On affirme souvent que les panneaux photovoltaïques ne sont pas soutenables parce qu’il faut absolument utiliser du charbon pour raffiner le silicium dont ils sont composés. Mais combien de charbon faudrait-il au juste pour compléter le volet photovoltaïque de la transition énergétique? Une rapide analyse montre que les quantités nécessaires sont insignifiantes et qu’elles ne constituent en aucun cas un frein à la transition.
Le raffinage du silicium
Le raffinage du silicium se fait en deux étapes. La première étape, dite de carboréduction, prend un minerai de silicium, la silice SiO2, et le raffine à un niveau de pureté de l’ordre de 99,9 %. Le processus exige de mélanger environ 550 kilos de charbon à une tonne de silice, une proportion semblable à celle que l’on trouve dans la production d’acier. La chimie est elle aussi comparable à celle de l’acier : les atomes d’oxygène se combinent à ceux de carbone pour s’échapper sous forme de CO2, ne laissant que du silicium derrière eux.
Combien de silicium pur reste-t-il après raffinage? Je n’ai pas pu trouver de chiffre précis, mais comme la molécule de minerai SiO2 contient un atome de silicium (poids atomique 28) et deux d’oxygène (poids atomique 16), on peut estimer que le silicium représente 28/60e du poids du minerai et donc, qu’il reste 46,7 % de la masse initiale de silice après raffinage. Pour obtenir une tonne de silicium raffiné (dit «métallurgique»), il faut donc 2,1 fois 550 kilos de charbon, soit 1178 kilos.
Ce silicium brut doit être raffiné une fois de plus, à un degré de pureté beaucoup plus élevé, pour être utilisable dans la fabrication de cellules photovoltaïques. On utilise généralement le procédé Siemens. Les détails importent peu, mais il faut savoir que ce procédé n’utilise pas un gramme de charbon et qu’on cherche actuellement à l’améliorer en y injectant de l’hydrogène. Sous sa forme actuelle, le procédé est efficace à 30 %, à savoir qu’il va produire 300 kilos de silicium de grade PV à partir d’une tonne de silicium métallurgique. Il faut donc 3,33 fois 1178 kilos de charbon, soit 3922 kilos, pour produire une tonne de silicium de grade PV.
Ces 3,9 tonnes de charbon par tonne de silicium de grade PV peuvent paraître énormes. Il faut toutefois garder à l’esprit que le raffinage au grade métallique est la seule étape de fabrication du silicium où le charbon est indispensable. Il faut aussi se souvenir que le silicium un matériau relativement léger et utilisé en couches très minces – de 170 à 180 microns – sur les panneaux solaires. C’est moins de 0,2 millimètre. La production d’un panneau solaire utilise donc très peu de silicium et toutes les étapes de raffinage et de fabrication de la cellule ne représentent au final qu’entre 5,2 et 5,6 % de l’énergie nécessaire à la fabrication d’un panneau, selon une étude de l’agence internationale de l’énergie.
Selon Lynch (2011), il faut à peu près une tonne de silicium pour produire un gigawatt de capacité électrique – à peu près l’équivalent d’une centrale nucléaire. Pour installer la composante photovoltaïque du programme de la transition, il faudrait installer mille fois cette quantité – un térawatt – chaque année de 2020 à 2050, soit 30 000 tonnes de silicium de grade PV. Et cette quantité ne correspond pas au lent rythme d’installation actuel : elle reflète le rythme qu’il faudrait idéalement atteindre.
On pourrait discuter de ces chiffres, notamment parce que le silicium est aujourd’hui appliqué en couches beaucoup plus fines qu’en 2011 et aussi parce qu’ils contiennent quelques approximations. Mais ils nous permettent d’estimer sommairement le coût en charbon du silicium PV de la transition énergétique à 30 000 tonnes x 3,9, soit 117 000 tonnes. Le chiffre peut paraître important. La production annuelle de charbon était toutefois de 7,9 milliards de tonnes en 2019. Autrement dit, 15 000 tonnes par minute.
Huit minutes de production
Cela peut paraître incroyable, mais c’est pourtant vrai : ces 117 000 tonnes de charbon représentent l’équivalent moins de huit minutes de production mondiale au rythme actuel. Huit minutes de charbon pour 30 ans de production photovoltaïque. Une goutte d’eau dans la mer. Les émissions de CO2 correspondantes sont modestes au final. Les autres matériaux utilisés dans les panneaux solaires sont essentiellement du verre, du plastique et de l’aluminium, dont la production peut se passer de charbon.
Plus étonnant encore : il est parfaitement possible de remplacer le charbon minéral par du charbon de bois, beaucoup moins émetteur. La production mondiale de charbon de bois étant évaluée à 52,2 millions de tonnes en 2017, le prélèvement de 117 000 tonnes sur 30 ans ne serait pas très difficile.
Ce qu’il faut retenir : le silicium utilisé dans les panneaux solaires exige un peu de charbon (les essais de remplacement par de l’hydrogène ont été peu concluants), mais les quantités en cause sont modestes. La production des grandes quantités d’acier nécessaire aux cuves, chaudières, conduites et turbines des centrales thermiques et nucléaires exige beaucoup plus de charbon et la différence de facteur de charge ne compense pas la différence. Les panneaux solaires ne contiennent normalement pas d’acier (mais leurs supports en utilisent).
Sources :
- Mathieu Vadon, Making Cheaper Silicon for Photovoltaics: Siemens Process vs Metallurgical Route, 27 juin 2018
- How products are made : Silicon
- Yuji Okamoto, Masatomo Sumiya, Yuya Nakamura & Yoshikazu Suzuki (2020) Effective silicon production from SiCl4 source using hydrogen radicals generated and transported at atmospheric pressure, Science and Technology of Advanced Materials, 21:1, 482-491.
- David Lynch,Wade Ben,Xiaoyang Ji,Feng Jiang,Alex Salce,Evan Morey,Yubo Jiao, Review of Developments in Production of Silicon for Photovoltaics. The Minerals, Metals & Materials Society, 28 février 2011.
- R. Frischknecht, P. Stolz, L. Krebs, M. de Wild-Scholten, P. Sinha, V. Fthenakis, H. C. Kim, M. Raugei, M. Stucki, 2020, Life Cycle Inventories and Life Cycle Assessment of Photovoltaic Systems, International Energy Agency (IEA) PVPS Task 12, Report T12-19:2020.
Énergie et environnement 
Sauf erreur, cela n’intégre pas le charbon nécessaire à produire l’électricité pour le raffinage et la production de panneaux.. Si bien sûr ceci est réalisé dans un pays à énergie carbonnée, comme c’est le cas majoritairement en Chine. Me trompe-je ?
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Non, cela ne l’inclut pas. L’article sur la part «irréductible» de charbon dans cette production, celle qui ne peut pas être remplace dans l’état actuel de la technologie.
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Il doit être possible d’utiliser de l’hydrogène pour la réduction, comme pour le fer, est-ce que c’est utilisé ? et d’utiliser des four électriques (à arc ? et/ou induction ?) pour les autres étapes ?
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La production se fait dans un four à arc (qui fournit la chaleur) chargé de silice et de charbon. Il semblerait que l’hydrogène se prête mal à la production de silicium métallurgique, les rendements ne sont pas bons. Par contre, on peut ajouter une étape d’injection d’hydrogène au procédé Siemens pour améliorer le rendement de la production de silicium de grade PV. D’après ce que j’en comprends, les essais donnent de bon résultats, mais on n’en est pas encore rendus à l’étape de l’application industrielle.
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l’article fait l’impasse sur les coûts techniques. En coût brut, un baril de pétrole coûte très peu cher (en tout cas le pétrole qui a fait fonctionné le monde), donc il faut, pour comparer, saisir le coût total d’un panneau, sur une période d’amortissement par exemple.
Et ensuite, en fonction de ce coût, et puisqu’aujourd’hui l’énergie est à 85% fossile, on peut déterminer la quantité totale de CO2 qui a été nécessaire pour leur utilisation
Tel un baril, un panneau doit aussi permettre toutes les étapes, celles-ci devant aussi considérer le recyclage, le stockage de l’énergie
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Ce n’est pas l’objet du texte. Le but est de déterminer quelle est la quantité minimale incompressible de charbon. Elle est vraiment minuscule.
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loin de moi l’idée de dire que la combustion du pétrole n’émet pas de CO2, hein! mais je précise qu’il faut comparer ce qui est comparable et je ferais remarquer que la production de pétrole (conventionnelle) consomme peu d’énergie, et pourrait ne pas produire de CO2 (avec des pompes électriques)
Pour comparer, il vaut donc mieux se référer au coût total, qui fait d’avantage référence aux matières premières mobilisées. Parceque, tel un baril consommé tout au long de son transport vers l’utilisateur final, un panneau demande des ressources qui ne se limitent pas au seul process d’obtention du silicium. Parceque bon, si un PV est cher, c’est parcequ’il y a, quelque part, bcp de gesticulations (ressources humaines qui émettent du CO2) et de matériaux (dont la production émet du CO2), alors que pour le pétrole, moins
Et, pour bien faire, on peut aussi comparer le coût du recyclage d’un panneau avec le coût du réchauffement climatique d’un baril, et là, fin du débat
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Article intéressant,
Toute fois, vous faites plusieurs raccourcis douteux. Une tonne de silicium raffiné (dit «métallurgique») n’est pas égale à une tonne de couches fines de silicium (C’est cette « tonne » qui va potentiellement produire votre GW pas votre tonne de lingot) . Aujourd’hui, avec les pertes de découpe du lingot de silicium en couche fines, nous perdons au minimum 50% de la matière. Vos résultats sont donc à multiplier par deux à minima.
De plus, dans l’état actuel des choses, un panneau de 10kg (Ce qui équivaut à peu de chose près à un panneau de 200W) est composé en moyenne de 0.365 kg de silicium. Un simple produit en croix nous amènes à 1825 tonnes de silicium par gigawatt. Bien loin de votre tonne par gigawatt.
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Quoi qu’il en soit, vous venez de démontrer que la transition énergétique ne pourra pas avoir lieu car il est nécessaire d’avoir des énergies fossiles pour la fabrication des panneaux solaires… Et quand bien même l’Homme utiliserait la solution proposée à la fin de votre article, à savoir utiliser du charbon de bois, le problème ne serait que transférer… sur une exploitation des forêt encore plus outrancière, sachant que la forêt est essentielle dans le processus d' »aspiration » du CO2.
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Il faut admirer votre acharnement à essayer de démontrer qu’une réduction massive de la consommation de carburants fossiles, en chemin vers l’élimination complète, revient exactement au même que leur utilisation soutenue au niveau actuel. Pour vous, régler 99% du problème n’est pas mieux que de le laisser perdurer.
Quand le mieux est l’ennemi du bien!
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Je ne m’acharne à rien du tout 😉 Il suffit de regarder le fonctionnement du monde. On va élargir le débat puisque les panneaux photovoltaïques ne sont qu’une goutte d’eau dans le fonctionnement globale de la société.
Pour sortir du pétrole, du gaz et du charbon, il faut d’une part dé-mondialiser l’économie puisque la moitié des 15 milliards de litre de pétrole consommés quotidiennement sont pour les déplacements. Dans ces déplacements, il faut englober les tractopelles, bulldozer et camions pour l’extraction des minerais nécessaires aux technologies actuelles (ici la fabrication des panneaux photovoltaïques) ; ensuite il faut acheminer ces mêmes minerais vers leurs lieux de transformation (plusieurs lieux déterminés par les savoirs-faire et les coûts de production) ; pour pouvoir les transformer, il faut à nouveau utiliser des énergies fossiles (dans votre article, on parle du silicium, mais on pourrait également parler de l’acier pour les éoliennes) ; une fois le produit fini achevé, il faut à nouveau l’acheminer.
Je pourrai continuer ma démonstration encore longtemps, mais je pense que vous voyez où je veux en venir…
Ainsi dé-mondialiser le monde signifie « amorcer une décroissance », mais cela est très difficile à entendre par les populations car cela se traduit par une acceptation de perte de confort. Il est juste aberrant de vouloir continuer à préserver notre niveau de confort en pensant que les énergies renouvelables sont la solution aux problèmes environnementaux. La vérité, c’est que lorsqu’il n’y aura plus d’énergies fossiles, il n’y aura plus de d’énergies renouvelables.
J’entends parfaitement votre argumentaire du « mieux », mais cela n’en fait pas une solution parraine.
Cordialement
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