Quelle est l’empreinte carbone d’un panneau solaire ? Vue d’ensemble et émissions

Nous savons que les panneaux solaires sont considérés comme propres et écologiques, mais à quel point le sont-ils exactement ?

Si, à certains moments de leur cycle de vie, les panneaux solaires sont responsables d’émissions de carbone par rapport à d’autres sources d’énergie renouvelables, cela reste une fraction des émissions produites par les combustibles fossiles comme le gaz naturel et le charbon. Nous examinons ici l’empreinte carbone des panneaux solaires.

Calcul de l’empreinte carbone

Contrairement aux combustibles fossiles, les panneaux solaires ne produisent pas d’émissions lors de la production d’énergie. C’est pourquoi ils constituent un élément important de la transition vers une énergie propre, actuellement en cours pour réduire les émissions globales de gaz à effet de serre et ralentir le changement climatique.

Cependant, les étapes de production qui mènent à la production d’énergie solaire entraînent des émissions, de l’extraction des métaux et des minéraux de terres rares au processus de production des panneaux, en passant par le transport des matières premières et des panneaux finis. Pour déterminer l’empreinte carbone nette des panneaux solaires, il est donc nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs, notamment la façon dont les matériaux utilisés pour produire les panneaux sont obtenus, la façon dont les panneaux sont fabriqués et la durée de vie prévue du panneau.

Matériaux d’exploitation minière

Le composant de base d’un panneau solaire est la cellule solaire, généralement constituée de semi-conducteurs en silicium qui captent et convertissent la chaleur du soleil en énergie utilisable. Elles sont constituées de couches de silicium positives et négatives qui absorbent la lumière du soleil et produisent un courant électrique en déplaçant les électrons entre les couches positives et négatives de la cellule solaire. Ce courant est envoyé à travers les lignes de la grille métallique conductrice d’un panneau solaire. Chaque cellule solaire est également recouverte d’une substance qui empêche la réflexion afin que les panneaux absorbent un maximum de lumière solaire.

Outre le silicium, les panneaux solaires utilisent également des terres rares et des métaux précieux comme l’argent, le cuivre, l’indium, le tellure et, pour le stockage des batteries solaires, le lithium. L’extraction de toutes ces substances produit des émissions de gaz à effet de serre et peut contaminer l’air, le sol et l’eau.

Il est difficile de quantifier ces émissions car la transparence varie lorsqu’il s’agit de mesurer et de déclarer l’empreinte carbone associée à l’extraction, au traitement et au transport des minéraux et des métaux essentiels. Un groupe de centres de recherche a formé la Coalition on Materials Research Transparency pour tenter de remédier à ce problème en élaborant des normes industrielles pour l’évaluation des émissions de carbone provenant de l’exploitation minière. Jusqu’à présent, toutefois, ces travaux n’en sont qu’à leurs débuts.

Types de panneaux solaires

Il existe plus d’un type de panneau solaire, et les différents panneaux ont des empreintes carbone différentes. Les deux types de panneaux solaires commerciaux actuels sont les monocristallins et les polycristallins, tous deux composés de cellules de silicium, mais produits différemment. Selon le ministère de l’énergie, ces modules solaires présentent des rendements de conversion énergétique allant de 18 % à 22 %.

Les cellules monocristallines sont fabriquées à partir d’un seul morceau de silicium découpé en petites tranches fines et fixé au panneau. Ce sont les plus courantes, et elles ont le rendement le plus élevé. Cependant, en raison de la complexité du processus de fabrication des cristaux de silicium uniques, elles produisent les émissions les plus élevées. Les cellules solaires polycristallines, quant à elles, impliquent la fusion de cristaux de silicium, ce qui nécessite moins d’énergie et produit donc moins d’émissions.

Le solaire à couches minces est une troisième technologie qui peut utiliser l’un de plusieurs matériaux, notamment le tellurure de cadmium, un type de silicium, ou le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) pour produire de l’électricité. Mais jusqu’à présent, les panneaux à couches minces n’ont pas l’efficacité de leurs homologues en silicium cristallin.

Les technologies solaires émergentes cherchent à augmenter encore davantage l’efficacité des systèmes photovoltaïques. L’une des nouvelles technologies solaires PV les plus prometteuses en cours de développement aujourd’hui fait appel à un matériau appelé pérovskite. La structure des cristaux de pérovskite est très efficace pour absorber la lumière du soleil, et meilleure que le silicium pour absorber la lumière du soleil en intérieur et par temps couvert. Les films minces fabriqués à partir de pérovskite peuvent conduire à des panneaux plus efficaces et plus polyvalents ; ils peuvent même être peints sur des bâtiments et d’autres surfaces.

Plus important encore, il est possible de fabriquer des pérovskites pour une fraction du coût du silicium et en utilisant beaucoup moins d’énergie.

Fabrication et transport

À l’heure actuelle, cependant, les panneaux cristallins en silicium sont les plus courants : en 2017, ils représentaient environ 97 % du marché photovoltaïque américain, et la grande majorité du marché mondial également. Cependant, le processus de fabrication des panneaux en silicium produit des émissions considérables. Bien que le silicium lui-même soit abondant, il doit être fondu dans un four électrique à des températures extrêmement élevées avant d’être appliqué sur le panneau. Ce processus repose souvent sur l’énergie provenant de combustibles fossiles, notamment le charbon.

Les sceptiques considèrent que l’utilisation de combustibles fossiles pour la production de silicium prouve que les panneaux solaires ne réduisent pas beaucoup les émissions de carbone, mais ce n’est pas le cas. Bien que le silicium représente une partie à forte intensité énergétique du processus de production des panneaux solaires, les émissions produites sont loin d’être comparables à celles des sources d’énergie fossiles.

Une autre considération concerne le lieu de production des panneaux solaires. La production de panneaux de silicium en Chine a connu une croissance considérable au cours des deux dernières décennies. En Chine, près de la moitié de l’énergie utilisée dans ce processus provient désormais du charbon, soit beaucoup plus qu’en Europe et aux États-Unis.Cette situation a suscité des inquiétudes quant aux émissions associées aux panneaux photovoltaïques, la fabrication se concentrant de plus en plus en Chine.

Les émissions provenant du transport représentent un autre défi. L’extraction des matières premières a souvent lieu loin des installations de fabrication, qui peuvent elles-mêmes se trouver sur des continents et des océans loin du site d’installation.

Une étude réalisée en 2014 par l’Argonne National Laboratory et la Northwestern University a révélé qu’un panneau solaire au silicium fabriqué en Chine et installé en Europe aurait une empreinte carbone deux fois plus élevée qu’un panneau fabriqué et installé en Europe, en raison de l’empreinte carbone plus importante de la Chine liée aux sources d’énergie utilisées pour la fabrication, ainsi que de l’empreinte des émissions associées à l’expédition de panneaux solaires finis sur une si longue distance.

Mais les chercheurs affirment que l’écart d’émissions entre la Chine et les autres grands sites de production pourrait se réduire au fil du temps si la Chine adopte des réglementations environnementales plus strictes dans le cadre de ses engagements de réduction des émissions. Il existe également une pression pour étendre la chaîne d’approvisionnement et la production du PV au niveau national aux États-Unis, dans l’Union européenne et ailleurs, ce qui réduirait la dépendance vis-à-vis de la Chine.

Durée de vie d’un panneau

La durée de vie d’un panneau solaire est un autre facteur important pour déterminer son empreinte carbone. L’industrie solaire garantit généralement que les panneaux dureront entre 25 et 30 ans, tandis que le temps de retour énergétique – le temps qu’il faut à un panneau pour rembourser sa « dette carbone » due aux émissions créées pendant l’extraction, la fabrication et le transport – est généralement compris entre un et trois ans, en fonction de facteurs tels que l’emplacement et la quantité de lumière solaire qu’il reçoit. Cela signifie qu’un panneau peut généralement produire de l’électricité sans carbone pendant des décennies après cette brève période d’amortissement.

Et bien que les panneaux solaires plus anciens perdent définitivement de leur efficacité avec le temps, ils peuvent encore générer une quantité importante d’énergie pendant des années au-delà de leur garantie. Une étude réalisée en 2012 par le National Renewable Energy Laboratory a révélé que le taux de production d’énergie d’un panneau solaire ne diminue généralement que de 0,5 % par an.

La mesure de l’empreinte carbone d’un panneau solaire sur sa durée de vie doit également prendre en compte la manière dont il est éliminé à la fin de sa vie productive – et si certains panneaux solaires sont retirés prématurément.

Une étude récente menée en Australie a révélé que c’est souvent le cas, car de nombreuses mesures incitent à remplacer les panneaux avant qu’ils n’atteignent la fin de leur vie productive. Les auteurs citent une combinaison d’incitations gouvernementales qui encouragent l’installation de panneaux plus récents et une tendance des entreprises solaires à traiter un panneau endommagé en remplaçant simplement l’ensemble du système PV. De plus, les gens veulent souvent échanger leur système après seulement quelques années d’utilisation pour des systèmes plus récents et plus efficaces qui offrent de plus grandes économies d’énergie. La conséquence pour l’Australie est une croissance alarmante des déchets électroniques provenant des panneaux solaires mis au rebut.

Le recyclage offre une solution partielle au problème de l’élimination, mais il a le potentiel d’augmenter l’empreinte carbone lorsque les panneaux mis au rebut doivent être transportés sur de longues distances vers les installations de recyclage. Les auteurs de l’étude ont conclu que l’allongement de la durée de vie des panneaux solaires est essentiel pour résoudre les problèmes d’émissions et de déchets liés à l’élimination des panneaux en fin de vie.

Panneaux solaires et électricité standard

S’il est indéniable que les panneaux solaires ont une empreinte carbone, celle-ci ne fait pas le poids face aux émissions de carbone et autres impacts environnementaux liés à l’électricité produite par des combustibles fossiles.

Une étude de 2017 publiée dans Nature Energy a effectué des évaluations du cycle de vie des sources d’énergie renouvelables et non renouvelables et a constaté que le solaire, l’éolien et le nucléaire ont tous une empreinte carbone plusieurs fois inférieure à celle de l’énergie produite par les combustibles fossiles. Cette constatation s’applique même si l’on tient compte des sources d’émissions « cachées », telles que l’extraction, le transport et la production des ressources, qui, bien entendu, sont également associées aux combustibles fossiles. L’étude a révélé que le charbon, même avec la technologie de captage et de stockage du carbone (CSC) déployée, génère une empreinte carbone 18 fois supérieure à celle du solaire sur toute sa durée de vie, tandis que le gaz naturel présente une empreinte d’émissions 13 fois supérieure à celle du solaire.

Au fil du temps, la production de panneaux solaires est devenue plus efficace, et la recherche et le développement en cours visent constamment à accroître l’efficacité tout en réduisant les coûts et les émissions.

Le solaire est-il meilleur pour l’environnement ?

Les émissions de carbone ne sont qu’un facteur important dans l’évaluation des impacts environnementaux des panneaux solaires. Si la production d’énergie solaire en elle-même n’est pas polluante, le solaire repose sur des métaux et des minéraux non renouvelables. Cela implique des opérations minières polluantes et entraîne souvent une perte d’habitat et de biodiversité, car des mines et des routes sont construites dans des zones vierges pour faciliter le transport des équipements et des matières premières.

Comme pour toute forme de production d’énergie, certaines personnes subiront des impacts négatifs plus importants que d’autres – par exemple, les personnes vivant à proximité d’exploitations minières ou d’usines de fabrication de panneaux qui brûlent des combustibles fossiles. En outre, les déchets électroniques provenant des panneaux mis au rebut ont des répercussions supplémentaires.

Cependant, si l’on considère l’impact environnemental total des panneaux solaires par rapport à l’énergie produite à partir de combustibles fossiles, il n’y a pas photo : Le solaire a un impact beaucoup, beaucoup plus limité en termes d’émissions de carbone et de pollution. Néanmoins, à mesure que le monde passe à des sources d’énergie à faible teneur en carbone, il sera important d’améliorer continuellement les normes et les pratiques visant à minimiser les impacts tout en répartissant les charges environnementales inévitables de manière plus équitable.