Un système photovoltaïque s'entend ici comme l'ensemble des éléments le composant, à savoir les modules, les onduleurs, les liaisons électriques DC et AC ainsi que les coffrets et protections jusqu'au point de livraison et le système de montage.

Il est admis par la communauté scientifique internationale que dans le cas du photovoltaïque, les étapes qui pèsent le plus dans le bilan concernent la fabrication des systèmes, et ce quelle que soit la technologie retenue. En effet, une fois en fonction, mis à part le remplacement éventuel des onduleurs, le système produit de l’électricité sans dommage notable pour l’environnement : ni bruit, ni vibration, ni consommation de combustible, ni production de déchets, d’effluents liquides ou gazeux…

Lors de la fabrication, l'impact le plus important sur l'environnement est dû à la consommation d'énergie. En effet, une partie importante de l'énergie utilisée est issue de combustibles fossiles, à l’origine de l’épuisement des ressources fossiles, de l’émission de gaz à effet de serre et de l’émission de résidus de combustion provoquant pluies acides et dommages respiratoires. Dans le cas particulier du silicium cristallin, cette consommation est principalement due au très énergivore procédé de production de silicium polycristallin en réacteurs Siemens.

L'ensemble des dépenses énergétiques peut être exprimé en énergie primaire. L'énergie primaire est l'énergie puisée dans les ressources naturelles telles qu'on les trouve à l'état brut (pétrole, gaz, charbon, uranium, soleil, vent, biomasse etc.). Cette unité permet de prendre en compte les pertes inhérentes au mode de production d’énergie utilisée. Pour du silicium cristallin, il faut compter environ 15 000 MJ d'énergie primaire par kWc pour un système photovoltaïque complet. Exprimé autrement, on comptera environ 1 400 kWh d’énergie finale (l'électricité facturée au compteur par exemple) par kWc installé.

L'énergie grise d'un système photovoltaïque, exprimée en énergie primaire, permet de calculer le temps de retour énergétique, par rapport à l'énergie habituellement utilisée à laquelle se substitue la production photovoltaïque. En Europe, il faut en moyenne 1 à 1,5 ans à un système photovoltaïque pour produire autant d’énergie qu’il en a fallu pour le fabriquer, cette durée étant fonction de l’ensoleillement. Bien entendu, les technologies se perfectionnant sans cesse, l’impact environnemental diminue à mesure que le rendement des cellules augmente et que les concepteurs de systèmes prennent soin d’optimiser la production.

Etude ESPACE-PV

L’Analyse du Cycle de Vie cofinancée par l’ADEME et initiée en 2008 dans le cadre du projet ESPACE-PV a permis de présenter plusieurs résultats représentatifs pour la France.

Evaluation de la contribution à l'effet de serre (empreinte carbone) pour différents systèmes

L'empreinte carbone est traduite à l'aide d'un indicateur en g CO2-équivalent par kWh produit, correspondant à la quantité de gaz à effet de serre émis lors de la fabrication du système divisé par sa production électrique pendant 30 ans. Le résultat obtenu dépend alors de la productivité du système, fortement liée à l'irradiation du lieu, et varie donc avec la région concernée.

La part des modules dans les indicateurs environnementaux est majoritaire et souligne la nécessité d’optimiser l'impact environnemental  de leur fabrication. On peut noter au passage la très faible contribution du transport à l'impact carbone global d'un système PV.

Evaluation de la part des ressources consommées pour différents systèmes

D'après ce graphique, la technologie silicium amorphe semble consommer moins de ressources pour sa fabrication, résultat pouvant être généralisé aux couches minces en général. Cependant, l’équipement de pose a une importance particulière sur les émissions de CO2 éq. puisque sa superficie est doublée pour une même puissance installée. Une plus grande utilisation de métaux à fort contenu énergétique, comme l'aluminium par exemple, explique ces résultats.

comparaison de l'impact lié à la fabrication des systèmes pour différents mix énergétiques

Cette comparaison apporte des éléments de réponse au questionnement sur la pertinence écologique de fabriquer des modules à partir d’électricité provenant de centrales à charbon.

Cohérence et Harmonisation des ACV

Constatant la multiplication des ACV pour les systèmes photovoltaïques, un groupe d'experts de l'Agence Internationale de l'Energie (AIE/IEA) a souhaité harmoniser le choix des hypothèses de travail et des méthodologies adoptées et a publié un guide méthodologique sur l'analyse du cycle de vie de l'électricité photovoltaïque de systèmes raccordés au réseau (lien vers le guide en bas de page).

Ce guide émet des recommandations sur les caractéristiques techniques relatives aux systèmes photovoltaïques étudiés (durée de vie de 30 ans, composants du système photovoltaïque, ratio de performance de 75 %, un seul remplacement d'onduleur, irradiation moyenne de la zone concernée, etc.), sur l'approche méthodologique et sur les modèles d'analyse choisis (empreinte environnementale du kWh d'électricité injecté sur le réseau, catégories d'impact etc.) et enfin sur le format des résultats (mention des hypothèses utilisées, choix des indicateurs, etc).

Empreinte carbone harmonisée

Durant les 30 dernières années, des centaines d'analyses du cycle de vie ont ainsi été menées et publiées sur le photovoltaïque, des systèmes résidentiels aux fermes solaires, fournissant une large gamme de résultats. Le NREL (Laboratoire National des Energies Renouvelables, aux Etats-Unis) a effectué en 2012 un travail de synthèse dans le souci de dégager les tendances et de réduire les écarts d'une étude à l'autre.

Références : 1/ Hsu, D. D., O’Donoughue, P., Fthenakis, V., Heath, G. A., Kim, H. C., Sawyer, P., Choi, J.-K. and Turney, D. E. (2012), Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Crystalline Silicon Photovoltaic Electricity Generation. Journal of Industrial Ecology, 16: S122–S135. 2/ Kim, H. C., Fthenakis, V., Choi, J.-K. and Turney, D. E. (2012), Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Thin-film Photovoltaic Electricity Generation. Journal of Industrial Ecology, 16: S110–S121.

In fine, l'empreinte carbone d'un système photovoltaïque complet est évaluée à environ 44g CO2-eq/kWh.

Les valeurs qui en ressortent sont les valeurs médianes d'une série de valeurs références tirées de 13 études pour le silicium cristallin et de 5 pour les couches minces sur les 400 recensées. L'harmonisation des données a ensuite consisté à ramener les estimations d'émissions de gaz à effet de serre à un ensemble d'hypothèses de départ identiques, à savoir : irradiation de 1700 kWh/m2.an, rendement du module (cf tableau), ratio de performance de 75% ou 80% selon que le système soit intégré en toiture ou posé au sol, durée de vie de 30 ans et dégradation du rendement de 0,5 % par an. Enfin, l'étude concernant le silicium cristallin visait des modules cadrés, recyclage compris, pour un état de l'art technologique datant de 2005-2006, alors que celle sur les technologies couches minces envisageait des modules non cadrés, recyclage exclus. Cette méthode a permis de réduire la dispersion des résultats de 65 %.

Le système photovoltaïque s'étend au delà du module. A l'énergie physiquement dépensée lors des étapes de fabrication des modules vient s'ajouter l'énergie grise et les rejets impactés par les autres éléments. Suivant les systèmes et leur type d'intégration, ces valeurs évoluent beaucoup. On peut cependant émettre quelques généralités.

Les onduleurs

Du fait de l'électronique qu'ils contiennent en quantité grandissante ainsi que des métaux utilisés pour les boîtiers, les onduleurs ont un impact important. L'augmentation de leur durée de vie peut permettre d'améliorer le bilan énergétique.

L'aluminium

Il est présent en petite quantité comme contact arrière des cellules photovoltaïques et en masse dans le cadre, la structure de montage et l'onduleur. La production d’aluminium est très consommatrice en énergie et génère des émissions d’hexafluorure de soufre ou SF6, gaz à effet de serre à très haut pouvoir réchauffant (coefficient de 22 200 contre 1 pour le CO2).

Le silicium

Il est l'enjeu le plus important de réduction de la consommation énergétique. Il faut 60 fois plus d'énergie pour produire du silicium solaire que du verre. Les pistes actuellement explorées sont l'amélioration des procédés de raffinage et la diminution de l'épaisseur des cellules.

L'argent

Présent en quantité limitée sur la planète, la taux de récupération et de recyclage de ce métal est, comme son prix, élevé. Il est utilisé dans les électrodes en face avant des cellules, les fournisseurs de pâtes de métallisation développant des amalgame sans Argent.

Substances dangereuses

Parmi les substances les plus dangereuses, on trouve le plomb, le brome et le cadmium. Le plomb est présent dans les soudures ou les contacts électriques des cellules, des procédés de soudure alternatifs faisant leur apparition sur le marché. Le brome se trouve dans les matières plastiques de l'onduleur. Le cadmium est utilisé dans les technologies CIGS et CdTe, sous forme de sulfure de cadmium CdS dans les deux et de tellurure de cadmium, le principal élément semiconducteur de la technologie CdTe.

Autres matériaux

D'autres matériaux ne présentent pas de toxicité particulière mais ne sont pas valorisables en fin de vie ou présentent des ressources limitées. C'est le cas de l'EVA ou du Tedlar.

Enfin, de nombreux composés chimiques utilisés lors de la fabrication du silicium polycristallin et des cellules photovoltaïques imposent des conditions de manipulation adéquates garantissant la santé et la sécurité des travailleurs. Étant donné qu'ils donnent lieu à des rejets importants de polluants dans l'eau ou dans l'air, dont les plus importants sont les gaz à effet de serre du type CF4 ou des produits inorganiques tels que HF, HNO3, HCl, NH3 et NaOH, des systèmes de traitement sont mis en place sur les lieux de fabrication pour éviter tout rejet dans la nature.

Le projet INCER-ACV, financé par l'ADEME en partenariat avec ENGIE, ARMINES et le centre OIE de Mines ParisTech, vise à calculer les impacts environnementaux de la filière photovoltaïque ainsi que les marges d'incertitude associées à ces calculs.

Dans le cadre de ce travail, un outil permettant de tester différentes hypothèses a été mis à disposition gratuitement en ligne. Celui-ci permet de calculer les valeurs moyenne et médiane d'un indicateur environnemental ainsi que les incertitudes associées.

Une empreinte carbone inférieure à 50 gCO2/kWh (à 90 % de chance) pour un système photovoltaïque complet

L'empreinte carbone d'un module dépend de plusieurs facteurs :

• le productible annuel de l'installation photovoltaïque,
• la durée de vie des modules (de 25 à 35 ans),
• la durée de vie des onduleurs (de 10 à 30 ans),
• la quantité d'électricité nécessaire à la production du silicium,
• le rendement du système en sortie d'onduleur,
• le contenu CO2 du mix électrique utilisé pour la fabrication du module, des cellules et wafers ainsi que de l'aluminium contenu dans le système,
• le type de système (au sol ou en toiture).

Chacun de ces facteurs est soumis à incertitude : celle-ci a été été représentée pour chacun d'entre eux sous la forme d'une distribution de probabilité. 10 000 tirages aléatoires sur chacune de ces variables ont ensuite été réalisés pour calculer 10 000 résultats d'empreinte carbone. La distribution de probabilité ci-dessus est le résultat de ces tirages.

Une relocalisation de la chaîne de valeur des modules photovoltaïques en France permettrait de diviser par deux l'empreinte carbone

INER-ACV intègre une hypothèse "mix électrique utilisé pour la production du module", en remplaçant la valeur par défaut (essentiellement mix électrique chinois) par un mix français. L'empreinte carbone est divisée par deux en ordre de grandeur.

11 autres indicateurs environnementaux sont calculés

L'outil INCER-ACV permet de calculer selon un principe similaire 11 autres indicateurs comme par exemple l'acidification des milieux, les déchets radioactifs évités, l'épuisement des ressources minérales, la qualité de l'air, l'utilisation en eau ou la toxicité humaine.