L’évolution des énergies renouvelables a connu un essor important au cours des 20 dernières années. La filière du photovoltaïque (PV) se positionne comme une source majeure dans la production énergétique dite verte. Nous pouvons le constater sur le déploiement mondial cumulé qui est passé de 1.4 gigawatts (GW) en 2000 à 633 GW en 2019, ce qui correspond à près de 3% de l’électricité générée ^2,3. Au vu de l’urgence climatique, il y a une nécessité de basculer vers des énergies plus propres et par conséquent une demande croissante, en outre, des installations solaires qui constituent plus de 90% du marché PV mondial ⁴.

Cette croissance signifie un besoin grandissant en matière première, le quartzite, qui sert à produire le silicium cristallin (Si), incontournable dans la fabrication des panneaux PV. Les Etats-Unis occupent la 4^ème place en production mondiale de Si (320 milliers de tonnes en 2019) et atteignent actuellement une capacité totale de 85 GW selon un rapport du Solar Energy Industries Associations (SEIA) ⁵. La Californie occupe la première place du podium, suivie de la Caroline du Nord puis de la Floride. Bien que le Texas soit réputé pour son exploitation des énergies fossiles, il occupe aujourd’hui la quatrième position d’installations PV avec une capacité totale d’environ 6 mégawatts (MW) soit 3 fois plus qu’en 2018 ⁶.

La ‘’propreté’’ de l’énergie solaire est cependant trompeuse car l’extraction de la matière première est un procédé relativement polluant. De plus, les panneaux PV ont une durée de vie limitée (environ 30 ans). La quantité mondiale de déchets estimés d’ici 2050 s’élèverait à 80 million de tonnes (soit 16 fois la masse de la pyramide de Khéops) représentant plus de 10% de la quantité de déchets électronique mondiale ^7,8.

Bien que l’expansion des installations solaires soient prometteuses d’un point de vue énergétique et économique, il y a peu de possibilités de traitement des déchets prévisionnels. Aux Etats-Unis, le recyclage est principalement celui du verre et des métaux qui composent les panneaux PV, procédés connus et faciles à réaliser. Le traitement de la matière résiduelle est cependant problématique. Elle est composée de matériaux précieux (argent, cuivre, aluminium) et de matériaux toxiques (plomb, cadmium) et il n’existe actuellement pas de méthode standard pour les recycler distinctement. Les procédés de recyclage actuels ne sont pas optimisés pour une restauration rentable et favorable à l’environnement. Aux Etats-Unis, il existe seulement six entreprises capables de recycler les panneaux et onduleurs solaires selon le SEIA. Les plus actives reçoivent approximativement 100 tonnes de matériaux par mois en sachant que seuls 80% d’un panneau PV, le verre et l’aluminium sont généralement recyclés ⁹.

Une équipe du National Renewable Energy Laboratory (NREL), un laboratoire de l’U.S. Department of Energy, a mené une première étude globale et propose une nouvelle approche très prometteuse de recyclage des panneaux PV en les intégrant dans une économie circulaire. Cette étude est parue dans le journal ‘’Nature Energy’’ ³.

Actuellement, le recyclage, outre le verre et l’aluminium, se focalise sur les cellules photovoltaïques intactes, même si nombre d’entre elles présentent des fissures et ne pourront donc être réutilisés. Les auteurs suggèrent de s’intéresser plutôt au recyclage du Si cristallin de haute pureté, obtenu par traitements additionnels de séparation et de purification de la cellule PV, et qui compte pour environ la moitié de l’énergie et de l’empreinte carbone pour la production d’un panneau. Cette approche nécessite l’identification d’impuretés absentes dans le Si originel (plomb, bore, aluminium, phosphore…) et la conception d’un procédé de purification pour restaurer le Si en utilisant des séquences de traitements mécaniques, thermiques, électriques et chimiques.

Il faut rappeler que la procédure de recyclage des panneaux PV existants n’est pas neutre vis-à-vis de l’environnement. Elle nécessite une grande consommation énergétique, induit une pollution de l’air et des eaux. Ces impacts environnementaux et économiques du recyclage devraient également être pris en compte afin de les minimiser et optimiser les procédures de traitement. Il est important que l’industrie du recyclage concoive une infrastructure adaptée au vu de l’intérêt croissant pour le solaire.

L’économie circulaire des matériaux utlisés pour la production d’énergie est très peu étudiée. Optimiser la composition et la structure des panneaux PV actuels est par ailleurs une importante partie de l’équation afin de limiter la quantité future de déchets. Par exemple, fabriquer des panneaux plus durables et plus efficaces énergétiquement.

Heath et son équipe ont récemment complété plusieurs études supplémentaires sur les matériaux utilisés dans la production énergétique. Ils annoncent être en mesure de présenter prochainement une série de principes pour modéliser un recyclage renforcé des technologies énergétiques propres incluant les panneaux PV, les pales d’éoliennes et les batteries dans une démarche circulaire ¹⁰. Identifier de façon efficiente diverses voies pour la durabilité énergétique est l’une des missions que se sont fixés le National Renewable Energy Laboratory et du Joint Institute for Strategic Energy Analysis. Optimiser les caractéristiques des matériaux et améliorer les moyens de traitement de fin de vie des dispositifs apparaît donc comme un impératif.

Rédactrice :

Lynda Amichi, Attachée-adjointe pour la Science et la Technologie (Houston).

Références :

1. May, M. Pratique, Ecologique, Economique: coup de projecteur sur le photovoltaïque. Medium https://medium.com/mti-review/pratique-ecologique-economique-coup-de-projecteur-sur-le-photovolta%C3%AFque-5e40f912291a (2018).
2. Energy, Vehicles, Sustainability – 10 Predictions for 2020. BloombergNEF https://about.bnef.com/blog/energy-vehicles-sustainability-10-predictions-for-2020/ (2020).
3. Heath, G. A. et al. Research and development priorities for silicon photovoltaic module recycling to support a circular economy. Nat. Energy 5, 502–510 (2020).
4. Ise, F. Photovoltaics Report. 50.
5. Silicon Statistics and Information. https://www.usgs.gov/centers/nmic/silicon-statistics-and-information.
6. Solar Industry Research Data. SEIA https://www.seia.org/solar-industry-research-data.
7. Weckend, S., Wade, A. & Heath, G. A. End of Life Management: Solar Photovoltaic Panels. (2016).
8. Baldé, C. P., Forti, V., Gray, V., Kuehr, R. & Stegmann, P. The global e-waste monitor 2017: Quantities, flows and resources. (United Nations University, International Telecommunication Union, and …, 2017).
9. SEIA National PV Recycling Program | SEIA. https://www.seia.org/initiatives/seia-national-pv-recycling-program.
10. Garvin Heath, JISEA Analyst, Is Defining Circularity for Next-Generation Energy Materials. https://www.nrel.gov/news/program/2020/garvin-heath-jisea-analyst-is-defining-circularity-for-next-generation-energy-materials.html.