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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




                   Copyright Innhotep

                           Copytight Innhotep
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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                               45 Bd Victor Hugo
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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).




  4




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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



                                                                                                                         7




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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.




12




                               INNHOTEP
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  • 1. 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 Copyright Innhotep Copytight Innhotep
  • 2. 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) INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 3. 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) INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 4. 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 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 5. 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). 4 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 6. 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) INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 7. 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 6 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 8. 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 7 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 9. 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 8 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 10. 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) INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 11. 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) INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 12. 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 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com
  • 13. 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. 12 INNHOTEP 45 Bd Victor Hugo 92110 Clichy Batignolles www.innhotep.com innhotep.blogspot.com