Le photovoltaïque en 2018 : recherches, évolutions et perspectives

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Crédit photo 1 : pixabay

Le solaire photovoltaïque est actuellement l’énergie électrique pour laquelle il y a le plus de nouvelles installations chaque année dans le monde1. Fin 2017, il y avait 404 GW de raccordés dans le monde dont 8 GW en France. Ce chiffre devrait continuer à augmenter dans les années à venir. En effet, dans ses scénarii actualisés de mixes électriques utilisant 80% à 90% d’électricité renouvelable2, l’ADEME envisage entre 60 et 90 GW de puissance photovoltaïque (= PV) installée en France d’ici 2050. En moyenne, cela impliquerait d’installer environ 1,6 GW de nouvelles installations par an. Même le scénario le moins ambitieux nécessiterait tout de même 20 GW d’électricité renouvelable issue du solaire PV. L’agence internationale de l’énergie (AIE), quant à elle, estime que le PV devrait atteindre 600 GW de puissance installée dans le monde en 20233.

Si de tels volumes d’installation sont envisageables, c’est que le coût de production du PV a fortement baissé en 10 ans4. Les grandes centrales au sol dans le sud de la France fournissent aujourd’hui de l’électricité à un prix compétitif par rapport à celui des autres sources d’électricité traditionnelles ou renouvelables. En effet, le coût d’1 MWh est estimé à environ 43€ pour une ferme solaire. A titre de comparaison, le prix du nucléaire français se situe entre 42 et 60€/MWh. Si les autres installations, sur les toitures par exemple, restent plus onéreuses, elles devraient elles-aussi devenir plus compétitives dans le futur puisque le coût des énergies fossiles continue d’augmenter. D’après l’ADEME, « le coût de production de l’électricité photovoltaïque devrait être comparable au prix de gros de l’électricité autour de 2030 »5.

De plus, le solaire PV permet des bénéfices environnementaux indéniables. Il offre une énergie électrique sans émissions directes de gaz à effet de serre et avec des émissions indirectes faibles. On estime qu’il faut entre 1 et 3 ans pour produire autant d’énergie qu’il en aura fallu pour fabriquer un panneau5. Question bilan carbone, le PV n’est pas en reste. En moyenne, un système PV installé en France émet 55 g de CO2 équivalent par kWh durant toute son exploitation tandis que les émissions du mixe électrique français sont autour de 82 gCO2eq/kWh (et 430 gCO2eq/kWh dans le monde !) 5. Ce résultat peut varier en fonction du site d’installation et de la technologie utilisée pour les panneaux.

Le marché actuel du PV est dominé par la technologie silicium qui représente 90% des panneaux produits6. Si elle s’est largement imposée face aux autres solutions existantes, cette technologie n’est pas exempte de tout défaut : procédés de fabrication très consommateurs en énergies fossiles, rendement maximum des cellules intrinsèquement limité, gaspillage de matière première lors des découpes des lingots de silicium, filière de recyclage spécifique encore à ses débuts, occupation des sols dans les fermes solaires… Autant d’enjeux à prendre en considération et de pistes de recherches pour les acteurs de la filière PV.

Nouvelle avancée pour le recyclage du silicium

La production du silicium est un des points noirs de la fabrication des panneaux PV. Elle représente 40% de l’empreinte carbone d’un système complet7. C’est du d’une part aux procédés de fabrication et de purification qui sont très énergivores, et d’autre part à la perte de matière première qui a lieu lors de la découpe des lingots de silicium purs en cellules solaires : 40 à 50% de la matière serait perdue sous forme de copeaux, aussi appelés Kerfs. En 2017, sur les 470 000 tonnes de silicium produites, 200 000 tonnes ont ainsi été perdues7. Ces copeaux étaient jusque-là considérés comme inexploitables car contaminés par d’autres produits lors de la découpe.

RoSi8, jeune start-up issue de la collaboration entre différents acteurs travaillant sur les procédés de recyclage du silicium, a breveté récemment « une technique de nettoyage chimique des déchets issus des usines de cellules solaires pour les débarrasser de leurs résidus organiques et en faire une poudre sèche et pure, laquelle est ensuite fondue et mise en forme ». Le silicium ainsi obtenu peut être réinjecté dans la chaine de production photovoltaïque initiale, ce qui permet la mise en place d’une économie circulaire.

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Crédit photo 2 : RoSi

Si le procédé fonctionne déjà à petite échelle,  RoSi travaille maintenant sur son industrialisation avec ses partenaires, notamment le SiMaP et la région Auvergne-Rhône-Alpes9.

Vers des cellules plus performantes

L’amélioration du procédé de fabrication du silicium est une très bonne nouvelle, mais encore faut-il que l’électricité issue du photovoltaïque soit compétitive pour que cette technologie se fasse une place de choix dans les solutions de mixe énergétique proposées à l’avenir. Pour cela, le rendement des modules doit être élevé et le prix de l’énergie produite suffisamment bas.

Aujourd’hui, à l’échelle industrielle, les meilleurs rendements sont obtenus par des cellules à base de silicium monocristallin avec 26,7% tandis que les cellules à base de silicium polycristallin atteignent environ 15%. En 2017, l’institut de recherche allemand Fraunhofer ISE a battu son propre record et a réussi à atteindre un rendement de 22,3% avec une cellule solaire en silicium polycristallin10. Cette réussite a été rendue possible grâce à l’utilisation d’un silicium très pur et à l’optimisation des étapes de cristallisation et de traitement des cellules. Etant donné que cette technologie représente environ 60% du marché mondial, c’est une avancée encourageante.

Pour autant, cela reste encore insuffisant par rapport aux objectifs fixés. Pour atteindre des taux de conversion de l’énergie solaire vraiment élevés, les chercheurs pensent qu’il est nécessaire de passer à des cellules à multijonctions. C’est d’ailleurs le principe du photovoltaïque à concentration, dit également CPV. Les cellules sont faites d’un empilement de « plusieurs couches de matériaux qui absorbent des longueurs d’ondes différentes pour couvrir le plus large spectre possible, de l’ultraviolet aux infrarouges ». Elles sont ensuite couplées « à des miroirs ou à des lentilles qui agissent comme des loupes » et ainsi concentrent l’énergie solaire reçue. Le record de rendement avec ce type de cellule est de 46%. Il a été obtenu par l’entreprise française Soitec en 2014 grâce à une cellule à 4 jonctions. Malheureusement, cette architecture coûte cher à produire et si le surcoût se justifie pour un satellite, cela pose plus de questions pour une utilisation terrestre. Plusieurs axes de recherches sont donc explorés pour réduire les coûts, notamment l’utilisation de cellules avec seulement 2 jonctions et le remplacement des matériaux onéreux par d’autres moins dispendieux. C’est la voie de recherche qu’ont choisi l’institut Fraunhofer ISE et le CEA. Dans un article paru récemment, les chercheurs indiquent avoir atteint un rendement de 33% grâce à une cellule à 2 jonctions à base de silicium, au lieu du germanium utilisé généralement. Leur objectif est de pousser le rendement jusqu’à 35% en laboratoire11.

Pérovskite : un matériau qui pourrait remplacer le silicium ?

Parallèlement aux travaux sur le silicium ou le CPV, des recherches sont en cours sur des matériaux de substitution possibles. Les cellules solaires à base de pérovskites, matériau possédant une structure cristalline, sont l’une des voix envisagées. Elles présentent de grands avantages : elles sont faciles à produire à basse température et coûteraient environ 20 fois moins cher que leurs cousines au silicium.

Si les rendements obtenus avec ces cellules étaient très faibles au début des recherches en 2009, ils ont rapidement progressé et atteignent aujourd’hui des valeurs comparables à ceux du silicium. En 2018, des chercheurs de l’école polytechnique fédérale de Lausanne et du centre suisse d’électronique et microélectronique de Neuchâtel ont réussi à battre un record de rendement avec une cellule tandem mélangeant silicium et pérovskite. Leur cellule a atteint 25,2% de rendement grâce à une amélioration du procédé de fabrication12.

Ces résultats sont très encourageants mais les pérovskites se heurtent encore à plusieurs écueils, notamment leur mauvaise résistance à l’eau et leur instabilité. En effet, les cellules se dégradent rapidement sous l’effet du rayonnement, ce qui est tout de même dommage pour une technologie fonctionnant à l’énergie solaire ! Des travaux sur l’encapsulation des cellules dans des feuilles de polymères anti-UV sont en cours pour améliorer ce point.

Enfin, les bons rendements ont été obtenus sur des cellules de démonstrations de quelques millimètres carrés de surface. Il sera encore nécessaire de travailler quelques temps sur le sujet afin d’augmenter la taille des cellules et de pouvoir les installer sur des modules classiques.

Matériau de substitution : et pourquoi pas des cellules solaires organiques ?

Axe de recherche un peu oublié ces dernières années au profit des pérovskites, une publication parue cette année13 pourrait rebooster l’intérêt des chercheurs pour les cellules solaires organiques. Elles sont appelées ainsi car à base de molécules carbonées. Ces cellules peuvent être dissoutes dans de l’encre et imprimées, mais également rendues semi-transparentes. Cela les rend légères et pliables, ce qui permet d’imaginer des applications diverses comme de les incorporer dans des vitres, dans des structures courbées, dans du textile ou encore dans des téléphones portables.

Leur procédé de fabrication est également plus « propre », moins consommateur d’énergie et de solvants chimiques. L’utilisation de telles cellules à grande échelle permettrait donc de réduire l’empreinte carbone des systèmes PV.

Leur développement avait été freiné à cause de leur faible rendement. Cependant, une nouvelle étape a été franchie en août 2018 par des chercheurs Chinois13. En utilisant une cellule tandem combinant 2 couches de matériaux pour absorber différents longueurs d’ondes, ils ont réussi à augmenter le taux de conversion de l’énergie solaire par les cellules. Les résultats publiés indiquent un rendement supérieur à 17% et les auteurs disent pouvoir atteindre 25% en laboratoire.

Si les résultats s’avèrent transposables à l’échelle industrielle, les cellules solaires organiques pourraient concurrencer sérieusement les technologies à base de silicium, d’autant plus que leur coût de fabrication est moindre. Se posera alors la question de leur recyclage.

  

Quid de la fin de vie des systèmes photovoltaïques ?

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Crédit photo 3 : PVCYCLE

Avec l’augmentation de la quantité de systèmes PV installés, la question de la fin de vie des modules et des différents composants est un véritable enjeu à l’échelle mondiale. Or on entend régulièrement des phrases comme « les panneaux solaires ne sont pas une solution viable pour produire de l’énergie, on ne sait pas les recycler ». Qu’en est-il réellement du recyclage des panneaux photovoltaïques aujourd’hui en Europe ?

Depuis 2005, la directive européenne pour les déchets d’équipements électriques et électroniques (2002/96/CE), DEEE dites aussi D3E, oblige les fabricants d’onduleurs à gérer la collecte ainsi que le recyclage de leurs produits. C’est également le cas pour les fabricants de panneaux PV depuis 2012. Pour répondre aux exigences de cette directive, l’association PV Cycle a été fondée en 2007 par et pour la filière PV. L’objectif était de mettre en place une collecte centralisée et de créer une filière de recyclage. PV Cycle collecte ainsi tous les panneaux du marché Français. C’est également à ce jour le seul éco-organisme du secteur en Europe.

Traditionnellement il existe deux procédés de recyclage des modules PV : un traitement thermique ou un traitement chimique qui nécessite de broyer les panneaux au préalable. Dans le premier cas, si les cellules ont conservé leur intégrité, elles peuvent être réutilisées pour la fabrication de nouveaux modules14. Ces procédés permettent de séparer les différents éléments constitutifs d’un panneau et d’envoyer les matériaux récupérés dans des filières de traitement classiques. En 2016, suite à 3 années de R&D, PV Cycle a mis en œuvre un nouveau procédé dans les locaux de ses partenaires. Celui-ci « permet de retirer le cadre en aluminium avant de cisailler, broyer et cribler [les] différents éléments »15. Ils arrivent ainsi à atteindre un taux de recyclage de 95%16, contre 90% auparavant. Le verre représente 64% de la masse, l’aluminium 10%, le plastique 10% également et enfin le silicium 8%. Tous ces éléments, ainsi que le l’argent et le cuivre, peuvent ensuite réinjectés dans les filières appropriées selon les principes de l’économie circulaire. Par exemple, la mise en place d’une boucle fermée est envisagée pour le verre, en partenariat avec Saint-Gobain pour le réintégrer dans de nouveaux panneaux.

La mise en place de ce nouveau procédé va de pair avec la création d’une filière spécifique pour le recyclage des panneaux PV. Or jusqu’à récemment, il n’y avait pas suffisamment de panneaux collectés pour justifier l’investissement financier. Avec l’augmentation des quantités de panneaux à recycler, l’investissement est devenu économiquement viable et la première unité pilote de traitement spécifique européenne a ainsi pu être montée en 2018. Le contrat a été signé pour 4 ans entre PV Cycle et Veolia. L’usine, située à Rousset dans les Bouches-du-Rhône en France, a recyclé 1400 tonnes de panneaux en 2017 et Veolia anticipe une croissance de 40% par an pour arriver à 4000 tonnes par an en 2021.

Les investissements devraient être rentabilisés à l’issue des 4 ans du contrat et permettre à Veolia de capitaliser sur cette première expérience afin de la dupliquer dans ses filiales à l’international, notamment en Chine, au Japon ou aux Etats-Unis. En effet, aujourd’hui la Chine est leader quant à la quantité de panneaux installés sur son territoire, avec 131 GW raccordés, et certains s’inquiètent du fait qu’aucune filière de recyclage n’a été mise en place pour le moment17. Le nombre de pays installant des panneaux PV augmentant rapidement, il va falloir « traiter des dizaines de millions de tonnes à l’horizon 2050, et au moins 60 000 tonnes en France. » L’ADEME estime quant à elle que la première grosse vague de recyclage arrivera à l’horizon 2030.

Vers des panneaux solaires plus performants et des technologies diverses qui s’adaptent aux usages

Un des grands enjeux des décennies à venir est la transition énergétique, c’est à dire passer d’un mixe énergétique basé sur les ressources fossiles à un mixe utilisant surtout des ressources renouvelables18, notamment l’énergie solaire. C’est pourquoi il est important de continuer à développer la filière photovoltaïque pour la rendre plus performante et diminuer son impact global sur l’environnement.

Même si la technologie à base de silicium domine aujourd’hui le marché, d’autres solutions sont étudiées afin de baisser les coûts de production, d’utiliser des matériaux moins rares ou d’augmenter le rendement des cellules. Les recherches en sont à différents stades : du laboratoire au démonstrateur industriel. Les travaux sur certains matériaux qui avaient été abandonnés, faute d’efficacité, comme les pérovskites ou les cellules organiques, ont fait un saut en avant en 2018 et permettent d’entrevoir de nouvelles perspectives. Le développement des cellules organiques permettrait d’imaginer l’intégration de cette technologies dans beaucoup d’objets du quotidien tels que les téléphones ou encore les vitres des bâtiments.

Par ailleurs, le développement de panneaux solaires hybrides19, combinant les technologies photovoltaïques et solaire thermique, est également un bel exemple d’avancée technique. Ces panneaux produisent à la fois de l’électricité et de l’eau chaude pour une habitation. Pour ce faire, la chaleur produite par les cellules PV est récupérée grâce à un fluide caloporteur qui la transporte ensuite jusqu’au ballon d’eau chaude où elle est stockée. Gros avantages, ces panneaux nécessitent moins de surface sur les toitures que les deux technologies mises côte à côte et le refroidissement des cellules PV permet d’augmenter leur rendement. Un système hybride produit ainsi plus d’énergie que deux systèmes traditionnels20.

Parallèlement aux progrès technologiques, le développement de l’installation de panneaux PV progresse également, notamment grâce aux projets citoyens. Par exemple, à Nantes, la société Cowatt21 permet aux citoyens de se regrouper pour investir dans des projets PV. Le projet phare actuellement en cours concerne l’installation de panneaux solaires co-gérés sur le toit du nouveau MIN de Nantes, c’est le projet MIN à Watt22.

Le déploiement des technologies PV et la poursuite des recherches scientifiques sont deux modes d’actions importants, à mener parallèlement, pour se donner la capacité d’atteindre les objectifs fixés par la loi transition énergétique pour la croissance verte d’ici 205023.

Bibliographie :

1 Observatoire de l’énergie solaire photovoltaïque en France. 27ème édition, publication trimestrielle, septembre 2018. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : http://www.observatoire-energie-photovoltaique.com/images/pdf/fts_indicateurs_2018t2.pdf

ADEME. Actualisation du scénario énergie-climat ADEME 2035-2050, octobre 2017. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/ademe_visions2035-50_010305.pdf

Agence international de l’énergie. Modern bioenergy leads the growth of all renewables to 2023, according to latest IEA market forecast, publié le 8/10/2018. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.iea.org/newsroom/news/2018/october/modern-bioenergy-leads-the-growth-of-all-renewables-to-2023-according-to-latest-.html

4 & 6 Industrie & technologies, dossier « énergie : le roi soleil », numéro 1010-1011, Juin 2018

5 ADEME. Les avis de l’ADEME : le solaire photovoltaïque. Avril 2016, mis en ligne en mai 2016. [Consulté le 9/12/2018]. Disponible sur : https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/avis_ademe_solairepv_201604.pdf

7 Photovoltaïque.info. Les enjeux environnementaux. Analyse du cycle de vie. Mise à jour : 3 février 2014. [Consulté le 9/12/2018]. Disponible sur : http://www.photovoltaique.info/Analyse-du-Cycle-de-Vie-ACV-du.html

8 Institut polytechnique de Grenoble. RoSi vise le recyclage du silicium photovoltaïque. Publié le 20/09/2018. [Consulté le 9/12/2018]. Disponible sur : http://www.grenoble-inp.fr/eclairages/rosi-vise-le-recyclage-du-silicium-photovoltaique-976875.kjsp?RH=INPG_FR

9 Rosi, return of silicon. [Consulté le 9/12/18]. Site disponible à l’adresse : https://www.rosi-solar.com/fr/accueil/

10 Fraunhofer ISE. Fraunhofer ISE Pushes World Record for Multicrystalline Silicon Solar Cells to 22.3 Percent. Publié le 25/9/2017. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2017/fraunhofer-ise-pushes-world-record-for-multicrystalline-silicon-solar-cells-to-22-point-3-percent.html

11 Industrie et technologies. Panneaux solaires : le silicium a de la concurrence. n°1010-1011 – juin 2018, p. 30-31.

12 Industrie et technologies. Xavier Boivinet, une cellule photovoltaïque à base de pérovskite bat un record de rendement, publié le 21/06/2018. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.industrie-techno.com/une-cellule-photovoltaique-a-base-de-perovskite-bat-un-record-de-rendement.53365

13 Lingxian Meng, Yamin Zhang. Science. Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency. 14/09/2018Vol. 361, Issue 6407, pp. 1094-1098. Disponible sur : http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1094

14 Futura Sciences. Le recyclage des panneaux photovoltaïques, Quentin Mauguit, publié le 30/09/2013, mis à jour le 24/08/2015. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.futura-sciences.com/planete/dossiers/developpement-durable-cellules-photovoltaiques-coeur-panneaux-solaires-1688/page/17/

15 Le monde. Veolia se lance dans le recyclage des panneaux photovoltaïques, par Jean-Michel Bezat, publié le 26/06/2018. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.lemonde.fr/economie/article/2018/06/26/veolia-se-lance-dans-le-recyclage-des-panneaux-photovoltaiques_5321464_3234.html

16 L’écho du solaire. Le taux de recyclage atteint 96% pour les modules PV en silicium, publié le 23/02/2016. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : http://www.lechodusolaire.fr/le-taux-de-recyclage-atteint-96-pour-les-modules-pv-en-silicium/

17 Futura sciences. Chine : la bombe à retardement des panneaux solaires, par Céline Deluzarche, publié le 12/09/2018. [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/energie-renouvelable-chine-bombe-retardement-panneaux-solaires-72746/

18 E-RSE. Transition énergétique : définition, enjeux et défis de la transition énergétique en France et dans le monde. [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://e-rse.net/definitions/transition-energetique-definition-enjeux/#gs.4kIbkZE

19 ENGIE. Capteur solaire hybride. [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://www.engie-travaux.fr/glossaire/capteur-solaire-hybride

20 DUALSUN. Repousser les limites du solaire [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://dualsun.com/fr/produit/panneaux/

21 Cowatt, le projet. [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://cowatt.fr/le-projet/

22 Cowatt. MIN à Watt, mon investissement Nantais. [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://cowatt.fr/min-a-watt/

23 Legifrance. LOI n° 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte. Dernière modification le 1 janvier 2018. Version en vigueur au 15 décembre 2018. [Consulté le 15/12/18]. Disponible sur : https://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000031044385&dateTexte=20181214

Directive 2002/96/EC of the european parliament and of the concil of 27 january 2003 on waste electrical and electronic equipment, [Consulté le 9/12/18]. Disponible sur : http://www.rsenews.com/public/dossier_envi/doc/Directivedeee-2002-96-EC.pdf

A propos Gwendoline Centis

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