Solaire photovoltaïque : quel impact sur l’environnement ?

1. En quoi consiste L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) ?

L’ACV est une méthodologie, c’est-à-dire un « ensemble des règles appliquées », d’évaluation normalisée qui permet d’évaluer l’impact environnemental d’un produit ou d’un système tout au long de son cycle de vie[1]. Le cycle de vie d’un produit passe par plusieurs étapes : extraction de la matière première, fabrication, distribution, usage et fin de vie.

Le processus de réalisation de l’ACV tel que proposé par la norme ISO 14040-14044 s’effectue en quatre étapes (Figure 1) :
 

Figure 1 : Cadre méthodologique de l’ACV [1]

(1) Définition des objectifs et du champ de l’étude : Cette étape est importante en particulier pour ce qui nous concerne ici. Il faut bien définir les frontières du système et l’unité fonctionnelle considérées. Les frontières du système représentent les étapes du cycle de vie prises en compte. L’unité fonctionnelle, quant à elle, représente l’unité à laquelle sera exprimé les résultats environnementaux. Elle permet une comparaison objective de produits équivalents sur une base de référence. Cette étape est primordiale pour justifier les résultats et elle permet de comprendre la variabilité souvent observée entre les études.

(2) Analyse de l’inventaire : il s’agit de quantifier les flux de matière et d’énergie entrants et sortants, dans un inventaire et un travail de comptabilité analytique des flux.

(3) Évaluation des impacts environnementaux : l’étape d’évaluation des impacts a pour but de traduire les consommations et les rejets recensés lors de l’inventaire en impacts environnementaux. Il existe à ce jour trois grandes familles d’impacts : l’impact sur l’écosystème (bilan carbone, déplétion de la couche d’ozone…), l’impact sur la santé humaine (écotoxicité des eaux douces, toxicité humaine à effets cancérigènes…), l’impact sur l’épuisement des ressources et sur les eaux. Cette analyse multicritère de l’ACV vise à éviter les transferts de pollution entre les différents types d’impacts. Afin d’évaluer le véritable impact du produit ou d’un système, il est nécessaire d’analyser l’ensemble des critères environnementaux.

(4) Interprétation : l’interprétation a pour objectif d’analyser les résultats et d’expliquer les limites de l’inventaire et/ou de l’évaluation des impacts, afin de fournir des recommandations de manière la plus transparente possible.

2. Cycle de Vie d’un système Photovoltaïque (PV)

Rappelons que l’énergie photovoltaïque (PV) regroupe un certain nombre de technologies qui peuvent être réparties en trois grandes familles : les technologies silicium cristallin (c-Si) (94 % du marché), les technologies couches minces (5 % du marché) et les nouveaux concepts comme le PV organique et les cellules pérovskites qui sont en cours d’intégration dans le marché [2]. Même si la pénétration de ces technologies hors silicium reste très faible, il est important de les prendre en compte pour juger si elles sont capables d’apporter un plus par rapport à la technologie majoritaire.

Le cycle de vie du système PV traduit l’ensemble des étapes que traverse le produit tout au long de sa durée de vie. Comme le montre la figure2, le cycle de vie des systèmes PV les plus courants à base de Silicium cristallin (c-Si) est composé de :

• La phase de fabrication qui commence depuis l’extraction de la matière première jusqu’à la production des modules PV.
• La phase d’installation assurant la mise en fonctionnement des modules PV.
• La phase d’usage, quand les modules PV produisent de l’électricité.
• La phase de fin de vie quand les modules sont désinstallés, collectés et recyclés.

Figure 2: Cycle de vie d’un système PV à silicium cristallin[3] [4]

Pour une même technologie (c-Si), il existe plusieurs procédés de fabrication et, par conséquent, plusieurs types des modules PV cristallins[4] présentés par la figure 3 (Lire : Solaire Photovoltaïque, les technologies et leurs trajectoires). La diversification des technologies est susceptible d’augmenter d’autant plus que les fabricants des modules PV ne cessent d’augmenter leurs dépenses dans la R&D pour maintenir leurs positionnements dans le marché.

Figure 3 : Évolution technologique dans la chaine de valeur d’un système PV [5]

L’innovation technologique, visant à améliorer les performances et à diminuer les coûts, est devenue aujourd’hui la clé de la survie des industriels du PV. D’un point de vue environnemental, il est pertinent de noter que cette diversification et cette amélioration technologique constante induit un large potentiel de réduction des impacts environnementaux.

Les technologies nouvelles utilisent de moins en moins de matières et offrent un meilleur rendement, ce qui induit une diminution de l’impact environnemental de l’énergie produite. Le rendement typiquement de l’ordre de 14% en 2005, dépasse désormais les 20%. (Lire : Énergie Solaire Photovoltaïque, baisse conjointe du coût et de l’impact environnemental)

Ceci implique en particulier une augmentation de la puissance-crête des modules qui est passé de 200Wc jusqu’à parfois 800Wc pendant ce laps de temps. Les architectures électriques des centrales et les onduleurs se sont aussi améliorées et ont trouvé leur part dans l’amélioration du rendement global des systèmes.

Les modes d’installation (fixation au sol ou en toiture) ont, quant à eux, relativement peu évolué.

3. Analyse environnementale des systèmes PV

L’empreinte environnementale des systèmes PV dépend de nombreux paramètres comme les choix technologiques, les lieux d’installation, le mix énergétique spécifique concerné [6][5]. La variabilité du choix de ces paramètres dans certaines études peut justifier aujourd’hui les différences observées dans la littérature. Cela peut rendre la prise de décision difficile en termes de véritable impact environnemental des systèmes PV. Analysons d’abord l’impact des principaux paramètres sur le profil environnemental.

3.1. Impact du progrès technologique

Comme le montre la figure 3, les innovations et les améliorations des technologies PV se sont accélérées à partir de l’année 2015 avec pour objectif principal l’augmentation des performances (Wp) et la diminution du coût (€/Wp et €/MWh). Cette évolution est devenue particulièrement marquée depuis 2019 dans une dynamique industrielle fortement concurrentielle et où l’innovation continue est indispensable pour survire et continuer à croitre.

Pour bien comprendre et analyser cette évolution, nous avons choisi d’isoler dans le tableau 1 quatre générations successives de technologie correspondant à différentes périodes (GEN 1 à 4) :

Tableau 1 : définition des modules PV par période

Une réduction significative sur l’ensemble des critères environnementaux a été observée par rapport aux modules GEN1 (figure 4). Selon les critères, elle varie de 20% à 50% et de 40% à 95% pour les modules GEN2 et GEN4 respectivement. Cette réduction est due principalement aux améliorations dans la chaine de valeur en termes de rendement matière (diminution des pertes au sciage, épaisseur wafer pour le silicium, diminution de la largeur des pistes pour l’argent) et d’optimisation des procédés de fabrication.

Figure 4 : Impact du progrès technologique sur les résultats environnementaux [7]

La réduction du bilan carbone est due principalement à la réduction de la consommation de l’énergie pour la purification du silicium et la croissance de cristaux avec l’amélioration des procédés associés à ses étapes. A noter aussi que la diminution de la quantité de Silicium utilisé déjà cité contribue aussi mécaniquement à la baisse des émissions Carbone.

Une des étapes très gourmande en énergie est celle qui permet le cracking des chlorosilanes dans le procédé usuel de purification (procédé dit Siemens).

Les fours de cracking ont énormément progressé et la consommation énergétique par tonne de silicium a été réduite de plus de moitié depuis les années 2000.

Par ailleurs une réduction de 50% dans la déplétion des ressources est due principalement à la réduction de la quantité d’argent dans la cellule PV d’aujourd’hui.

L’usage des sols a été aussi notablement réduit grâce à l’augmentation des rendements des modules. On a pu réduire le nombre des modules à installer pour une taille d’un système défini et réduire par là-même aussi la consommation de matière lors de l’installation (câbles, structure…).

On constate (figure 4) l’impact considérable qu’a eu le progrès technologique sur tous les aspects environnementaux (Bilan Carbone, toxicité, qualité des eaux, usage des eaux, ressources minérales etc…).

Le progrès technologique offre donc un large potentiel de la réduction de l’impact environnemental des modules PV. Ainsi, s’orienter vers des modules à très haut rendement « PREMIUM » permet d’améliorer notablement le profil environnemental des modules PV.

3.2. Impact du lieu d’installation

Il est bien évident que l’impact environnemental du kWh produit sera d’autant plus faible pour un système photovoltaïque donné que la quantité d’énergie solaire incidente moyenne du lieu d’installation sera plus forte (Lire : Energie Solaire : les bases théoriques pour la comprendre).

Pour donner une idée de l’impact du lieu d’installation, nous avons choisi 4 lieux d’installation dans différentes régions et bien différenciées en Europe. Les données d’irradiation ont été tirées du système d’information PVGIS[6][7] (Photovoltaic Geographical Information System) du Centre Commun de Recherche (JRC). Les valeurs d’irradiation de ces trois régions sont données en tableau 2.
 

Tableau 2 : Irradiation annuelle (KWh/m²/an) en fonction de la région

Pour cette comparaison, nous avons choisi un seul type de module, ceux de dernière génération (GEN4).

On voit sur la figure 5 la valeur de 3 paramètres : l’empreinte carbone par kWh produit, le temps du retour énergétique (EPBT : Energy PayBack Time) et le retour sur investissement énergétique global au bout de la période d’utilisation (EROI : Energy Return On Investment) pour les 4 lieux choisis et les 4 valeurs d’irradiation moyenne. Nous avons pris en compte l’ensemble du système y compris la phase d’installation y compris la structure métallique, les câbles électriques et l’onduleur pour une durée de vie de 30 ans. Est donnée aussi dans la figure la distribution d’irradiation pour les différents pays d’Europe, afin d’apprécier plus concrètement à quoi correspondent les valeurs choisies.

Figure 5 : Impact du lieu d’installation et de l’irradiation annuelle sur 3 paramètres : l’émission Carbone par kWh produit, le temps de retour énergétique EPBT et le retour sur investissement énergétique au bout de la période d’utilisation (EROI) [7]

Les résultats montrent une baisse de bilan carbone de plus de 50% pour un même système PV installé au Sud de l’Europe par rapport au nord de l’Europe. Au nord de l’Europe, le système PV rembourse l’énergie qu’il en a fallu pour le fabriquer au bout de 1,26 ans. Cette valeur est inférieure à 1 an si le système est installé au sud de l’Europe. En ce qui concerne le retour sur investissement énergétique, les systèmes PV installés au nord de l’Europe génèrent 20 fois plus d’énergie au cours de leur vie qu’il en a fallu pour les fabriquer et les installer. Cette valeur est multipliée par deux si les modules sont installés au sud de l’Europe. Si, bien sûr, le lieu d’installation est un paramètre clé du point de vue de l’impact environnemental des systèmes PV, il n’en demeure pas moins que l’installation de systèmes dans les régions peu ensoleillées est désormais tout à fait vertueuse.

Il est particulièrement intéressant de noter que le temps de retour énergétique est passé sous la barre de l’année pour ces nouvelles technologies et pour les endroits les plus ensoleillés et reste très faible (aux alentours d’une année et demie) pour ceux les moins ensoleillés.

3.3. Impact du mix énergétique

L’empreinte environnementale des panneaux photovoltaïques provient en grande de la phase de fabrication⁴. Cette contribution s’explique par l’importance de l’énergie électrique nécessaire à cette phase. La part des sources d’électricité variant d’un pays à l’autre, cela a inévitablement un fort impact en terme d’empreinte environnementale. A titre d’exemple, l’énergie électrique produite à partir des énergies fossiles comme le charbon émet 100 fois plus de gaz à effet de serre que l’hydroélectricité ou l’électricité nucléaire. C’est pourquoi le mix électrique est un paramètre important à considérer dans l’analyse environnementale des systèmes PV et principalement pour la réduction de l’empreinte carbone. (Lire : L’électricité : éléments essentiels, génération et transport et L’électricité dans le mix énergétique mondial : dynamique d’évolution et interprétations)

Pour évaluer cet impact du lien de fabrication et donc du mix électrique, quatre scenarii ont été définis (Tableau 3). Ces scénarii sont en alignement avec le marché du PV aujourd’hui. Ici encore, nous avons choisi les modules de dernière génération GEN4 pour cette comparaison.

Pour différencier ces scenarii, différents lieux d’installation des usines ont été considérés, et ce, tout au long de la chaîne de fabrication : de la production du matériau silicium (« Polysilicon ») à l’assemblage des modules, en passant par le tirage des lingots, la découpe des « wafers » et la fabrication des cellules. Quatre pays ont été choisis pour le lieu d’installation de ces usines avec un contenu en carbone de l’électricité, du plus élevé (la Chine) au moins élevé (la Norvège). Chaque scenario correspond à une véritable réalité : il y a bien des usines existantes et correspondant aux étapes listées pour chaque scenario.

Tableau 3 : Différents scénarios du lieu de production des différents composants du module PV

Incontestablement, et comme le montre la figure 6, orienter l’industrie photovoltaïque vers l’Europe en particulier avec des productions en Norvège ou en France permet de réduire très fortement le bilan carbone, jusqu’à un facteur 2. Il n’en demeure pas moins que, même si les modules sont entièrement fabriqués en Chine, le bilan global reste tout-à-fait positif par rapport à des productions d’électricité à base de ressources fossiles.

Figure 6 : Émissions de CO2 pour un module rapporté au kWc selon les scenarii de lieux de fabrication (se référer au tableau 3)

L’intérêt de la production en Europe a été évalué à l’échelle système considérant l’électricité produite avec les panneaux de GEN4 pour le scénario 4. Le bilan carbone et le temps de retour énergétique (EPBT) ont été évalués en fonction de la région d’installation en France, et sont illustrés dans la Figure 7.

Figure 7 : Bilan carbone et EPBT à l’échelle système avec des modules PV GEN 4 fabriqués en Europe (Scénario 4 dans le tableau 3)

Les résultats montrent que s’orienter vers des modules bifaces (GEN4) produits en Europe permet de réduire significativement le bilan carbone par région pour atteindre une valeur de 15 gCO₂éq/kWh et un EPBT de 5 mois au Sud de la France.

Ces résultats montrent et confirment que la relocalisation de la production des modules PV va permettre non seulement une meilleure indépendance énergétique mais aussi une décarbonationdes systèmes PV rendant ainsi l’énergie photovoltaïque la plus verte par excellence.

3.4. Impact de la phase d’installation et des composants associés

Un système PV nécessite un certain nombre d’opérations et de composants autres que les modules en particulier lors de la phase d’installation : logistique, supports, câbles et montage.

L’impact environnemental de cette phase et des composants associés est lourd dans le bilan global, comme on peut le voir sur la figure 8.

Figure 8 : Poids des phases de fabrication et d’installation sur les différents impacts environnementaux

Le poids de cette phase est très majoritaire en ce qui concerne la toxicité et le recours aux ressources minérales. Cela vient en particulier de l’utilisation de métaux (Acier, Aluminium) pour les structures de support. Il est dommage que, jusqu’à présent, assez peu d’efforts ont été portés pour diminuer l’impact de la phase d’installation.

4. Positionnement du PV par rapport aux autres sources d’énergie

Il est important aussi de situer l’énergie photovoltaïque par rapport aux autres modes de fabrication de l’électricité, non seulement en ce qui concerne l’émission des GES mais aussi en ce qui concerne les autres impacts.

La figure 9 illustre ce positionnement des systèmes PV GEN 1 et GEN 4 par rapport aux autres sources d’énergie renouvelables et non renouvelables. On y voit que le PV est bien placé sur de nombreux critères.

Figure 9 : Comparaison environnementale des différentes sources d’énergie

Comme nous l’avons vu plus haut, les systèmes PV GEN4 ont permis une amélioration significative sur certains impacts de 60% et 30%, respectivement pour la déplétion des ressources et l’usage des sols.

Sur deux critères, le photovoltaïque reste mal classé : Il s’agit de l’usage des sols et de l’utilisation de ressources minérales.

Bien-sûr les centrales photovoltaïques nécessitent de larges surfaces par rapport aux autres centrales de même production. Ceci dit la production photovoltaïque est pratiquement la seule à pouvoir être installée sur des surfaces dédiées à d’autres usages (toitures, clôtures, parkings etc…) et on voit ici l’importance de les utiliser pour minimiser cet impact sur l’utilisation des sols. Dans un pays comme la France, la ressource disponible en termes de surfaces déjà artificialisées est tout-à-fait suffisante pour les besoins futurs.

5. Focus : une voie pour réduire l’impact environnemental à l’échelle de l’installation

Un exemple de piste qui peut être prise pour diminuer l’impact de la phase d’installation, nous avons analysé un système de pose alternatif spécifique au solaire sur toitures terrasses. La solution développée par la start-up HELIUP propose l’installation de moyens de production d’énergie photovoltaïque avec des modules PV légers posés par collage directement sur la membrane d’étanchéité[7]. Cette solution permet de s’affranchir des structures de fixations classiques ce qui induit une très forte réduction de consommation de matériaux.

On peut voir une photo d’une installation réalisée selon cette technique sur la figure 10.

Figure 10 : photo des panneaux HELIUP fixés par collage sur la membrane d’étanchéité [Source : © Heliup] [8]

L’analyse comparée de ce système par rapport à un système classique est montrée en figure 11. On voit l’apport significatif de ce type de montage qui réduit fortement, voir intégralement, l’utilisation de métaux comme l’acier, le béton ou l’aluminium.
 

Figure 11 : Gain en consommation des ressources avec le système HELIUP par rapport à un système PV standard – source : Héliup

6. Messages à retenir

L’empreinte environnementale des systèmes PV dépend de nombreux paramètres et elle est en forte diminution. Ceci est lié aux fortes évolutions technologiques.

Il reste plusieurs pistes pour continuer à l’améliorer :

• Poursuivre les efforts technologiques et les innovations pour réduire les quantités de matière utilisées, améliorer les procédés de fabrication tout en augmentant les rendements énergétiques. Il reste ici beaucoup de marges ;
• Inciter à ce que les fabrications s’orientent vers les pays utilisant une énergie plus propre;
• Se préoccuper plus de la phase d’installation en réduisant l’utilisation des sols inappropriés et surtout en diminuant l’utilisation de métaux de fort impact pour les supports.

On peut néanmoins dire que l’énergie photovoltaïque est d’ores et déjà une énergie verte par excellence et qu’elle le sera plus encore dans l’avenir. Elle est amenée à terme à se positionner au même niveau que les énergies ayant les plus faiblesbilans carbone.

7. Remerciements

Ces travaux utilisent et valorisent la méthodologie développée par le CEA dans le cadre de l’Institut pour la Transition Energétique (ITE) INES.2S cofinancé par l’Etat français dans le cadre de France 2030 Programme d’Investissements d’Avenir (ANR-10-IEED-0014-01).

Je suis particulièrement reconnaissante à Jean Pierre Joly pour sa contribution précieuse dans la rédaction de l’article et les informations importantes qu’il m’a généreusement apporté. Je voudrais remercier également Yannick VESCHETTI d’avoir accepté de valoriser l’innovation portée par sa start-up HELIUP dans cet article.

Bibliographie

[1] ISO 14040, 2006a. « Environmental Management e Life Cycle Assessment e Principles and Framework».

[2] ISE, 2018. « Photovoltaics Report ». Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems. Photovoltaic report, Freiburg. 21 February 2023.

[3] ITRPV, 2022. « International Technology Roadmap for Photovoltaic for Photovoltaic»,Results 2017 Inc, 13 edition, April 2022).

[4] N. Gazbouret al., “A path to reduce variability of the environmental footprint results of photovoltaic systems,” Journal of Cleaner Production, vol. 197, pp. 1607–1618, Oct. 2018, doi: 10.1016/j.jclepro.2018.06.276.

[5] PV Cell Tech, October 2022. AIKO SOLAR

[6] N. Gazbour, “Intégration systémique de l’éco-conception dès la phase de R&D des technologies photovoltaïques,” http://www.theses.fr, Feb. 14, 2019. http://www.theses.fr/s183189 (accessed Oct. 22, 2019)

[7] Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) du Centre Commun de Recherche (JRC). https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/fr/

[8] De la recherche à l’industrie – Heliup Des panneaux photovoltaïques ultra-légers pour toitures de bâtiments (cea.fr)

Notes & références

[1] ISO 14040, 2006a. « Environmental Management e Life Cycle Assessment e Principles and Framework».

[2]ITRPV, 2022. « International Technology Roadmap for Photovoltaic for Photovoltaic»,Results 2017 Inc, 13 edition, April 2022).

[3]N. Gazbouret al., “A path to reduce variability of the environmental footprint results of photovoltaic systems,” Journal of Cleaner Production, vol. 197, pp. 1607–1618, Oct. 2018, doi: 10.1016/j.jclepro.2018.06.276.

[4]PV Cell Tech, October 2022. AIKO SOLAR

[5]N. Gazbour, “Intégration systémique de l’éco-conception dès la phase de R&D des technologies photovoltaïques,” http://www.theses.fr, Feb. 14, 2019. http://www.theses.fr/s183189 (accessed Oct. 22, 2019)

[6]https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/fr/

[7]De la recherche à l’industrie – Heliup Des panneaux photovoltaïques ultra-légers pour toitures de bâtiments (cea.fr)