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Innhotep - Energie Grise Photovoltaïque (2010)

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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 …

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.


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  • 1. ENERGIE GRISEPHOTOVOLTAIQUEAu delà des débats idéologiques, quelle est la mesureobjective de la performance énergétique du solairephotovoltaïque ? Revue des principales méthodes,hypothèses et résultats actuels et tendances futures 2010 Copyright Innhotep Copytight Innhotep
  • 2. I. IntroductionL’analyse et la mesure de l’impact environnemental du solaire photovoltaïque etparticulièrement celles de son coût et de ses bénéfices du point de vue de l’énergieprimaire nécessaire sur le tout le cycle de vie du produit, constituent un sujet clé sousle triple angle écologique, économique et technologique.Il a fait l’objet d’une cinquantaine de publications scientifiques et techniques ces 15dernières années 1 apportant notamment des réponses à trois questions envisagéessous l’analyse du cycle de vie (ACV) : Quelle est la quantité d’énergie primaire incorporée dans les solutions de solaire photovoltaïque (énergie grise) ? Combien dannées 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 photovoltaïqueQuelques illustrations ci-dessous présentent la variété des travaux souvent menéssous 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)INNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.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 solutionsEnergie 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 dénergie 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 dénergie solaire égale à sa propre énergie) : entre 1,6 et 4,7 années selon les technologies considérées et les conditions dinstallation 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 dinstallation 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 lesperspectives futures ? Quelles analyses spécifiques peuvent être établies, enparticulier pour l’énergie grise ?Pour répondre à ces questions, il convient d’abord de préciser les définitions etmodes de calculs des différents concepts relatifs à l’évaluation (coûts et gains) del’énergie grise.Ensuite, nous présenterons les principales hypothèses de calcul et les principauxrésultats 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)Lénergie 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 3Pour le solaire photovoltaïque, l’énergie grise représente la quantité dénergie (coûténergétiqueINNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.blogspot.com
  • 5. sous forme de chaleur ou délectricité) 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 dénergie 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 etEnergie 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 lénergie d’origine photovoltaïque durant 3 ans pour "récupérer" lénergie nécessaire à sa fabrication, énergie qui, elle, nest 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 linstallation (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 cristallinsLa grande majorité des modules photovoltaïques est constituée d’assemblages decellules solaires de 0,1 à 0,8 millimètre dépaisseur. Celles-ci sont formées à partir deplaques de silicium de grande pureté chimique, initialement destinées à l’industrieélectronique. La préparation de ce matériau à partir de la silice (oxyde de siliciumSi02) 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)INNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.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 rendementEnergie 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 quun seul cristal de du systèmeTransformation grande dimension. On découpe ensuite ledu silicium cristal en fines tranches qui donneront lessolaire en cellules. Ces cellules sont en général dun bleucellules 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 daspect 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 descellules dopage, bords de plaque, anti- dépenses énergétiques reflets, du système énergétiques Principales étapes : raccordement du systèmeEtape 4 : des cellules, encapsulation,assemblage des encadrement et connexion desmodules boîtes de jonction,..Etape 5 : Fabrication des périphériques 6-7% duproduction des (onduleurs, câblage, ) à connecter total énergétiques dupériphériques aux modules système 7INNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.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 létape 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)INNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.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 3,3Energie 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 sud10 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 lesujet, 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 sansdoute sensiblement évolué depuis et seront largement modifiés dans les 3-5prochaines années. La raison de ces changements : la vitesse de l’innovationtechnologique dans le solaire photovoltaïque.Les temps de retour diminueront encore plus et les coefficients de performanceénergétique s’élèveront sensiblement en conséquence.Quelques exemples d’innovations technologiques pour s’en convaincre, qui vontmodifier l’efficacité des processus de production des cellules et le rendement decelles-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 celluleINNHOTEP45 Bd Victor Hugo92110 Clichy Batignolleswww.innhotep.cominnhotep.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 lUniversité de Catane et les entreprises de lEtna 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 laide dun 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