Par Ruggero Schleicher-Tappeser
L’urgence est de mise. L’humanité n’a que quelques années pour remplacer les énergies fossiles comme base de la civilisation industrielle. Cela nécessite une transformation radicale des systèmes énergétiques. Le photovoltaïque qui est devenu désormais le moyen le moins cher de produire de l’électricité, sera à n’en plus douter, au cÅ“ur de ce processus. C’est la dernière conséquence d’un changement profond dans la vision du monde scientifique qui a ouvert la porte à des nanomondes jusque-là inconnus à l’échelle des atomes.
Le rayonnement solaire, qui comprend le rayonnement ultraviolet et infrarouge en plus du spectre de la lumière visible, fournit presque toute l’énergie dont nous avons besoin – seules l’énergie atomique et l’énergie géothermique ont d’autres origines. Le rayonnement solaire a une grande variété d’effets :
• Le rayonnement solaire fait pousser les plantes qui la convertissent en énergie chimique.
• Le rayonnement solaire réchauffe les corps qu’il frappe. Il réchauffe la surface de la terre, provoque l’évaporation de l’eau et détermine ainsi le temps.
• Les rayons du soleil peuvent être concentrés avec des miroirs et des lentilles, produisant des températures très élevées là où ils frappent les corps.
• Les surfaces sombres absorbent mieux le rayonnement solaire que les surfaces claires, ce qui entraîne des températures de surface différentes.
• Dans les serres et pièges à chaleur similaires, le rayonnement solaire pénètre à travers le verre, mais le rayonnement thermique ne peut pas s’échapper, chauffant l’espace derrière le verre bien au-dessus de la température ambiante.
Ce qui a causé ces phénomènes, cependant, n’a pas pu être expliqué pendant longtemps. Et encore plus de mystères ont été ajoutés au 19ème siècle. Jusqu’à ce que la théorie quantique, développée entre 1900 et 1930, permette de décrire plus précisément ce qui se passe lorsque le rayonnement rencontre la matière. La description devait être donnée à l’échelle nanométrique des atomes et des molécules, où d’autres lois s’appliquent que dans le macro-monde de tous les jours. Ces théories ont ensuite permis la percée vers une conversion directe de la lumière du soleil en électricité, grâce à ce que nous appelons aujourd’hui le photovoltaïque.
Des chercheurs en semi-conducteurs découvrent une méthode prometteuse
Le développement du photovoltaïque a commencé avec Alexandre Edmond Becquerel, qui a découvert en 1839 que l’illumination d’électrodes métalliques dans des liquides conducteurs pouvait libérer des particules chargées. En 1876, William Grylls Adams montra qu’il était en effet possible de produire de l’électricité en exposant du sélénium à la lumière. En 1883, Charles Fritts construit le premier module photovoltaïque à partir de cellules au sélénium. Cependant, il ne pouvait pas être utilisé pour la production d’énergie pratique en raison de son faible rendement. Comme de tels phénomènes ne pouvaient être expliqués par la physique de l’époque, un certain nombre de scientifiques ont entrepris d’étudier de plus près ces effets faibles et souvent contestés. Enfin, en 1905, Albert Einstein, pour expliquer l’effet photoélectrique externe découvert par Becquerel, avança l’hypothèse quantique de la lumière pour laquelle il reçut le prix Nobel. Il stipule que la lumière se compose de paquets d’énergie discrets, les quanta. Il a ensuite développé la théorie restreinte de la relativité, qui postule, entre autres, l’équivalence de la masse et de l’énergie.
La sérendipité à l’aide de Russell S. Ohl
Déjà en 1900, Max Planck avait supposé que le rayonnement thermique était divisé en quanta – mais il ne voulait pas initialement accepter la même chose pour la lumière. Il a fallu beaucoup plus de doutes, de discussions et d’expériences jusqu’aux années 1920, lorsque l’opinion est devenue généralement acceptée que le rayonnement peut être décrit à la fois comme une onde (énergie) et comme une particule (matière), qui s’excluent mutuellement dans l’expérience quotidienne. Avec le modèle d’onde, il était possible d’expliquer comment les rayons lumineux pouvaient être réfractés dans une lentille et ainsi focalisés. Avec le modèle particulaire, il est possible d’expliquer comment un quantum de lumière, aussi appelé photon, peut faire sortir un électron de son orbite atomique et ainsi libérer de l’énergie électrique. Avec la formulation mathématique de la théorie quantique, une représentation convaincante de l’interaction entre l’énergie et la matière a été trouvée entre 1926 et 1928. Elle est devenue la base des nouvelles sciences des matériaux. Il ne fournit pas une description vivante, mais fournit une explication mathématique qui fonctionne dans la pratique. Compte tenu du rendement énergétique des cellules au sélénium inférieur à un pour cent de la lumière solaire irradiée, leur utilisation technique est restée limitée pendant de nombreuses décennies à des instruments de mesure tels que des posemètres pour la photographie. En 1940, Russell S. Ohl, qui expérimentait le silicium pour les diodes aux laboratoires Bell depuis les années 1920, découvrit tout à fait par hasard, par sérendipité, que la transition entre des cristaux de silicium dopés différemment (c’est-à -dire des cristaux contenant différents types d’atomes étrangers) produisait de l’électricité lorsqu’ils étaient exposés à lumière – beaucoup plus efficace que le sélénium. À proprement parler, ce n’était pas exactement le même effet que Becquerel avait découvert à l’époque. Là , les quanta de lumière avaient expulsé des électrons d’une surface métallique ; ici, le processus a eu lieu entre différentes couches semi-conductrices.
6% de rendement en 1954
Ce n’est qu’en 1950 que William B. Shockley, qui avait co-inventé le transistor en 1947, a pu fournir une description théorique (quantique) des processus impliqués dans l’irradiation des couches limites de silicium. La technique de production de cristaux de silicium de haute pureté et de leur dopage sur une large surface, qui a été développée pour la production de transistors, a ensuite fait la percée. En 1954, Chapin, Fuller et Pearson des Bell Laboratories ont pu présenter au public une cellule au silicium de deux centimètres carrés avec un rendement de 6 %. Cela peut sembler peu, mais c’était déjà beaucoup plus efficace que le rendement énergétique de la photosynthèse des plantes. A partir du rayonnement solaire sur une surface donnée, la première cellule au silicium pourrait produire cinq à dix fois plus d’énergie électrique qu’une plante ne peut convertir en carburant (énergie chimique). Ainsi, deux ans après la première génération d’électricité à l’énergie atomique, le photovoltaïque est né comme une source sérieuse d’électricité.
La politique et les prix du pétrole font dérailler encore et encore le photovoltaïque
Le photovoltaïque est resté initialement extrêmement coûteux. En effet, une surface adéquate de silicium était nécessaire pour capter la lumière du soleil, et elle devait être de qualité constante. Dès 1958, les satellites spatiaux américains en sont équipés. Les cellules photovoltaïques se sont révélées être une source d’énergie durable et fiable. Les voyages dans l’espace sont devenus un segment d’activité à partir duquel une petite industrie photovoltaïque pourrait gagner sa vie et développer davantage la technologie.
Nucléaire versus photovoltaïque
Mais l’influente industrie nucléaire n’avait aucun intérêt à voir le photovoltaïque se développer ici sur Terre : au début de la crise pétrolière en 1973, le président de la Commission américaine de l’énergie atomique, au nom du président Nixon, a présenté un important rapport sur l’avenir énergétique de les Etats Unis. Il recommandait un budget de recherche énergétique sur cinq ans comprenant 4 milliards pour le nucléaire, 1,5 milliard pour l’énergie de fusion et seulement 36 millions pour le photovoltaïque, qui n’étaient même pas mentionnés dans le programme d’action. C’était en contradiction flagrante avec la proposition interne de la National Science Foundation, qui avait collaboré au rapport et estimé qu’avec un financement de la recherche de 250 millions, le photovoltaïque pourrait devenir compétitif d’ici 1990, et fournir par la suite plus de sept pour cent de la production d’électricité américaine, avec des taux de croissance élevés d’ici l’an 2000.
Une petite percée dans les sites isolés
Il a fallu attendre le milieu des années 1970 pour que l’énergie photovoltaïque soit davantage utilisée pour les applications terrestres que pour les voyages dans l’espace, après qu’il eut été possible de réduire considérablement les coûts. Ceci a été réalisé, entre autres, en utilisant des déchets de silicium de l’industrie des semi-conducteurs comme matériau de départ. Les applications radio dans les régions éloignées et les sites isolés ont lancé le processus. Ensuite, toutes les grandes compagnies pétrolières ont commencé à équiper leurs plates-formes pétrolières sans pilote de systèmes photovoltaïques. Des bouées et des phares déportés pour la navigation en étaient également équipés.
5 à 9 cents américains par kWh d’électricité solaire dès 1986.
Sous l’effet du premier choc pétrolier, le Japon et l’Allemagne ont lancé en 1974 et 1977 des programmes spéciaux pour promouvoir la recherche photovoltaïque. La cible : le développement de marchés de niche en croissance. Avec l’augmentation des volumes de production, les choses ont d’abord progressé rapidement. À l’automne 1980, lors de la troisième conférence européenne sur le photovoltaïque à Cannes, Paul Maycock, du département américain de l’énergie sous le président Carter, prévoyait des prix de 5 à 9 cents américains par kilowattheure d’électricité solaire provenant du toit de sa propre maison dès 1986. Les participants européens n’étaient pas si optimistes, mais eux aussi estimaient que cela pourrait être réalisé au début des années 1990. Les compagnies pétrolières, en particulier, avaient investi dans le photovoltaïque et menaçaient de comprimer l’industrie de l’électricité avec un nouveau type de source d’énergie décentralisée qui aurait remis en question leur modèle économique. En 1980, le pétrole était rare et le prix du pétrole, à peine remis de la première crise pétrolière de 1973, avait de nouveau quadruplé, culminant à 40 dollars le baril (141 dollars au prix d’aujourd’hui).
En 1982, la première centrale de 1 MW est mise en service en Californie
Cependant, le photovoltaïque n’a pas décollé aussi rapidement ; les gens avaient été trop optimistes. Les deux chocs pétroliers successifs ont conduit d’une part à une récession mondiale et d’autre part à une utilisation plus parcimonieuse de l’énergie. Aux États-Unis, l’intensité énergétique de l’économie nationale (consommation d’énergie par unité de produit intérieur brut) a chuté de 21 % entre 1980 et 1990. En conséquence, les prix du pétrole et la production de pétrole ont chuté et les compagnies pétrolières se sont désintéressées du photovoltaïque. De plus, à partir des années 90, les nouvelles technologies de forage ont assuré le développement de gisements jusqu’alors inaccessibles – ce qui a dissipé les inquiétudes de l’industrie pétrolière quant à la fin de l’ère pétrolière. Le prix du pétrole n’a remonté qu’après 2000. Le vent politique a également changé lorsque Ronald Reagan a pris la présidence des États-Unis en 1981. Il a considérablement réduit le soutien public aux énergies renouvelables. Les préoccupations environnementales ont glissé vers le bas de l’agenda politique, après que, toujours sous Carter, le rapport exhaustif “Global 2000″ venait de faire sensation dans le monde entier. La réduction des coûts du photovoltaïque s’est néanmoins poursuivie. Entre 1980 et 1990, le prix est tombé d’environ un quart. En 1982, la première centrale de 1 MW est mise en service en Californie. Dans les années 90, davantage d’entreprises sont entrées sur le marché solaire. En 1994, le Japon a annoncé un programme de 70 000 toits et est devenu le leader international des activités PV. De 1993 à 2001, Bill Clinton et son vice-président Al Gore ont pris la présidence des États-Unis et se sont à nouveau engagés dans le photovoltaïque. En 1997, les États-Unis ont lancé un programme d’un million de toits.
L’Allemagne a installé 8GW de solaire en 2011
1998, la première coalition rouge-verte arrive au pouvoir en Allemagne. En particulier, le ministère vert de l’environnement a plaidé en faveur des énergies renouvelables contre une opposition considérable. La loi sur les énergies renouvelables (EEG) adoptée en 2000 a déclenché le développement d’un marché en croissance rapide pour le photovoltaïque : il y avait un tarif de rachat garanti pour l’énergie solaire au réseau – un modèle qui a ensuite été adopté dans de nombreux pays. Fin 2000, environ 1500 MWc étaient installés dans le monde, dont 12% en Europe. Dix ans plus tard (2010), il y en avait 27 fois plus, et l’Europe avait une part de 74 %. L’Allemagne représente à elle seule 45 % de la capacité installée mondiale. En 2011, près de 8 000 mégawatts de capacité photovoltaïque (MWc) ont été nouvellement installés en Allemagne. Ce niveau n’a pas été atteint à nouveau, car la croissance du marché solaire allemand a été politiquement étouffée. Entre 2011 et 2014, 107 000 emplois ont été perdus dans l’industrie solaire allemande. Que s’était-il passé ?
L’industrie électrique contre-attaque
En raison des fortes baisses de prix inattendues, il est devenu évident à partir de 2010 que le photovoltaïque deviendrait bientôt compétitif sur certains segments de marché et remettrait en question les structures de marché établies.
En 2012, l’électricité autoproduite était devenue moins chère pour les particuliers en Allemagne que l’électricité du réseau. La production d’électricité photovoltaïque par des investisseurs privés a commencé à éroder les ventes des fournisseurs d’électricité établis : en 2012, près de 80 % de la capacité photovoltaïque était installée sur des toits en Allemagne. Dans l’UE, la part n’était que légèrement inférieure. La capacité PV installée a augmenté à des taux annuels impressionnants entre 2007 et 2010 : 54 % en Allemagne, 68 % en Europe et 50 % dans le monde. Au cours de la même période, le prix des modules solaires a chuté de 21 % par an. Cela a commencé à inquiéter sérieusement les grands services publics. Pire encore que la baisse des parts de marché, l’impact du solaire sur le segment horaire le plus rentable. Le solaire était le plus fort précisément pendant les pics de consommation vers midi, où des prix élevés pouvaient être facturés. Les prix des actions des plus grands fournisseurs d’électricité ont diminué de moitié (2009-2011 : RWE – 60 %, EON – 43 %).
Le lobbying des majors européens de l’électricité
Sous la pression massive de l’industrie de l’électricité et invoquant l’augmentation des surtaxes pour le tarif de rachat, les gouvernements conservateurs des marchés les plus importants d’Europe ont freiné le photovoltaïque en très peu de temps en introduisant une série de nouvelles règles. Les tarifs de rachat ont été abaissés en succession rapide. Le marché s’est effondré à 15 % des volumes 2011 en Allemagne, moins de 3 % en Italie et 31 % dans l’ensemble de l’Europe. Pourtant, une croissance continue du PV avec une compensation adéquate pour les consommateurs aurait été bénéfique même à court terme : entre 2011 et 2018, la réduction du prix de l’électricité due à l’injection d’énergie éolienne et solaire a dépassé les coûts de la surtaxe de 45 %.
L’essor de la Chine
Il y avait une deuxième raison à l’effondrement des marchés photovoltaïques occidentaux : les producteurs chinois avaient commencé à conquérir le marché des modules photovoltaïques et les industries occidentales établies de longue date qui avaient fourni les équipements pour les systèmes conventionnels montraient peu d’intérêt à s’engager de nouveau dans la technologie. Au milieu des années 1980, les deux premières petites lignes de production de cellules solaires ont été installées en Chine. Après la Conférence des Nations Unies sur le développement durable à Rio en 1992, l’”Agenda for 21st Century China” officiel a demandé que la priorité soit donnée aux énergies renouvelables dans la stratégie nationale de développement. En 2001, la Chine avait installé un peu plus de 1 % de la capacité photovoltaïque mondiale (24 MWc) et produit 5 MWc de modules. À l’exception d’applications spéciales dans des zones reculées, le photovoltaïque était trop cher pour la Chine. Mais ensuite, la Chine a profité de la croissance rapide du marché allemand en particulier pour développer sa propre industrie photovoltaïque. L’Empire du Milieu a rapidement appris et a accéléré la production de cellules et de modules avec des taux de croissance annuels de plus de 100 %. En 2007, la Chine a dépassé le Japon et l’Allemagne et produit pour la première fois plus de 1 GWc de cellules et modules, dont plus de 98% sont exportés. Le marché intérieur était très prudent : à cette époque, seuls 100 MWc avaient été installés et un document de stratégie de la Commission nationale de planification ne prévoyait que 1,8 GWc de capacité installée pour 2020. En 2010, plus de 12 GWc étaient produits et encore 96 % étaient exportés – mais compte tenu de la baisse des prix et des discussions en Europe, la Chine se prépare à développer son propre marché. Depuis 2009, les installations domestiques ont plus que doublé chaque année. En 2011, un tarif de rachat a été introduit. En 2014, 28 gigawatts, soit soixante-dix fois plus de capacité avaient été installés que cinq ans plus tôt. Néanmoins, bien plus de la moitié de la production était encore exportée. En 2020, 36 % des installations photovoltaïques mondiales se trouvaient en Chine et l’objectif fixé en 2007 pour cette année-là a été dépassé d’un facteur 140.
La Chine a investi dix fois plus que l’Europe dans la production PV
Aujourd’hui, la part de marché mondiale de la Chine à toutes les étapes de la chaîne de valeur de la fabrication de modules PV est d’environ 80 %. Depuis 2011, la Chine a investi dix fois plus que l’Europe dans la production photovoltaïque. Pendant longtemps, l’Europe a fourni les machines de production. Aujourd’hui, les dix plus grands fabricants d’équipements de production sont également chinois. Le photovoltaïque est devenu un produit d’exportation important pour la Chine, avec un volume annuel de plus de 30 milliards de dollars. Les investissements chinois dans la production photovoltaïque sont désormais également devenus un moteur économique important dans les pays voisins comme le Vietnam ou la Malaisie.
La source d’énergie la moins chère après 40 ans de réduction des coûts
Cette expansion massive de la production et l’intense concurrence intra-chinoise ont contribué à faire baisser encore les coûts : en quarante ans, le prix des modules photovoltaïques a chuté de plus de 99 %. De 2010 à 2021 seulement de plus de 88 %. Le photovoltaïque est ainsi devenu la technologie la moins chère pour produire de l’électricité. C’est ce que disent maintenant aussi des institutions qui étaient auparavant assez sceptiques. Avec une baisse moyenne de 17 % par an depuis 2010, le coût de l’électricité produite n’a pas baissé aussi vite que le coût des modules. En effet, une centrale photovoltaïque est constituée non seulement de modules, mais également d’autres composants dont le prix baisse beaucoup plus lentement. Pour les petites installations en particulier, les autres coûts d’investissement sont maintenant plus élevés que les modules eux-mêmes. Chaque année, la banque d’investissement mondiale Lazard fournit la comparaison la plus citée des coûts de production d’électricité avec différentes technologies. Selon Lazard, à 13 à 20 cents US le kilowattheure, l’électricité des nouvelles centrales nucléaires est considérablement plus chère que celle des centrales photovoltaïques à 2,8 à 4,1 cents US. Même pour les centrales nucléaires déjà existantes et entièrement amorties, Lazard calcule le kWh à 2,9 ¢/. Avec cette dynamique de coûts, le photovoltaïque laisse également derrière lui les autres technologies de production d’énergie renouvelable. Entre 2010 et 2021, le coût moyen de l’électricité issue du photovoltaïque a baissé de 88 %, contre 58 % pour l’éolien offshore et 67 % pour l’éolien terrestre.
Maintenant qu’il est reconnu comme la technologie la moins chère pour la production d’électricité, il semble inévitable que le photovoltaïque joue un rôle central dans l’approvisionnement énergétique mondial futur. Cependant, la manière dont cette source d’électricité variable peut être intégrée dans un système d’approvisionnement global ne peut être clarifiée qu’en examinant le système dans son ensemble et dans le contexte d’autres innovations technologiques énergétiques. Dans le monde du stockage, de l’hydrogène renouvelable et du numérique…
