendre la production d’électricité des panneaux à EDF OA (Obligation d’Achat) à un tarif réglementé. 

L’ensemble des lauréats de cet appel d’offres permettront d’augmenter la puissance de production photovoltaïque de la France de quelques Mégawatts-crête (MWc). 

Le tarif de vente de l’électricité photovoltaïque au réseau national évolue tous les trois mois. Au 2ᵉ trimestre 2024, les prix du kWh en vigueur étaient les suivants :

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Opportunités d'investissement dans les Centrales Photovoltaïques

Modèles d'investissement : financement participatif, partenariats, etc.

Les modèles d’investissement d’une centrale photovoltaïque varient en fonction du bail existant, qui lie le propriétaire à sa terre, ainsi que de l’état des lieux du terrain.

Un contrat lie le propriétaire terrien à l'énergéticien, garantissant les droits du propriétaire et assurant la sécurité financière de l’investisseur sur toute la durée du projet. On appelle tiers investisseur un tiers entre le propriétaire et le constructeur de la centrale qui sert à absorber une partie du coût en avançant des fonds pour permettre l’investissement. 

Les partenariats intelligents peuvent se créer entre les acteurs publics ou privés du développement territorial et participer ainsi à l’enjeu de la préparation de l’autonomie énergétique future de la France. 

L’agrivoltaïsme est à cet égard un bon exemple, car il permet d’intégrer harmonieusement des centrales photovoltaïques au territoire rural.

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On appelle agrivoltaïsme cette combinaison de l’agriculture avec la production d’électricité solaire. L’agrivoltaïsme peut prendre différentes formes selon l’endroit où les projets sont implantés : 

• Agrivoltaïsme sur toiture : une exploitation ayant un bâtiment de type hangar ou serre pourra installer des cellules photovoltaïques ;
• Agrivoltaïsme sur culture : un maraîcher peut installer des ombrières solaires au-dessus de ses cultures ; 
• Agrivoltaïsme sur pâture : un berger pourra faire brouter ses brebis sous les panneaux solaires. 

N’hésitez pas à consulter sur le site de l’ADEME la liste version pdf de tous les types d’agrivoltaïsme existant qui ont été testés en France. 

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Rendement financier et impact environnemental

Le rendement financier d’une centrale photovoltaïque se calcule en fonction de la puissance installée, de l’ensoleillement annuel, du prix de rachat du kWh d’électricité et du montant de remboursement des frais de départ. 

Une centrale solaire ne mobilise pas de ressource humaine au quotidien pour l’entretien des panneaux. Ce grand avantage permet une autonomie quasi totale de la production d’énergie.

L’entretien des centrales photovoltaïques est assuré par l’installateur chaque année, qui vérifie que les conditions climatiques n’aient pas abîmé la surface des panneaux solaires. En fin de vie, les panneaux pourront être recyclés grâce à la filière de recyclage dédiée. 

Conclusion

Silencieuses et prometteuses d’un avenir moins toxique pour la qualité de l’air et la santé des populations, les centrales solaires nous engagent à continuer une gestion plus consciente de nos énergies.

Sur le long terme, les centrales photovoltaïques permettent, sur la durée d’occupation d’un terrain, d’avoir une participation à la production locale d’électricité et donc à l’autonomie énergétique de la France. 

Cependant, la condition pour une bonne intégration des panneaux solaires dans le paysage urbain et rural français, est qu’elles fassent partie d’un projet conscient des enjeux que représentent les énergies renouvelables pour l’environnement. 

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FAQ

Quels sont les 2 types d'installations photovoltaïques ?

Il existe deux types de panneaux : les panneaux photovoltaïques qui produisent de l’électricité et les panneaux solaires thermiques qui servent à réchauffer l’eau. Les centrales photovoltaïques sont des installations de grande envergure qui produisent une électricité renouvelable grâce à la lumière du soleil.

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Comment fonctionnent les centrales photovoltaïques ?

Les centrales photovoltaïques sont des alignements de panneaux solaires photovoltaïques produisant de l’électricité en grande quantité à partir de la lumière du soleil. Grâce à leur grande taille, les centrales solaires permettent de satisfaire une partie de la demande en énergies renouvelables de la France. 

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