Quel bilan carbone pour la production d’électricité solaire ?

Produite à partir d’une source naturelle gratuite (le soleil), l’électricité solaire est considérée comme étant une énergie renouvelable essentielle pour limiter les impacts engendrés par les énergies fossiles.  

Cependant, au fil du temps, les louanges émises envers l’énergie solaire ont laissé place aux critiques concernant son efficacité, son prix et son bilan carbone. Les méthodes de production des panneaux photovoltaïques sont notamment dans le viseur (utilisation de matériaux polluants, la quantité d’énergie employée, etc.).

Une question se pose alors : les bienfaits de cette source d’énergie sont-ils annulés par l'empreinte carbone des panneaux photovoltaïques ? Réponse ici.

Électricité solaire : une énergie renouvelable fortement plébiscitée

Au même titre que l’électricité éolienne et hydraulique, l’électricité solaire est une énergie renouvelable (EnR) étant issue d’une source naturelle et inépuisable à l’échelle du temps humain (le soleil). De fait, la production d’électricité solaire est possible grâce à trois principaux procédés de captation :

• le photovoltaïque ;
• la thermodynamique ;
• le thermique.

En France, ce sont les panneaux photovoltaïques qui dominent le marché. Il s’agit d’un dispositif plat directement raccordé au réseau électrique et installé sur la toiture des logements, dans des parcs dédiés ou dans des fermes solaires gérées par des entreprises. 

Dès leur commercialisation entre 1995 et 2001, les panneaux solaires ont suscité un engouement massif et bénéficié d’un accueil positif. Plusieurs raisons : 

• ils permettent de réduire les factures d’énergie de 40 % ;
• ils sont accessibles tant aux professionnels qu’aux particuliers (simples d’installation, dimensions modulables, fonctionnent sans intervention, etc.) ;
• ils sont faibles en émissions de gaz à effet de serre (GES) ;
• ils n’engendrent pas ou peu de déchets ;
• ils ne demandent que peu d’entretien ;
• ils contribuent à la transition énergétique ;
• ils fonctionnent même par temps de pluie - les panneaux utilisant les rayons lumineux du soleil.

Le fonctionnement d’un panneau solaire

Un panneau solaire est conçu à partir de matériaux composés de silicium, de verre, d’aluminium, de cuivre et de plastique - et non de terres rares comme le précise l'ADEME. Une fois exposés au soleil, ces matériaux semi-conducteurs créent un courant électrique continu grâce à la circulation des électrons. Cependant, l’utilisation de l’électricité n’est possible qu’après sa transformation en courant alternatif via un boîtier appelé onduleur (ou micro-onduleur).

Il existe deux types de panneaux solaires : 

• les panneaux solaires thermiques - permettant de produire de l’eau chaude sanitaire. Pour faire simple, les panneaux captent la chaleur du soleil afin de la transmettre à un circuit caloporteur ou à un ballon d’eau chaude ;
• les panneaux photovoltaïques - dont les cellules captent et convertissent la lumière du soleil en électricité solaire.

 👉 Ces deux sortes de panneaux peuvent être combinées dans un panneau hybride.

La méthodologie de calcul du bilan carbone des panneaux solaires

L’empreinte carbone correspond aux émissions de gaz à effet de serre directes ou indirectes émises par une activité ou une filière (en l’occurrence le photovoltaïque). 

De fait, calculer le bilan carbone de la production d’électricité solaire implique de réaliser l’Analyse de cycle de vie (ACV) d’un panneau photovoltaïque. Cette étude prend en compte l’énergie et les émissions engendrées tout au long du cycle de vie de l’installation :  

• l’extraction des matières premières ;
• la fabrication et l’assemblage ;
• le transport ;
• l’usage ;
• le recyclage.

En définitive, le bilan carbone d’un panneau est mesuré en grammes d’équivalent CO2 par kWh (gCO2eq/kWh).

L’empreinte carbone de la production d’électricité solaire

La fabrication des panneaux photovoltaïques

Ne nous ne faisons pas d’illusions, toute production d’énergie - aussi renouvelable soit-elle - engendre un impact écologique plus ou moins conséquent. En démontre l’électricité solaire, et plus particulièrement l’installation nécessaire à sa production.

En effet, l’impact environnemental du photovoltaïque est majoritairement induit lors de la fabrication des panneaux. Conçus principalement en Chine, les panneaux solaires nécessitent des matériaux polluants (silicium et mercure) pour fonctionner. 

Bien que présent en abondance sur Terre, le silicium est extrait des carrières sous forme de quartz et nécessite d’être transformé en wafer. Ce procédé de production - permettant d'obtenir une plaque très fine - est particulièrement énergivore quelle que soit la technologie employée. 

👉 Le CNRS estime que la production d’un kilo de silicium en wafer requiert 2 933 kWh d’électricité.

Selon l’ADEME, Agence de la transition écologique, en France, un panneau photovoltaïque émet en moyenne 55 grammes de CO2 par KiloWatt produit. Cependant, en prenant en compte les matériaux utilisés, le modèle et le mix énergétique du pays de fabrication, l’ADEME évalue l’empreinte carbone du photovoltaïque à : 

• 43,9 g CO2eq/kWh pour les panneaux chinois - l’électricité utilisée lors de la fabrication est majoritairement issue du charbon. Selon le ministère de la Transition écologique français, une seule centrale à charbon émet 0,85 tonne de CO2 par MWh d’électricité produite ;
• 32,3 gCO2eq/kWh pour les panneaux européens ;
• 25,2 gCO2eq/kWh pour les panneaux français - grâce à notre mix énergétique peu carboné.

L’utilisation des panneaux solaires

La phase d’utilisation des panneaux solaires fait de l’électricité solaire une énergie propre - ils n’engendrent ni bruit, ni mouvement, ni émission de GES. L’empreinte carbone est donc presque nulle. « Presque », puisqu’il faut néanmoins prendre en compte les opérations de maintenance et d’entretien.

La fin de vie des installations

La durée de vie d’un panneau solaire est estimée entre 20 et 50 ans. Au-delà, sa puissance et son rendement sont amoindris. 

De fait, en France, selon la directive européenne de 2002/96/CE relative aux déchets d’équipement électriques et électroniques (DEEE), les distributeurs de panneaux doivent supporter les coûts et initier le processus de recyclage.
Renforcée en 2012, cette directive veille à ce que les composants recyclables des panneaux soient réutilisés comme matières premières dans la fabrication de nouveaux matériaux.

Au-delà des distributeurs, des organismes spécialisés à l’image de Soren peuvent prendre en charge le recyclage. À ce titre, en 2021, Soren a collecté et valorisé 3 463 tonnes de panneaux photovoltaïques.

L’électricité solaire VS les énergies fossiles

Certes, les panneaux solaires ne sont pas neutres en carbone. Cependant, leur bilan carbone est minime par rapport à celui des énergies fossiles. L’association SolarPowerEU révèle que la production d’électricité solaire émet 96 % d’émissions de carbone de moins que le charbon et 93 % de moins que le gaz naturel.

Sans compter qu’au-delà des émissions de GES engendrées, les énergies fossiles contribuent à la déforestation, épuisent les ressources, fragilisent les écosystèmes, les espèces animales et végétales. Ces exemples ne constituent qu’un échantillon des conséquences de l’utilisation de combustibles fossiles…

👉 En définitive, malgré une phase de fabrication des panneaux émissive, la production d’électricité solaire reste toutefois une solution efficace contre le réchauffement climatique.

En vue d’atteindre l’objectif national de neutralité carbone à l’horizon 2050, la Programmation Pluriannuelle de l’Énergie (PPE) souhaite élever la part des énergies renouvelables de 33 % de la consommation finale brute d’énergie en 2030 - 2022, elle était estimée à 20,7 %. Dans l’idéal, en 2028, la filière photovoltaïque devrait représenter 28 % de la production électrique renouvelable. 

Comment y parvenir tout en limitant l’empreinte carbone de la production d’électricité solaire ?

Fabriquer des panneaux solaires peu carbonés 

Le bilan carbone de la production d’électricité solaire est causé par la production de panneaux en Chine - dont le mix énergétique est majoritairement composé d’énergies fossiles. De fait, pour fabriquer des panneaux peu carbonés, il convient de relocaliser la production en France - notamment l’assemblage des modules. 

Comme l’indique le Ministère de la Transition Écologique dans un document de travail datant de 2021, les panneaux conçus en France sont plus propres pour deux raisons : 

• l’assemblage réalisé en France est moins émetteur en CO2 qu’à l’étranger, puisque l’Hexagone bénéficie d’un mix énergétique très peu carboné ;
• les acteurs français ont adopté une stratégie d’approvisionnement plus vertueuse et moins émissive que les concurrents étrangers.

En outre, des alternatives commencent à voir le jour en France :

• la technologie des couches minces occupe une part de marché conséquente dans l’Hexagone. Toutefois, même si les panneaux issus de cette technologie sont moins émissifs en GES, ils s’avèrent plus toxiques à cause de l’un des principaux composants : le cadmium ;
• l’utilisation de panneaux issus de ressources recyclées se popularise également. Malheureusement, cette alternative reste encore relativement coûteuse.

Limiter l’utilisation de matériaux 

Depuis leur commercialisation, les panneaux photovoltaïques ont fait l’objet de nombreuses évolutions technologiques améliorant leur bilan carbone : 

• la première génération dite des « panneaux solaires en silicium cristallin » était chère à produire, polluante (l’extraction et le traitement du silicium cristallin généraient des déchets et utilisaient une grande quantité d’énergie) et à faible durée de vie ;
• la deuxième génération dite des « panneaux solaires en silicium amorphe » était certes moins chère à produire, mais nécessitait l’utilisation de produits chimiques possiblement dangereux pour l’environnement ;
• la troisième génération dite des « panneaux solaires à couches minces » était plus légère, mais la performance était limitée et l’utilisation de matériaux toxiques était encore de mise ;
• la quatrième génération dite des « panneaux solaires organiques » était peu performante au point de ne pas avoir été commercialisée ;
• la cinquième génération dite des « panneaux solaires en silicium cristallin à haut rendement » atteint des niveaux d’efficacité supérieurs à 20 %, est moins chère à produire, moins énergivore et plus durable.

Bien que la quantité de matériaux utilisée ait diminué au fil des ans, la PPE encourage les chercheurs et les industriels européens et français dans le développement de nouvelles méthodes, à l’image de l’hétérojonction.
Cette technologie d’avenir met en contact dans la couche active de deux semi-conducteurs différents : le silicium monocristallin et le silicium amorphe. Selon le Gouvernement, cette nouvelle alternative devrait offrir un rendement supérieur aux panneaux solaires actuels, tout en réduisant l’utilisation de silicium.

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