Solaire vertical : Nouvelle technologie pour associer énergie propre et cultures
L’agrivoltaïsme, qui consiste à installer des dispositifs solaires sur des terres agricoles, est une pratique de plus en plus largement adoptée dans le monde pour mettre en place une énergie propre décentralisée sans nuire à l’affectation des sols.
Des recherches menées par l'Université d'État de l'Oregon ont conclu que les installations solaires juxtaposées aux activités agricoles pourraient fournir 20 % de la production totale d'électricité aux États-Unis. Les chercheurs affirment que les installations agrivoltaïques à grande échelle pourraient en effet réduire les émissions de carbone de 330 000 tonnes par an avec un impact « minimal » sur les rendements agricoles.
L’article indique que l’agrivoltaïque nécessiterait une superficie approximativement de la taille du Maryland pour couvrir 20 % de la production électrique américaine. Cela équivaut à 33 670 kilomètres carrés, soit 1 % des terres agricoles américaines actuelles. À l'échelle mondiale, les scientifiques estiment que si 1 % de la totalité des terres agricoles était convertie en centrales solaires photovoltaïques, tous les besoins énergétiques mondiaux pourraient être satisfaits.
Il existe différentes manières d’installer des dispositifs agrivoltaïques. Une méthode fréquente repose sur la surélévation des panneaux pour laisser un espace permettant à l’équipement agricole ou au bétail de se déplacer librement en dessous. Une autre tendance du moment consiste à installer les panneaux PV à la verticale, ménageant ainsi de larges espaces ouverts entre les rangs.
États-Unis
Dans le Somerset, dans l’État de Californie, des panneaux solaires verticaux Sunzaun de conception allemande ont été installés dans un vignoble. C’est l’installateur Sunstall qui a mis au point l’installation, composée de 43 modules de 450 W reliés à un micro-onduleur et à deux batteries.
La conception minimaliste offre une connexion simple à deux montants utilisant deux trous dans le cadre du module, éliminant ainsi le besoin de systèmes de rayonnages robustes. Les modules solaires bifaciaux produisent de l'énergie des deux côtés d'une unité montée verticalement.
Dans les systèmes conventionnels conçus pour une orientation horizontale, les rails utilisés pour fixer les panneaux aux supports sont généralement découpés pour s'adapter aux dimensions des panneaux prévus. Si ce dernier change après l'achat de tous les autres composants, le projet peut être retardé pendant que les rails sont reconfigurés pour s'adapter à la nouvelle taille du panneau. Grâce à la conception de Sunzaun, les changements de taille des panneaux peuvent être adaptés simplement en ajustant la distance entre chaque colonne. Si nécessaire, la hauteur du panneau par rapport au sol peut également être ajustée.
Allemagne
Des scientifiques de l’Université des sciences appliquées de Leipzig ont étudié les retombées que pourrait avoir le déploiement à très grande échelle de systèmes photovoltaïques orientés ouest-est sur le marché allemand de l’énergie. Il en ressort que ces installations pourraient présenter un effet bénéfique sur la stabilisation du réseau du pays, tout en offrant une meilleure compatibilité avec les activités agricoles que les installations photovoltaïques classiques au sol.
Les scientifiques ont constaté que les systèmes photovoltaïques verticaux étaient en mesure de reporter la production solaire sur les heures de forte demande d’électricité et de fournir davantage d’électricité pendant les mois d’hiver, réduisant ainsi l’effacement de la production solaire sur ces périodes.
« Si l’on intègre un dispositif de stockage d’une puissance de charge et de décharge de 1 TW et d’une capacité de 1 TWh dans le modèle de système énergétique, on parvient à des économies de CO2 pouvant atteindre 2,1 Mt/a sur la base de 70 % de modules verticaux orientés est-ouest et de 30 % de modules inclinés vers le sud, précisent-ils. En définitive, même s’il peut sembler irréaliste d’atteindre un taux de 70 % de centrales verticales, un pourcentage inférieur suffit à avoir un impact bénéfique. »
Japon
Au Japon, Luxor Solar KK, filiale japonaise du fabricant allemand de modules Luxor Solar, a installé un système PV vertical de 8,3 kW sur le parking d’une entreprise de transformation de riz détenue par Eco Rice Niigata.
« Les voitures stationneront entre les racks verticaux, a indiqué Uwe Liebscher, PDG de Luxor Solar KK, à pv magazine. L’objectif d’un tel système est de prouver son efficacité tout au long de l’hiver ainsi que la production énergétique supplémentaire engendrée par la réflexion de la lumière sur la neige. Toutefois, la région de Niigata est réputée pour ses importantes chutes de neige, qui peuvent atteindre 2 à 3 m en hiver. »
Le système orienté sud affiche les modules solaires à hétérojonction de Luxor Solar, des solutions de montage provenant du spécialiste allemand du PV vertical Next2Sun et des onduleurs fabriqués par le Japonais Omron. L’installation fournira de l’électricité à une usine de transformation de riz située à proximité. La ville de Nagaoka a participé au financement du projet à hauteur de 13 950 € environ.
« Une installation verticale occupe une surface minimum dans une exploitation agricole tout en laissant les cultures profiter de plus de 85 % de la lumière. Cela garantit un équilibre optimal entre solaire et agriculture, un élément crucial au Japon, a-t-il indiqué. Nous pouvons ainsi monter des systèmes agrivoltaïques sur des exploitations de grandes cultures, comme le blé, la pomme de terre ou le riz, et ce à grande échelle. »
France
En France, TotalEnergies et le spécialiste de l’agrivoltaïsme InVivo ont inauguré un démonstrateur agrivoltaïque vertical d’une puissance de 111 kW. Selon TotalEnergies, l’objectif de cette installation pilote sera d’étudier l’impact du système photovoltaïque sur la production agricole et sur la biodiversité, le stockage du carbone ou encore la qualité de l’eau.
« Nous sommes convaincus que les synergies entre la production d’électricité verte, de biogaz et de produits agricoles constituent l’une des réponses à notre indépendance énergétique et alimentaire », a affirmé Thierry Muller, directeur général de TotalEnergies Renouvelables France.
Suède
Un groupe de scientifiques de l’université de Mälardalen, en Suède, a élaboré un modèle de dynamique des fluides computationnelle (DFC) qui facilite l’analyse des microclimats dans les projets de PV vertical. Les simulations de DFC servent à résoudre des équations complexes sur le flux des solides et des gaz à travers et autour des corps, lesquelles peuvent être utilisées pour analyser les microclimats dans les systèmes d’agrivoltaïsme.
« Les modèles de systèmes d’agrivoltaïsme seront de plus en plus utilisés dans la conception et les prises de décisions pour les nouvelles installations, car ils peuvent analyser/prévoir les changements microclimatiques en fonction de l’emplacement et du type de système agrivoltaïque », a indiqué le chercheur Sebastian Zainalli à pv magazine.
L’étude a observé une baisse de 38 % de l’intensité de l’irradiation solaire sur les zones de sol situées à l’ombre des modules PV verticaux.
Les principes clés
Aux États-Unis, le United States National Renewable Energy Laboratory a classé en cinq catégories les facteurs de réussite des projets d’agrivoltaïsme :
- Les conditions liées au climat, au sol et à l’environnement – Les conditions extérieures doivent être adaptées à la fois à la production d’énergie solaire et aux cultures ou au couvert végétal voulus.
- Les configurations, les technologies solaires et les conceptions – Le choix d’une technologie solaire, la disposition du site et d’autres infrastructures peuvent avoir des répercussions majeures notamment sur la quantité de lumière qui arrive aux panneaux solaires ou sur la possibilité qu’un tracteur passe sous les panneaux si nécessaire. « Cette infrastructure va rester au sol pendant 25 ans, mieux vaut donc planifier avec soin l’utilisation que l’on souhaite en faire. La réussite du projet en dépend », explique James McCall, chercheur au NREL travaillant sur le projet InSPIRE.
- Le choix des variétés cultivées et des méthodes de cultures, des semences et du projet de plantation, ainsi que des approches de gestion – Les projets d’agrivoltaïsme ont tout intérêt à opter pour des cultures ou un couvert végétal qui se développent bien sous des panneaux, dans le climat local et qui sont rentables sur les marchés locaux.
- La compatibilité et la flexibilité – Pour permettre aux activités agricoles de se développer efficacement, l’agrivoltaïsme doit être conçu pour répondre aux besoins parfois contradictoires des propriétaires de l’installation solaire, des exploitants de l’installation et des agriculteurs ou propriétaires du terrain.
- La collaboration et les partenariats – Pour qu’un projet soit une réussite, la communication et la compréhension entre les groupes est indispensable.
Source et inspirations : PV Magazine, divers sources