Solaire photovoltaïque : crise du présent et technologie du futur

L'energie solaire serait-elle notre avenir? Malgre la crise que traverse actuellement la filiere photovoltaique, les ameliorations de cette technologie, avec entres autres les cellules nouvelle generation, et le virage de la Chine dans le secteur pourrait donner un nouveau souffle a ce type d'energie renouvelable.

Le solaire est-il l'energie du futur ? L'essor du gaz naturel et la crise traversee par l'industrie photovoltaique depuis 2011 invitent a se mefier des predictions trop optimistes. Mais le virage strategique de la Chine, d'une part, et les promesses des nouvelles generations de cellule, d'autre part, pourraient changer la donne. Il faut donc considerer avec attention les dynamiques economiques et technologiques sous-jacentes.

Les technologies en presence

ParisTech Review. Aujourd'hui, l'energie solaire photovoltaique est produite principalement grace aux cellules de premiere generation, en silicium. Mais de nouvelles generations sont en cours de developpement. Pouvez-vous nous presenter rapidement les technologies en presence et leurs enjeux ?

Didier Roux. Les cellules en silicium restent la principale technologie utilisee aujourd'hui, et elle n'a pas dit son dernier mot. Rappelons le principe de la cellule photovoltaique. Il est simple et on le connait depuis le XIXe siecle, meme s'il a fallu Einstein pour comprendre la physique de la lumiere.

La lumiere est constituee de photons, qu'on pourrait definir comme des paquets d'energie elementaire, dotes d'une masse. Quand ils rentrent en contact avec de la matiere, leur masse se transforme en energie, sous la forme de chaleur par exemple. Dans certains cas, et notamment celui des semi-conducteurs dont fait partie le silicium, cette energie permet d'arracher des electrons. C'est ce que l'on appelle l'effet photoelectrique. Les cellules de premiere generation sont des composants electroniques qui captent et canalisent ces electrons pour produire du courant continu.

Pourquoi utilise-t-on du silicium ? Tout simplement parce qu'il est abondant sous une forme purifiee (grace a l'industrie de l'electronique) et qu'il a les proprietes requises. On peut ensuite distinguer differentes configurations : les modules solaires monocristallins coutent plus cher mais ils ont un bon rendement au m². Les modules polycristallins sont un peu moins performants, mais ils sont sensiblement moins chers. Enfin, il faudrait evoquer les modules a base de silicium amorphe, dont la structure n'est pas cristalline. Leur rendement est plus faible. Les cellules de silicium amorphe constituent un exemple de cellules de deuxieme generation : les cellules dites couches minces.

Cette technologie des couches minces semble aujourd'hui au coeur des attentions. En quoi consiste-t-elle ?

Vous avez raison, le vrai enjeu aujourd'hui ce sont les couches minces. Plusieurs acteurs industriels, dont l'americain First Solar et le francais Saint-Gobain, ont investi dans cette technologie, qui presente de reels avantages.

De quoi s'agit-il ? Fondamentalement, l'idee est de deposer des couches tres fines, de l'ordre de quelques microns, sur un substrat (verre, metal, plastique). Pour les cellules industrielles aujourd'hui, les materiaux utilises sont principalement de deux types : du tellurure de cadmium (CdTe) ou des couches composees de quatre constituants (le cuivre, l'indium, le gallium et le selenium).

Vous evoquiez leurs avantages : on sait par exemple qu'avec cette methode on peut fabriquer des modules d'une surface bien plus importante, et surtout les decouper facilement

L'avantage principal est que, du fait de la quantite de materiel utilise et des methodes de depot, en phase industrielle ces technologies reviendront moins cher. Elles ne sont pas completement matures industriellement, mais, compte tenu des installations en cours, les progres sont rapides. La technologie CdTe est deja  moins couteuse que celle au silicium polycrystallin.

Avant de se pencher sur l'etat du marche et les conditions du developpement de cette deuxieme generation, pouvez-vous nous dire un mot sur les troisieme et quatrieme generations, qui en sont encore au stade de la R&D ?

Vous avez raison de le preciser, on parle la de technologies qui n'existent encore qu'en laboratoire. Sous ce terme commun de « troisieme generation» on regroupe des technologies assez differentes. Dans certains cas elles utilisent des molecules organiques ou/et des nanoparticules minerales. Ces systemes sont capables d'absorber de la lumiere et de transporter les electrons. Ce sont des systemes complexes qui ont une certaine fragilite intrinseque au rayonnement. Ces technologies sont interessantes parce qu'elles ont le potentiel d'etre tres peu cheres et peuvent donner des rendements de l'ordre de 10% (par exemple dans le cas des cellules de Graetzel). Mais elles presentent encore un inconvenient, pour l'instant non resolu, qui est la degradation de la partie organique des systemes. Cela donne des durees de vie tres sensiblement plus courtes que les 20 a 30 ans des cellules classiques.

Les cellules multi-jonctions a concentration sont ce que j'appelle la quatrieme generation : elles sont constituees d'un empilement de couches qui recuperent de l'energie sur les differentes portions du spectre de la lumiere solaire. Leur principal inconvenient aujourd'hui, c'est leur prix, tres eleve. Pour autant il n'y a pas d'obstacle majeur a ce que cette quatrieme generation soit rentable un jour. Le tout est simplement d'ameliorer les couts sur tous les maillons de la chaine.

Mais j'attire votre attention sur un point : cette technologie sera moins en concurrence avec celles que nous avons evoquees aujourd'hui qu'avec le solaire thermique a concentration parfois abrege en CSP, pour concentrated solar power.

Pourquoi ?

Parce que ces technologies requerent beaucoup de soleil et des systemes de tracking, qui permettent aux modules de suivre le soleil. On est dans une configuration tres differente avec les couches minces, qui restent performantes pour un rayonnement indirect ou diffus. Les cellules multi-jonctions, tout comme le solaire concentre, ne sont vraiment efficaces qu'avec un rayonnement tres intense. Elles sont bien adaptees aux regions desertiques. Les deux technologies seront donc en concurrence.

Precisement, s'il y a quelques annees sont apparus de grands projets de solaire concentre, cette technologie semble aujourd'hui quelque peu delaissee.

C'est vrai, et ce n'est pas tres difficile a comprendre : si aujourd'hui le CSP n'a pas le vent en poupe, c'est tout simplement que le photovoltaique classique est devenu plus rentable. Siemens, par exemple, s'est retire du projet Desertec. Mais je ne parlerais pas d'un abandon. Comme le four solaire de Font-Romeu, ce sont des systemes pilotes, sur lesquels il faut encore faire beaucoup de progres. Le solaire concentre a beau etre connu depuis plusieurs dizaines d'annees, sur le plan technologique il n'a pas le degre de maturite industrielle du photovoltaique. En production mondiale, il doit representer a peine 1% des capacites installees en photovoltaique : il y a encore des marges de progression.

On entend parfois que l'implantation de ces systemes dans des zones desertiques, loin des lieux de consommation, implique un investissement important en termes de distribution, et donc un surcout?

C'est vrai, l'idee de produire dans des endroits desertiques pour ensuite alimenter les pays occidentaux a comme inconvenient de rajouter les pertes en transports. Cela dit, les pays proches de ces endroits desertiques ont de plus en plus besoin d'electricite et leur population augmente rapidement. Le solaire concentre, ou demain les cellules multi-jonctions, peuvent representer une solution pertinente pour les alimenter. Les chercheurs travaillent : les probematiques de transport lointain font l'objet de nombreux travaux en ce moment et des ameliorations existent.

Le developpement possible du solaire

Le caractere intermittent de la production est souvent presente comme un des grands obstacles au developpement du photovoltaique

C'est exact. Une croissance de la production d'electricite d'origine solaire demandera un developpement des capacites de stockage de l'electricite, c'est un des grands defis pour l'energie en general. Il y a des pistes de solution "stockage chimique, via l'hydrogene par exemple, stockage mecanique" mais pour le moment, ces solutions ne sont pas encore industrielles. Notons bien qu'il n'y a pas de manque d'imagination ou de creativite a ce sujet. La question est plutot de trouver le procede rentable sur le marche. Il faut s'attaquer a ce probleme et il ne fait aucun doute que des solutions industrielles se developperont.

Il y a aussi la problematique de la distribution, avec les fameux reseaux intelligents (smart grids) ?

Les deux sont lies. Des reseaux intelligents, c'est-a-dire sophistiques et pilotes, sont necessaires pour accepter des formes de technologies qui sont de moins en moins souples et plus dispersees sur le reseau. C'est un element du progres. Mais des questions se posent aussi : a-t-on reellement besoin de faire de grands reseaux partout ? Est-ce qu'il ne serait pas plus judicieux de developper des systemes plus independants et du stockage ? Dans un village indien qui n'a pas l'electricite, si vous avez une methode de stockage efficace, vous pouvez raisonnablement vous poser la question : ai-je interet a me relier au reseau, ou a produire mon electricite, la stocker et etre autonome ? C'est la meme problematique que celle de l'equipement en telephone filaire par rapport au telephone portable. Il y a des pays qui sont en train de faire l'impasse sur le telephone filaire. On verra peut-etre demain des pays qui n'ont pas encore investi dans de gros reseaux preferer developper de petits reseaux autonomes plutot que de grands reseaux connectes. Les smart grids, pour eux, c'est peut-etre cela. Aujourd'hui si on savait stocker a un cout raisonnable, il y a beaucoup d'endroits dans le monde ou nous n'aurions pas interet a faire des reseaux.

Les opposants a l'energie solaire soulignent qu'elle reste tres chere. Quand sera-t-elle rentable sans subventions ?

Je voudrais commencer par ecarter une idee recue, qui veut qu'un module photovoltaique consomme plus d'energie a fabriquer qu'il n'en produit au cours de son existence (une dizaine d'annees). C'etait vrai dans les annees 1960, mais aujourd'hui ce qu'on appelle le « retour energetique » est de un a trois ans selon la region et la technologie.

Envisageons a present la competitivite du solaire par rapport a d'autres formes de production d'electricite. Il faut le savoir, quand on parle d'electricite, il ne faut pas raisonner de la meme facon selon qu'on evoque un champ de capteurs construit et opere par un industriel ou le toit d'un particulier. Pour un industriel, ce qui compte c'est le cout de production de l'electricite par rapport a une autre technologie. En revanche, pour un particulier, c'est le prix auquel il achete son electricite qui entre en jeu.

Partons des particuliers. On parle de parite reseau quand le cout de production est egal au prix du marche. Cela signifie que la pertinence de l'energie solaire n'est pas la meme selon les pays. En France, par exemple, la preponderance du nucleaire permet aujourd'hui aux particuliers de beneficier d'une electricite plutot bon marche. Mais la baisse recente des couts du photovoltaique, sur laquelle nous reviendrons, a contribue a changer la donne. Le cout de production pour un particulier, en lissant les investissements sur 20 ans, represente a peu pres 0,2 euros le kWh alors que le prix de l'electricite en France est de 0,1 euros le kWh. On n'est donc pas encore a la parite reseau. C'est le cas, en revanche, en Italie, a la fois parce que l'electricite y est plus chere et parce qu'il y a plus de soleil. Les Allemands qui paient environ 0,3€ le kWh sont eux aussi a la parite reseau, comme certaines regions americaines, en Californie ou dans l'Utah mais pas encore sur la cote Est.

La baisse spectaculaire du cout des panneaux a contribue a rendre le solaire plus competitif, mais il ne faut pas surestimer les effets de cette baisse. En France, le prix du panneau ne represente que 20% des investissements pour un toit, 50% pour une centrale de production. C'est donc surtout aussi sur le reste que des economies sont attendues : l'installation, le materiel connexe. L'installation de panneaux photovoltaiques sur un toit en Allemagne coute environ la moitie de ce qu'elle coute en France.

Considerons a present la question du point de vue des producteurs d'electricite. La, on compare fondamentalement des couts de production, meme si des considerations sur l'environnement ou l'independance energetique peuvent entrer en ligne de compte. Et puisqu'il s'agit d'investir, il semble plus juste de comparer l'electricite d'origine solaire avec celle des futures centrales nucleaires, et non avec celles qui fonctionnent actuellement et ont ete lancees il y a quarante ans. Prenons la France, a nouveau : pour une centrale solaire au sud du pays, le cout de production est de 0,1 euros par KWh, comparer aux 0,08 euros attendus des centrales nucleaires de troisieme generation de type EPR. La difference existe encore mais elle n'est plus aussi significative qu'il y a trois ans ou elle allait de 1 a 4.

Les dynamiques du marche

Vous l'avez dit, une partie de cette baisse des couts provient de l'effondrement du prix des panneaux. Les annees 2011-2012 ont ete tres difficiles pour l'industrie photovoltaique, avec la faillite de nombreux producteurs de modules en Europe et aux Etats-Unis. Ou en est le secteur aujourd'hui ?

On est dans une situation paradoxale. C'est la crise pour les fabricants de modules : tous perdent de l'argent, y compris les producteurs chinois. Mais les producteurs d'electricite, eux, achetent des modules tres bon marche. De nombreux projets de champs photovoltaiques sont lances aujourd'hui en Californie ou en Italie, dans des zones ou il y a beaucoup de soleil, parce que c'est rentable.

Aujourd'hui, l'Asie represente environ 70% de la production mondiale de panneaux. Et les usines chinoises fonctionnent a moins de 50% de leur capacite, parce qu'il n'y a pas assez d'acheteurs. Il y a clairement, au niveau mondial, un probleme de surcapacite.

Dans une situation comme celle-ci, si vous jouez la verite des prix, une partie de ces societes devrait faire faillite. Mais les autorites chinoises, qui en sont conscientes, font deux choses. Premierement, elles ne demandent pas le remboursement des investissements. C'est une forme de subvention. D'autre part, elles ont lance un grand plan d'equipement en photovoltaique qui, a terme, permettra d'absorber une partie de la surcapacite.

Comment caracteriseriez-vous la strategie chinoise : s'agit-il d'une guerre commerciale destinee a ruiner la concurrence ?

Ce n'est pas mon avis. Je pense qu'ils se sont laisses entrainer dans leurs investissements sans anticiper le risque de surcapacite. Mais c'est la reaction des autorites qui me semble interessante : si les Chinois decident de ne pas fermer des usines, on va donc continuer a produire enormement de panneaux solaire en Chine, et cela aura probablement comme consequence de tuer tous les autres producteurs, sauf quelques acteurs qui vont survivre parce qu'ils font de la haute qualite comme Sun Power. Il est probable qu'en 2020 les fabricants chinois seront a peu pres seuls sur le marche. Et d'ci la , comme la demande aura rattrape l'offre, la production de panneaux devrait redevenir rentable. Si, au contraire, il y a en Chine une consolidation des acteurs et des fermetures massives de capacites, les prix des modules remonteront et les acteurs internationaux redeviendront rentables.

Certaines entreprises peuvent esperer survivre, car elles ont accepte de changer completement de business model. C'est le cas de la societe americaine First Solar, specialisee dans la technologie a couche mince de tellurure de cadmium. Elle fabriquait les modules les moins chers, mais avec la chute des prix elle a ete fragilisee. Ses dirigeants ont donc opte pour un virage strategique : l'entreprise s'est mise a produire de l'electricite. Elle produit et installe ses modules (y compris en Chine !), elle produit et vend de l'electricite.

Mais First Solar est un cas isole et la baisse rapide des prix de la premiere generation a fait beaucoup de mal a un secteur qui n'etait pas encore mur technologiquement. Des capacites d'innovation ont ete detruites, et l'apprentissage industriel n'a pas encore eu le temps de se faire. A part quelques exceptions, le secteur est actuellement trop en retard pour rattraper par la baisse des couts le faible prix de vente des fabricants chinois de panneaux en silicium industriels.

Potentiellement, la technologie des couches minces en a les moyens. Mais sauf changer de business model pour traverser la crise, il faut accepter de perdre de l'argent quelques annees avant d'etre rentable. C'est l'equation a resoudre. Cela ne peut se faire qu'avec l'appui d'investisseurs, et notamment des etats. Ce n'est pas d'effort de recherche que nous parlons ici, mais bel et bien d'un effort industriel. L'enjeu est de construire des usines de plus en plus grandes, qui coutent de plus en plus cher, pour fabriquer des objets que vous vendez pendant un certain temps a perte. Ce n'est pas facile a accepter. Mais certains investisseurs s'y risquent, et non des moindres : Warren Buffet vient ainsi d'investir dans des usines de production d'electricite par photovoltaique avec SunPower en Californie.

Les fabricants de panneaux chinois s'interessent-ils aussi a la deuxieme generation ?

Cela vient. Tous les fabricants chinois sont aujourd'hui sur le silicium, mais ils ont compris que la future generation, ce sont les couches minces. First Solar a lance cette annee un projet de 30 MW avec un partenaire chinois. La Chine investit. Ses fabricants vont apprendre, et ils vont racheter les technologies possedees par les concurrents qui souffrent.

Pour l'industrie europeenne, quel est le bilan aujourd'hui ?

Je ne crois pas que les fabricants de panneaux francais ou allemands puissent survivre si rien ne se passe. Mais nous parlons ici d'un jeu complexe, ou les gagnants ne sont pas forcement evidents. Les fabricants chinois perdent aujourd'hui de l'argent. Ceux qui leur achetent les modules, ce sont des particuliers et des industriels europeens et americains. Cela revient a dire que l'etat chinois subventionne la production d'electricite en Europe et aux Etats-Unis.

Des doutes ont ete emis sur la strategie de subvention par les tarifs de rachat en Europe. On peut discuter du bien-fonde des subventions d'etat pour aider a l'emergence d'une filiere industrielle en Europe, et force est de constater qu'un risque pese sur la filiere allemande (la seule qui ait ete reellement mise en place). Mais ce n'est qu'une partie de l'histoire. Car les industriels allemands ont developpe une industrie de machines-outils qui servent a fabriquer les panneaux, et leurs principaux clients sont les Chinois. Une des grandes raisons pour lesquelles les Allemands n'ont pas insiste beaucoup pour mettre des barrieres a  l'entree des panneaux photovoltaiques chinois, c'est parce qu'eux-memes vendent aux Chinois des machines pour fabriquer des panneaux. Au total, les subventions publiques ont bien aide a developper et renforcer un secteur industriel strategique.

Source : paristechreview.com