CEA-INES : « Il est nécessaire et urgent de redéfinir la réflexion sur l’utilisation des matériaux dans l’industrie photovoltaïque ».

En 2016, le CEA-INES a organisé le tout premier atelier Eco-PV à Chambéry, en France. La Commission européenne, les acteurs industriels, les investisseurs et les instituts de recherche ont été invités à discuter de sujets liés à la durabilité solaire, comme l’éco-conception, l’évaluation du cycle de vie et le recyclage dans l’industrie photovoltaïque.

Le quatrième atelier devait se tenir les 10 et 11 mars à Lyon. En raison de la pandémie de coronavirus, qui continue de balayer le monde, il a été remanié en un format virtuel, et doit maintenant se tenir entre les 9 et 11 mars 2021. Claire Agraffeil, chef de projet au CEA-INES, a répondu à pv magazine indiquant les questions les plus urgentes en matière de durabilité solaire, de ce que l’institut espère réaliser grâce à l’atelier, et signalant les travaux sur lesquels il se concentre actuellement.

pv magazine : Quels sont les problèmes de durabilité les plus urgents pour l’industrie photovoltaïque en général ?

Claire Agraffeil : Les fabricants de systèmes photovoltaïques industriels sont clairement conscients des opportunités liées au potentiel croissant de l’énergie photovoltaïque dans les prochaines décennies et du rôle central qu’ils vont jouer. Ils comprennent également le défi de la nouvelle ère qui s’annonce et qui implique et exige que les énergies renouvelables soient exemplaires en contribuant efficacement au paradigme de la neutralité carbone.

Déjà, des efforts importants ont été déployés pour évaluer et réduire les impacts environnementaux lors des étapes de fabrication. Toutefois, il est encore possible d’améliorer les performances environnementales, et les fabricants sont prêts à investir dans des solutions plus durables et à les développer. Certaines technologies, telles que l’hétérojonction, offrent une meilleure efficacité et moins d’étapes de traitement, tandis que pour toutes les technologies, des améliorations sont encore attendues en ce qui concerne les produits chimiques et l’utilisation de l’eau ou la consommation d’électricité pendant la phase de production. Des progrès sont également nécessaires pour gérer les déchets de fabrication – plaquettes, cellules, feuilles de verre, par exemple – qui finissent généralement par être mis en décharge.

Au niveau des produits, les enquêtes sur l’innovation en matière de matériaux sont également essentielles à ce stade, car les ressources primaires ne sont pas accessibles à l’infini. Les innovations comprennent le développement de nouveaux matériaux/structures remplaçant des matériaux dangereux ou rares, la réduction de la consommation de matériaux (argent (Ag) et indium (In), par exemple) ou l’utilisation de matières premières secondaires recyclées éventuellement combinées à des matériaux vierges.

Au niveau du système, les onduleurs, les structures de montage et les systèmes de stockage doivent également être inclus dans la boucle du processus d’utilisation des matériaux dans l’industrie photovoltaïque ; tandis qu’au stade de l’installation, il est très important de repenser les pratiques en tenant compte de la quantité énorme d’emballages – bois, acier, plastique, carton, etc. – nécessaires à l’installation des centrales électriques.

En fin de compte, la gestion des déchets en fin de vie sera cruciale dans les décennies à venir, afin de repenser l’industrie photovoltaïque selon des modèles circulaires.

Dans quelle mesure est-il important que les fabricants concurrents travaillent ensemble pour résoudre ces problèmes ?

Si l’on regarde la situation dans son ensemble, la question la plus importante aujourd’hui est de garantir le déploiement sûr et durable de l’énergie solaire avec des incitations pour contribuer à une reprise verte. Pour cela, il est fondamental de sécuriser le marché et de générer des solutions équitables et de la compétitivité tout en promouvant les voies les plus durables.

Un effort collectif et des processus transparents de la part des fabricants sont certainement nécessaires pour faire avancer l’innovation et orienter le marché vers des solutions robustes et vertes facilitant l’accès à l’électricité dans le monde entier. Les stratégies réalisables visant à minimiser le coût nivelé de l’électricité (LCOE) et à favoriser les produits PV de qualité atténuant les impacts environnementaux devraient être soutenues par l’industrie du PV dans son ensemble et devenir les futures tendances du marché.

L’extraction des matières premières est une question de durabilité essentielle ; et elle va s’accroître si l’on considère les volumes nécessaires pour la transition énergétique requise par les énergies renouvelables. Est-il temps de penser à un nouveau modèle en matière d’utilisation des matériaux ?

Oui, sans aucun doute. Des matériaux critiques, rares et précieux sont incorporés dans les dispositifs photovoltaïques pendant 25 à 30 ans, ce qui pouvait être acceptable jusqu’à présent. Si l’on considère les ressources nécessaires à l’avenir, mises en évidence par Pierre Verlinden lors de la table ronde sur la durabilité organisée par pv magazine en juin dernier, celles-ci pourraient représenter une part importante de la production mondiale de matériaux. Le plus inquiétant est la quantité d’argent nécessaire pour 1 TW, qui équivaut à 94% de la production mondiale actuelle. Il est nécessaire et urgent de redéfinir entièrement notre système de réflexion sur l’utilisation des matériaux dans l’industrie photovoltaïque.

À cet égard, la récupération et le recyclage efficaces sont les pierres angulaires de l’ambition de durabilité dans la chaîne de valeur du photovoltaïque. Bien que la substitution puisse offrir certaines solutions, le recyclage reste la meilleure approche disponible pour garantir l’approvisionnement en matières premières et le rendre durable. Le silicium (Si), l’In et le gallium (Ga) sont répertoriés comme des matériaux critiques par la Commission européenne, et le lithium (Li) a été ajouté dans la version actualisée de 2020. Le taux de recyclage en fin de vie (EOL-RIR) évalué dans le rapport sur les matières premières critiques et l’économie circulaire 2018 pour des matériaux tels que le Si, l’In ou le Ga compte pour 0% en Europe, ce qui montre la situation actuelle et le degré d'”efficacité” des ressources. Sans oublier que l’extraction des matières premières primaires est l’une des étapes les plus coûteuses en termes d’impacts environnementaux dans la chaîne de valeur photovoltaïque et dans l’industrie en général.

Deux enjeux pourraient être mis en évidence dans la gestion des déchets photovoltaïques et qui devraient être résolus à ce stade. Le premier est la durée de vie plus longue des modules PV par rapport aux autres équipements électroniques et électriques (EEE). « Nous avons le temps de nous en occuper » était peut-être vrai au cours des dernières décennies, car le volume des déchets photovoltaïques restait assez faible ; mais il est maintenant temps d’aller de l’avant. En 2019, PV Cycle France a collecté près de 5 000 tonnes de déchets. Le deuxième enjeu est que de nombreux efforts ont été faits par le passé pour mettre en place des cadres réglementaires, ce qui est très bien. Cependant, si nous regardons la directive européenne (2012/19/UE) qui exige 80 % de recyclage et 85 % de valorisation, ces ratios peuvent être facilement atteints en ne recyclant que les boîtiers de jonction, les cadres et les façades en verre. Elle n’encourage ni ne stimule les pratiques de recyclage pour récupérer les matériaux précieux et critiques contenus dans les modules PV en fin de vie.

Les pratiques de fabrication et les modèles commerciaux circulaires de l’énergie solaire gagnent en popularité. Qu’en pensez-vous ?

L'”économie circulaire” est un concept né au début des années 1970. Depuis lors, de nombreuses recherches ont été menées dans divers domaines et le modèle circulaire est devenu une expression couramment utilisée. Cependant, il n’est pas si facile de passer du papier et de la modélisation à la réalité des entreprises. Il faut pour cela repenser et reconcevoir les modèles pour les transformer en de nouvelles logiques et approches, ce qui est un travail de longue haleine.

C’est pourquoi le CEA a mis en place un axe de recherche spécifique dédié à l’économie circulaire. En ce qui concerne l’industrie solaire, le CEA a été pionnier sur le sujet en tant que coordinateur du projet européen Horizon 2020 CABRISS (mise en place d’une économie circulaire basée sur des matériaux recyclés, réutilisés et récupérés à base d’indium, de silicium et d’argent pour le PV et d’autres applications), ce qui nous a permis de flécher les premières orientations. Le projet a permis de suivre les progrès en examinant l’ensemble de la chaîne de valeur du photovoltaïque afin d’identifier les points clés liés aux questions de durabilité et de mettre en œuvre des modèles circulaires.

Le CEA participe également au projet CIRCUSOL (Circular business models for the solar power industry), qui traite des opportunités commerciales circulaires dans la chaîne de valeur PV, en particulier dans les scénarios de réutilisation et de réparation, entre autres sujets. D’une manière plus générale, la mise en œuvre d’une économie circulaire sur la chaîne de valeur PV implique que nous réunissions les différentes parties prenantes, de la fabrication à la gestion des déchets, ainsi que les utilisateurs finaux des matières premières secondaires.

Pour obtenir une visibilité et aider à coordonner collectivement des modèles robustes, il est essentiel de jeter des ponts entre les différents secteurs, en particulier entre l’industrie photovoltaïque et les collecteurs et recycleurs de déchets. Comme il existe d’énormes écarts entre eux en termes d’approches technologiques et commerciales, nous devons créer des incitations communes pour passer ensemble à des modèles circulaires. Cela est également très important pour ouvrir les perspectives et les liens avec d’autres chaînes de valeur interdépendantes ou interdisciplinaires lorsqu’il s’agit de réinjecter les matières premières secondaires. En effet, la logique commerciale circulaire considère soigneusement la viabilité commerciale comme un compromis prioritaire pour la mise en œuvre de solutions bankables. C’est à travers cette vision que le CEA travaille actuellement à la mise en place de futurs projets sur les stratégies circulaires.

En outre, des politiques et des cadres réglementaires seront nécessaires pour soutenir et lancer un ensemble d’actions cohérentes entre les différentes initiatives et législations, telles que les directives sur les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) et sur l’écoconception/l’étiquetage énergétique.

Le CEA-INES organisera en mars 2021 un atelier intitulé “Photovoltaïque : vers une industrie durable”. Qu’espérez-vous de cet atelier ?

La quatrième édition de l’atelier ECO-PV vise à couvrir les sujets qui favorisent le développement durable du photovoltaïque. Il vise à réunir toutes les communautés concernées, y compris les fabricants, les recycleurs, les décideurs politiques et les experts d’organisations comme la Commission européenne du JRC, l’AIE-PVPS et les instituts de recherche, afin d’échanger des points de vue, des informations commerciales et des connaissances pour développer une vision collective de l’avenir de l’énergie solaire. Au cours de huit sessions de deux jours et demi, l’atelier abordera les sujets suivants : La durabilité des systèmes photovoltaïques et l’économie circulaire en tant que sujet global, l’analyse économique et environnementale, les questions de qualité et de fiabilité, l’éco-conception et les alternatives de recyclage.

Nous pensons qu’il y a des questions urgentes à prendre en compte lorsqu’il s’agit de redéfinir la pensée systémique tout au long de la chaîne de valeur du photovoltaïque pour le déploiement futur de l’énergie solaire. Les motivations d’une telle réunion sont nombreuses :

• Informer et partager des informations sur les questions et options actuelles à tous les niveaux (fabrication, installation, maintenance, démantèlement et réglementation) ;
• Discuter et identifier des solutions pour développer et conduire les améliorations critiques qui sont nécessaires pour reconcevoir l’énergie photovoltaïque comme une industrie mondiale et durable ;
• Fournir une vue d’ensemble sur le terrain et élargir les points de vue et les perspectives au-delà avec des acteurs d’horizons différents.

Dans le cadre de ce programme, le recyclage est une priorité pour le CEA. Quels sont les défis actuels et futurs du recyclage photovoltaïque de votre point de vue ?

Étant donné qu’il n’existe actuellement aucune solution de recyclage efficace, la situation est assez alarmante. Des initiatives législatives en Europe (directive 2012/19/UE), aux États-Unis (État de Washington) et ailleurs (Japon, Corée, Australie, Inde), soutiendront fortement le traitement des dispositifs de fin de vie et encourageront également le développement de nouvelles solutions. La responsabilité élargie des producteurs (REP) est également un bon moyen de financer et d’encourager les progrès dans ce domaine, en exigeant de tous les producteurs fournissant des panneaux photovoltaïques sur le marché de l’UE qu’ils contribuent au coût de la collecte et du recyclage des panneaux en fin de vie afin d’éviter les problèmes environnementaux (comme la mise en décharge).

Toutefois, jusqu’à présent, la gestion des déchets photovoltaïques était principalement assurée par les DEEE ou les installations de recyclage des métaux et du verre en Europe. L’approche la plus courante reste le processus de broyage/déchiquetage et le tri ultérieur. Cela conduit généralement à un recyclage réduit en supposant – en raison du manque de données communiquées – la très faible qualité des matières premières produites et partiellement mises en décharge. En effet, les quelques résultats en termes de valorisation des matériaux ne sont généralement pas satisfaisants.

Un module PV contient à la fois des ressources conventionnelles utiles (aluminium, cuivre, verre) et des matériaux critiques/précieux (Si, Ag, In, Ga, etc.) ainsi que des matériaux dangereux (plomb, cadmium, sélénium). Les fractions polymères sont généralement récupérées comme combustible énergétique au mieux ou mises en décharge au pire, tandis que les composants externes, tels que le cadre et la boîte de jonction, sont facilement démontables et recyclés. Il est certain que les matériaux critiques et précieux ne comptent que pour une très faible part en pourcentage de masse. Cependant, ce pourcentage est plus que significatif si l’on considère le million de tonnes de déchets photovoltaïques. Si nous n’avançons pas vers des solutions plus efficaces, nous risquons des résultats dramatiques, tels que la dispersion de matériaux toxiques et la perte irréversible de matériaux précieux et rares.

Pour relever les défis de la récupération de matériaux de qualité et de pureté supérieures, deux questions doivent être abordées. Le premier est de séparer sélectivement la feuille PV (vitrage avant / cellules solaires / couche arrière) pour éviter de mélanger les matériaux et, par conséquent, la contamination. La seconde consiste à extraire les métaux des cellules solaires pour permettre la récupération du silicium, de l’argent, du cuivre et d’autres métaux.

De nombreuses idées et solutions intelligentes ont vu le jour, comme la découpe mécanique, la séparation thermique ou chimique, l’extraction des métaux ou la récupération des wafers. Toutefois, le défi consiste à s’inscrire dans un dossier commercial fiable et positif pour attirer de nouveaux investissements. Et de fournir des solutions qui atténuent les impacts environnementaux. La tâche est assez difficile.

En tant qu’organisme de R&D, notre rôle est d’être le moteur de la création de nouveaux écosystèmes d’innovation en travaillant avec les acteurs industriels pour trouver et mettre en œuvre des solutions solides. En effet, pour fournir des incitations économiques et développer l’activité, nous devons étudier de nouvelles solutions technologiques pour des voies de recyclage PV efficaces et durables qui peuvent entrer sur le marché. Nous sommes bien conscients que le défi est ambitieux, et nous sommes prêts à le relever.

Le CEA-INES se concentre principalement sur la recherche c-Si. Que pensez-vous de l’utilisation de matériaux toxiques comme le plomb ?

La feuille de route technologique internationale pour l’énergie photovoltaïque 2020 a prévu d’arriver à près de 50% de connexion de cellules sans plomb d’ici 2030. Cela devrait représenter une part de marché pour des stratégies utilisant soit des soudures sans plomb (~30 %), soit des adhésifs conducteurs d’électricité (~20 %). Le CEA utilise la soudure sans plomb depuis 2014 et c’est devenu une pratique courante, car nous utilisons principalement le SnAgCu ou des rubans à base de SnAg pour réaliser les connexions de cellules.

Pour la technologie d’hétérojonction (HJT), qui nécessite un traitement à basse température, plusieurs alternatives sans plomb, telles que la technologie de connexion SmartWire (SWCT) ou l’adhésif conducteur électrique (ACE) ont été développées. Bien que la stratégie de connexion ACE offre des caractéristiques avec une faible contrainte thermo-mécanique en utilisant des rubans texturés sans plomb, le coût associé reste un inconvénient. En effet, le coût lié à la composition (à base d’Ag) et à l’efficacité (environ 10 mg d’ACE/BB) pourrait être réduit en diminuant la quantité d’ACE à un niveau de performance similaire.

Le CEA travaille actuellement sur ce sujet et vise à réduire la masse requise de l’ACE/BB (barre omnibus) d’au moins 50 %. Cela représenterait une amélioration majeure et ouvrirait de nouvelles possibilités et perspectives également pour d’autres technologies basées sur le Si. En effet, l’interconnexion des ECA pourrait empêcher l’utilisation de soudures contenant du plomb, atténuer la contrainte thermo-mécanique et réduire la consommation d’Ag par BB. D’une manière plus globale, le CEA s’efforce d’envisager toute amélioration ou avancée liée à l’utilisation efficace des matériaux et à la prévention des matières dangereuses tout au plus.

*Claire Agraffeil est titulaire d’un doctorat en science des matériaux et en génie des procédés consacré aux applications microélectroniques. Elle a travaillé dans ce domaine au CEA en tant que chercheur et chef de projet pendant sept ans dans le développement de procédés et la caractérisation des matériaux. Elle a rejoint le département Technologie Solaire (CEA-INES) en 2017 en tant que chef de projet en charge des sujets liés à la gestion des déchets et à l’éco-conception des systèmes photovoltaïques. Elle participe à plusieurs groupes de travail internationaux tels que le programme sur les systèmes d’alimentation photovoltaïques de l’Agence internationale de l’énergie (tâche 12) et la plateforme européenne de technologie et d’innovation (WG5-ECO) afin de développer et de soutenir des solutions pour la durabilité des systèmes photovoltaïques.