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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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 années 1 apportant notamment des réponses à trois questions envisagées
sous l’analyse du cycle de vie (ACV) :
Quelle est la quantité d’énergie primaire incorporée dans les solutions
de solaire photovoltaïque (énergie grise) ?
Combien d'années faut-il à des systèmes photovoltaïques pour
restituer l’énergie grise incorporée (temps de retour énergétique) ?
Combien de fois un système photovoltaïque peut-il rembourser
l’énergie grise incorporée (coefficient de performance énergétique) ?
Energie grise photovoltaïque
Quelques illustrations ci-dessous présentent la variété des travaux souvent menés
sous l’impulsion des pouvoirs publics, des industriels et des milieux académiques :
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).
La Commission européenne a co-financé différents travaux sur le
sujet dans le cadre des projets EU PV Platform (http :
//www.eupvplatform.org/) et CrystalClear (http :
//www.ipcrystalclear.info/).
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
1
Voir la revue de la literature 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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Aux Etats-Unis, National Renewable Energy Laboratory (NREL) dépendant du
Département de l’Energie (DOE), a également réalisé différents travaux de
référence sur la question 2.
La difficulté de l’exercice est double :
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
Energie grise photovoltaïque
(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 derniers 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 :
Energie grise (quantité d'énergie primaire incorporée sur le
cycle de vie du produit) du solaire PV installé : entre 2525
kWh/kWc
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
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
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.
Energie grise photovoltaïque
Coefficient de Productible sur la durée de vie du
Quantité performance système photovoltaicque
énergétique
d’Energie
Temps de retour énergétique
Temps
Energie grise
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
3
Pour le solaire photovoltaïque, l’énergie grise représente la quantité d'énergie (coût
énergétique
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sous forme de chaleur ou d'électricité) nécessaire au cycle complet (extraction des
matières premières, transport, fabrication) de l’ensemble des 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.
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
Energie grise photovoltaïque
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.
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 énergétiques 3 :
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
Energie grise photovoltaïque
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 - 5
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.
Energie grise :
Etape 1 40% du total des
(raffinage du Points clés dépenses
silicium) énergétiques du
système
Faible rendement
Energie grise photovoltaïque
Il permet d’obtenir un matériau d’une plus (25%), pour une
Procédé chimi- grande pureté. Cela correspond à un attendu consommation
que (Siemens) de la filière électronique pour laquelle elle a énergétique
historiquement été développée. d’environ 150
KWh/kg
80% d’économie
Il a été développé pour diminuer les coûts de d’énergie par
production avec une qualité moindre que pour rapport au
Procédé celle de l’industrie électronique, tout en procédé Siemens
métallurgique garantissant une qualité suffisante pour les : Consommation
(Elkem) applications solaires. L’économie d’énergie d’énergie : 25-30
s’effectue sur la méthode de traitement des kWh/kg de
impuretés différente et beaucoup moins matériau initial.
énergivore que celle du procédé Siemens.
Exemples : recherche d’économies sur le type Réduire
Procédés de fours utilisés (expérimentation de four d’avantage le
actuellement en solaire), sur la matière première et son coût énergétique
phase de R&D traitement (utilisation de paille de riz comme et le coût en
source de silice), matière
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2. Etape 2 : cristallisation du silicium et mise en forme des plaques
Etape 2 : Energie
Points clés
Cristallisation grise
Le coût énergétique dépend du niveau de 28% du total
rendement recherché. des
dépenses
Plus coûteux -> Silicium monocristallin (sc-SI) :
énergétiques
lors du refroidissement, le silicium fondu se
solidifie en ne formant qu'un seul cristal de du système
Transformation
grande dimension. On découpe ensuite le
du silicium cristal en fines tranches qui donneront les
solaire en cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu
cellules mono ou uniforme. Rendement de 15% environ.
multi- cristallines 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.
Energie grise photovoltaïque
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 Points clés Energie grise
celle des
périphériques
Il existe selon des fabricants, de
nombreuses variantes et sous-
Etape 3 :
étapes pour chacune de ces étapes,
Fabrication des
ci-dessous : décapage, texturation, 15% du total des
cellules
dopage, bords de plaque, anti- dépenses énergétiques
reflets, du système énergétiques
Principales étapes : raccordement du système
Etape 4 :
des cellules, encapsulation,
assemblage des
encadrement et connexion des
modules
boîtes de jonction,..
Etape 5 : Fabrication des périphériques 6-7% du
production des (onduleurs, câblage, ) à connecter total énergétiques du
périphériques aux modules système
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4. Les nouvelles générations de cellules photovoltaïques : beaucoup
moins énergivore
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.
Energie grise photovoltaïque
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 :
Variables impactant le temps de retour
Paramètres
de l’énergie grise
Localisation de l’installation Gisement solaire, irradiation
Type de surface à couvrir : façade, toiture
Caractéristiques de l’installation
plate, toiture inclinée
Orientation : inclinaison, ombrages,
Durée de vie estimée de l’installation En général : 20, 25 ou 30 ans
Type de cellules : sc-Si, a-Si, mc-Si, CIS,
Technologies déployées CdTe, Si ruban,
Type de panneaux : avec ou sans cadre
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2. Hypothèses et résultats
a) Etude du projet européen CrystalClear 4
(1) 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
Energie grise photovoltaïque
(2) 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)
Temps de retour
Rendement
Technologies 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
9
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
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
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
Energie grise photovoltaïque
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 Coefficient de performance
(nombre d’années) (nombre de fois)
Villes Paris Marseille Paris Marseille
Pose en
2,9 1,9 9,4 14,6
toiture sud
Pose en
4,3 2,9 6,1 9,4
façade sud
10
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 :
Energie grise photovoltaïque
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 ya 2 ans déjà, le Fraunhofer Institute a réussi des tests en 11
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).
Energie grise photovoltaïque
Plusieurs dizaines d’autres voies voie 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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