Le photovoltaïque
Comment cela fonctionne ?
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Le principe est simple : les panneaux solaires permettent de capter les électrons contenus dans le rayonnement solaire en les séparant selon leurs charges au travers d’une couche négative et d’une couche positive. Cela produit un courant électrique continu dont la puissance varie selon l’ensoleillement.
De quoi sont-ils composés ?
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Les panneaux solaires, en particulier ceux à base de silicium cristallin, sont généralement composés des matériaux suivants :
- Silicium (environ 5 %) : Principal matériau utilisé pour créer des cellules photovoltaïques, il provient du quartz contenu dans le sable.
- Verre (environ 72 %) : Matériau largement majoritaire dans la composition d’un panneau solaire, il est utilisé pour protéger la cellule solaire et permettre le passage de la lumière.
- Cadre en aluminium (environ 12 %) : Fournit une structure rigide et protège les bords du panneau.
- Élastomères (ou résines) (environ 10 %) : Utilisés pour encapsuler les cellules et les protéger des éléments.
- Matériaux conducteurs (environ 1 à 2 %) : Câblage et contacts en métaux comme le cuivre (environ 1%) et l’argent (<0,1%) pour transférer l’électricité générée.
Les pourcentages peuvent varier en fonction du type spécifique de panneau (monocristallin, polycristallin, ou à couches minces) et du fabricant.
Source : Institute for Sustainable Futures
Quel est leur impact environnemental et bilan carbone ?
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L’impact environnemental du photovoltaïque est réduit par rapport aux autres sources d’énergie, notamment fossiles (gaz, pétrole et charbon). Il s’évalue au travers du bilan carbone analysé selon 4 facteurs : la fabrication des panneaux, leur transport, leur utilisation et enfin leur fin de vie.
- Fabrication : Bien que le silicium soit issu du sable et du quartz, matériaux disponibles en abondance sur terre, il faut une grande quantité d’énergie pour les extraire et les transformer. Ce processus est aujourd’hui encore principalement réalisé à partir d’énergies fossiles, ce qui génère des émissions de CO2.
- Transport : Essentiellement fabriqués en Asie, les panneaux sont acheminés par bateaux, qui génèrent eux aussi des gaz à effet de serre. Néanmoins, de plus en plus de fabricants européens et français se développent. Une réduction des émissions de carbone liées à la fabrication et au transport pourrait donc avoir lieu dans les prochaines années si les filières locales poursuivent leur développement à des coûts compétitifs.
- Utilisation des panneaux : Cette phase représente le principal avantage de l’énergie solaire car une fois produits et installés, les panneaux produisent de l’énergie décarbonée, sans émission polluante, durant 30 à 40 ans.
- Fin de vie et recyclage : Au terme de leur cycle de vie, les panneaux peuvent être revalorisés à hauteur de 95% (85% de matériaux recyclés et 10% de déchets utilisés pour produire des combustibles dont l’énergie produite sera récupérée).
Le recyclage n’est donc pas neutre en émissions, mais reste moins émetteur que ne le serait la production de silicium pour de nouveaux panneaux, et sans avoir à les acheminer à nouveau. En France le recyclage est assuré par l’éco-organisme SOREN, financé par une écotaxe.
Dans ses travaux, l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) a estimé le bilan carbone moyen entre 40 et 55 grammes de CO2 (ou équivalents) par kWh produit pour des panneaux photovoltaïques (environ 55g CO2eq/kWh pour ceux fabriqués en Asie, les plus répandus, 32g CO2eq/KWh pour des panneaux produits en Europe et 25g CO2eq/kWh pour ceux produits en France). Au vue de la production moyenne d’une centrale solaire en France, on considère qu’il faut environ 3 années de production d’énergie décarbonée pour amortir les émissions d’un panneau solaire sur son cycle de vie. Sur une durée de vie de 30 à 40 ans, l’impact environnemental global reste donc très faible.
A titre de comparaison, le bilan carbone des énergies fossiles représente les ordres de grandeur suivants :
- Gaz naturel : 400 à 500g CO2eq/kWh
- Pétrole : 700 à 900g CO2eq/kWh
- Charbon : 800 à 1050g CO2eq/kWh
Comment évolue cette technologie ?
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Des années 2000 à aujourd’hui :
La technologie photovoltaïque a connu une évolution forte et rapide, avec des rendements énergétiques en progression constante et une forte diminution des coûts de production qui en font aujourd’hui une énergie compétitive et rapidement installable.
Ce croisement entre la baisse des coûts, l’évolution des performances et les possibilités d’installation en font une énergie développable à grande échelle et sur un temps réduit, permettant d’apporter une réponse pertinente au besoin de transition énergétique rapide.
Nouveaux usages et progrès en cours :
Malgré les évolutions de la filière sur les 20 dernières années, la technologie photovoltaïque nous réserve encore de nombreuses pistes d’évolutions.
On peut par exemple évoquer le développement de l’agrivoltaïsme ou encore des progrès en termes de stockage de l’énergie :
- Agrivoltaïsme : en raison du besoin d’accélérer le développement des énergies renouvelables, le législateur a ouvert la possibilité de développer le photovoltaïque sur des terrains agricoles sous réserve de ne pas entraver l’activité agricole sur ces terrains. Plus concrètement, l’idée est de valoriser les synergies possibles entre les panneaux solaires et l’usage agricole des terrains.
Cela peut par exemple passer par des surélévations des panneaux afin que les cultures et les animaux puissent se développer entre et sous les rangées, en leur apportant de l’ombre et une régulation thermique lors des fortes chaleurs en été ou une protection contre les éléments (gèle, grêle et fortes pluies) en hiver, tout en permettant également le passage des engins. - Stockage : l’intermittence de la production d’énergie solaire et son décalage par rapport aux pics de consommations d’énergie (par exemple le soir en hiver) est l’un des principaux inconvénients qu’elle peut présenter. Pour pallier cela, de nombreuses recherches et innovations voient le jour afin de coupler les installations de productions photovoltaïques avec des systèmes de stockage permettant de conserver, puis réinjecter l’énergie sur le réseau en fonction des besoins.
En résumé
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A ce jour, l’énergie parfaite n’existe pas, mais l’énergie solaire semble être l’une des sources d’énergie les plus pertinentes :
- Les émissions de CO2 d’un panneau sont compensées en 3 années de fonctionnement (selon le mix énergétique européen), les 27 à 37 années de fonctionnement restantes produisent donc une énergie décarbonée
- Grande capacité d’adaptation de ce mode de production dans son environnement : en toitures, au sol ou en co-activité sur des terrains agricoles
- Progrès rapides des performances et des innovations de cette technologie
- Production prévisible et régulière
- Faibles impacts environnementaux des centrales, avec pour chaque projet des études environnementales poussées et des mesures d’évitement, de réduction et de compensation des enjeux.
Nous avons connu au 1er semestre 2024 un point de bascule, avec pour la première fois en Europe un dépassement de la production d’électricité à partir de combustibles fossiles par les énergies renouvelables.
Il est donc primordial de poursuivre le développement de ces énergies renouvelables, tout en réduisant nos consommations d’énergies fossiles pour atteindre notre besoin commun d’un modèle plus durable.