Au cours de la dernière décennie, le coût des panneaux solaires photovoltaïques (PV) a chuté rapidement. Mais dans le même temps, la valeur de l'énergie photovoltaïque a diminué dans les régions qui ont installé une capacité de production PV importante.
Les exploitants de systèmes photovoltaïques à l'échelle du service public ont vu le prix de l'électricité baisser à mesure que de plus en plus de générateurs photovoltaïques sont mis en ligne. Au cours de la même période, de nombreuses centrales au charbon ont dû installer des systèmes de contrôle des émissions, ce qui a entraîné une diminution de la pollution atmosphérique à l'échelle nationale et régionale. Il en a résulté une amélioration de la santé publique, mais aussi une diminution des avantages potentiels pour la santé de la compensation de la production au charbon par la production photovoltaïque.
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Compte tenu de ces tendances contradictoires, les avantages de la production d'énergie photovoltaïque sont-ils supérieurs aux coûts ? Pour répondre à cette question, il faut trouver un équilibre entre les coûts d'investissement initiaux et les avantages d'un système photovoltaïque sur toute sa durée de vie. Il est assez simple de déterminer les premiers. Mais l'évaluation du second est difficile car les avantages diffèrent dans le temps et dans l'espace. Les différences ne sont pas seulement dues à la variation de la quantité de lumière solaire qu'un endroit donné reçoit tout au long de l'année.
La baisse du prix payé pour l'énergie photovoltaïque à l'échelle du service public est due en partie à la façon dont l'électricité est achetée et vendue sur les marchés de gros de l'électricité. Sur le marché, les producteurs et les clients soumettent des offres précisant combien ils vont vendre ou acheter à différents niveaux de prix à une heure donnée le jour suivant. Les producteurs les moins chers sont choisis en premier. Comme le coût d'exploitation variable des systèmes photovoltaïques est proche de zéro, ils sont presque toujours choisis, à la place du générateur le plus cher de la gamme. Le prix payé à chaque générateur sélectionné est fixé par l'opérateur le plus coûteux du système. Ainsi, plus la puissance PV est élevée, plus les générateurs les plus coûteux sont nombreux et plus le prix baisse pour tout le monde. Par conséquent, en milieu de journée, lorsque l'énergie solaire produit le plus, les prix payés aux générateurs d'électricité sont les plus bas.
Ils paient en fait les consommateurs pour qu'ils prennent leur électricité afin de s'assurer qu'elle soit expédiée", explique-t-il. Par exemple, les centrales au charbon et les centrales nucléaires rigides peuvent offrir des prix négatifs pour éviter les arrêts et les démarrages fréquents qui entraîneraient des coûts supplémentaires de combustible et de maintenance. Les producteurs d'énergie renouvelable peuvent également proposer des prix négatifs pour obtenir des subventions plus importantes qui sont récompensées en fonction de la production.
Les avantages pour la santé varient également dans le temps et dans l'espace. Les effets sur la santé du déploiement de l'énergie photovoltaïque sont plus importants dans une région fortement peuplée qui dépend de l'énergie du charbon que dans une région moins peuplée qui a accès à une abondance d'énergie hydroélectrique ou éolienne propre. Et les avantages sanitaires locaux de l'énergie photovoltaïque peuvent être plus importants lorsque les lignes de transmission sont encombrées et qu'une région se retrouve coincée avec des sources très polluantes disponibles à proximité. Les coûts sociaux de la pollution atmosphérique sont en grande partie externalisés, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas pris en compte sur les marchés de l'électricité. Mais ils peuvent être quantifiés à l'aide de méthodes statistiques, de sorte que les avantages pour la santé résultant de la réduction des émissions peuvent être intégrés lors de l'évaluation de la compétitivité des coûts de la production photovoltaïque.
La contribution des générateurs à combustible fossile au changement climatique est une autre externalité non prise en compte par la plupart des marchés de l'électricité. Certains marchés américains, ont mis en place des programmes de plafonnement et d'échange, mais les prix du dioxyde de carbone (CO2) sur ces marchés sont bien inférieurs aux estimations du coût social du CO2, et d'autres marchés ne fixent pas du tout le prix du carbone. Une comptabilisation complète des avantages de l'énergie photovoltaïque nécessite donc de déterminer les émissions de CO2 déplacées par la production d'énergie photovoltaïque, puis de multiplier cette valeur par un prix uniforme du carbone représentant les dommages que ces émissions auraient causés.
Pour examiner l'évolution de la valeur de l'énergie solaire, certains spécialistes ont mis au point une méthodologie pour évaluer les coûts et les avantages de l'énergie photovoltaïque sur le réseau électrique américain chaque année entre 2010 et 2017.
Les chercheurs se sont concentrés sur six opérateurs de systèmes indépendants. Chaque ISO fixe les prix de l'électricité à des centaines de nœuds de tarification le long du réseau de transmission dans leur région. Les chercheurs ont effectué des analyses dans plus de 10 000 de ces nœuds de tarification.
Pour chaque nœud, ils ont simulé le fonctionnement d'une installation photovoltaïque à l'échelle du service public qui s'incline pour suivre le soleil tout au long de la journée. Ils ont calculé la quantité d'électricité qu'elle produirait et les avantages que chaque kilowatt procurerait, en tenant compte des revenus de l'énergie et de la capacité ainsi que des coûts évités en matière de santé et de changement climatique liés au déplacement des émissions de combustibles fossiles. (Les revenus de capacité sont payés aux producteurs pour être disponibles pour fournir de l'électricité aux heures de pointe). Ils se sont concentrés sur les émissions de CO2, qui contribue au changement climatique, et d'oxydes d'azote (NOx), de dioxyde de soufre (SO2) et de particules appelées PM2,5 - des particules fines qui peuvent causer de graves problèmes de santé et qui peuvent être émises ou formées dans l'atmosphère à partir de NOx et de SO2.
Les résultats de l'analyse ont montré que la valeur énergétique globale de la production photovoltaïque variait considérablement d'un endroit à l'autre, même dans la région d'un ISO donné. Par exemple, où la densité de population est élevée et où il est difficile d'ajouter des lignes de transmission, la valeur marchande du solaire était parfois 50 % plus élevée que dans l'ensemble de l'État.
Les avantages pour la santé publique associés à la réduction des émissions de SO2, NOx et PM2,5 ont diminué au cours de la période étudiée, mais étaient encore substantiels en 2017. La monétisation des avantages de la production d'énergie photovoltaïque pour la santé en 2017 permettrait d'augmenter de près de 75 % les recettes énergétiques, et de 100 % dans la région du centre du littoral atlantique, grâce à la production importante de charbon et le centre du littoral atlantique et à la forte densité de population sur la côte est.
Les chercheurs se sont basés sur les revenus énergétiques et les capacités de production ainsi que sur les avantages sanitaires et climatiques calculés pour 2017 : Compte tenu de cette combinaison d'avantages privés et publics, quel serait le coût initial du système photovoltaïque nécessaire pour que l'installation photovoltaïque atteigne le seuil de rentabilité sur toute sa durée de vie, en supposant que les conditions du réseau de cette année-là persistent pendant toute la durée de vie de l'installation ?
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