Mise en place d’un outil d’éco-conception des systèmes PV « ECO PV » 

Le silicium multi cristallin (multi-Si)

La technique de solidification dirigée (DS) de type Bridgman consiste à faire fondre la charge du Si contenue dans un creuset et à réaliser la solidification par mouvement de l’interface solide/liquide. La composition du creuset est un facteur clé car il et peut induire des germinations et des contaminations qui déterminent la qualité cristalline du lingot.
L’élaboration de ce type de lingot est moins énergivore et moins complexe mais le rendement final des cellules reste inférieur aux cellules mono-Si (rendement de 18 % pour les cellules standards) [27].

Le silicium « monolike »

Les lingots « monolike » sont des lingots de silicium majoritairement monocristallins réalisés par la méthode de solidification directe dans un four de cristallisation qui contient une charge poly cristalline.
Par conséquent, les lingots « monolike » combinent la haute pureté du silicium monocristallin et le coût faible de l’élaboration des lingots multi-cristallins (rendement de 19 % pour des cellules standard). C’est un compromis idéal entre les performances et les coûts de fabrication [27].
Les différents avantages et inconvénients des procédés de cristallisation, listés auparavant, sont synthétisés dans Tableau 1.

Découpe en briques et wafers

Une fois les lingots formés, ils sont débités en briques. Le sciage est une technique de découpe des matériaux durs. Associé au sciage, le débitage permet d’obtenir les épaisseurs demandées : les briques sont découpées ainsi en des tranches fines appelés « Wafer » comme présenté par la Figure 6 Le procédé de sciage au fil d’acier (SW) a été appliqué pendant longtemps pour assurer la découpe. Le fil de découpe est un fil d’acier transportant une boue abrasive, qui procède par compression de particules abrasives de carbure de silicium (SiC) entre le fil et le lingot de silicium [37]. Avec ce procédé, l’épaisseur de wafer varie entre 180 et 200 µm avec un rendement de matière égal à 54%. Les innovations de l’industrie permettent aujourd’hui un sciage à fil diamant à abrasif fixe (DWS) [27] ; le fil étant alors revêtu de particules de diamant. La boue abrasive est ici remplacée par un liquide de refroidissement.
Le DWS occupe aujourd’hui plus de 60% des parts de marché en 2018 [27] et offre plusieurs avantages : un coût réduit, une perte de coupe réduite et des substrats plus minces qui permettent de réaliser un gain économique [38].

Réalisation des modules PV

Le rôle principal d’un module PV est de protéger les cellules solaires de l’environnement extérieur (humidité, contraintes mécaniques…). Les cellules y sont connectées en série le plus souvent de façon à ce que le niveau de tension du module soit adapté aux applications. Le nombre de cellules  varie en fonction de l’application. Les modules les plus vendus aujourd’hui sont les modules de 60cellules (62 % du marché) et des modules de 72 cellules (36 % du marché) [27]
L’ensemble des cellules est encapsulé dans un polymère transparent comme l’EVA (Ethylène Vinyl Acetate) ou des PO (Polyoléfines), avec du verre trempé en face avant et un film de protection « backsheet » en face arrière ; il s’agit d’un film à base de matériaux polymères comme le Fluorure de PolyVinyle (PVF) ou Poly Téréphtalate d’Éthylène (PET). La structure standard d’un module (verre – encapsulant – cellules – backsheet) est pressée et chauffée tout en faisant le vide dans un laminateur. Une boite de jonction est posée en face arrière du laminé et permet de lier les connecteurs aux sorties électriques du module. Un cadre en aluminium est enfin ajouté sur la structure finale du module. Dans un module bifacial, le « backsheet »est remplacé par du verre et la rigidité ainsi obtenue permet de s’affranchir du cadre aluminium
La structure de ces deux types de module est illustrée par la Figure 10.

Phase de fin de vie : recyclage des modules PV

Démarche réglementaire

La quantité cumulée des déchets des systèmes PV en 2017 a été estimée à 870 tonnes. Avec l’évolution exponentielle des capacités installées, cette quantité est estimée à 60 millions de tonnes en 2050 [46]. Ces chiffres expliquent la décision de la Commission Européenne d’introduire le PV dans la filière de traitement des déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) [47].
Le code de l’environnement définit les équipements électriques et électroniques comme étant des équipements « fonctionnant grâce à des courants électriques ou à des champs électromagnétiques, ainsi que les équipements de production, de transfert et de mesure de ces courants et champs, conçus pour être utilisés à une tension ne dépassant pas 1 000 volts en courant alternatif et 1 500 volts en courant continu » [48]. La DEEE contient également un nombre important de matériaux précieux et dangereux qui nécessitent un traitement spécial, voire des procédés de recyclage, tels que l’indium, l’argent et le palladium.
En suivant les exigences de la DEEE, les modules PV sont classés dans la catégorie 4 « équipements grand public et panneaux photovoltaïques » [49] pour laquelle :
– Le taux de récupération a été fixé à 75 % jusqu’à août 2015 et devrait passer à 85 % après août 2018.
– Le taux de recyclage a été fixé à 65 % jusqu’à août 2015 et devrait passer à 80 % en 2018.
De plus, les modules PV doivent suivre les réglementations de classification des déchets. Ces derniers tiennent compte des caractéristiques des matériaux (solubilité, inflammabilité, toxicité, etc.) des masses et volume des composants.
Sur cette base, les producteurs industriels du domaine de PV sont obligés de s’investir aujourd’hui dans la gestion de la fin de vie des panneaux PV.

Projets de recyclage des modules PV 

La filière du recyclage comprend un nombre varié d’activités : le démantèlement, la collecte, le tri/stockage, le procédé de recyclage et la réutilisation des matières recyclées. PV CYCLE, définit comme l’organisation européenne la plus connue de collecte des modules PV, a développé un réseau important de points de collecte (351 points de collecte en Europe)et de partenaires de démantèlement de modules PV [49]. Cette organisation propose des solutions de réutilisation et de recyclage conformes à la législation européenne pour tous les modules PV disponibles sur le marché.
Plusieurs projets de recyclage ont été lancés à l’échelle internationale depuis 2005, détaillés dans la Figure 12. En poids, les panneaux PV c-Si standards contiennent aujourd’hui environ 76 % de verre, 10 % de polymère (encapsulant), 8 % d’aluminium (principalement le cadre), 5% de silicium (cellules solaires), 1% de cuivre (interconnexions) et moins de 0,1 % d’argent (lignes de contact) et autres métaux. Les procédés de recyclage sont nombreux (procédés chimiques, thermiques, mécaniques…) mais l’objectif est unique : récupérer le maximum de matériaux [50].

L’Éco-conception et la R&D industrielle dans le secteur PV

Les enjeux de la R&D industrielle (IR&D)

Projets de IR&D

La R&D offre une perspective linéaire et unidirectionnelle en trois étapes consécutives [53], qui peuvent également définir le processus de développement d’un produit :
1- La recherche fondamentale, visant à acquérir des nouvelles connaissances.
2- La recherche appliquée, orientée vers l’application dont le résultat est un modèle probatoire du produit.
3- Le développement expérimental, permettant de fournir des informations techniques de décision en vue du développement du produit.
La IR&D est inclue dans la troisième étape du modèle de R&D où l’idée de projet a dépassé l’étape de conception pour aboutir aux premiers prototypes, tests et expérimentations en laboratoire. Sur la base de ces prototypes, la réalisation du nouveau produit se fait sur des lignes pilotes industrielles et les premiers produits sont utilisés pour des tests finaux en environnement opérationnel. La IR&D peut être combinée avec le modèle « Design and Development » (D+D). Ce dernier qui décrit l’aspect innovation / développement et traduit souvent le succès de la R&D pour satisfaire les besoins du partenaire industriel puis déclencher le processus de production [54]. La R&D représente ainsi une partie majeure de l’investissement de l’entreprise dans l’innovation projets de R&D [55]. Selon Coombs et al. [56], les projets de R&D peuvent être classés en trois différents types : (1) projets orientés vers un nouveau produit, (2) projets orientés vers l’amélioration d’un produit ou d’une technologie déjà existante, (3) projets orientés vers la création ou le développement d’une nouvelle plateforme technologique. En se basant sur l’analyse de la section 1.2, les projets de R&D des technologies PV cristallins, investis par l’industrie PV, entrent ainsi souvent dans la catégorie (2). Le projet part alors d’une étude de la situation actuelle du marché avec une mise en évidence des lacunes des technologies existantes. Des options stratégiques pour combler ces lacunes sont par conséquent mises en œuvre.
Même si la IR&D joue un rôle primordial pour soutenir la survie des industries, les projets de R&D sont caractérisés par des résultats parfois incertains qui se traduisent par un risque élevé faibles garanties, difficultés d’évaluation et de contrôle, etc…). D’où la nécessité d’un outil de gestion de la R&D.

L’échelle TRL « Technology Readiness Level » : un outil de gestion des projets de R&D

L’échelle des TRL « Technology Readiness Levels » est un modèle spécifique pour matérialiser la progression d’un projet de R&D. Il évalue le niveau de maturité d’unetechnologie jusqu’à son intégration dans un système complet et son industrialisation. Il estconsidérée comme un outil pertinent pour gérer l’innovation, notamment pour lesinvestissements, en reliant les organisations industrielles (financeurs) et les organismes de R&D (financés) par un référentiel commun en cartographiant le portefeuille de la technologie en termes de risques potentiels [57].
De multiples déclinaisons existent, proposées par différentes agences comme le Département de la défense des États-Unis (DoD), l’Administration nationale de l’Aéronautique et de l’Espace (NASA), le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA)…
Afin de standardiser cette échelle, la norme ISO 16920 a été mise en place en 2012, comme standard d’évaluation des différents niveaux de maturité des technologies [58]. Ainsi l’échelle TRL peut évaluer la maturité à travers neuf niveaux ; le TRL 1 est le plus bas et le TRL 9 est le plus haut.
En fonction de l’évolution du processus de développement du produit, les différents critères de chaque niveau sont définis selon la norme ISO 16920 comme suit [58] :
 TRL 1 : La recherche scientifique commence à traduire en recherche appliquée et en développement une idée, un concept.
 TRL 2 : Une fois que les principes physiques de base sont observés, les applications pratiques peuvent être identifiées.
 TRL 3 : Les activités (R&D) commencent. Ces activités doivent comprendre à la fois des études analytiques pour situer la technologie dans un contexte approprié et des études en laboratoire pour valider physiquement que les prédictions analytiques sontexactes.
 TRL 4 : Le concept est validé en laboratoire. Cette validation doit confirmer le concept formulé et doit être cohérente avec les exigences du système.
 TRL 5 : La validation se réalise dans un environnement représentatif. Les éléments technologiques de base doivent être intégrés à des systèmes raisonnablement réalistes.
 TRL 6 : À ce niveau, un prototype est mis en place et testé dans un milieu représentatif.
 TRL 7 : Un prototype doit être validé dans un environnement opérationnel. La validation doit prouver que la technologie est mature pour passer à la phase de production.
 TRL 8 : C’est la fin de processus du développement du produit. Le système est qualifié par des tests et la technologie est validée et reconnue mature.
 TRL 9 : Industrialisation et lancement de la production.
En se basant sur cette échelle et sur le concept de la IR&D, les projets de R&D sont ainsi caractérisés par une échelle TRL relativement basse (entre 3 et 7), comme indiqué par la Figure 14 . À ce niveau de TRL, les données de la technologie ne sont pas encore figées ou connues et par conséquent la technologie n’est pas complétement définie : il s’agit d’une technologie non mature. Introduire la composante environnementale dans le processus dedéveloppement de cette technologie signifie alors éco-concevoir une technologie non mature.

Réglementations et standards

Des lignes directives (ISO 14006 et 140062) ont été définies par l’Organisation Internationale de Standardisation pour aider les organismes à introduire l’aspect environnemental dans la conception et le développement des produits [59].
La règlementation sur les produits répond à trois grands enjeux environnementaux : (i) rendre les produits plus efficaces sur le plan énergétique, (ii) interdire la consommation des substances chimiques toxiques, (iii) s’assurer que l’élimination du produit en fin de vie peut être réalisée d’une manière appropriée.
Ainsi, la directive sur l’éco-conception (directive, 2008/98/EC) [66] a fixé les règles relatives à l’efficacité énergétique, comme l’étiquetage énergétique des produits pour consommer moins d’énergie. La réglementation REACH « Registration, Evaluation, Authorization and restriction of CHemicals » (règlement européen, n° 1907/2006) [67] et la directive RoHS « Restriction of Hazardous Substances » (directive, 2011/65/UE) [68] visent à contrôler le contenu des substances chimiques et à éliminer / réduire les substances dangereuses. Les déchets d’équipements électriques et électroniques (EEE), contenant souvent des substances dangereuses (piles, batteries…), sont quant à eux généralement réglementés par la directive (DEEE) (directive, 2012/19/UE) [69]. De nombreux EEE, tels que les appareils électroménagers et les aspirateurs sont également soumis à l’étiquetage énergétique obligatoire, réglementé par le biais de la directive (2010/30/UE) [70].
Des séries de normes, fusionnées dans les deux normes ISO 14040 et ISO 14044 et dédiées à la bonne pratique de l’ACV, ont été également mises en place. Elles décrivent les caractéristiques principales de l’ACV, et les exigences pour mener chaque étape de l’ACV.
C’est dans ce cadre que s’inscrit la déclaration environnementale produit (PEF) « Product Environmental Footprint » définie par la commission européenne en 2013, et relative à l’utilisation de méthodes communes pour mesurer et indiquer la performance environnementale des produits et des organisations sur l’ensemble du cycle de vie [71]. Il vise à normaliser la manière dont les fabricants de produits font des déclarations environnementales. Les rapports publiés, déclarant les performances environnementales réelles d’un produit, se basent souvent sur l’ACV comme outil d’analyse en cohérence avec les exigences définies par la commission européenne (type et qualité des données, cycle de vie…) [30]. D’autres outils comme les Écolabels, les approches volontaristes où l’industriel s’engage à respecter un cahier des charges environnemental pour la conception et la fabrication de son produit, ont été établis pour compléter ces règlementations.

L’éco-conception dans le secteur PV

Des démarches environnementales ont été imposées par le Ministère de la Transition Écologique et Solidaire en France sur les installations PV [72]. Par exemple, les installations PV au sol supérieures à 250 kWp sont soumises à une étude d’impact environnemental et doivent respecter certaines considérations environnementales comme l’implantation en zone non inondable, le risque d’incendie, la législation sur l’eau… Une déclaration environnementale pour les systèmes PV (PEF) a été également publiée en 2015 [30], présentant les impacts environnementaux des technologies PV standard (mono-Si, multi-Si et Cdte) tout au long du cycle de vie. Des « guidelines » sur l’impact environnemental des systèmes PV, ont été également publiés par l’Agence Internationale de l’Énergie (IEA) dans le cadre de la tâche 12 qui vise à aider les décideurs en matière de politique énergétique et environnementale [73]. Des projets européens visant à implémenter l’économie circulaire dans le secteur PV, ont également été lancés, comme par exemple le projet CABRISS qui « vise à développer un écosystème, inexistant à ce jour, permettant de récupérer les matériaux à forte valeur ajoutée et les réinjecter dans la production de panneaux PV et d’autres secteurs industriels » [75]. Enfin, un grand nombre d’études ACV des technologies PV ont été publiées, présentant ainsi le profil environnemental des systèmes PV [76].

ACV des systèmes PV : une variabilité des résultats

Approche d’analyse des études ACV PV

Étant donné que plusieurs études ACV PV ont été publiées dans la littérature, l’objectif de cette partie est d’analyser et comprendre la méthodologie adoptée, les hypothèses définies et identifier également les paramètres critiques des modules PV qui pourraient limiter l’écoconception à échelle TRL bas par la suite.
Pour cela, 30 études d’ACV des systèmes PV cristallins, publiées entre 2005 et 2016, ont fait l’objet d’une analyse détaillée [78] (Annexe 1). L’année 2005 a été choisie comme seuil parce que, d’une part, la production mondiale de cellules photovoltaïques a dépassé 1 GWp cette même année [79] et d’autre part, la méthodologie de l’ACV PV a été structurée par quelques études majeures dans cette période.
Comme le montre la Figure 19, trois aspects ont été identifiés et analysés pour chacune des 30 études :
1) La méthode ACV implémentée regroupant la frontière du système défini, les catégories d’impact et l’unité fonctionnelle choisie.
2) Les paramètres PV comme les résultats environnementaux sont souvent exprimés par unité d’électricité produite (kWh), le choix des paramètres a été basé sur les variables qui définissent l’électricité produite du système PV, comme exprimé par l’équation (2), à savoir le rendement du module, l’éclairement, le performance ratio, la durée de vie et le taux de dégradation.
3) La qualité des données de modélisation de l’inventaire (procédés de fabrication, mix énergétiques, caractéristiques des composants PV…) a été également étudiée.

Table des matières
INDEX DES FIGURES
INDEX DES TABLEAUX
GLOSSAIRE
INTRODUCTION 
Chapitre 1 Contexte : les systèmes photovoltaïques solaires (PV) et l’environnement
1 Les enjeux de la transition énergétique
1.1 La transition écologique dans le monde
1.2 La transition énergétique dans le monde
1.2.1 Consommation de l’énergie primaire
1.2.2 Vers une grande transition énergétique
1.3 Systèmes PV cristallins
1.3.1 Familles technologiques
1.3.2 Cycle de vie des systèmes PV cristallins
1.4 Énoncé du premier constat
2 L’Éco-conception et la R&D industrielle dans le secteur PV
2.1 Les enjeux de la R&D industrielle (IR&D)
2.1.1 Projets de IR&D
2.1.2 L’échelle TRL « Technology Readiness Level » : un outil de gestion des projets de R&D
2.2 L’éco-conception
2.2.1 Définition et processus
2.2.2 Réglementations et standards
2.2.3 L’éco-conception dans le secteur PV
2.3 Énoncé du deuxième constat
3 L’Analyse de Cycle de Vie des systèmes PV
3.1 L’Analyse du Cycle de Vie
3.2 ACV des systèmes PV : une variabilité des résultats
3.2.1 Approche d’analyse des études ACV PV
3.2.2 Variabilité des résultats environnementaux des ACV PV
3.3 Criticité des paramètres PV et absence d’une référence dynamique
3.4 Énoncé du troisième constat
4 Besoin pour la communauté PV
Chapitre 2 Problématiques & Hypothèses 
1 Complexité de l’analyse environnementale à échelle TRL bas
1.1 Incertitude de l’information environnementale à échelle TRL bas
1.2 La qualité des données collectées
1.3 Niveau d’expertise pour l’analyse environnementale
1.4 Capitalisation des données environnementales
1.5 Énoncé de la première problématique
2 Complexité de l’intégration pérenne de l’éco-conception dans la R&D
2.1 Notions d’intégration pérenne et ses freins dans la IR&D
2.2 Les outils d’éco-conception dans la littérature : fonctions et limites
2.3 Énoncé de la deuxième problématique
Chapitre 3 Proposition d’une méthode d’intégration de l’éco-conception dès la phase de R&D 
1 Réponse à l’hypothèse 1 : base de données de référence
2 Réponse à l’hypothèse 2 : méthode d’analyse et d’amélioration multicritères
2.1 Besoins du « partenaire industriel »
2.2 Analyse de la nouvelle technologie par rapport à la technologie de référence
2.3 Prise de décisions et proposition d’améliorations
3 Réponse à l’hypothèse 3 : un outil « user friendly » d’aide à la décision multicritères
3.1 Cahier des charges de l’outil d’éco-conception
3.2 Démarche de déploiement de l’outil
Chapitre 4 Expérimentations et discussions
1 Mise en place de la base de données de référence pour une application aux projets de R&D dans le domaine du PV
1.1 Analyse typologique des projets de R&D et choix de la technologie de référence
1.2 ACV de la technologie de la référence
1.2.1 Champs et périmètre de l’étude
1.2.2 Résultats et interprétations
1.3 Analyse de sensibilité des systèmes PV : niveau d’information à collecter par étape de fabrication
1.3.1 Définition des facteurs de liaison des composants des systèmes PV
1.3.2 Analyse de sensibilité des paramètres critiques dynamiques des systèmes PV
1.4 Capitalisation et stockage des données
2 Validation initiale de l’approche d’estimation des taux d’évolutions sur une technologie PV mature
2.1 Définition de la technologie PV mature
2.2 Résultats environnementaux
3 Utilisation de l’approche « ECO PV » dans un projet de R&D à TRL bas : étude de cas
4 Conclusion sur la phase d’expérimentation
Chapitre 5 Mise en place d’un outil d’éco-conception des systèmes PV « ECO PV » 
1 Conception de l’outil « ECO PV »
1.1 Introduction sur l’outil « ECO PV »
1.2 Fonctionnalités de l’outil « ECO PV »
2 Intégration de la démarche d’éco-conception au sein de l’organisme de R&D par le biais de l’outil « ECO PV »
2.1 Validation initiale de fonctionnement de l’outil : Alpha test
2.2 Déploiement de l’approche au sein de l’organisme : les Bêta-tests de l’outil « ECO PV »
2.2.1 Déroulement des bêta-tests
2.2.2 Retour d’expérience des Bêta-tests
2.2.3 Pérennisation de l’outil « ECO PV » au sein de l’organisme de R&D
2.2.4 Exploitation de l’outil « ECO PV » : intégration de l’approche dans les projets de R&D
3 Limites de l’outil « ECO PV » et perspectives d’amélioration
3.1 Limites des fonctionnalités de l’outil
3.2 Limites de la pérennité de l’intégration de l’outil « ECO PV »
CONCLUSION 
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES 

Lire le rapport complet