Innhotep - Energie Grise Photovoltaïque (2010)

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ENERGIE GRISE PHOTOVOLTAIQUE

Au delà des débats idéologiques, quelle est la mesure objective de la performance énergétique du solaire photovoltaïque ? Revue des principales méthodes, hypothèses et résultats actuels et tendances futures

2010

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INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com

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I. Introduction L’analyse et la mesure de l’impact environnemental du solaire photovoltaïque et

particulièrement celles de son coût et de ses bénéfices du point de vue de l’énergie

primaire nécessaire sur le tout le cycle de vie du produit, constituent un sujet clé sous

le triple angle écologique, économique et technologique.

Il a fait l’objet d’une cinquantaine de publications scientifiques et techniques ces 15

dernières années1 apportant notamment des réponses à trois questions envisagées

sous l’analyse du cycle de vie (ACV) :

Î Quelle est la quantité d’énergie primaire incorporée dans les solutions

de solaire photovoltaïque (énergie grise) ?

Î Combien d'années faut-il à des systèmes photovoltaïques pour

restituer l’énergie grise incorporée (temps de retour énergétique) ?

Î Combien de fois un système photovoltaïque peut-il rembourser

l’énergie grise incorporée (coefficient de performance énergétique) ?

Quelques illustrations ci-dessous présentent la variété des travaux souvent menés

sous l’impulsion des pouvoirs publics, des industriels et des milieux académiques :

Î Les experts Erik A. Alsema (Utrecht University), Mariska J. de Wild-

Scholten (Energy research Centre of the Netherlands) et Niels

Jungbluth (ESU-services) ont réalisé les études les plus réputées en

Europe sur le silicium cristallin. Les résultats de leurs travaux ont

notamment permis la mise à jour de la base de données d’éco-bilans

(Ecoinvent) privilégiée par l’Association Européenne de l’Industrie

Photovoltaïque (EPIA).

Î La Commission européenne a cofinancé différents travaux sur le

sujet dans le cadre des projets EU PV Platform (http :

//www.eupvplatform.org/) et CrystalClear (http :

//www.ipcrystalclear.info/).

Î L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) est un acteur central sur ces

questions à travers le projet PV Environnemental Health And

Safety (http : //www.iea-pvps-task12.org/38.0.html) du Programme

Photovoltaic Power Systems (PVPS)

1 Voir la revue de la littérature effectuée par K. Myrans de l’Université de Toronto in “Comparative energy and carbon assessment of three green technologies for a Toronto roof” (2009)


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Î Aux Etats-Unis, National Renewable Energy Laboratory (NREL) dépendant du

Département de l’Energie (DOE), a également réalisé différents travaux de

référence sur la question2.

La difficulté de l’exercice est double :

Î Le photovoltaïque est l’un des secteurs énergétiques dans lesquels

l’innovation technologique est la plus forte. Ce qui nécessite à la fois de

pouvoir disposer des données les plus récentes des fabricants et de leurs

clients et de disposer d’un recul minimum pour évaluer les impacts des

nouvelles solutions.

� Les résultats varient selon selon les hypothèses retenues :

� en amont : suivant le mix de l’énergie primaire (nucléaire,

thermique et sous quelle forme, hydraulique, ) considéré

pour la fabrication des différents composants du système et

� en aval : suivant les conditions d’installation des solutions

(irradiation, orientation, etc.).

Du fait de ces contraintes, les données les plus précises disponibles sont celles pour

lesquelles on dispose du plus de recul sur toute la chaîne (de la fabrication à

l’exploitation), qui sont les mieux maîtrisées et les plus déployées à l’échelle mondiale

(81% du total) : les technologies cristallines de première génération.

Toutefois la part relative de ces dernières décroît dans le temps. Décroissance qui va

s’accélérer avec la diffusion des solutions cristallines de nouvelle génération, des

technologies couches minces et des solutions encore plus avancées actuellement en

phase de R&D (couches organiques, ), toutes beaucoup moins énergivores.

En synthèse et sous réserve des limites et hypothèses ci-dessus évoquées, trois résultats clés sont à considérer :

Î Energie grise (quantité d'énergie primaire incorporée sur le cycle de vie du produit) du solaire PV installé : entre 2525 kWh/kWc

Î Temps de retour énergétique (temps nécessaire au module photovoltaïque pour produire une quantité d'énergie solaire égale à sa propre énergie) : entre 1,6 et 4,7 années selon les technologies considérées et les conditions d'installation

Î Coefficient de performance énergétique (nombre de fois qu’un système photovoltaïque remboursera son contenu énergétique sur sa durée de vie) : entre 5 et 18 selon les technologies considérées et les conditions d'installation

2 “Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry”, S. Kurtz (2009)

“What is the energy payback for PV ? ”, NREL (2004)


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Comment arrive-t-on à ces résultats ? Quelles en sont les sources ? Quelles sont les

perspectives futures ? Quelles analyses spécifiques peuvent être établies, en

particulier pour l’énergie grise ?

Pour répondre à ces questions, il convient d’abord de préciser les définitions et

modes de calculs des différents concepts relatifs à l’évaluation (coûts et gains) de

l’énergie grise.

Ensuite, nous présenterons les principales hypothèses de calcul et les principaux

résultats induits.

II. Définitions Trois dimensions doivent être prises en compte pour mesurer au mieux, dans le

temps le coût et le gain énergétique d’un système de solaire photovoltaïque :

L’énergie grise, le temps de retour énergétique et le coefficient de performance

énergétique.

Î Energie grise (embodied energy/energy input)

L'énergie cachée, dite «grise », investie en amont, est l’énergie primaire totale

(exprimée en mégajoules) consommée tout au long du cycle de vie d’un produit.

Elle contient une part procédé et une part matière :

� Energie Procédé : énergie à fournir pour transformer la matière

� Energie Matière : énergie contenue dans la matière

Pour le solaire photovoltaïque, l’énergie grise représente la quantité d'énergie (coût

énergétique sous forme de chaleur ou d'électricité) nécessaire au cycle complet

(extraction des matières premières, transport, fabrication) de l’ensemble des

Energie grise

Temps de retour énergétique

Productible sur la durée de vie du système photovoltaicque

Coefficient de performance énergétique

Quantité

d’Energie

Temps


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constituants du système (cellules, modules, onduleurs, câblage, dispositif de

régulation électronique, etc. ).

� Exemple pour le silicium cristallin : Les analyses du cycle de vie vont de

l’extraction du quartz à la production d’électricité 30 ans durant, hors fin de

vie des systèmes, avec un remplacement d’onduleurs.

Î Temps de retour énergétique (TRE) d’un système

L’ «Energy Payback Time » (EPBT) correspond au temps nécessaire (exprimé en

nombre d’années) au système photovoltaïque complet pour produire une quantité

d'énergie solaire égale au contenu énergétique (énergie grise) nécessaire à sa

fabrication et à son installation.

� Exemple : si un panneau solaire fournit 10.000 kWh par an et que sa

fabrication a nécessité 30.000 kWh, son temps de retour énergétique est de

3 ans (= 30.000/10.000). Il faudrait donc produire de l'énergie d’origine

photovoltaïque durant 3 ans pour "récupérer" l'énergie nécessaire à sa

fabrication, énergie qui, elle, n'est généralement pas renouvelable.

Î Coefficient de performance (ou de retour) énergétique

L’ «Energy Return Factor » (ERF), appelé «Erntefaktor» en allemand, définit le

nombre de fois qu’un système photovoltaïque peut rembourser son contenu

énergétique (énergie grise) sur sa durée de vie. Il est calculé par le rapport de la

durée de vie productive de l'installation (numérateur) et temps de retour énergétique

du système (dénominateur).

� Exemple : Si la durée de vie retenue est de 30 ans, et si le TRE s’élève à 3,

alors ce coefficient est de l’ordre de 10 (ans).


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III. Principales variables de calcul de l’énergie grise incorporée dans un système PV

A. Energie grise incorporée dans la fabrication des systèmes photovoltaïque cristallins

La grande majorité des modules photovoltaïques est constituée d’assemblages de

cellules solaires de 0,1 à 0,8 millimètre d'épaisseur. Celles-ci sont formées à partir de

plaques de silicium de grande pureté chimique, initialement destinées à l’industrie

électronique. La préparation de ce matériau à partir de la silice (oxyde de silicium

Si02) naturelle s’effectue à travers 4 étapes majeures (voir illustration ci-dessous)

dans l’analyse du cycle de vie, à l’origine d’importantes dépenses énergétiques3 :

� Etape 1 : Elaboration du silicium solaire à partir du silicium

métallurgique, lui-même obtenu à partir de quartz.

� Etape 2 : Cristallisation de ce silicium solaire pour former des plaques.

� Etape 3 : Traitement du silicium cristallisé en composant actif

transformé en cellule photovoltaïque.

� Etape 4 : Assemblage des cellules photovoltaïques en modules

photovoltaïques.

� Etape 5 : regroupement de plusieurs modules pour réaliser un système

photovoltaïque intégré en toiture comprenant également une structure

porteuse et des composants électroniques et électriques.

3 Voir : “Photovoltaics energy payback times, greenhouse gas emissions and external

costs : 2004–early 2005 status”, M.J Wild - Scholten, E.A.Alsema,D. Fraile; R. Frischknecht ; V.M. Fthenakis; M.Held; Ki; W.Pölz, W.; M.Raugei. “Methodology Guidelines on Life Cycle Assessment of Photovoltaic Electricity - Subtask 20, "LCA", IEA-PVPS Task 12, V. Fthenakis, E.Alsema” (2007) “Life Cycle Assessment of Crystalline Photovoltaics in the Swiss ecoinvent Database”, N. Jungbluth (2005)


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1. Etape 1 (raffinage du silicium) : c’est l’étape la plus consommatrice en énergie

Le silicium solaire, matériau à partir duquel sont fabriqués les lingots de silicium est

obtenu à la suite d’une succession de 2 sous-étapes :

� Transformation du quartz en silicium métallurgique

� Transformation du silicium métallurgique en silicium solaire (SoG-

Si)

Il existe deux principaux procédés de production de silicium de qualité solaire : le

procédé chimique et la procédé métallurgique.

Etape 1 (raffinage du

silicium) Points clés

Energie grise : 40% du total des

dépenses énergétiques du

système

Procédé chimi-que (Siemens)

Il permet d’obtenir un matériau d’une plus grande pureté. Cela correspond à un attendu de la filière électronique pour laquelle elle a historiquement été développée.

Faible rendement (25%), pour une consommation énergétique d’environ 150 KWh/kg

Procédé métallurgique (Elkem)

Il a été développé pour diminuer les coûts de production avec une qualité moindre que pour celle de l’industrie électronique, tout en garantissant une qualité suffisante pour les applications solaires. L’économie d’énergie s’effectue sur la méthode de traitement des impuretés différente et beaucoup moins énergivore que celle du procédé Siemens.

80% d’économie d’énergie par rapport au procédé Siemens : Consommation d’énergie : 25-30 kWh/kg de matériau initial.

Procédés actuellement en phase de R&D

Exemples : recherche d’économies sur le type de fours utilisés (expérimentation de four solaire), sur la matière première et son traitement (utilisation de paille de riz comme source de silice),

Réduire d’avantage le coût énergétique et le coût en matière


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2. Etape 2 : cristallisation du silicium et mise en forme des plaques Etape 2 :

Cristallisation Points clés Energie grise

Transformation du silicium solaire en cellules mono ou multi- cristallines

Le coût énergétique dépend du niveau de rendement recherché.

� Plus coûteux -> Silicium monocristallin (sc-SI) : lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. Rendement de 15% environ.

� Moins coûteux -> silicum multicristallin (mc-Si) : Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme : on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Rendement de 12% environ.

28% du total des dépenses énergétiques du système

3. Etape 3 à 5 : Fabrication des cellules, assemblage des modules et production des périphériques

Etape 3 à 5 :

De la fabrication des cellules à

celle des périphériques

Points clés Energie grise

Etape 3 : Fabrication des cellules

Il existe selon des fabricants, de nombreuses variantes et sous-étapes pour chacune de ces étapes, ci-dessous : décapage, texturation, dopage, bords de plaque, anti-reflets,

15% du total des dépenses énergétiques du système

Etape 4 : assemblage des modules

Principales étapes : raccordement des cellules, encapsulation, encadrement et connexion des boîtes de jonction,..

Etape 5 : production des périphériques

Fabrication des périphériques (onduleurs, câblage, ) à connecter aux modules

6-7% du total des dépenses énergétiques du système


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4. Les nouvelles générations de cellules photovoltaïques : beaucoup moins énergivores

La production de cellules à partir de wafers de silicium est énergivore et requiert des

quantités de matières importantes (induisant des pertes à la découpe).

A contrario, la fabrication de couches minces ne nécessite pas de passer par l'étape

de transformation du silicium en «wafers». Les couches minces consomment moins

de matériau semi-conducteur (épaisseur 200 à 300 fois moindre que celle d’une

cellule à base de silicium cristallin) et nécessitent 2,6 fois moins d’étapes (40 étapes

contre 15).

Les cellules de couches minces à base de silicium les plus récentes, en cours de

développement, à l’échelle micrométrique (I à 3 µm) mobilisent de faibles quantités de

silicium. En conséquence, les besoins en énergie sont de loin inférieurs à ceux des

cellules cristallines.

Les processus de production des couches minces conçues à partir d’autres matières

premières que la silice (tellure de cadmium, cuivre, indum, galenium, selenium, )

sont également beaucoup moins énergivore que les cellules cristallines. La

technologie utilisée par First Solar par exemple requiert 100 fois moins de matière.

B. Energie grise incorporée dans l’installation des systèmes photovoltaïque

1. Principaux paramètres à prendre en compte Les paramètres permettant d’accroître ou de réduire le temps de retour de l’énergie

grise incorporée dans les cellules sont, par ordre décroissant de leur impact :

Paramètres Variables impactant le temps de retour de l’énergie grise

Localisation de l’installation Gisement solaire, irradiation

Caractéristiques de l’installation

Type de surface à couvrir : façade, toiture plate, toiture inclinée

Orientation : inclinaison, ombrages,

Durée de vie estimée de l’installation En général : 20, 25 ou 30 ans

Technologies déployées Type de cellules : sc-Si, a-Si, mc-Si, CIS, CdTe, Si ruban,

Type de panneaux : avec ou sans cadre


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2. Hypothèses et résultats

a) Etude du projet européen CrystalClear4

x Principales hypothèses � Technologie :

� Modules à base de silicium multicristallin � Rendement 13.2% � Durée de vie 30 ans

� Etapes intégrées dans l’analyse du cycle de vie (ACV) � ACV intégrant l’approvisionnement en matières premières,

la fabrication, l’installation et l’exploitation sur le réseau � Elle exclut l’étape de gestion de vie du matériel

� Energie primaire prise en compte � Mix électrique UCTE région Europe de l’Ouest (31%

d’efficience du réseau) � Paramètres d’installation

� Irradiation 1000 et 1700 kWh/m2 � Intégré en toiture � Orienté sud � 1 remplacement d’onduleur

x Principaux résultats � Quantité d’énergie grise incorporée dans un système

photovoltaïque installé

Type d’énergie Consommation

Energie primaire 29 à 35 000 MJ par kWc

Energie finale par kWc installé 2525 kWh

� Temps de retour énergétique

Rendement et temps de retour des technologies (pour 1700 kWh/m2/an)

Technologies Rendement (%)

Temps de retour

énergétique (nombre d’années)

Multi-cistallin (mc-Si) 13,2 3,3

Silicium amorphe (a-Si) 5,5 2

Tellure de cadmium (CdTe) 9 1,1

CiGS 11,5 1,3

4 “Environmental impacts of PV electricity generation -a critical comparison of energy supply options”, Aselma et alii (2006)


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b) Etude de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE)5

x Principales hypothèses � Identiques pour l’essentiel à celles du projet CrystalClear � Hypothèses complémentaires � Energie grise : résultat du projet CrystalClear (2525

kWh/kWc suivant le procédé le plus répandu : Siemens) � Meilleur cas : toiture plein sud (angle : 30°) � Cas défavorable : façade photovoltaïque (angle 90°) � Technologie actuelle disponible sur le marché � Hypothèses de localisation : 41 villes des pays de l’OCDE

x Principaux résultats (résultats en moyenne)

� Temps de retour énergétique

Temps de retour énergétique d’un système photovoltaïque en nombre d’années

Valeur minimale Valeur maximale

Pose en toiture sud 1,6 3,3

Pose en façade sud 2,7 4,7

� Coefficient de performance énergétique

Coefficient de performance énergétique d’un système photovoltaïque (nombre de fois du remboursement énergétique sur une durée de vie)

Valeur minimale Valeur maximale

Pose en toiture sud 8 18

Pose en façade sud 5,4 10

� Zoom sur le cas Français

Temps de retour et coefficient de performance comparés du système PV selon la localisation

Temps de retour (nombre d’années)

Coefficient de performance (nombre de fois)

Villes Paris Marseille Paris Marseille

Pose en toiture sud 2,9 1,9 9,4 14,6

Pose en façade sud 4,3 2,9 6,1 9,4

5 Photovoltaic Power Systems (PVPS), AIE : “Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity

in OECD cities” (2006)


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IV. Conclusion :

Les résultats que nous avons présentés, issus des travaux les plus réputés sur le

sujet, sont jugés fiables par la communauté des experts, mais sont néanmoins datés.

Car ils ont été établis en 2004-2005 avec des connaissances de l’époque. Ils ont sans

doute sensiblement évolué depuis et seront largement modifiés dans les 3-5

prochaines années. La raison de ces changements : la vitesse de l’innovation technologique dans le solaire photovoltaïque.

Les temps de retour diminueront encore plus et les coefficients de performance

énergétique s’élèveront sensiblement en conséquence.

Quelques exemples d’innovations technologiques pour s’en convaincre, qui vont

modifier l’efficacité des processus de production des cellules et le rendement de

celles-ci :

� En 2007, IBM a été récompensée lors des Most Valuable Pollution

Prevention awards pour son invention permettant de recycler (3

millions de galettes de wafers par an) ses processeurs défectueux pour

en faire des capteurs solaires, supprimant ainsi un grand nombre

d’étapes énergivores dans la production de ces dernières et rendant

possible la baisse du coût d’achat de matières premières en cas de

« surchauffe » sur le marché.

� Les projets d’amélioration de l’efficacité de la fabrication des cellules

solaires par procédé laser (Solasys, Avancis, ) se développent, à la

fois pour les modules cristallins et pour les couches minces. Solasys

par exemple, lancé en 2008 pour 3 ans, devrait livrer ses conclusions

en 2011-2012.

� Ils permettront de contrôler en permanence et à l’échelle la plus

fine la puissance de traitement des cellules et donc d’optimiser

l’énergie nécessaire, d’accroître leur rendement (X2 par rapport à

aujourd’hui pour les couches minces de type CIS- Cuivre-Indium-

Sulfure), et de réduire les coûts de finition et les rebuts.

� Le photovoltaïque à concentration jusqu’à présent surtout réservé à

des applications spatiales se développe dans les applications

terrestres. Il y a 2 ans déjà, le Fraunhofer Institute a réussi des tests en

laboratoire ayant conduit à obtenir des rendements à 39,7% grâce à

un rayonnement solaire concentré 300 fois sur une cellule


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photovoltaïque à multi-jonctions (de type III-V). Des sociétés telles

Concentrix Solar occupent ce segment industriel des cellules à

concentration.

� En 2009, en Italie, la collaboration entre l'Université de Catane et les

entreprises de l'Etna Valley Advanced Technology Solutions a permis

de mettre au point de nouvelles surfaces photovoltaïques extrêmement

fines (de l’épaisseur du papier peint), applicables même sur du

plastique car produite non pas à l'aide d'un laser mais grâce à un

procédé à froid (température de 80° contre 400° avec un procédé

traditionnel) encore appelé Pulsed Plasma Deposition (PPD). L’énergie

nécessaire comparativement à celle des solutions cristallines par ce

type de couches minces est donc réduite d’un facteur largement

supérieur à 5 en raison du procédé plus efficient et de la matière

première moins lourde à traiter (plastique par rapport aux wafer).

Plusieurs dizaines d’autres voies de plus grande efficacité énergétique de la

production des cellules PV et d’accroissement sensible de leur rendement existent.

Autant de pistes permettant de diminuer fortement la quantité d’énergie grise

contenue dans les cellules et les temps de retour et coefficients de performance

énergétique associé.

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