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Nouvelles énergies pour la ville du futur

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Eva Boxenbaum
, 
Brice Laurent
, 
Annalivia Lacoste

Partie I - De l’implantation locale à la stratégie nationale

Enjeux techniques, économiques et durables des panneaux photovoltaïques

Jean-François Guillemoles

Note de l’éditeur

Directeur de recherche au CNRS, Jean-François Guillemoles travaille à l’IRDEP, une unité mixte du CNRS, EDF R&D et de l’École de Chimie de Paris. Physicien de formation, spécialisé sur les matériaux, ses thématiques de recherche se concentrent sur le développement de matériaux pour les applications photovoltaïques dans l’idée de produire des solutions solaires moins chères et plus performantes. Jean-François Guillemoles discute dans ce texte les grands enjeux techniques, économiques et durables du développement du photovoltaïque.

Texte intégral

Quelle responsabilité dans le développement du photovoltaïque ?

1Le secteur photovoltaïque a évolué de façon très importante au cours des dernières années. Cette évolution soulève des enjeux techniques et économiques qui posent directement la question des responsabilités associées à ce développement. D’abord il est important de savoir ce que l’on entend par « responsabilité » quand on installe des panneaux photovoltaïques. La décision de l’installation est-elle un choix personnel du résident (installation en toiture) ou de l’opérateur de centrale, de l’aménageur du territoire, du citoyen, du fabricant ou du consommateur ? Sa responsabilité réside-t-elle dans un engagement personnel ? Ou est-elle financière, technique ? Existe-t-il des externalités que l’on ne connaît pas ? Dans tous les débats autour de l’énergie transparaît la problématique de l’utilité sociale. Sur ce point, ma vision de physicien et ma vision de chercheur en énergies renouvelables ne sont pas exactement identiques. Il y a d’un côté une énergie qui est un invariant de la physique, une quantité qui se conserve, et de l’autre une énergie qui est un service et que l’on produit. Dans le deuxième cas, c’est un service attendu qui est très liée aux pratiques sociales. La notion de développement durable nous sert à réfléchir à ces enjeux en testant des modèles sociaux, économiques et techniques. Cette notion de durabilité doit être centrale pour ce qui est de la question de la responsabilité. À cet égard, l’utilisation d’énergies renouvelables présente un avantage a priori par rapport aux autres approches permettant de fournir un service équivalent : que signifie la responsabilité en la matière si ce n’est la conscience des conséquences de nos actes présents sur la qualité de vie des autres et notamment de ceux qui viendront après nous. Pour se positionner sur la responsabilité associée au développement du photovoltaïque, on peut regarder d’abord plus près les enjeux techniques et économiques.

Les défis économiques et le rôle central de la Chine

2Le secteur des panneaux photovoltaïque est marqué par un effet d’échelle. Le premier producteur qui a produit un gigawatt détient un avantage énorme car il y a un effet d’apprentissage : à chaque fois que des panneaux solaires sont produits et installés, on apprend et on améliore, tout en gagnant sur des effets de taille (normalisation, rationalisation, pouvoir de négociation). Ce gain correspond actuellement à un prix divisé par deux quand la production est découplée. Aujourd’hui, les baisses de coût sont réalisées essentiellement par effet d’échelle. C’est ce qui a fait la course au gigantisme des entreprises auquel nous avons assisté (en France, comme spectateur) dans la décade précédente. C’est pour cela que le développement de nouveaux composants est crucial : il permettrait à la fois d’accélérer la baisse des coûts par l’innovation, et d’éviter un gel des choix technologiques sur des options sous-optimales.

  • 9 Il s’agit de la puissance électrique pouvant être fournie par ces modules, soumis à un éclairement (...)

3Un rapide panorama du secteur du photovoltaïque au niveau mondial permet de dégager quelques grandes tendances. Les fabricants de modules sont aujourd’hui nombreux, et le secteur industriel dans son ensemble a atteint une taille importante, avec une production de plus de 30 GW de modules photovoltaïques en 2012 dans le monde9. La quantité de panneaux qui sort de ces usines chaque année est l’équivalent de plusieurs tranches nucléaires, même en considérant que ces panneaux ne fonctionnent pas en permanence. Le photovoltaïque n’est donc pas nécessairement voué à fournir une contribution accessoire à la production énergétique mondiale.

4Parmi les dix premiers industriels du photovoltaïque, on compte essentiellement des Chinois, des Taiwanais, et des Américains. Les industriels japonais et allemands figurent encore dans les trente premiers industriels du secteur, dont la production totale équivaut à plus des deux tiers de l’ensemble de l’énergie photovoltaïque. En France, il y a toujours des recherches dans ce domaine, mais pas encore de grosses structures de production. Ce sont les Chinois qui ont connu le développement le plus rapide : à l’heure actuelle six des premiers producteurs mondiaux sont chinois. La plupart de ces compagnies n’existaient pas, ou étaient de très petite taille il y a une dizaine d’années. La place prédominante de la Chine dans le secteur du photovoltaïque est liée à des facteurs d’accès au capital et de commodités (les coûts des matières premières, du verre, de l’électricité y sont moins élevés). Les usines chinoises, comme les usines européennes, sont maintenant extrêmement automatisées et la part de la main d’œuvre qualifiée y est marginale. L’ensemble de ces éléments fait que la production a un coût inférieur à 20 % de celle des usines européennes. Mais ces conditions favorables sont loin d’être indépendantes de l’action volontaire de l’État. Il n’existe que peu de transparence sur les données relatives à cette industrie en Chine, et notamment sur les subventions octroyées au secteur. La facilitation de l’accès au capital encouragée par les autorités peut être considérée comme une subvention « masquée ». C’est ce qui a justifié les actions en justice intentées d’abord aux États-Unis, puis en Europe, contre les fabricants chinois, pour obtenir des taxes anti-dumping.

5Le développement extrêmement rapide du secteur en Chine suscite en général deux types de réaction en France. La première consiste à mettre en doute la qualité des produits chinois, la seconde à s’inquiéter de l’avenir de la production française. Ces opinions peuvent cependant être discutées.

6D’abord, on ne peut tracer une équivalence directe entre la quantité de la production chinoise et une qualité supposée faible. SunTech, par exemple, a mis l’accent sur une vraie politique de qualité de ses produits. Beaucoup de ces panneaux sont testés, selon des procédures bien définies, pour essayer de s’assurer de leur qualité, et notamment de leur pérennité sur une trentaine d’années, la durée de vie des modules photovoltaïques étant un paramètre capital pour la viabilité économique de la filière. Pour que les projets soient viables et puissent être financés, il faut dorénavant que les équipements aient une certification de qualité. Le saut qualitatif opéré par les constructeurs chinois est directement lié au fait que les pays ont fait du renouvelable une priorité. Les allemands, par exemple, ne font pas de compromis sur la qualité ; Ils utilisent maintenant des panneaux solaires venant de Chine.

7Ensuite, le débat sur le photovoltaïque et sur la concurrence chinoise est aujourd’hui uniquement focalisé sur la question de la balance commerciale déficitaire, et sur le fait que les panneaux sont fabriqués en Chine. En posant le problème ainsi, on a tendance à négliger le fait que dans le même temps des emplois locaux ont été créés dans le secteur pour toute la filière, que l’on a développé des installations pour l’avenir, et que l’on a gagné en compétences sur d’autres segments de marché. On oublie aussi que ce développement en Chine se fait en utilisant des importations de produits européens ou américains. Ainsi, en 2011, la balance commerciale pour ces deux pays, et sur ce secteur, avec la Chine était bénéficiaire. Plus généralement, la baisse des coûts de production peut profiter également aux utilisateurs français. La volonté nationale est d’avoir une balance commerciale équilibrée, ce qui est sain, mais il faut prendre aussi conscience que l’autarcie dans ce domaine est difficilement envisageable.

Les défis technologiques

8Il existe plusieurs technologies des panneaux photovoltaïques, dont celle des couches minces qui est aujourd’hui la technologie la moins chère. Les couches minces sont des plaques de verre, de tôle ou de polymères enduites d’une couche dont l’épaisseur ne dépasse pas quelques micromètres (donc plus fine qu’un cheveu). Les panneaux à couches minces utilisent moins d’énergie et de matière pour leur fabrication (mille fois moins de matière active) que les procédés à base de wafers de silicium. Ils sont par conséquent plus intéressants en terme de coût, et leur impact environnemental est moindre que les panneaux basés sur la technologie silicium cristallin.

9Il a toujours existé une industrie de production de silicium, qui est un matériau essentiel pour la fabrication des panneaux photovoltaïque. Il s’agit d’un composant destiné à l’origine à la microélectronique, et dont les utilisations ont connu un développement très important dans de nombreux secteurs industriels, dont le photovoltaïque. Le silicium est un matériau robuste pour lequel on a développé tout un corps de savoirs technologiques et qui permet de garantir la fiabilité de son utilisation pour des applications énergétiques. Le photovoltaïque basé sur la technologie des couches minces a connu un développement significatif plus récemment avec l’avènement simultané d’une maturité technologique et d’un renchérissement conjoncturel du silicium de qualité électronique. Ces évolutions ont créé une fenêtre d’opportunité.

  • 10 Tels que le silicium microcristallin ou le diséléniure d’indium et de Gallium, voire certains matér (...)

10Cela est parfaitement illustré par First Solar, fabriquant américain de cellules solaires en couches minces à base de tellurure de cadmium, déposées directement sur verre. Cette entreprise est passée dans le trio de tête des fabricants de modules en quelques années (entre 2003 et 2007). Elle est devenue depuis n° 1 mondial. First Solar a été le premier à commercialiser des panneaux à moins d’un dollar par watt, et reste l’une des rares entreprises du domaine à pouvoir réaliser une marge actuellement. D’autres matériaux permettant l’utilisation de procédés d’enduction rapide par des couches minces (impression, sublimation, procédés galvaniques ou plasma) sont aussi apparus10.

11Enfin, sur la question des coûts, il faut noter que dans la chaîne de valeurs, le module photovoltaïque a été la composante principale du coût des installations photovoltaïques. C’est de moins en moins vrai aujourd’hui, car sa part dans l’ensemble du système est passée sous la barre des 50 %. Ce qui fait qu’aujourd’hui, en matière de réduction des coûts, l’augmentation des performances est devenue primordiale. Il est aussi important de se rendre compte qu’il existe de nombreux matériaux, procédés, et composants dans la chaîne de valeur industrielle. En terme d’applications, les fabricants travaillent aussi sur l’intégration architecturale, notamment les couleurs des panneaux, ou leur transparence.

Empreinte environnementale et cycle de vie

12Les panneaux photovoltaïques peuvent contenir des substances toxiques, comme le cadmium. First Solar vend uniquement à des fermes solaires, pour maîtriser le recyclage des panneaux solaires. Ce recyclage, à terme, devra être pris en compte par la filière, et dans les faits, il l’est déjà en grande partie. En règle générale, il n’y a pas d’usure des modules du fait de leur fonctionnement, et cela est bien attesté pour les produits faits à partir de silicium. Il peut y avoir une corrosion des câbles par exemple mais les matériaux actifs sont très robustes. Quoi qu’il en soit, après quelques dizaines d’années, ils devront être recyclés. Quant à la toxicité des matériaux actifs eux-mêmes, elle est quasi nulle pour la plupart d’entre eux (la plaquette de silicium elle- même n’est pas toxique). Mais ce qui importe le plus, c’est la valeur du service rendu (de l’électricité) rapporté à l’empreinte environnementale de la filière : c’est tout le cycle de vie, de l’obtention des matières premières jusqu’au recyclage éventuel ou à la mise en déchet, qu’il faut considérer. L’analyse du cycle de vie est donc fondamentale pour quantifier la valeur écologique des panneaux. Elle consiste à évaluer les émissions de CO2, de la fabrication à l’utilisation, puis à la destruction du produit. Elle n’est pas une contrainte réglementaire, mais permet d’éclairer les débats sur le volet développement durable. Si on raisonne en terme d’analyse de cycle de vie, on voit que les premiers panneaux solaires construits avec des technologies artisanales et anciennes des débuts étaient beaucoup plus intensifs en énergie qu’aujourd’hui. Actuellement il faut environ un à deux ans de fonctionnement des panneaux solaires pour produire la quantité d’énergie qui a été nécessaire à leur fabrication. Ils sont produits maintenant majoritairement en Asie à partir d’une énergie fortement carbonée. Il faut noter aussi que les résultats de cette analyse dépendent aussi du lieu d’installation du panneau solaire, qu’il soit au nord du Danemark ou au sud de l’Algérie, qui ne va pas produire la même quantité d’électricité.

13Le défi des années à venir réside dans l’usage de matières soutenables. On peut fabriquer du silicium de manière responsable, mais la fabrication implique par exemple l’utilisation de grandes quantités d’eau et d’acide chlorhydrique, des externalités qu’il faudra prendre en compte. De façon générale, la filière solaire est une filière très responsable par nature par rapport à d’autres filières énergétiques ; la notion de cycle de vie a été intégrée relativement tôt dans le processus de production, et une industrie du recyclage s’est aussi mise en place très tôt.

14Enfin, sur la question du développement maîtrisé des filières de production d’énergie renouvelable, même si c’était plus particulièrement l’objet de la discussion ci-dessus, il ne faudrait pas se cantonner à des questions purement techniques ou même économiques. Les questions normatives, prudentielles, et les modes d’organisation sociale sont également très importants. Par exemple, des raisons de procédure notamment freinent aujourd’hui les possibilités de producteurs indépendants de se raccorder en France, dans des délais courts et de la façon la plus économique possible. La situation en Allemagne est radicalement différente de ce point de vue, où une loi a été instaurée pour ce type de raccordement, dans un délai de trois semaines. Pour réussir notre transition énergétique de façon responsable, on voit bien qu’il nous faudra parvenir à mettre en mouvement ensemble toutes les parties prenantes. C’est sans aucun doute la manière la plus responsable de mettre en œuvre une innovation.

Notes

9 Il s’agit de la puissance électrique pouvant être fournie par ces modules, soumis à un éclairement standard.

10 Tels que le silicium microcristallin ou le diséléniure d’indium et de Gallium, voire certains matériaux polymères ou organiques.

© Presses des Mines, 2013

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