Bilan carbone des filières photovoltaïques : Différence entre versions

Version actuelle en date du 11 mai 2012 à 16:45

Qu’est ce qu’un bilan carbone ?

Définition

Un Bilan Carbone est une méthode déposée par l’Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) qui évalue les émissions des gaz à effet de serre dues à une activité. L’objectif du bilan carbone est de mesurer les émissions des gaz à effet de serre dues à une activité ou à un site donné. L’évaluation de ce niveau d’émissions permet d’améliorer la connaissance de l’impact environnemental des différentes activités et d’aider quant aux choix à faire sur les futurs engagements des entreprises, des villes ou même des pays en matière d’environnement. Il n’est pas possible de mesurer les émissions des gaz à effet de serre comme les polluants atmosphériques par des stations de prélèvement par le simple fait que ces émissions ne sont pas forcément que locales. Le but du bilan carbone est d’estimer les émissions de toutes les activités d’un ensemble ou toutes les étapes d’un procédé de fabrication.

Quels sont les gaz pris en compte ?

Les gaz pris en compte pour le bilan carbone sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), les gaz fluorés (CFC, HCFC, SF6…) et l’oxyde nitreux (N2O). Chaque gaz à effet de serre (GES) possède un certain pouvoir radiatif. Cette capacité de rayonnement dépend de la qualité chimique du gaz et de sa durée de vie dans l’atmosphère. Les bilans des GES sont donc exprimés en tonne équivalent CO2 (teqCO2) ou en tonne équivalent Carbone (teqC) par une multiplication stœchiométrique de 12/44 . Le CO2 devient l’unité des évaluations des émissions des gaz à effet de serre.

NB : Pour fixer les idées, une tonne équivalent carbone c’est :

• 1 aller-retour Paris – New York en avion
• 160 allers-retours Paris - Londres en train
• 20 allers-retours Paris- Londres en avion
• 1,8 tonne de papier
• 14 000 km en Twingo en ville
• 8 500 km en 4x4 en ville

Quelques fausses idées sur les bilans carbones

L’objectif du bilan carbone n’est pas de :

• Comparer 2 bilans carbones :

Les résultats sont propres au fonctionnement de l’entité étudiée, fonctionnement qui dépend de nombreux facteurs uniques (situation géographique, nombre de salariés).

• Communiquer sur ses résultats :

L’objectif est de réduire les émissions de GES. Il vaut mieux communiquer sur ses actions et sur ses réductions effectives.

• Obtenir un chiffre exact :

On raisonne plus en ordre de grandeur car il existe de nombreuses incertitudes (dont les données issues des parties prenantes comme les fournisseurs)

• Trouver un responsable :

C’est une méthode d’aide à l’action, on recherche donc qui est le plus à même de pouvoir agir pour réduire.

Obligations de réalisation

Le Grenelle de l’Environnement, dont la loi d’application a été votée en juillet 2010, impose la réalisation d’un bilan carbone, avant le 30 décembre 2012, aux entreprises de plus de 500 salariés (250 pour les DOM) et à toutes collectivités territoriales de plus de 50 000 habitants^[1]. Ces études devront être complétées par une liste des mesures envisagées pour réduire les émissions émises et les bilans carbones devront être réactualisés tous les 3 ans. Depuis 2004 (année de mise en place par l’ADEME), 4 000 bilans carbone ont été réalisés dont une centaine dans le secteur de l’événementiel en 2009.

Comment est-il réalisé ?

Les méthodes de comptabilisation des émissions de gaz à effet de serre sont nombreuses, mais les chiffres qu’elles donnent peuvent être comparés. Le bilan carbone, contrairement aux méthodes d’inventaires d’émissions n’adopte pas une logique cadastrale, mais une logique de comptabilisation des émissions de l’ensemble des activités induites par le fonctionnement du territoire étudié. Les cadastres et inventaires adoptent une logique de comptabilisation des gaz à effet de serre émis sur le territoire concerné en prenant en compte les sources d’émissions directes (fixes et mobiles) présentes sur ce territoire : site de production énergétique (thermique, vapeur…), véhicules (routiers, ferroviaires Diesel, aériens), chauffages (résidentiels et tertiaires), industries, émissions agricoles, etc..

Les émissions de gaz à effet de serre sont une pollution globale et non locale, elles n’ont aucun impact direct sur la santé. Si le cadastre permet de faire un point précis sur toutes les sources directes d’un territoire, il ne permet pas de déterminer sa responsabilité. En effet, la conséquence directe serait de dire qu’il vaut mieux avoir toutes les sources (usines, autoroutes…) hors de ses frontières et son bilan serait faible (syndrome NIMBY). Les produits agricoles ou manufacturés élaborés sur le territoire sont comptabilisés à travers leurs émissions énergétiques (énergie nécessaire à leur fabrication) ou non énergétiques (fermentation, émanations des engrais, procédés industriels…). Mais les produits importés ne sont absolument pas pris en compte (sauf pour partie pour leur transport).

Ainsi, prenons l’exemple d’une cellule PV fabriquée de Chine. Le bilan carbone comptabilisera les émissions liées à la fabrication de la cellule, le transport entre la Chine et le territoire étudié, la part locale du trajet et de l’installation. Un inventaire ou un cadastre ne comptabilisera que la part locale du trajet et l’installation. La seconde méthode à l’avantage de fixer des responsabilités attribuables en termes de ratio par habitant, la première permet de mesurer l’impact réel (en terme physique) des choix économiques et d’activités du territoire. Il s’ensuit que les inventaires ou cadastres sont sommables à l’inverse des bilans carbones qui induiraient des doubles comptes si on les sommait (les mêmes émissions sont attribuées à plusieurs acteurs, le producteur et le consommateur d’un bien).

A propos de la filière photovoltaïque

La production d’électricité issue des énergies fossiles sont à l’origine de beaucoup de pollution et surtout de rejet de CO2 dans l’environnement. En effet toutes les sources d’énergies, incluant l’énergie solaire elle-même, créent des pollutions lorsque tout le cycle de vie est pris en compte.

Marché actuel représentatif des différentes technologies associées aux perspectives d’avenir^[2]

A propos de la filière photovoltaïque, la quantité des émissions de CO2 a été établie en considérant que l’énergie utilisée pour produire les matériaux, les cellules et les modules est issue des filières fossiles. Les données présentées prennent également en comptes toutes les étapes de fabrication des matières premières. Il est évident que ses bilans varient d’un pays à l’autre selon leurs modes de consommation (nucléaire, charbon, pétrole, etc.…). Cependant les différences d’empreinte CO2 entre les différentes filières sont faibles comparés aux différences entre les énergies fossiles. Cette présentation s’attardera sur trois types de technologies photovoltaïques largement représentatives du marché photovoltaïque actuel, à savoir : les cellules silicium multi-cristallin, les cellules silicium monocristallin et les cellules en couche mince CdTe.

Bilan carbone sur les cellules mono et multi-Si

Processus de fabrication des cellules Si

Schéma simplifié du processus de fabrication des cellules mono, en ruban et multi-Si, de la mine au produit fini^[3]

Le cycle de vie d’un système photovoltaïque à base de silicium (Fig. 2) débute à l’extraction du quartz, la première étape du raffinage du silicium. La silice présente dans les sables de quartz est réduite dans un four à arc afin d’obtenir du silicium métallurgique (étape de réduction carbothermique). Cette dernière pourra être purifiée de manière métallurgique ou chimique afin d’en décanter un silicium solaire ou électronique. Typiquement, cette opération de purification du silicium est conduite selon l’un des trois procédés mis au point par Siemens (Méthode Chimique) et plus récemment par Elkem (Voie métallurgique):

• Procédé Siemens
  • Chambre de réaction trichlorosilane SiHCl3 et hydrogène H2 à 1100 - 1200°C (150 kWh/kg)
  • Chambre de réaction silane SiH4 et hydrogène H2 à 800°C
• Procédé Elkem
  • Laitier de silicate de calcium à haute température suivi d’un lessivage chimique à basse température (25 à 30 kWh/kg)

Système de découpe des lingots de silicium en wafers

Le silicium solaire va être encore une fois fondu et solidifié en ruban ou lingots dans lesquels seront découpées les plaques de silicium (wafers) (Fig. 3). L’ensemble des étapes du processus de réalisation des cellules ne sera pas détaillé dans ce rapport et sera résumé par le diagramme suivant (Fig. 4) :

Diagramme des différentes étapes du processus de fabrication des cellules Si

Bilan Carbone

La filière silicium leader du marché mondial, ne s’avère pourtant pas être un bon élève compte tenu de son empreinte carbone. En effet, le conditionnement de la matière première à savoir le silicium et un procédé très énergivore et la part revenant au raffinage du silicium est de 40% suivi de 28% pour la cristallisation et la mise en forme des plaques, de 10% pour la fabrication des cellules et de 20% pour le reste (16% module et 6% périphériques) (Fig. 5)^[4]. En ordre de grandeur, il faut compter environ 2500 kWh d’énergie finale par kWc installé. La production du silicium multi-cristallin est l’étape la plus énergivore du processus de fabrication, soit approximativement 73% d’énergie primaire totale. Cette étape justifie l’importance de la part d’émission due à l’élaboration du module (Fig. 6).

Diagramme de la part d’émission de CO2 de chacun des composants d’un panneau

Le diagramme suivant (Fig. 6) permet de comparer l’empreinte carbone des différentes filières photovoltaïques aux États-Unis et en Europe avec un flux solaire annuel similaire. On peut observer que dans les deux cas, le CdTe reste la technologie possédant le contenu CO2 le plus faible. De plus, le CdTe possède une forte possibilité de réduction des coûts.

Histogramme des émissions de CO2 selon différentes filières PV Silicium

Ce récapitulatif des émissions de CO2 des différentes filières photovoltaïque est issu de plusieurs études. Car il est évident que tous ces diagrammes divergent d’un pays à l’autre étant donné la source d’énergie primaire utilisée. Comme le souligne une étude du SER-SOLER, « un kWh produit par un panneau photovoltaïque fabriqué en France a un contenu en CO₂ sept fois moins important qu’un kWh produit par un panneau photovoltaïque fabriqué en Allemagne étant donné les sources primaires utilisées » (Fig. 7)^[5].

Comparaison de l’utilisation des différentes énergies primaire entre la France et l’Allemagne, selon les valeurs de 2008

Il est également intéressant de comparer le rendement et l’empreinte carbone totale. En effet, on peut facilement se rendre compte que l’amélioration du rendement engendre une consommation d’énergie primaire plus importante (Fig. 8). Ce qui peut être facilement interprété par un processus de fabrication plus complexe, un nombre d’étape plus important et donc plus d’énergie consommé. Pour la même quantité d’énergie produite à une durée de vie de 30 ans, c’est le silicium ruban qui se démarque d’un point de vue environnemental.

Comparaison des différentes filières PV Si sur leurs rendements et leurs quantité de CO2 rejetées (La quantité de carbone rejetée est en «g.CO2-eq/kWh produit» pour une durée de vie de 30 ans.)

Bilan carbone sur les couches minces

Processus de fabrication des cellules CdTe

Dans le cas de l’analyse d’un cycle de vie d’un système photovoltaïque couche mince CdTe (Fig. 9), le cycle démarre à la production de cadmium et de tellure provenant de la fusion du minerais de zinc et de cuivre. Le cadmium est obtenu à partir du flux de vapeurs produites durant le grillage des minerais et des concentrés de zinc, de même que des précipités obtenus durant la purification du sulfate de zinc.

Le tellure quant à lui est récupéré à partir des anodes de cuivre utilisées dans le raffinage électrolytique qui contiennent des quantités importantes de sélénium et de tellure. Dans l'électrolyse du cuivre, le sélénium et le tellure se déposent en boues anodiques qui sont fondues avec du carbonate et du nitrate de sodium pour donner de l'oxyde de tellure. L'oxyde est ensuite réduit à sec par du borax. Les deux matériaux obtenu à savoir le Tellure et le Cadmium sont ensuite purifiés afin d’obtenir une pureté de 99,999% nécessaire à la synthétisation du CdTe. Le sulfure de cadmium est obtenu par réaction entre le sulfure d'hydrogène et la vapeur de cadmium a 800 °C, les sulfures sont précipités à partir de solutions aqueuses de sels de cadmium par addition de sulfure d'hydrogène.

Schéma simplifié du processus de fabrication des cellules CdTe de la mine au produit fini

Les dépôts en couche mince sont quant à eux réalisés par VTD (Vapor Transport Deposition), technique développée par First solar (Fig. 10) sur un substrat de verre à une température de l’ordre de 500 à 600°C avec un taux de croissance de 1µm/s.

Schéma du principe de la VTD^[6]

Structure finalisées par des dépôts de couches de métaux communs suivis par une série de traçage et de traitement thermique formant les interconnexions et les contacts en arrière. Les modules ainsi crées sont assemblé entre deux vitres qui assureront leurs solidité. Ce système de double vitre, permet de s’affranchir de l’aluminium présent dans les cadres de support des modules issues des filières silicium. Ce qui n’est pas le seul point fort de cette technologie, en effet les quantités de matière première nécessaire sont considérablement moins importantes, elle nécessite uniquement une épaisseur de matière de l’ordre de 3µm (hors substrat) contre 270 à 300µm dans filières silicium.

De plus, elle possède un fort potentiel de réduction des coûts de production qu’ont déjà épuisé les systèmes photovoltaïque Silicium cristallin. Cependant il reste moins performant, et le matériau indispensable à sa réalisation à savoir le Cadmium reste un produit hautement toxique.

Bilan Carbone

De performance moindre que ses homologues, la filière CdTe n’est que partiellement représentative du marché photovoltaïque mondial. L’EPIA voit même son déclin dans les années à venir, très certainement à cause des propriétés toxiques du cadmium. Pourtant, la technologie CdTe reste l’une des moins énergivore et donc possédant la quantité de carbone rejetée dans l’atmosphère la plus faible.

Comme nous pouvons le constater sur le schéma suivant (Fig. 11), c’est la fabrication du module qui rejette le plus de CO2 dans l’atmosphère. Cependant le bilan s’affranchi du cadre support en aluminium, ce qui représente au final une réduction d’émissions de CO2 par rapport aux autres filières.

Diagramme de la part d’émission de CO2 de chacun des composants d’un panneau

Autres émissions polluantes

Le dioxyde de carbone n’est pas le seul gaz polluant généré lors de la fabrication des cellules. Des polluants comme des particules de dioxyde de soufre (Fig. 12) et d’oxyde d’azote (Fig. 13) sont aussi à prendre en compte durant la durée de vie d’un système photovoltaïque. Ces émissions sont largement proportionnelles à l’apport de pétrole utilisé pour la création d’énergie nécessaire à la création du système. Cependant les émissions de ces polluants ainsi que de métaux lourds (Fig. 14) peuvent être également issue de la production des cellules. Ces émissions sont également proche des ratios d’émission de CO2.

Emissions d’oxyde d’azote des filières Silicium et CdTe avec BOS littéralement Balance of System (incluant : Support module, Câblage et onduleur)

Emissions d’oxyde de souffre des filières Silicium et CdTe avec BOS, littéralement Balance of System (incluant : Support module, Câblage et onduleur)

Afin d’avoir une vision global de l’impact environnemental de ces différentes filières photovoltaïque il est important de faire un tour de toutes les émissions polluantes produite lors de la manufacture des produits, cependant ces résultats sont à prendre avec des pincettes connaissant la « nouveauté » de ces mesures elles doivent faire encore leurs preuves quant à leurs précision mais cependant, elle permettant de donner une appréciation des différentes technologies non négligeable.

Emissions de métaux lourds en Europe données Ecoivent pour une irradiation de 1700 kWh/m²/an, une durée de vie de 30 ans et un ratio de performance de 0,8

Bilan carbone sur l’enjeu des technologies photovoltaïques

A l’avenir les énergies fossiles largement utilisées actuellement nous projettent vers de biens sombres perspective, en effet en plus de l’augmentation des coûts et de la diminution de la disponibilité de ces énergies, un panorama des résultats les plus pessimistes prévoie même une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone gaz principal responsable du réchauffement climatique doubler d’ici 2050 à savoir actuellement la concentration de CO2 dans l’atmosphère 400 ppm contre 800 ppm d’ici 2050.

Due à cette concentration, la température moyenne sur Terre augmentera de quelques degrés. Ce qui aura comme conséquence d’importants impacts sur la sécurité alimentaire, l'eau, l'écosystème et l'environnement. La mise en place et la propagation des énergies nouvelles comme l’énergie solaire photovoltaïque pourraient être une part de la solution. A travers ces deux graphiques (Fig. 15) l’EPIA et GREENPEACE quantifie les réductions annuelles de CO2 possibles selon trois scénario, le plus optimiste d’entre eux permettrai d’éviter près de 4000 millions de tonnes de rejet de CO2 chaque année, et cumulé jusqu’en 2050 cela représenterai 65 milliard de tonnes de CO2^[7].

Perspectives d’avenir pour la réduction de CO2 par l’utilisation de l’énergie solaire

Notes et références

1. ↑ Legifrance - LOI n° 2010-788 du 12 juillet 2010 portant engagement national pour l'environnement : [1]
2. ↑ EPIA - Solar Generation 6 : [2]
3. ↑ Hespul - Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental : [3]
4. ↑ Hespul - Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental : [4]
5. ↑ SER-SOLER - Le cycle de vie du photovoltaïque : [5]
6. ↑ Solar Energy Materials & Solar Cells - An experimental and modeling analysis of vapor transport deposition ofcadmium telluride - James M. Kestner, Sarah McElvain, Stephen Kelly, Timothy R. Ohno, Lawrence M. Woods, Colin A. Wolden : [6]
7. ↑ EPIA - Solar Generation 6 : [7]