Analyse du cycle de vie (ACV) des panneaux PV en silicium

Source: appropedia.org

Contexte

Les technologies énergétiques alternatives telles que les modules photovoltaïques (figure 1) sont de plus en plus populaires dans le monde. En 2008, pour la première fois, les investissements mondiaux dans les sources d'énergie alternatives ont attiré plus d'investisseurs que les combustibles fossiles, rapportant 155 milliards de dollars de capital net contre 110 milliards de dollars de nouveaux investissements dans le pétrole, gaz naturel et charbon. L'énergie solaire à elle seule a généré 6. 5 milliards de dollars de revenus mondiaux en 2004 et devrait presque tripler avec des revenus projetés de 18. 5 milliards pour 2010.

Les technologies énergétiques alternatives deviennent de plus en plus populaires dans le monde en raison d'une plus grande prise de conscience et de préoccupations concernant la pollution et le changement climatique mondial. Les technologies énergétiques alternatives offrent une nouvelle option pour obtenir de l'énergie utile à partir de sources qui ont moins d'impact environnemental sur la planète. Mais combien moins?

Un précédent examen publié de l'analyse de l'énergie nette du photovoltaïque à base de silicium^[1]ont constaté que tous les types de PV à base de silicium (amorphe, polycristallin et monocristallin) produisaient beaucoup plus d'énergie au cours de leur vie que ce qui est utilisé dans leur production. Tous les systèmes PV modernes au silicium se rentabilisent en termes d'énergie en moins de 5 ans - même dans des scénarios de déploiement très sous-optimaux.

Cet article explore tous les impacts environnementaux associés à la production et à l'utilisation à vie de panneaux photovoltaïques en silicium (PV).

Qu'est-ce qu'une analyse du cycle de vie (ACV)

Une analyse du cycle de vie (ACV) évalue les impacts environnementaux d'un produit ou d'un processus de la production à l'élimination^[2]. Une ACV examine les intrants matériels et énergétiques nécessaires pour produire et utiliser un produit, les émissions associées à son utilisation et les impacts environnementaux de l'élimination ou du recyclage. L'ACV peut également enquêter sur les coûts externes, tels que l'atténuation environnementale, qui sont rendus nécessaires par la production ou l'utilisation d'un produit.^[3].

Brève histoire de l'énergie solaire

La première cellule photovoltaïque a été construite par Charles Fritts, qui a construit une cellule de 30 cm à partir de sélénium et d'or en 1883^[4]. La technologie photovoltaïque moderne au silicium a été découverte en 1954 par des chercheurs des Bell Labs, qui ont accidentellement développé la jonction pn qui permet au photovoltaïque de produire de l'électricité utile^[5]. En 1958, la NASA a commencé à utiliser le photovoltaïque comme système d'alimentation de secours pour ses satellites^[4]La première résidence à énergie solaire a été construite à l'Université du Delaware en 1973, et le premier projet photovoltaïque à l'échelle du mégawatt a été installé en Californie en 1984^[4].

Analyse du cycle de vie des panneaux PV en silicium

La section suivante contient une brève analyse du cycle de vie des panneaux photovoltaïques en silicium. Les facteurs de cycle de vie examinés comprennent: l'énergie nécessaire à la production, les émissions de dioxyde de carbone tout au long du cycle de vie et toutes les émissions de pollution générées tout au long de la durée de vie utile des panneaux photovoltaïques provenant du transport, de l'installation, du fonctionnement et de l'élimination.

Besoins énergétiques pour la production

La fabrication de panneaux photovoltaïques est en grande partie l'étape la plus énergivore des modules photovoltaïques installés. Comme le montre la figure 2, de grandes quantités d'énergie sont utilisées pour convertir le sable de silice en silicium de haute pureté requis pour les plaquettes photovoltaïques. L'assemblage des modules photovoltaïques est une autre étape exigeante en ressources avec l'ajout d'une charpente en aluminium à haute teneur énergétique et d'une toiture en verre.

L'impact environnemental d'un module photovoltaïque au silicium implique la production de trois composants principaux: le châssis, le module et les composants de l'équilibre du système tels que le rack et l'onduleur^[3]. Les gaz à effet de serre sont principalement causés par la production de modules (81%), suivi par l'équilibre du système (12%) et du châssis (7%)^[3]). Les besoins en ressources du cycle de production sont résumés dans la figure 3.

Figure 3: Le cycle de production et les ressources nécessaires d'un module en silicium^[6].

Émissions de dioxyde de carbone Lifecyle

Les émissions de dioxyde de carbone du cycle de vie se réfèrent aux émissions causées par la production, le transport ou l'installation de matériaux liés aux systèmes photovoltaïques. En plus des modules eux-mêmes, l'installation typique comprend un câble électrique et un rack métallique. Les systèmes photovoltaïques au sol comprennent également une fondation en béton. Les installations à distance peuvent nécessiter une infrastructure supplémentaire pour le transport de l'électricité vers le réseau électrique local. En plus des matériaux, une analyse du cycle de vie devrait inclure le dioxyde de carbone émis par les véhicules pendant le transport des modules photovoltaïques entre l'usine, l'entrepôt et le site d'installation. La figure 4 compare les contributions relatives de ces facteurs aux impacts du dioxyde de carbone sur la durée de vie de cinq types de modules photovoltaïques^[7].

Figure 4:Émissions de dioxyde de carbone à vie pour les installations photovoltaïques à grande échelle, classées par composant. Ce graphique compare les modules de silicium monocristallin typiques (m-Si (a)), le silicium monocristallin à haute efficacité (m-Si (b)), les modules de tellure de cadmium (CdTe) et de cuivre indium sélénium (CIS). Graphique par auteurs, basé sur[7].

Émissions liées aux transports

Le transport représente environ 9% des émissions du cycle de vie du photovoltaïque^[7]. Les modules photovoltaïques, les racks et le matériel d'équilibre du système (tels que les câbles, les connecteurs et les supports de montage) sont fréquemment produits à l'étranger et transportés aux États-Unis par bateau.^[8]Aux États-Unis, ces composants sont transportés par camion vers des centres de distribution et éventuellement vers le site d'installation.

Émissions d'installation

Les émissions associées à l'installation comprennent les émissions des véhicules, la consommation de matériaux et la consommation d'électricité associées aux activités de construction locales pour installer le système. Ces activités génèrent moins de 1% des émissions totales du cycle de vie du système photovoltaïque^[8].

Émissions d'exploitation

Aucune émission d'air ou d'eau n'est générée lors de l'utilisation des modules PV. Les bassins atmosphériques sont touchés lors de la construction des modules PV par les émissions de solvants et d'alcool qui contribuent à la formation d'ozone photochimique. Les bassins versants sont touchés par la construction de modules issus de l'extraction de ressources naturelles telles que le quartz, le carbure de silicium, le verre et l'aluminium. Dans l'ensemble, le remplacement de l'électricité du réseau mondial actuel par des systèmes photovoltaïques centraux entraînerait une réduction de 89 à 98% des émissions de gaz à effet de serre, des principaux polluants, des métaux lourds et des espèces radioactives^[9].

Émissions liées à l'élimination

L'élimination des modules photovoltaïques en silicium n'a pas eu d'impacts importants car les installations à grande échelle ne sont utilisées que depuis le milieu des années 1980' les modules photovoltaïques et les modules photovoltaïques ont une durée de vie d'au moins 30 ans^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]a identifié spécifiquement un manque de données disponibles sur l'élimination ou le recyclage des modules photovoltaïques, ce sujet mérite donc une enquête plus approfondie.

ACV du photovoltaïque par rapport à d'autres sources d'énergie

Les émissions totales du cycle de vie associées à la production d'énergie photovoltaïque sont supérieures à celles de l'énergie nucléaire mais inférieures à celles de la production d'énergie à partir de combustibles fossiles. Les émissions de gaz à effet de serre du cycle de vie de plusieurs technologies de production d'énergie sont répertoriées ci-dessous:^[3].

• PV silicium: 45 g / kWh

• Charbon: 900 g / kWh

• Gaz naturel: 400-439 g / kWh

• Nucléaire: 20-40 g / kWh

Au cours de leur durée de vie de 20 à 30 ans, les modules solaires produisent plus d'électricité que ce qui a été consommé pendant leur production. Le temps de récupération d'énergie quantifie la durée de vie utile minimale requise pour qu'un module solaire génère l'énergie qui a été utilisée pour produire le module. Comme le montre le tableau 1, le temps de récupération énergétique moyen est de 3 à 6 ans.

Tableau 1: Energy Pay Back Time (EPBT) et Energy Return Factors (ERF) des modules PV installés dans divers endroits du monde^[6].

Conclusions

Les panneaux PV au silicium ont un faible impact environnemental sur le cycle de vie par rapport à la plupart des formes d'énergie conventionnelles telles que le charbon et le gaz naturel. Les émissions de carbone les plus importantes causées par l'utilisation de panneaux photovoltaïques sont celles associées à la production de modules. Les délais de récupération de l'énergie (EPBT) varient entre 3 et 6 ans pour différents climats solaires à travers le monde. Dans l'ensemble, les panneaux photovoltaïques au silicium remboursent les coûts énergétiques de production requis bien avant leur durée de vie utile et sont des générateurs d'énergie nets pour la majorité de leur durée de vie utile.

Références