LOW←TECH MAGAZINE Français

Comment sortir de l’âge du fer ?

Wed, 01 May 2024 00:00:00 +0000

Image : Cage d’ancrage en acier pour les fondations d’une éolienne dans le comté de Gilliam (États-Unis). Image de Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Prisonniers de l’âge du fer

En 1836, l’archéologue et conservateur de musée Christian Jürgensen Thomsen a établi une distinction entre trois périodes préhistoriques sur la base des principaux matériaux utilisés pour les armes et outils coupants : l’âge de la pierre, l’âge du bronze et l’âge du fer.¹ Suivant cette logique, il a ainsi formulé l’hypothèse que le développement technique humain procède par « étapes métallurgiques ». La classification tripartite théorisée par Thomsen a beau faire référence au passé, si l’on s’en tient au critère retenu dans son analyse, nous n’avons en réalité jamais dépassé l’âge du fer. Même au 21ème siècle, le fer demeure le principal matériau utilisé, non seulement pour la fabrication des armes et outils coupants mais aussi, plus généralement, pour presque toutes les technologies modernes.

Le fer est désormais principalement utilisé sous forme d’acier. Toutefois, même en conservant le critère de Thomsen, on ne peut pas pour autant parler d’un « âge de l’acier ». Tout d’abord, car l’acier est simplement un alliage de fer (>98 %) et de carbone (<2 %). Ensuite, dans la mesure où les humains ont produit de l’acier dès les débuts de l’âge du fer. C’est une réalité historique peu connue dans le monde occidental, où la production d’acier n’a pris son réel essor qu’au 19ème siècle avec le développement des énergies fossiles. Les métallurgistes africains et asiatiques ont pourtant développé des aciers de haute qualité à des époques bien antérieures – un savoir-faire qui a d’ailleurs permis aux Européens de faire de même, à bien plus grande échelle, par la suite.²

En 2021, la production mondiale de fer et d’acier a atteint 1 950 millions de tonnes (Mt), soit 22 fois plus que la production cumulée d’aluminium et de cuivre (88 Mt). Cette production de fer et d’acier correspond à 5 fois la production mondiale de plastique (391 Mt) et éclipse totalement la production mondiale de silicium (8,5 Mt) et de lithium (0,1 Mt).³⁴ En tant que matériau, l’acier est la pierre angulaire des sociétés industrielles. Sans plastiques, lithium ou silicium, notre civilisation demeurerait industrielle. Sans fer ni acier, nous serions renvoyés 3 000 ans en arrière à l’âge du bronze.

Où se trouve tout cet acier ?

Il n’est pas si facile de prendre conscience de cette omniprésence de l’acier dans la société industrielle, tant ses usages pourtant massifs échappent bien souvent à nos regards au quotidien.⁵ On trouve dans un logement plusieurs objets et équipements en acier comme le réfrigérateur, le lave-linge, la bouilloire, la baignoire, ou encore les appareils de cuisson, de chauffage et de climatisation. Pourtant, seule 2-3 % de la production totale d’acier est destinée aux appareils domestiques.⁶⁷⁸ A l’extérieur, on retrouve de l’acier en grande quantité sous la forme de véhicules. Il s’agit notamment des voitures individuelles, qui à l’échelle mondiale utilisent environ 10 % de l’acier (20 % dans les pays riches). Les bus, camions, trains et bateaux mobilisent quant à eux 4-5 % supplémentaires. Additionnés, ces usages représentent toutefois moins de 20 % de la production mondiale.

L’essentiel de l’acier est incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels.

L’essentiel de l’acier est en fait incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels. Plus de la moitié de la production mondiale alimente le secteur de la construction, incluant les bâtiments (résidentiels, tertiaires, industriels) et les infrastructures (ponts, tunnels, ports, canaux, pistes d’aéroports, plateformes et tours de forage pétrolières, raffineries, pipelines, centrales thermiques, lignes électriques, voies ferrées, métros, et ainsi de suite). La plupart de cet acier est intégré dans du béton – le seul matériau capable de concurrencer la production d’acier (avec 1 819 Mt en 2021). Ce n’est pas un hasard si le béton armé est le matériau de construction le plus utilisé à l’échelle mondiale.

Environ 15 % de la production mondiale d’acier sert à fabriquer des machines, incluant des outils, machines-outils, équipements industriels, matériels électriques, ainsi que divers engins miniers, agricoles ou de construction. Même les produits fabriqués avec d’autres matériaux – plastiques, bois, autres métaux – sont usinés au moyen d’outils en acier.⁵ Les 15 % restants se retrouvent dans un large éventail d’objets, des couvercles d’emballages alimentaires aux meubles en passant par les conteneurs maritimes.⁶⁷⁸

Image : Le béton armé est le premier matériau de construction à l’échelle mondiale. Trou sur l’autoroute Interstate 84, aux États-Unis. Photo de Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

L’empreinte environnementale de la sidérurgie

L’acier est souvent présenté comme un des matériaux les plus durables. Contrairement aux plastiques, il peut être recyclé à volonté sans perte de qualité. La sidérurgie a par ailleurs réalisé des gains importants en termes d’efficacité énergétique, bien plus que d’autres industries. Produire une tonne d’acier brut nécessite désormais, en moyenne, environ 20 gigajoules (GJ) d’énergie primaire – trois fois moins qu’en 1950.⁹ Un bilan très favorable comparé à d’autre matériaux tels que l’aluminium (175 GJ/t), les plastiques (80-120 GJ/t), ou le cuivre (45 GJ/t).⁷ L’acier, contrairement aux plastiques, se dégrade sans toxicité pour l’environnement.¹⁰ Enfin, le minerai de fer n’est pas particulièrement rare. Le fer est le quatrième élément chimique le plus abondant dans la croûte terrestre, dont il compose environ 5 % de la masse.¹¹ A titre de comparaison, le cuivre en constitue seulement 0.01 %.⁵

Mais en dépit de tous ces avantages, la production mondiale de fer et d’acier consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie. En 2021, la consommation totale en énergie primaire liée à la production d’acier brut s’élevait à 39 exajoules (EJ), ce qui correspond à 7 % de la consommation mondiale pour cette même année (595 EJ). Les émissions de gaz à effet de serre sont, proportionnellement, encore plus élevées car environ 75 % de l’énergie utilisée provient du charbon – le combustible dont l’intensité carbone est la plus élevée. En 2021, l’industrie sidérurgique a ainsi émit quelques 3,3 Gt de dioxyde de carbone, soit environ 9 % des émissions planétaires (36,3 Gt), suivie de près par l’industrie du béton, avec 8 %.

A l’échelle mondiale, la sidérurgie consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie.

Les estimations ci-dessus proviennent de la World Steel Association et de l’International Energy Agency. Des données identiques sont disponibles pour tous les métaux ; documentées depuis de nombreuses années, elles permettent d’établir des comparaisons historiques. Toutefois, leur périmètre est restreint au seul procédé de fonte des métaux. Elles n’incluent ni l’énergie grise ni les émissions de carbone associées à l’extraction et au transport du minerai de fer, du charbon, du calcaire, de la ferraille, et des produits en acier. Pas plus qu’elles ne prennent en compte l’énergie et les émissions liées à la production du coke et à la préparation du minerai – autant d’étapes essentielles aux procédés sidérurgiques.⁷

Les études scientifiques qui se sont intéressées à l’industrie du fer et de l’acier avec un périmètre plus large sont arrivées à la conclusion que le coût énergétique de la production d’acier serait en réalité 50 % à 100 % plus élevé.¹² L’un de ces rapports estime que les émissions de méthane générées par l’extraction de charbon métallurgique pourraient quant à elles augmenter de 27 % les émissions imputables au secteur. Une autre étude évalue à 10-15 % d’émissions supplémentaires la part induite par le transport maritime du minerai de fer (en amont) et de l’acier (en aval). La sidérurgie génère par ailleurs d’autres problèmes environnementaux, à commencer par une forte consommation d’eau, la production de déchets solides, ainsi qu’une importante pollution de l’air et de l’eau.

L’empreinte carbone de l’industrie sidérurgique est sans conteste incompatible avec l’objectif de neutralité carbone à l’horizon 2050, et ce d’autant plus que la production d’acier va très certainement continuer à croître. La production d’acier a décuplé depuis 1950, et doublé entre 2000 et 2020, une croissance encore plus rapide que ce que de nombreux chercheurs avaient pu prédire.¹³ En parallèle, les gains d’efficacité énergétique ont diminué, et un consensus scientifique s’établit sur le fait que les technologies actuelles ont atteint la limite thermodynamique.⁷⁹¹⁴ Au cours des deux dernières décennies, la quantité moyenne d’énergie nécessaire pour produire une tonne d’acier est demeurée stable, aux alentours de 20 GJ/t.⁹¹⁵

Comment produire de l’acier sans énergies fossiles ?

Il y a deux manières de fabriquer de l’acier, l’une étant beaucoup plus soutenable que l’autre.¹⁶ D’un côté, le haut-fourneau (ou « convertisseur à oxygène ») est un procédé qui consiste à fabriquer l’acier à partir de minerai de fer et de charbon. Cette technique est – dans ses grands principes – vieille de 2 000 ans. De l’autre, le four à arc électrique, dans lequel l’acier est fabriqué à partir de ferraille et d’électricité. Relativement nouvelle, cette technologie consomme beaucoup moins d’énergie qu’un haut-fourneau, utilise une matière recyclée (il n’est ici pas nécessaire d’extraire du minerai de fer), et fonctionne sans utilisation directe de charbon ou autres combustibles fossiles (l’électricité pouvant être fournie par une source d’énergie solaire, éolienne ou nucléaire).

Les fours à arc électrique les plus performants énergétiquement consomment désormais moins de 300 kilowatt-heures (kWh) d’électricité par tonne d’acier produite.⁹¹⁷ Hypothétiquement parlant, si l’intégralité de l’acier produit en 2021 (1 950 Mt) l’avait été dans ce type de fours, la consommation totale de l’industrie sidérurgique se serait limitée à 585 térawatt-heures (TWh). Pour donner un ordre de grandeur, cela correspond à un tiers seulement de l’électricité produite par des éoliennes à l’échelle mondiale cette même année (1,848 TWh). Malheureusement, plus de 70 % de la production mondiale d’acier est aujourd’hui issue de hauts-fourneaux alimentés au charbon.⁹¹⁷ Un haut-fourneau est 20 fois plus énergivore, et ne peut pas fonctionner à l’électricité puisque le charbon y sert à la fois de combustible et d’agent réducteur dans la réaction chimique. La combustion du charbon dégage en effet du monoxyde de carbone, qui participe à la réduction du minerai en fer.⁷

Un manque de ferraille disponible

La solution paraît évidente : pourquoi ne pas produire tout cet acier dans des fours à arc électrique ? Cela s’avère impossible. Il n’y a tout simplement pas assez de ferraille disponible : la croissance continue de la production d’acier rend impossible une utilisation « circulaire » de la ressource.¹⁸ Il faut en effet attendre plusieurs décennies avant que l’essentiel du volume d’acier produit au cours d’une année donnée n’arrive en fin de vie et ne devienne disponible pour le recyclage. A titre d’exemple, les navires à coque métallique représentent à ce jour un « stock » virtuel de 543 Mt d’acier.¹⁹ La quantité de ferraille disponible pour le recyclage en 2021 correspond au niveau de production de 1965, c’est-à-dire à une époque où la production mondiale n’atteignait pas le quart de celle d’aujourd’hui (450 Mt).⁹¹⁰²⁰²¹ Par conséquent, les trois quarts restants doivent inévitablement être produits dans des hauts-fourneaux utilisant du charbon et du minerai de fer fraîchement extrait.

Image : Voitures destinées à la casse dans le port de Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

La Chine produit à l’heure actuelle environ la moitié de l’acier mondial, et ce quasi exclusivement (+90 %) à partir de hauts-fourneaux alimentés en charbon et minerai de fer. De nombreux pays producteurs d’acier disposent d’une proportion plus importante de fours à arc électrique. Mais pointer la Chine du doigt n’aurait pas beaucoup de sens. Tout d’abord, les États-Unis et l’Europe ont dès les années 2000 massivement délocalisé leurs industries en Chine, un phénomène qui coïncide parfaitement avec l’augmentation de la production sidérurgique dans le pays. Ensuite, la Chine n’utilisait quasiment pas d’acier il y a trente ou quarante ans. Il n’y a, de ce fait, presque pas de ferraille disponible dans le pays. La Chine n’a donc pas d’autre choix que d’utiliser des hauts-fourneaux.²²

Des aciers de qualités toujours plus élevées

Un deuxième obstacle réside dans la tendance actuelle à développer des aciers de qualités supérieures. On compte désormais 2 500 types d’aciers différents, dotés de diverses propriétés : résistance mécanique accrue, tenue à haute température, ou résistance à la corrosion.⁷⁹²¹²³ Si ces aciers peuvent être produits dans des fours à arc électrique, ils ne sont pas fabriqués à partir de ferraille recyclée, et sont bien plus énergivores.

L’acier disponible pour le recyclage forme un mélange hétérogène en termes de qualités d’acier. Ce mélange convient à la fabrication d’aciers ordinaires au carbone mais n’est pas approprié pour des aciers hautement alliés, qui nécessitent des ferrailles de qualité homogène. Or, cette ferraille n’est pas disponible. Par exemple, l’acier inoxydable, l’alliage le plus produit parmi toute la gamme des aciers spéciaux, a un taux de recyclage de 15 % seulement. La production d’acier inoxydable a atteint 60 Mt en 2021, contre seulement 4 Mt en 1980.²⁴ L’acier inoxydable était traditionnellement employé pour la coutellerie, l’outillage chirurgical, le matériel médical et de transformation agroalimentaire. Ses usages se sont désormais étendus à divers domaines d’application, tels que la construction de tunnels, le mobilier d’extérieur, le traitement des eaux usées, la désalinisation de l’eau de mer, le nucléaire civil et la production de biocarburants.⁷

Les faibles taux de recyclage et l’extraction des autres éléments d’alliage, tels que le chrome ou le nickel, rendent la production des aciers de qualités supérieures plus énergivore. A titre d’exemple, la fabrication d’acier inoxydable nécessite presque 80 GJ par tonne, soit quatre fois plus que la fabrication d’acier ordinaire au carbone.⁷²¹ Le développement incessant d’aciers de qualités supérieures est stimulé par la législation environnementale (imposant par exemple le recours à des aciers plus légers pour les carrosseries des voitures) mais également par la compétition d’autres matériaux, en premier lieu desquels l’aluminium et les composites plastiques.⁷⁹²¹²³ Paradoxalement, la compétition d’usage avec ces matériaux – encore plus énergivores – rend l’acier de moins en moins durable.

L’acier et les énergies renouvelables

Si la sidérurgie est, par la nature même de ses procédés, fortement dépendante des sources d’énergie qui l’alimentent, l’inverse est également vrai : le secteur énergétique repose lui aussi massivement sur l’acier. Presque 10 % de la production mondiale d’acier est destinée à la construction et à l’entretien des infrastructures énergétiques. Ce volume correspond à l’intégralité de l’acier produit en 1950. Une large part de cet acier se retrouve dans les multiples infrastructures pétrolières et gazières.²⁵ En effet, l’extraction, la production et le transport du pétrole et du gaz mobilisent de l’acier en énormes quantités, pour la fabrication de plateformes de forage en mer, oléoducs, gazoducs, raffineries, navires et réservoirs de stockage. L’extraction du charbon dépend quant à elle également de l’acier pour la fabrication de haveuses, chargeuses-pelleteuses, convoyeurs, excavatrices, et camions.⁷

Malheureusement, la transition vers des sources d’énergie peu carbonées et l’électrification des technologies de chauffage et de transport ne réduira pas notre dépendance à la sidérurgie – bien au contraire. Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier (et autres matériaux) qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles. Le solaire et l’éolien sont des sources d’énergie dites « diffuses » par comparaison aux énergies fossiles. Concrètement, cela se traduit par le fait qu’elles requièrent beaucoup plus de matériaux (et d’espace) pour produire in fine la même quantité d’énergie. Dans le jargon technique, on dit que le solaire et l’éolien ont une faible « densité de puissance », ou une forte « intensité matérielle ».²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰

Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles.

L’ « intensité matière » en acier des centrales thermiques au charbon ou au gaz est comprise entre 50 et 60 tonnes d’acier par mégawatt de puissance installée.³¹ Les centrales hydroélectriques ont une intensité matérielle moindre, avec 20-30 tonnes d’acier par MW.⁷³¹ Le nucléaire également, avec 20-40 tonnes d’acier par MW.³¹³² A l’autre bout du spectre, les panneaux photovoltaïque nécessitent entre 40 et 170 tonnes d’acier par MW de puissance installée.³¹³³ Bien que les panneaux en eux-mêmes ne comprennent que peu voire pas d’acier, il s’agit du matériau idéal pour les structures qui les supportent.

L’acier et l’énergie éolienne

L’énergie avec la plus haute intensité en acier est – de loin – l’éolienne contemporaine. L’intensité matérielle d’une éolienne dépend de sa taille. Une grande éolienne requiert ainsi une quantité d’acier bien plus importante par mégawatt de puissance installée que deux éoliennes plus petites.³⁴ Par exemple, une éolienne de 3,6 MW dotée d’une tour de 100 mètres de hauteur nécessite 335 tonnes d’acier (soit 83 tonnes/MW), tandis qu’une éolienne de 5 MW dotée d’une tour de 150 mètres nécessite 875 tonnes d’acier (soit 175 tonnes/MW).³⁵ Or, la tendance actuelle est à la construction d’éoliennes toujours plus hautes et, par conséquent, à une augmentation de leur intensité en acier.

Image: Tours d'éoliennes en acier dans le port de Rotterdam. Photo : Melle Smets

Avec la construction d’éoliennes en mer, cette intensité croît encore plus. Les parcs éoliens terrestres ont recours au béton armé pour leurs fondations, tandis que les éoliennes en mer utilisent d’énormes structures en acier – type « monopieu » ou « treillis métallique » – afin de s’ancrer aux fonds marins.³⁶ L’intensité matérielle de ces éoliennes en mer est estimée à environ 450 tonnes d’acier par MW pour une génératrice de 5 MW – huit fois plus que pour une centrale thermique.³⁴. En outre, la consommation d’acier va croissante à mesure que ces éoliennes augmentent en taille et s’implantent dans des eaux de plus en plus profondes.

L’éolienne en mer la plus courante à l’heure actuelle a une capacité de 7 MW, tandis que les plus grandes d’entre elles atteignent 14 MW.³⁴ En formulant une hypothèse conservatrice sur la base des chiffres cités plus haut (à savoir que l’intensité matière en tonnes d’acier/MW double chaque fois que la puissance est multipliée par deux), on peut estimer qu’une éolienne en mer de 14 MW nécessiterait 1 300 tonnes d’acier par MW, soit 18 200 tonnes au total. Une telle éolienne utilise par conséquent 24 fois plus d’acier qu’une centrale au charbon ou au gaz d’une capacité de production équivalente.

Une durée de vie plus courte

L’écart entre les énergies renouvelables et fossiles se creuse encore plus si l’intensité matérielle est calculée en tonne par unité d’énergie plutôt que par unité de puissance (MWh au lieu de MW). Contrairement aux centrales à charbon ou à gaz, l’énergie produite par les parcs éoliens et photovoltaïques dépend des conditions météorologiques. En conséquence, remplacer 1 MW de capacité de production d’électricité d’origine fossile implique (en moyenne) l’installation de 4 MW de solaire ou 2 MW d’éolien.³⁷ L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est ainsi presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.³⁸

L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.

Les installations solaires et éoliennes ont de plus une durée de vie inférieure (20-30 ans) à celle des centrales thermiques (30-60 ans).²⁹ Si cela n’affecte pas l’intensité en acier par MW de puissance installée, cela augmente une fois de plus l’intensité par unité d’énergie produite sur une durée donnée. La consommation d’acier ne s’en trouve certes pas systématiquement doublée, dans la mesure où les fondations des éoliennes en mer et les structures pour panneaux solaires ont potentiellement une durée de vie supérieure aux sources d’énergie dont elles constituent le support, et pourraient de ce fait être réutilisées.³⁹

Les infrastructures de transport de l’énergie

Les données exposées ci-dessus incluent uniquement l’acier incorporé dans les installations de production d’énergie elles-mêmes. Dans le cas des centrales à énergies fossiles, elles n’incluent pas l’acier utilisé pour la fabrication des pipelines, plateformes pétrolières, excavatrices à charbon, etc. Il en va toutefois de même concernant les sources d’énergie « bas-carbone ». Dans la mesure où elles requièrent une quantité de ressources beaucoup plus importante que les centrales thermiques (de l’acier mais également de nombreux autres métaux et matériaux), elles sont dépendantes d’un vaste réseau mondialisé d’infrastructures minières et logistiques, lesquelles s’avèrent tout aussi consommatrices d’acier que les chaînes d’approvisionnement des combustibles fossiles.

De plus, étant des sources d’énergie plus diffuses avec de surcroît une production électrique intermittente et variable, souvent située loin des lieux de consommation de l’énergie, les installations d’énergies renouvelables contribuent largement à l’extension du réseau électrique. Or, ces infrastructures de transmission de l’électricité reposent elles aussi massivement sur l’acier pour leur déploiement – des postes de commutation aux pylônes en passant par les câbles.²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰⁴⁰

Enfin, les sources d’énergie bas-carbone sont fortement consommatrices d’aciers spéciaux, dont on a vu qu’ils étaient plus énergivores à produire. Ainsi, l’acier à destination des éoliennes en mer doit être résistant à la corrosion, tandis que les structures support de panneaux solaires sont de plus en plus réalisées en acier inoxydable.⁴¹ L’acier doux (acier au silicium, dit « magnétique »), formé par un alliage de ferrosilicium à très faible teneur en carbone, est quant à lui un composant indispensable pour les transformateurs du réseau électrique.⁷ Les centrales nucléaires ont certes une intensité matérielle en acier relativement faible, mais sont intégralement construites avec des aciers spéciaux hautement énergivores. A titre d’exemple, au sein des réacteurs nucléaires, le gainage des barres de combustible contenant l’uranium fissile est assuré par un acier allié au zirconium, tandis que tous les éléments structurels contiennent de l’acier inoxydable austénitique.⁷⁴²

Un réseau bas-carbone ne peut être construit à partir d’acier recyclé

La forte intensité matérielle en acier des sources d’énergie dites « décarbonées » nous confronte à un véritable dilemme, a priori insoluble.⁴³ Pour remplacer les centrales thermiques actuelles par des installations d’énergies renouvelables, nous avons besoin de quantités encore plus importantes d’acier. Du fait du manque de ferraille disponible, cet acier supplémentaire ne peut être produit qu’à partir de minerai de fer dans des hauts-fourneaux, c’est-à-dire en brûlant toujours plus de combustibles fossiles. Dans un contexte de lutte contre le changement climatique, il est nécessaire de déployer rapidement et massivement des sources d’énergie peu carbonées. Or, pour s’inscrire dans un usage circulaire des ressources et créer ces nouvelles installations en utilisant plutôt de la ferraille et de l’électricité d’origine renouvelable, nous serions amenés à faire précisément l’inverse – à savoir ralentir la mise en place d’un réseau électrique bas-carbone.

Image : Fondations en acier pour éoliennes en mer. Image de Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Une étude de référence, publiée en 2013, est arrivée à la conclusion suivante : pour que le solaire et l’éolien soient en mesure de fournir 25 000 TWh d’électricité – soit l’équivalent de la demande électrique mondiale en 2021 – 3 200 Mt d’acier seraient nécessaires à la construction des seuls parcs d’énergies renouvelables.³¹ ⁴⁴ Les projections estiment que la demande mondiale d’électricité atteindra 52 000 à 71 000 terawatt-heures en 2050, ce qui induira une augmentation du besoin en acier de 6 400 à 8 960 Mt au total.⁴⁵ Réparties sur la durée de vie estimée des éoliennes et panneaux solaires (25 ans), cela signifie qu’il nous faudrait produire entre 256 et 358 Mt d’acier supplémentaires chaque année, afin d’assurer la fabrication des éoliennes et des structures pour panneaux solaires – une quantité équivalente à celle utilisée annuellement par l’industrie automobile (196 Mt) et les autres modes de transport (98 Mt) réunis.

Ces estimations demeurent cependant très optimistes. La demande en électricité ne représente qu’environ 20 % de la demande totale en énergie. Pour que cette dernière (177 000 TWh en 2021) soit intégralement fournie par le solaire et l’éolien, 22 400 Mt d’acier seraient nécessaires. Cela représenterait 896 Mt d’acier supplémentaires à produire chaque année – autant que la production mondiale au début des années 2000. On pourrait certes avancer que l’électricité peut être utilisée avec une meilleure efficacité que les énergies fossiles, par exemple pour les voitures et les systèmes de chauffage. Cependant, la demande énergétique globale augmentera dans le même temps : par « effet rebond », les gains d’efficacité seront donc inévitablement absorbés par une consommation accrue d’énergie.

Les solutions high-tech

A l’heure actuelle, l’industrie sidérurgique mise sur des innovations technologiques pour décarboner la production d’acier. Une des options consisterait à remplacer le charbon par du gaz, méthode déjà relativement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. Si la fabrication d’acier à partir de gaz naturel permet certes de réduire les émissions de CO2, celles-ci demeurent largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. C’est pourquoi l’hydrogène, qui remplacerait le coke (obtenu par raffinage du charbon) comme agent réducteur dans un four à cuve de réduction directe, concentre tous les espoirs.⁴⁶ Toutefois, une industrie sidérurgique basée sur l’hydrogène ne permettrait pas d’échapper au paradoxe évoqué plus haut, puisqu’elle impliquerait à son tour une infrastructure requérant, par sa nature même, d’énormes quantités d’acier.

En effet, la production d’hydrogène est très énergivore. Il faut 50-55 kilowatt-heures pour produire 1 kg d’hydrogène, et 60 kg d’hydrogène pour fabriquer une tonne d’acier.⁴⁶ La production d’1 tonne d’acier à partir d’hydrogène consomme par conséquent 3 000 kWh d’électricité, soit dix fois plus que la consommation d’un four à arc électrique produisant la même quantité d’acier à partir de ferraille. De fait, une sidérurgie basée sur l’hydrogène mobiliserait à peu près dix fois plus d’éoliennes et de panneaux solaires que celle utilisant de la ferraille recyclée – donc dix fois plus d’acier. A cela, il faut en outre ajouter l’acier nécessaire à la construction des pipelines et réservoirs de stockage qui font partie intégrante de l’infrastructure associée à la technologie de l’hydrogène.

Image: Ouvrier sidérurgiste (fondeur) dans un haut-fourneau. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020'/ CC-BY-SA 3.0.

Les technologies de capture et stockage du carbone, supposées capter les émissions des aciéries et les stocker sous terre, sont évidemment confrontées aux mêmes problèmes. Cette solution impliquerait le déploiement d’infrastructures en acier d’une part, et d’autre part des besoins supplémentaires en énergie, augmentant ainsi de manière indirecte l’utilisation des énergies fossiles. Revenir aux procédés sidérurgiques préindustriels n’est pas non plus une solution. Un haut-fourneau actuel fonctionne, dans ses grands principes, comme un haut-fourneau ancestral, à la différence près qu’il est beaucoup plus efficace énergétiquement.⁷

Les solutions low-tech

Le tableau brossé ci-dessus ne laisse a priori que peu d’espoir quant à la perspective d’une décarbonation de la production d’acier et d’énergie. Il y a malgré tout une piste de solution low-tech pour y parvenir. Elle consisterait tout simplement à ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité. Ceci permettrait de produire l’intégralité de l’acier à partir de ferraille dans des fours à arc électrique, réduisant ainsi drastiquement la consommation énergétique du secteur sidérurgique et éliminant la quasi-totalité des émissions carbone associées. Bien sûr, l’idée n’est pas de remplacer l’acier par des plastiques, des composites ou de l’aluminium, dont la fabrication est encore plus énergivore. La seule option réellement soutenable serait de réduire l’utilisation globale de matériaux.

On pourrait ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité.

Diminuer la production d’acier et utiliser des qualités d’acier plus ordinaires ne signifierait pas pour autant un retour à l’âge du bronze. Comme mentionné plus haut, le volume disponible de matériaux ferreux en fin de vie représentait environ 450 Mt en 2021, ce qui nous permettrait de produire environ un quart de la production actuelle. Par ailleurs, l’offre en ferraille va continuer à croître dans les 40 prochaines années, ce qui permettrait de produire chaque année de plus en plus d’acier à faibles émissions de CO2. A l’horizon 2050, on estime que la disponibilité annuelle en ferraille pourrait atteindre 900 Mt, soit presque la moitié de la production mondiale d’acier actuelle.⁴⁷ Tout cet acier supplémentaire pourrait alors être utilisé en priorité pour déployer un réseau électrique bas-carbone sans que n’augmentent en contrepartie les émissions de carbone.

S’agissant de réduire l’intensité matérielle en acier du monde moderne, nous disposons d’une grande marge de manœuvre. Tous nos besoins essentiels – et beaucoup d’autres – pourraient être satisfaits en mobilisant des quantités d’acier bien moindres. Il serait par exemple possible de concevoir des voitures plus légères en réduisant leur taille. Ceci amènerait des économies d’énergie sans recours à des aciers alliés de haute qualité dont on a vu qu’ils étaient énergivores. Une partie des voitures individuelles pourraient être remplacées par la combinaison des transports en commun et du vélo, de manière à ce qu’une plus faible quantité d’acier soit partagée par un plus grand nombre de personnes.

De tels changements auraient par ailleurs pour effet de réduire la demande d’acier de la part du secteur routier, des infrastructures énergétiques et de l’industrie manufacturière. Nous aurions besoin de moins de machines-outils, conteneurs maritimes et bâtiments en béton armé. Dès lors que l’on entreprend de réduire l’intensité en acier dans un domaine, les bénéfices se répercutent sur l’ensemble du système. Prévenir la corrosion des éléments en acier et produire de l’acier plus localement, avec les ressources disponibles, permettrait également de réduire la consommation énergétique et les émissions du secteur sidérurgique.¹⁰⁴⁸

La croissance continue de la production d’acier – autrement dit, l’intensité matérielle toujours plus forte de la civilisation industrielle – rend impossible toute tentative de produire de l’acier de manière plus durable. La solution ne pourra venir d’aucune technologie, puisqu’il ne s’agit fondamentalement pas d’un problème d’ordre technique. Au même titre que la foresterie ne peut être soutenable que si la demande en bois ne dépasse pas la quantité de bois que les forêts sont capables de générer, la sidérurgie ne peut être soutenable (ou non) que dans la mesure où l’offre (ferraille) s’équilibre avec la demande (acier). Nous ne quitterons peut-être pas l’âge du fer, mais nous avons en revanche une ébauche de piste pour sortir du cercle vicieux qui lie inextricablement la production d’acier aux énergies fossiles.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. Voir aussi : Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788 - 1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. Et : Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Article à paraître, Kris De Decker, Low-tech Magazine. S’abonner à la newsletter de Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, et Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, et George E. Totten (dir.). Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Les données disponibles sur cette page ont entre temps été actualisées pour l’année 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, et Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
On estime qu’une fois mis en œuvre, entre 25 % et 33 % de l’acier produit chaque année est détruit par la corrosion. Voir : Iannuzzi, M., et G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
Lenzen, Manfred, et Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Voir, par exemple : Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. Cet article avait estimé que la consommation d’acier atteindrait 1 800 Mt aux alentours de 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Précisons qu’environ 5 % de l’acier mondial est produit via un troisième procédé : la réduction directe de minerai de fer à partir de gaz. Ces fours utilisent du gaz naturel en lieu et place du charbon et génèrent par conséquent moins d’émissions de carbone. Celles-ci demeurent toutefois largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. La fabrication d’acier à l’aide de gaz naturel est principalement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Ce constat vaut également pour de nombreux autres matériaux et ressources. Voir : “L’Économie circulaire est-elle vraiment circulaire ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, Novembre 2018. https://qelnixcor.cloud/fr/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, et A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎
Janke, Dieter, et al. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
En Occident, l’usage de l’acier s’est généralisé sur une période historique de 150 ans environ, de manière concomitante et en lien étroit avec les évolutions techniques de l’époque. A contrario, en Chine, cette mutation technologique s’est accomplie en seulement quelques dizaines d’années : navires, voies ferrées, électrification, bâtiments et structures en acier, voitures et avions, internet, énergies renouvelables. On trouve encore des régions du monde où les sociétés humaines ont conservé une très faible intensité matérielle en acier, telles que l’Inde et l’Afrique. La production (et la consommation) d’acier conservent donc un potentiel de croissance considérable. Source: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, et Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
“Un réseau électrique alimenté à 100 % par les énergies renouvelables serait-il réellement durable ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/fr/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, et Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, et Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Ce chiffre s’avère cohérent avec les analyses de Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. Les données sont disponibles dans en annexe : https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Dans le cas des éoliennes en mer, la durée de vie des fondations est estimée à 100 ans, elles pourront donc en principe servir au remplacement des éoliennes par de futurs modèles de même taille et masse. En revanche, l’hypothèse que ces fondations en acier finiront par être recyclée n’a rien d’une évidence. Premièrement, le recyclage du métal ne contribue au recouvrement des coûts de démantèlement qu’à hauteur de 10 %, ce qui signifie qu’il n’est pas une option économiquement - ni peut-être même énergétiquement - intéressante. Deuxièmement, il arrive dans certains cas qu’une biodiversité marine se soit développée autour des fondations. Les quatre parcs éoliens en mer démantelés en 2019 ont eu une durée de vie respective de 15, 18, 20 et 26 ans. Source : Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
Voir: https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
Voir: https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., et Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
En anglais, l’expression « catch-22 » désigne une situation de paradoxe logique où la résolution d’un problème semble impossible du fait de prémisses contradictoires [N.d.T.]. ↩︎
Une partie de cette capacité de production d’énergies renouvelables est déjà construite. Les chercheurs de cette étude se basent sur la production solaire et éolienne de l’année 2013, soit 400 TWh, or ces deux énergies ont produit un cumul de 2 894 TWh en 2021. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎
Un autre argument en faveur d’une réduction de l’intensité matérielle en acier de notre société est que cela limiterait le risque de conflits géopolitiques. Plus nous produisons de l’acier pour des applications civiles « pacifiques », plus la quantité d’acier disponible pour mener guerres et destructions augmente. On s’étonnera d’ailleurs que la fabrication d’armes et d’équipements militaires ne figure pas dans les statistiques récentes sur la production d’acier, ou qu’elle n’en représente, le cas échéant, qu’une part très faible. Quoi qu’il en soit, en temps de guerres, les aciéries sont systématiquement réquisitionnées pour la production d’acier à des fins militaires. L’industrie sidérurgique peut donc à tout moment être convertie en industrie d’armement. Or, la capacité mondiale de production d’acier est à ce jour plus grande qu’elle ne l’a jamais été dans l’histoire. ↩︎

Comment fabriquer un panneau solaire low-tech

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove, aux côtés de son troisième dispositif solaire. Source: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Plus efficaces, peu écologiques

Depuis que les laboratoires Bells ont présenté leur premier panneau solaire prêt à l’emploi dans les années 1950, tous les efforts de recherches ont été orientés vers la réduction des coûts et l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques. Dans ces deux domaines, les chercheurs ont effectivement fait des progrès spectaculaires : le rendement des panneaux solaires est passé de moins de 5% dans les années 1950 à plus de 20% aujourd’hui, tandis que le prix par watt-crête est passé de 30 dollars en 1980 à moins de 0.2 dollars en 2020 (watt-crête : puissance maximale que les cellules peuvent produire). Ces coûts très bas – permis entre autres par un haut rendement – sont d’une importance capitale car ils permettent au solaire photovoltaïque d’être compétitif sur le marché de l’électricité face aux énergies fossiles.

Pourtant, en matière de durabilité, les progrès ont été bien plus limités. Pour commencer, les panneaux solaires ne sont toujours pas recyclables, et ce depuis les années 1950 : c’est toute une filière de déchets qui finit dans nos décharges. D’autant que ce flux n’est pas près de se tarir : il faut 25 à 30 ans avant qu’un panneau solaire ne devienne inutilisable, et la plupart des panneaux ont été installés récemment. Les dernières estimations des chercheurs avancent qu’en 2050, près de 80 millions de tonnes de panneaux solaires achèveront leur cycle de vie. ¹²³ Cela représente une quantité de déchets significative et un danger pour l’environnement – les cellules photovoltaïques contiennent des éléments hautement toxiques et présentent un risque de combustion.

Le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

La fabrication de panneaux photovoltaïques elle-même pose de nombreux problèmes. Elle génère des déchets toxiques et nécessite une chaîne d’approvisionnement mondiale, comprenant des usines à forte intensité en capital, des machines complexes, des matériaux extraits du sol et un apport régulier en combustibles fossiles. Dans les analyses du cycle de vie des panneaux solaires, les scientifiques calculent la quantité d’énergie et de matériaux nécessaires à la construction d’un panneau solaire. Cependant, ils ignorent la quantité massive d’énergie et de matériaux nécessaires à la mise en place et au maintien de la chaîne d’approvisionnement solaire photovoltaïque ellemême. ⁴⁵⁶⁷⁸⁹¹⁰¹¹ Par conséquent, ces études ne révèlent pas le coût réel des panneaux solaires en termes de dépendance aux combustibles fossiles, d’émissions et d’autres pollutions environnementales. En outre, le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

S’inspirer du passé

Les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils donc irrémédiablement insoutenables d’un point de vue écologique, voués à générer des déchets non-recyclables ? À dépendre de processus de fabrication high-tech et gourmands en capitaux ? Ou bien au contraire, serait-il possible de les fabriquer avec des ressources locales, recyclables et des procédés de fabrication moins complexes et coûteux en énergie ? Autrement dit, pourrait-on créer des panneaux solaires « low-tech » ? Si oui, à quoi cela ressemblerait-t-il en matière de prix et de rendement énergétique ?

Avant de tenter de répondre à cette question, il est important de noter que dans la plupart des cas, la meilleure manière de faire l’économie d’un panneau solaire high-tech n’est pas d’en trouver un low-tech, mais bien d’utiliser l’énergie du soleil directement. C’est à dire : sans la convertir en électricité. Par exemple, un étendoir à linge ou un chauffe-eau solaire sont incomparablement plus efficaces, écologiques et abordables financièrement que n’importe quel sèche-linge ou chauffe-eau électriques branchés à un panneau photovoltaïque. Utiliser directement la lumière du soleil ne nécessite rien de plus que les matériaux disponibles localement, des techniques de fabrication relativement simples et des chaînes d’approvisionnement courtes.

Pourtant dans cet article, je souhaite répondre à cette question au sens strict : peut-on construire des appareils photovoltaïques low-tech, qui puissent convertir le rayonnement solaire en électricité ? Dans un article précédent, nous avons montré que [l’histoire nous offre des pistes inspirantes pour développer des éoliennes plus écologiques](https://qelnixcor.cloud/fr/2019/06/how-to-make-wind-power-sustainable-again/. L’histoire peut-elle aussi nous inspirer afin de concevoir de meilleures cellules photovoltaïques ?

La préhistoire des cellules solaires

Le panneau solaire présenté en 1954 par les Bell Labs ne sortait pas de nulle part. La cellule en silicium trouve son origine dans des appareils plus simples qui pouvaient produire de l’électricité à partir de lumière ou encore de chaleur.

En 1821, Thomas Seebeck découvrit qu’un courant électrique circule dans un circuit composé de deux métaux de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température. C’est sur cet « effet thermoélectrique » que se basent les « générateurs thermoélectriques » qui convertissent la chaleur (par exemple, celle émise par un poêle à bois) directement en électricité. En 1839, Antoine Becquerel découvrit à son tour que la lumière pouvait se transformer en électricité, et cet effet fut démontré sur les solides et particulièrement le sélénium par plusieurs scientifiques dans les années 1870. Cet « effet photoélectrique » donna naissance au « générateur photoélectrique », que nous appelons à présent générateur « photovoltaïque » ou cellule solaire photovoltaïque. En 1883, Charles Fritts créa le tout premier module photovoltaïque en utilisant du sélénium et une fine couche d’or. ¹² ¹³ ¹⁴

A cette époque les applications pratiques pour les appareils photoélectriques et thermoélectriques ne sont pas légion, et ce jusque dans les années 1950. Plusieurs inventeurs conçoivent différents types de générateurs thermoélectriques, le plus souvent alimentés par une flamme de gaz, et leur rendement dépasse rarement les 1 %. Dans le même temps, le panneau solaire fabriqué par Charles Fritts et les cellules solaires au sélénium qui vont suivre convertissent le rayonnement solaire en électricité à un rendement atteignant péniblement 1 à 2 %. ¹⁵ En bref, la période précédant les années 1950 ne semble pas offrir beaucoup d’inspiration pour fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques plus durables écologiquement.

Un pionnier oublié de l’énergie solaire

Et pourtant, il semblerait que ce panorama de la « préhistoire du panneau solaire » soit incomplet. En 2019 j’ai reçu un e-mail de la part d’un lecteur de Low-Tech magazine, Philip Pesavento :

« Cela fait depuis le début des années 1990 que j’étudie l’un des pionniers des cellules solaires qui travaillait dans la période précédant la Première Guerre Mondiale. Je deviens trop vieux pour faire quoi que ce soit avec recherches, et bien qu’il y ait eu un ou deux articles académiques à propos de M. Cove, ils sont passés complètement à côté de ce qu’il a accompli. Je vous ai mis ci-joint le PDF d’un Powerpoint que j’ai réalisé en 2015 et que je n’ai jamais montré à personne. Si cela vous intéresse de rédiger un article à ce propos je pourrai vous envoyer une clef USB avec toute la documentation que j’ai rassemblée. »

Si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, George Cove aurait tenté de fabriquer un générateur thermoélectrique mais aurait accidentellement créé un générateur photovoltaïque – une cellule solaire. Bien que cela se soit passé au début des années 1900, Cove obtint une puissance de sortie et un rendement comparables à ceux des scientifiques des Bell Labs en 1954. Son modèle dépassait également de loin les performances de toutes les cellules solaires au sélénium fabriquées entre les années 1880 et 1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

« Ce serait plutôt excitant de confirmer que des cellules solaires d’une relatif grande efficience furent inventées 40 ans avant que les cellules au silicium ne fassent leur apparition. Plus important encore, s’il s’avère qu’il existait un système de cellules et de panneaux solaires photovoltaïques avant la Première Guerre Mondiale, il pourrait également présenter certains avantages quant au bas coût des matières premières, la faible énergie grise pour convertir les minerais en matériaux métalliques, l’efficacité des cellules photovoltaïques finales et la facilité de fabrication. »

En d’autres termes, si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, construire des panneaux solaires low-tech pourrait être à portée de main.

Le générateur électrique solaire de George Cove

C’est en 1905 au Metropole Building à Halifax en Nouvelle-Écosse canadienne que George Cove présenta son premier « générateur solaire électrique ». Il en existe une image, et c’est la seule donnée que nous ayons sur ce panneau. ¹⁷ Pourtant sa puissance et son rendement devaient être remarquables car des investisseurs des États-Unis dépêchèrent un expert à Halifax. Après avoir lu le rapport de cet expert, ils firent venir Cove aux États-Unis (à Sommerville, Massachusetts) pour qu’il puisse continuer à développer son invention.

C’est là-bas que Cove présenta en 1909 sa deuxième machine : un panneau de 1,5 m² qui pouvait produire 45 watts et avait un rendement de 2,75 % pour transformer l’énergie solaire en électricité. Au cours de l’année 1909, Cove déménagea à New York City et c’est là qu’il présenta son troisième prototype. Il s’agissait d’une installation solaire comportant quatre panneaux de 60 watt-crête chacun, qui permettaient de charger cinq batteries au plombacide sulfurique. Cela représentait une surface totale de 4,5 m² , la puissance de production maximale était de 240 Watts et le rendement atteignait 5 % – comparable au premier panneau solaire des Bell Labs. [18]

Ci-dessus: Le premier panneau solaire de George Cove, présenté en 1905. Source: Technical World Magazine 11, nr4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le deuxième panneau solaire de Cove, dont une partie est manquante. Source: Technical World Magazine 11, nr.4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le troisième panneau solaire créé par George Cove. Source: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Ci-dessus: La troisième installation solaire de Cove. Les panneaux sont maintenant inclinés et non plus posés à plat.Source: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Ci-dessus : L’un des panneaux de la troisième installation solaire, sans les vitres. Source: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Bien qu’il ne soit plus fait mention de George Cove dans l’histoire du photovoltaïque, son générateur électrique solaire impressionna sensiblement la presse technique de son époque. Par exemple, en 1909, le Technical World Magazine écrivait : « cette machine est aussi peu coûteuse et robuste que n’importe quelle cuisinière. Même à l’état de prototype rudimentaire, elle est capable, avec deux jours d’ensoleillement, de produire et stocker suffisamment d’électricité pour alimenter une maison ordinaire pendant une semaine. Cet inventeur l’a prouvé depuis des mois et à maintes reprises dans son établissement commercial ». ¹⁸

Des fiches métalliques coulées dans l’asphalte

Comment George Cove a-t-il fait pour construire une installation solaire avec 40 ans d’avance sur son temps ? D’après Philip Pesavento, qui a travaillé en tant qu’ingénieur en semi-conducteurs, Cove souhaitait créer un générateur thermoélectrique (TEG, Thermo-Electric Generator) perfectionné. Son générateur était voué à être exposé à la chaleur d’une cuisinière à bois et à l’énergie solaire dans le même temps. En effet, Edward Watson avait conçu le premier prototype expérimental de générateur thermoélectrique solaire (STEG, Solar TEG) dès 1888. On peut également comprendre clairement quel était le projet initial de Cove avec la description qu’il fait de son appareil :

« C’est un cadre pourvu de plusieurs vitres teintées violettes, derrière lesquelles se trouvent, coulées dans une plaque faite d’un composé asphalté, une myriade de petites fiches métalliques. L’une des extrémités des fiches est toujours exposée au soleil tandis ce que l’autre demeure au frais, à l’ombre. »

Générer la plus grande différence de température possible voilà tout l’enjeu de la production d’électricité avec un système thermoélectrique, ainsi le dispositif imaginé par Cove prend tout son sens. Pourtant, lorsqu’il mesura la puissance générée, il constata que l’appareil ne répondait pas à la chaleur comme le ferait normalement un générateur thermoélectrique. Dès le début, Cove constata que son invention utilisait la chaleur, mais aussi la lumière pour produire de l’électricité lorsqu’elle se trouvait exposée aux rayons du soleil :

« La particularité de mon invention est la suivante : la composition des fiches métalliques a ceci de particulier que lorsqu’elles entrent en interaction avec les rayonnements solaires elles génèrent du courant non seulement grâce au rayonnement thermique mais aussi grâce aux rayons violets. »

Cependant, après avoir d’autres expériences avec la chaleur d’un poêle bois et l’énergie solaire, Cove déclara :

« Exposer la machine à différentes sources de chaleur artificielle ne semble pas générer d’électricité. Seul le rayonnement thermique du soleil semble fonctionner (infra-rouges de courte portée), les rayons violets et ultraviolets jouent peut-être aussi un rôle dans la création du courant électrique. »

En guise de cellules, le panneau solaire de Cove comprenait des « fiches », soit des barres métalliques d’environ 7,5 centimètres, composées d’un alliage de plusieurs métaux courants. Le panneau de 1,5 mètre carré en contenait 976, et on en trouvait 4 x 1804 sur le dispositif de 4,5 mètres carrés. Cependant, garder les barres métallique fraîches d’un côté et chaudes de l’autre – séparées par une couche d’asphalte – n’avait pas d’importance. Ce qui importait, c’est que Cove avait fabriqué sans le savoir une jonction métal/semi-conducteur.

La bande interdite des semi-conducteurs

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprirent comment fonctionnait ce générateur solaire. Ce sont les travaux d’Einstein sur l’effet photoélectrique (en 1905), puis bien plus tard sur la mécanique quantique (dans les années 1930 et au-delà), qui vinrent éclairer la situation grâce aux concepts de matériaux semi-conducteurs et de leur « bande interdite ». Les électrons peuvent avoir plusieurs « rôles » lorsqu’ils sont en orbite autour du noyau d’un atome. On les trouve à différentes distances du noyau où ils forment plusieurs « paquets » que l’on appelle des « bandes ». Ces bandes maintiennent fermement les électrons en place. Entre ces bandes il y a des écarts, des « bandes interdites », où aucun électron ne peut se trouver.

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenaient comment fonctionnait ce générateur solaire.

Un matériau dit « conducteur » n’a pas de bande interdite, les électrons peuvent donc se déplacer à travers eux. C’est pourquoi un fil de cuivre laisse passer le courant électrique par exemple. Un matériau isolant (le bois, le verre, le plastique ou la céramique) a une bande interdite très large, ce qui bloque le courant électrique. Enfin, un semi-conducteur a une bande interdite plutôt fine : il peut se comporter en isolant ou en conducteur. Il peut devenir conducteur quand ses électrons sont heurtés par des « photons » (une particule élémentaire de la lumière) avec autant ou plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour traverser la largeur de la bande interdite du matériau. ¹⁹

Comprendre le fonctionnement des matériaux semiconducteurs a permis de créer les premières cellules solaires photovoltaïques dans les années 1950. Cela a aussi permis d’améliorer les performances des générateurs thermoélectriques, mais pour d’autres raisons : bien que les générateurs thermoélectriques n’utilisent pas les propriétés offertes par la bande interdite des semi-conducteurs, ces matériaux ont un voltage thermoélectrique plus grand et une plus basse conductivité thermique que le métal et les alliages métalliques sans bande interdite, ce qui rend les générateurs thermoélectriques à base de semi-conducteurs plus performants.

La Barrière de Schottky

L’effet photovoltaïque n’apparaît que dans des systèmes non-homogènes. Les scientifiques du Bells Labs ont créé de tels systèmes dans les années 1950 en utilisant la « jonction p-n », qui forme une frontière entre un semi-conducteur chargé positivement et un autre négativement. Les semi-conducteurs de type P ont des places libres pour des électrons appelées « trous » (qui attirent les électrons) tandis ce que les semi-conducteurs de type N ont des électrons supplémentaires. Un potentiel électrique se forme à la jonction entre ces deux éléments du système.

Mais il est également possible de créer un panneau photovoltaïque en utilisant une « Barrière de Schottky », qui se forme entre un semi-conducteur et un métal. Dans ce cas de figure, c’est le métal qui se comporte comme un semi-conducteur de type N. Philip Pesavento explique :

« Mon hypothèse est que Georges Cove a accidentellement créé une cellule solaire basée sur un contact Schottky, des décennies avant que Walter Schottky n’en fasse la description. ²⁰ Ces systèmes permettent de générer un effet photovoltaïque (principalement) mais aussi un effet thermoélectrique.
Les fiches utilisées étaient composées d’un alliage de zinc et d’antimoine – un alliage dont nous savons aujourd’hui qu’il est semi-conducteur. La fiche était surmontée d’un capuchon de maillechort (ou « argent allemand », alliage de nickel, cuivre et zinc) à l’une de ses extrémités, et de cuivre à l’autre. Cela formait respectivement un contact ohmique, puis une barrière de Schottky. Il s’agit d’un appareil photovoltaïque. »

Une découverte fortuite

Si l’on en croit Philip Pesavento, Georges Cove avait probablement pour projet d’utiliser du maillechort comme matériau négatif à chaque extrémité de ses fiches et un alliage de zinc et d’antimoine (ZnSb) comme matériau positif. A l’époque, il s’agissait des meilleurs matériaux thermoélectriques disponibles :

« Je pense qu’il a épuisé son stock de maillechort et qu’il s’est rabattu sur du cuivre pour finir un certain nombre de fiches, ce qui s’entend car la différence de voltage thermoélectrique entre le cuivre et l’argent allemand est très faible. Puis, pendant qu’il effectuait ses tests, Cove a remarqué que ces fiches (celles avec une extrémité recouverte de maillechort et l’autre de cuivre) atteignaient un voltage nettement plus haut que les autres : dans les centaines de mV plutôt que les dizaines de millivolts habituellement observées dans les générateurs thermoélectriques. »

Que se passa-t-il ? En utilisant du cuivre, Cove avait involontairement créé une Barrière de Schottky. Ainsi son générateur thermoélectrique devînt un générateur thermophotovoltaïque. « Un appareil qui fonctionne à la manière des cellules solaires photovoltaïques, mais réagissant à d’autres longueurs d’ondes. Le spectre du rayonnement solaire a une amplitude qui va d’environ 0,5 à 2,9 électron-Volts (eV), de l’infrarouge à l’ultraviolet. Un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 1 et 1,7 eV peut convertir efficacement la lumière visible en électricité (c’est un générateur photovoltaïque), tandis qu’un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0,4 et 0,7 eV peut convertir efficacement en électricité le spectre infrarouge du rayonnement solaire (c’est un générateur thermophotovoltaïque).

Ci-dessus: Cette illustration issue du [brevet de 1906 de Cove](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) montre l'alliage zinc-antimoine \" b\"; le capuchon d'extrémité (ohmique) en maillechort \"c\" ; et le capuchon (Schottky) de cuivre ou d'étain \"f\". Chacun de ses éléments est maintenu en place par compression car les souder entre eux diminuait les performances du dispositif.

On sait que ZnSb – le matériau négatif utilisé par Cove pour ses fiches – est un semi-conducteur avec une bande interdite de 0,5 eV. Cela explique en grande partie pourquoi l’inventeur a commencé par observer que son générateur solaire convertissait en électricité tout autant la chaleur que la lumière. Un générateur thermophotovoltaïque ne réagit pas seulement à la part infrarouge du rayonnement solaire, mais il est également sensible au rayonnement d’une flamme ou encore d’une surface incandescente chauffée au bois ou au gaz. Il convertit également une fraction très basse du spectre de la lumière visible en électricité, avec un rendement très faible.

D’après Philip Pesavento, Cove aurait alors ajusté la composition de l’alliage jusqu’à approcher Zn4Sb3 – un alliage de zinc et d’antimoine avec 4 parts de zinc pour 6 parts d’antimoine. On sait maintenant qu’il s’agit aussi d’un semi-conducteur. Pourtant, celui-ci a une bande interdite de 1,2 eV, soit presque comme le silicium (1,1 eV). Ainsi, le générateur thermophotovoltaïque de Cove est devenu un générateur photovoltaïque :

« Grisé par ses découvertes, Cove a probablement voulu fabriquer un grand nombre de fiches et se serait trompé dans les proportions pour l’une des séries. Il a alors mesuré un voltage plus élevé. Cove a alors mené une étude plus poussée sur les alliages de zinc et d’antimoine qui lui a permis de constater que à la proportion de 40-42% de zinc dans l’alliage était celui dont découlait le plus haut voltage (comparativement aux 35% de zinc dans ZnSb). Le nouvel alliage découvert accidentellement par Cove, Zn4Sb3, ayant une plus grande bande interdite que son précédent alliage, cela signifiait qu’il ne générait plus d’électricité lorsqu’il était exposé à la chaleur d’un poêle à bois. Par contre, il surpassait tous les autres alliages lorsqu’il était exposé au rayonnement solaire –car il convertissait désormais une bien plus grande part du spectre lumineux solaire en électricité. »

En utilisant des filtres de verre teintés, George Cove découvrit que la plupart de l’électricité générée l’était en réaction aux rayonnements du côté violet du spectre et très peu provenait du « rayonnement thermique ». Ses prototypes de générateurs photovoltaïques précédents réagissaient de manière équivalente au rayonnement thermique et aux rayons violets, tandis que ses premiers essais (avec du maillechort aux deux extrémités des fiches) ne réagissaient pas du tout aux rayons violets.

Et si on s’intéressait de nouveau à la cellule solaire Schottky?

Les cellules solaires à contact Schottky n’ont été que peu étudiées par les chercheurs et les entreprises privées – on compte très peu de dispositifs photovoltaïques qui utilisent du métal dans leur surface active à part pour les contacts métalliques. ²¹ Malgré tout, Philip Pesavento est persuadé qu’il pourrait valoir la peine de tenter de recréer des cellules photovoltaïques « de Schottky » en s’inspirant des travaux de George Cove :

« S’il était démontré que Zn4Sb3 (avec sa bande interdite de 1,2 eV) peut être utilisé dans une cellule photovoltaïque, il est probable qu’une installation solaire basée sur ce principe serait plus écologique. Elle obtiendrait probablement un TRE (Taux de Retour Énergétique ou EROI, Energy Return on Investment – NdT) élevé et une durée de vie conséquente avec un surplus d’énergie généré sur plusieurs décennies. C’est incroyable que tout le monde semble avoir oublié ce matériau et ses applications possibles dans le photovoltaïque, aucun dispositif solaire basé sur Zn4Sb3 n’a été développé, et ce même après que des chercheurs aient démontré que cet usage serait possible au milieu des années 1980. On peut dire qu’il s’agit d’une découverte prématurée, ce qui veut dire qu’elle pourrait être développée très rapidement avec les moyens actuels. »

Au-delà des panneaux solaires, Philip Pesavento voit aussi un potentiel pour les recherches de Cove dans le développement du thermophotovoltaïque pour les poêles à bois, des application solaires thermiques ou des utilisations tandem en utilisant une double jonction, en utilisant ZnSb plutôt que Zn4Sb3. Pesavento imagine également, si les cellules solaires « à fiches » s’avéraient efficaces, qu’elles permettraient de construire des concentrateurs-collecteurs solaires – comme des miroirs cylindro-parabolique ou des concentrateurs paraboliques composés – pour un coût bien plus bas.

Fabrication low-tech

Le principal attrait du dispositif conçu par Cove est sa méthode de fabrication low-tech. Dans les années 1970 et 1980, des études portant sur un usage photovoltaïque du Zn4Sb3 conclurent que : « les deux atouts évidents de ce matériau sont sa facilité de fabrication et la basse température requise dans la procédure ». ²² Le point de fusion du Zn4Sb3 est de 570 °C, tandis qu’il est de 1400 °C pour le silicium.

Dans les années 1970, des chercheurs ont étudié les cellules solaires Schottky à contact métal/semi-conducteur, cependant il s’agissait d’autres types de semi-conducteurs que le Zn4Sb3. Encore une fois, leur motivation était la procédure de fabrication simple et économique comparativement aux cellules solaires à jonction p-n au silicium de l’époque. ²³²⁴ Pour fabriquer des cellules solaires Schottky, nul besoin de faire diffuser du phosphore à haute température afin de créer une jonction p-n, comme c’est le cas avec le silicium que nous utilisons actuellement. Retrancher cette étape du processus suffit à réduire de 35 % la quantité d’énergie nécessaire à la création des cellules solaires. ²¹

Au cours des années 1980, les chercheurs firent de grandes avancées en ce qui concerne la création de jonctions p-n, si bien que l’intérêt déclina pour les alternatives. Cependant, les dernières années ont vu renaître un intérêt pour d’autres techniques et matériaux. Par exemple, des recherches portant sur les cellules Schottky à base d’un alliage graphène-silicium sont parvenues à la conclusion suivante : « l’un des avantages de cette technique est sa simplicité et son bas coût de mise en œuvre sans procédé de fabrication à haute température ». ²⁵ Dans d’autres études très récentes, les chercheurs concluent que les cellules de type Schottky « au sélénium sont […] très simple et bon marché à fabriquer ». ²⁶²⁷²⁸²⁹

Un recyclage facilité

Un autre atout de ce type de cellules pourrait bien être leur facilité de recyclage. Les modules de silicium sont pris en sandwich entre deux couches feuilletées et encapsulantes (de l’EVA la plupart du temps - éthylène-acétate de vinyle, obtenu par copolymérisation). Ces couches sont déterminantes dans la longévité du module. ¹²³ Au moment de recycler le silicium – le composant le plus précieux d’un panneau solaire – il est nécessaire de retirer ces couches, mais les brûler détrut également les modules. Les cellules de silicium ne peuvent être recyclées qu’avec une combinaison de procédés thermiques, chimiques et métallurgiques. C’est un processus qui est à la fois coûteux et peu écologique. Si l’on voit parfois écrit qu’environ 10 % des panneaux solaires sont « recyclés », il est plus probable qu’ils aient été « sous-cyclés ». Les modules ont été déchiquetés, puis les lambeaux utilisés comme « filler » (fines d’addition, NdT) pour l’asphalte ou le béton de ciment.

En revanche, les cellules photovoltaïques de Georges Cove étaient intégralement recyclables. Elles n’avaient pas besoin de ces couches protectrices et ne contenaient pas de soudure. Philip Pesavento :

« Si l’on construisait ces cellules à la manière de Cove, c’est dire en emmanchant en force les capuchons à la presse autour des fiches et en enroulant du fil de fer autour pour bien les maintenir en place, cela faciliterait leur recyclage car il ne s’agit que d’opérations mécaniques sans usage de quelque produit chimique. Cela nécessiterait beaucoup de main-d’œuvre afin d’assembler ou de démonter le dispositif, mais il serait toujours possible d’automatiser le processus. »

Pesavento est persuadé qu’il serait aussi possible de construire des cellules solaires très fines à partir des matériaux utilisés par Cove. Toutefois, reste à savoir s’il serait véritablement indispensable d’y adjoindre une couche protectrice qui en compliquerait le recyclage. Les cellules solaires de Schottky basées sur d’autres matériaux et sur lesquelles ont été menées des études dans les années 1970 n’avaient pas toujours de couches protectrices et pourtant certaines ont atteint une longévité de 20 ans. ²³

Efficacité

Quels rendements pourrait-on espérer atteindre avec nos futurs panneaux solaires low-tech, si tenté qu’ils puissent voir le jour ? D’après Philip Pesavento, les cellules solaires de type Schottky sont légèrement moins efficientes à matériaux équivalents que les cellules à jonction p-n, car ces dernières génèrent un voltage plus élevé : elles reçoivent plus d’énergie de la part des photons qu’elles absorbent.

« Quand il s’agit de tirer le meilleur rendement possible d’un dispositif à tout prix, c’est une bonne option. Mais si l’objectif est de pouvoir fabriquer des cellules solaires plus facilement avec des méthodes manuelles ou artisanales, alors il serait plus logique d’utiliser des diodes de Schottky. »

D’un autre côté, il serait théoriquement possible de fabriquer des cellules de Schottky qui soient plus fines que des cellules PV en silicium – et cela contribuerait à améliorer leur rendement. Philip Pesavento :

« Je n’ai pas trouvé les chiffres précis des paramètres – vélocité des porteurs de charge, durée de vie des recombinaisons, coefficient d’absorption – pour dire ce qui suit sans équivoque. Mais le fait que Cove ait pu obtenir un aussi haut rendement avec des cellules en forme de baguettes laisse à penser que cela pourrait également fonctionner avec de cellules plates et fines. »

Là encore, on peut trouver des études récentes menées sur les cellules Schottky, à base d’autres matériaux, qui semblent aller dans ce sens. Par exemple, lors d’une expérience menée récemment avec des cellules Schottky au sélénium, les chercheurs ont réussi à affiner la couche de cellules jusqu’à 100 µm, contre 200 à 500 µm habituellement pour les cellules de silicium. ²⁶³⁰ Les scientifiques ont également atteint un rendement expérimental de 17 % avec une cellule Schottky graphène/silicium, alors qu’il y a dix ans le rendement pour ce type de cellules s’élevait à 1,5 %. ²²

On peut aussi questionner l’obsession actuelle pour les rendements plus élevés. Un argument que l’on entend régulièrement est que si des panneaux low-tech voient le jour mais qu’ils sont moins efficaces que leurs équivalents high-techs, alors il faudrait construire plus de panneaux solaires pour produire la même quantité d’énergie. Par conséquent, les ressources qui auraient été sauvegardées grâce aux méthodes de productions low-tech seraient dépensées pour construire ce plus grand nombre de panneaux. Pourtant, atteindre un haut rendement n’est essentiel que si l’on prend la demande en énergie actuelle pour un fait immuable. Une moindre efficacité par panneau pourrait tout à fait être compensée en diminuant la demande en énergie, surtout si cela peut nous permettre de rendre cette production d’énergie plus écologique à long terme et d’économiser des ressources sur toute la chaîne logistique. Comme pour les éoliennes, sacrifier une part d’efficacité pourrait nous apporter de grands grains en matière de durabilité.

Qu’est devenu George Cove?

Si le panneau solaire créé par George Cove était si révolutionnaire, pourquoi n’en entend plus parler aujourd’hui ? À ce propos, les documents sur lesquels Philip Pesavento s’est appuyé pour ses recherches tissent un récit digne d’un polar. Les plans de Cove pour produire à plus grande échelle et commercialiser son appareil photovoltaïque se sont soldés par d’étranges échecs.

L’inventeur s’est associé avec un manipulateur de marchés financiers – Elmer Burlingame – qui a émis des actions pour différentes entreprises qui ne lui appartenaient pas, en 1909 et 1910, incluant la start-up de Cove, la Sun Electric Generator Company. En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et menacé de meurtre s’il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire. Pourtant à l’époque, la police ignore la piste du kidnapping, jugeant qu’il s’agit d’une histoire montée de toutes pièces. En 1911, Cove et Burlingame furent tous les deux arrêtés pour fraude boursière et passèrent un an en prison. Par la suite, Cove travailla sur d’autres inventions, mais aucune ne porta sur l’énergie solaire. ³¹

En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et qu’on l’ait menacé de meurtre si il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire.

George Cove était-il un charlatan ? Ou bien a-t-il été la victime de l’un d’eux ? Ou bien encore est-ce que sa réputation a été sciemment entachée parce que son générateur d’électricité solaire risquait de nuire aux profits d’autres entreprises ? On trouve de nombreux exemples de technologies novatrices tuées dans l’œuf par de grandes entreprises basées aux USA. George menait ses recherches à l’époque de l’Edison Electric Illuminating Company à New York, dont les pratiques sans scrupules envers la concurrence sont largement documentées. Si son générateur solaire avait bien fonctionné, alors la demande, croissante à l’époque, en centrales électriques à charbon et à pétrole vendues par Edison, aurait pu en être affectée. ³¹ Plusieurs décennies plus tôt, dans les années 1880, Edison avait notoirement racheté l’entreprise qui fabriquait le meilleur générateur thermoélectrique de l’époque – la thermopile améliorée de Clamond – et avait stoppé le développement de la machine. ³²

Encore plus de mystères

Néanmoins, s’il est tentant d’imaginer George Cove en victime de l’histoire, on ne peut que spéculer. Les archives rassemblées par Philip Pesavento recèlent même d’autres mystères, comme le brevet de Cove – déposé en 1905 et accordé en 1906. Dans celui-ci, l’inventeur détaille la manière dont il a créé ses fiches de Zn4Sb3, ce qui a permis à Pesavento de se baser sur le brevet pour calculer la puissance et le rendement du dispositif solaire. Pourtant Cove décrit la manière dont les fiches peuvent convertir la chaleur d’un poêle à bois en électricité, ce qui n’est pas compatible avec son choix de matériau. Le générateur avec le poêle ne fonctionnerait qu’avec des fiches en ZnSb et leur bande interdite de 0,5 eV. Philip Pesavento :

« Peut-être que ces instructions erronnées étaient volontaires de la part de Cove afin qu’on ne puisse pas copier son brevet de générateur à chaleur et le faire fonctionner ? Je ne sais pas. »

Encore plus surprenant, on trouve une photo de Cove posant aux côtés de l’un de ses panneaux solaires dans le livre de 2013 « Let it shine : The 6,000-Year Story of Solar Energy », un panorama historique de l’énergie solaire, par John Perling. Pourtant, la légende de la photo attribue le panneau solaire présent sur l’image à Charles Fritts, l’inventeur de la cellule solaire au sélénium. De plus, George Cove lui-même a été coupé de la photo. Des extraits du livre, ainsi que la photo, sont apparus sur plusieurs sites internet. Cela n’a pas surpris Philip Pesavento quand je le lui ai fait remarquer :

« J’ai découvert ça il y a des années. J’imagine que quelqu’un qui avait absolument besoin d’une image du panneau solaire de Fritts a trouvé celle-ci et retiré Cove de la photo sur Photoshop. Après tout, c’est vrai qu’il est totalement inconnu et quand il arrive que quelqu’un le connaisse, c’est en pensant qu’il a inventé un générateur thermo-électrique, pas un panneau photovoltaïque. Si on regarde bien les deux photos, on peut voir que le haut de la colonne de droite du portique a été déplacé là où se tenait Cove, il y a quelque chose d’étrange dans sa perspective. »

Mise à jour : Bellingcat démêle le mystère de l’image.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Extrapolating from the performance of the next panel, we can guess that this one had a power output of about 25W and just under 3% efficiency. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. ↩︎
Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎ ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

Pour que l’énergie éolienne redevienne durable

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Illustration: Eva Miquel pour Low-tech Magazine.

Pendant plus de deux mille ans, l’humanité a construit des moulins à l’aide de matériaux recyclables ou réutilisables : bois, pierre, brique, toile, métal. Lorsque les premières éoliennes—affectées à la production d’électricité—ont émergé dans les années 1880 on utilisait alors les mêmes matériaux. Ce n’est que depuis l’invention des pales en matériaux composites plastiques dans les années 1980 que la production d’énergie éolienne est devenue une source de déchets toxiques qui se déversent dans nos décharges.

Pourtant, grâce aux avancées technologiques en matière de production et de conception en bois, il devient possible de créer des éoliennes de grande taille presque exclusivement à base de bois – non seulement les pales, mais aussi le reste de la structure. Cela permettrait à la fois de résoudre le problème des déchets, et de rendre la production d’éoliennes bien moins dépendante de l’industrie minière et des énergies fossiles. Une forêt plantée parmi les éoliennes pourrait fournir le bois nécessaire à la génération d’éoliennes suivante.

Une pale d’éolienne est-elle durable ?

On considère souvent les éoliennes comme une source d’énergie propre et durable. Et pourtant, bien qu’elles génèrent effectivement de l’électricité avec de moindres émissions de CO2 comparées aux centrales tournant aux énergies fossiles, elles produisent une grande quantité de déchets. Cet aspect est souvent négligé car l’acier—concentré dans le mât—représente environ 90 % de la masse d’une grande éolienne et il est facilement recyclable. Cela permet aux éoliennes d’être rapidement rentables sur le plan énergétique—les déchets d’acier pouvant être utilisés pour produire de nouveaux composants, tréduisant ainsi considérablement l’énergie nécessaire au processus de renouvellement du parc éolien.

En revanche, les pales de l’hélice sont faites de matériaux composites plastiques ultralégers qui sont volumineux et impossibles à recycler. Bien que la masse des pales soit faible à l’échelle de la masse totale de l’éolienne, elle n’est pas négligeable. Par exemple, une pale en fibre de verre de 60 mètres pèse 17 tonnes, ce qui signifie qu’une éolienne générant 5MW produira plus de 50 tonnes de déchets plastiques rien que pour ses pales.

Image: Une pale en fibre de verre renforcée. Source: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Une pale d’éolienne classique est composée d’époxy (un dérivé de pétrole) et de renforcements en fibre de verre. A l’intérieur, on retrouve différentes couches disposées en sandwich : mousse de PVC (polychlorure de vinyle) et de PET (polytéréphtalate d’éthylène), du bois de balsa (tressé avec l’époxy et la fibre) et des revêtements en polyuréthane. ¹²³⁴

Il est impossible de recycler le plastique des pales pour créer de nouveaux éléments comme c’est le cas pour l’acier de la tour. On peut seulement le « sous-cycler » : par exemple en le déchiquetant, ce qui produit un matériau inintéressant, à part comme renforcement dans la production de béton ou d’asphalte. Des recherches sont en cours afin de trouver d’autres débouchés à ces déchets plastiques, mais toutes rencontrent le même problème : personne ne veut du matériau « recyclé ». Quelques urbanistes ont réutilisé les pales directement sous forme de bancs ou de terrains de jeux. Mais on ne peut pas tout construire à base de pales d’éoliennes.

Les pales d’une seule éolienne de 5MW contiennent plus de 50 tonnes de plastique non recyclable.

Parce qu’elles sont si difficiles à recycler ou à réutiliser, les pales d’éoliennes finissent essentiellement en décharge (aux USA) ou incinérées (en Europe). Les deux approches sont équivalentes en matière d’impact écologique : si incinérer les pales réduit la quantité de déchets à enfouir (60 % des débris sont réduits en cendres), cela convertit la matière brûlée en pollution atmosphérique. De plus, la fibre de verre étant incombustible, les pales ont un pouvoir calorique si faible qu’il est presque impossible de les utiliser pour générer de l’énergie. ¹²³⁴

Gestion des déchets éoliens – 25 ans après

Il y a environ 250 000 éoliennes opérationnelles dans le monde à l’heure actuelle. La plupart d’entre elles ont été mises en place il y a moins de 25 ans, ce qui est aussi leur durée de vie estimée. Cela veut dire que l’on verra bientôt les conséquences de deux décennies d’utilisation croissante de l’électricité éolienne : l’apparition différée mais exponentielle de déchets non recyclables.

Par exemple : en Europe la part des éoliennes de plus de 15 ans d’âge représentait en 2016 12 % du parc, contre 28 % en 2020. En Allemagne, en Espagne et au Danemark, cette part passe de 41 à 57 %. Pour la seule année 2020, chacun de ces pays devra se débarrasser de 6 000 à 12 000 pales d’éoliennes. ⁵

Image: Les ailes des moulins de nos aïeux étaient faites exclusivement de matériaux recyclables. Image: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Non seulement les pales mises au rebut seront de plus en plus nombreuses, mais elles seront aussi de plus en plus volumineuses, l’industrie ayant tendance à concevoir des hélices de diamètre de plus en plus imposant. Les pales des éoliennes construites il y a 25 ans mesuraient 15 à 20 m ; leurs descendantes actuelles atteignent 75 à 80 m, voire plus. ³ Des estimations qui s’appuient sur les chiffres actuels de la croissance du parc éolien ont révélé que les matériaux composites utilisés dans les pales d’éoliennes du monde entier représenteront 330 000 tonnes de déchets par an d’ici 2028, et 418 000 tonnes par an d’ici 2040. ¹

On verra bientôt les conséquences de deux décennie d’utilisation croissante de l’électricité éolienne : l’apparition différée mais exponentielle de déchets non recyclables.

Ces estimations sont assez prudentes car on a aussi relevé de nombreuses pales défaillantes et parce que la tendance est au développement de pales de plus en plus efficaces capables de générer de plus grandes quantités d’énergie, ce qui mène les industriels à remplacer des pales bien avant qu’elles n’atteignent leur âge limite. ¹⁶ De plus, les quantités de déchets actuelles proviennent des éoliennes qui avaient été installées entre 2005 et 2015 alors que l’énergie éolienne ne représentait au maximum que 4 % de la demande (de l’époque) en énergie. Si la part énergétique de l’éolien augmentait pour atteindre 40 % de la demande (actuelle) en électricité, on peut s’attendre à ce que la quantité de déchets atteigne trois à quatre millions de tonnes par an.

Les ailes de moulins au cours de l’Histoire

Et pourtant, en jetant un œil à l’histoire de l’énergie éolienne, on réalise que le plastique n’est pas indispensable. La première utilisation du vent pour produire de l’énergie mécanique date de l’Antiquité, et les premiers « moulins générateurs d’électricité » - plus tard renommés « éoliennes » ont été construits dans les années 1880. Quant aux pales en fibres de verre, elles ont émergé dans les années 1980 : pendant la bagatelle de deux mille ans, les moulins en tous genres étaient recyclables de bout en bout.

Les première éoliennes d’Europe, conçues par Paul La Cour au Danemark, étaient doté d’ailes traditionnelles avec des lattes de bois. Image: Paul La Cour Museum.

Les tours des moulins traditionnels étaient faites de bois, de pierre ou de briques. Leurs « ailes » ou « pales » étaient généralement composées d’un cadre de bois recouvert de toile ou de planches de bois. Au cours des siècles, l’usage du fer, également recyclable, s’est généralisé pour certaines parties de l’ouvrage.

Au 18e et 19e siècle, alors que de nouveaux types d’ailes étaient conçus (comme les ailes à ressort, l’aile à enrouleur ou encore la « patent sail » de W.Cubitt) puis de nouveau au 20e siècle (avec les systèmes Dekker et Bilau), les formes d’ailes évoluèrent mais les matériaux restèrent les mêmes (avec l’ajout de l’aluminium). ⁷ De plus, et contrairement aux éoliennes actuelles que l’on remplace entièrement au bout de 25 ans environ, les moulins d’antan pouvaient fonctionner pendant des décennies - voire des siècles - car ils étaient régulièrement réparés et entretenus.

En jetant un œil à l’histoire de l’énergie éolienne, on réalise qu’utiliser du plastique n’est pas une fatalité.

La première éolienne construite aux États-Unis par Charles F. Brush possédait d’une « aile annulaire » composée de 144 fines pales en bois de cèdre. La première éolienne d’Europe, construite par Paul La Cour au Danemark, avait quatre ailes traditionnelles munies de lattes de bois avec une hélice de 22,8 m de diamètre.

Le modèle de La Cour fut copié par d’autres entreprises danoises, ainsi entre 1900 et 1920 on a pu observer des milliers d’éoliennes en action sur les fermes danoises. Pendant la première moitié du vingtième siècle, des douzaines d’éoliennes expérimentales furent construites, dont certaines avec des pales d’acier comme l’éolienne états-unienne « Smith-Putnam » de 1939. ⁸

Image: L’éolienne de Gedser utilise une structure métallique pour améliorer la rigidité de ses pales.

C’est en 1957 que Johannes Juul – un élève de Paul La Cour – construisit l’éolienne tripale de Gedser. Son hélice avait un diamètre de 24m et une structure en câbles d’acier permettait de consolider les pales et l’hélice dans son ensemble. Les pales étaient faites de longerons d’aciers, avec une carapace d’aluminium renforcée par des nervures de bois.

Jusqu’au milieu des années 1980, l‘éolienne de Gedser resta la plus grande réussite de l’industrie éolienne. Elle fonctionna pendant 11 ans sans aucune maintenance et généra jusqu’à 360 000 kWh par an. Pourtant, lorsqu’un roulement à bille vînt à défaillir, elle ne fut pas réparée et cessa de fonctionner. A la fin des années 1970, lorsqu’elle fût rénovée et testée, elle obtenait de meilleures performances que les premières éoliennes à pales en fibre de verre. ⁸⁹

C’est la taille qui compte

C’est en 1978, au Danemark, que la première éolienne à pales en fibre de verre fut mise en place afin d’alimenter une école en électricité. Avec son hélice de 54 m, l’éolienne « Tvind » était à l’époque la plus grosse éolienne jamais construite. A partir de 1980, la fibre de verre devînt la norme au Danemark et le « design Danois » fut ensuite exporté partout dans le monde. C’est ainsi que les pales en plastique en vinrent à définir l’éolienne moderne, ce qui nous confronte à un dilemme.

C’est principalement l’envie de construire de plus grandes éoliennes qui a motivé les industriels à passer à la fibre de verre . En effet, de grandes éoliennes réduisent le coût d’électricité produite par kilowattheure, et ce pour deux raisons : les vents sont plus puissants à plus haute altitude, et doubler la taille du rayon d’une hélice multiplie mécaniquement le rendement par quatre. Ce désir de construire toujours plus gros est au centre des préoccupations de l’industrie éolienne. Les plus grosses hélices, qui atteignaient 50 m de diamètre dans les années 1990, ont atteint les 120 m dans les années 2000. De nos jours, les plus grandes éoliennes off-shore dépassent les 160 m, et une éolienne de 12MW avec un rotor de 220 m de diamètre est en cours de construction aux Pays-Bas. ³⁶¹⁰

Pale d’éolienne améliorée des années 1940, conçue puis fabriquée par P.L Fauel. Image: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Il est à noter toutefois que lorsque la taille de l’hélice augmente, son poids augmente également. Cela force les constructeurs à utiliser des matériaux plus légers (NDT : pour que les pales restent manipulables et n’entraînent pas une usure excessive des composants). En outre, plus les pales sont de grande taille plus elles tendent à fléchir face au vent : l’utilisation de matériaux exceptionnellement rigides est nécessaire pour maintenir des performances aérodynamiques optimales et éviter qu’une pale ne se déforme au point de venir percuter le mât. Pour résumer, les grandes éoliennes et leurs pales très longues mettent à rude épreuves leurs matériaux de construction, à un point qui exclut d’emblée l’utilisation de matériaux recyclables. ¹¹¹² Dès lors, les éoliennes deviennent de plus en plus efficientes mais également de moins en moins durables.

Les grandes éoliennes et leurs pales très longues mettent à rude épreuves leurs matériaux de construction.

Cette tendance se poursuit actuellement par l’utilisation croissance de plastique renforcé de fibre de carbone, un matériau à la fois plus résistant, rigide et léger que le plastique renforcé de fibre de verre. ¹¹ L’utilisation de ce nouveau matériau – qui complique encore une fois les tentatives de recyclage des pales – est en train de devenir une norme dans les plus grandes éoliennes, et est utilisé pour consolider les parties soumises aux contraintes les plus intenses comme la racine des pales et les semelles de longeron (spar caps).

Ainsi, nous sommes entrés dans une nouvelle ère : désormais on attend des pales d’éolienne qu’elles soient si grandes que les construire en plastiques composites renforcés de fibre de verre ne suffit même plus.

Réinventer la pale d’éolienne

Il est intolérable qu’une industrie qui se prétend durable et renouvelable déverse chaque année des millions de tonnes de plastique dans les décharges. Avec ce constat, serait-il possible de revenir sur nos pas et de n’utiliser que des matériaux recyclables pour nos éoliennes comme par le passé ? Quelle taille pourraient-elles atteindre ? Dans quelle mesure est-il possible de réconcilier durabilité et efficacité ?

Moulin amélioré des années 1930, conçu par Kurt Bilau. La tour est en pierre et les ailes en bois et aluminium. Image: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

La recherche de nouveaux modèles de pales d’éoliennes plus durables se concentre sur des solutions qui emploient le plastique comme principal matériau. Les thermoplastiques peuvent être fondus puis réutilisés, ce qui pourrait permettre de recycler les pales fatiguées pour en faire de nouvelles, peut-être même directement sur place. Malheureusement ce matériau est bien moins résistant et rigide que les plastiques renforcés actuels, ainsi les pales construites en thermoplastiques n’ont jamais atteint une longueur de plus de 9 m jusqu’à présent. ¹¹³

Dans un autre domaine, on étudie la possibilité de remplacer la fibre de verre par de la fibre de bois ou de chanvre. Les pales construites ainsi peuvent atteindre de plus grandes tailles que celles construites en thermoplastiques, mais l’amélioration est très faible en matièere de durabilité par rapport aux pales époxy-fibre de verre. ¹⁴¹⁵ C’est bien l’époxy, dérivé du pétrole, qui est le plus nocif des deux composants, et les pales utilisant les fibres de chanvre ont besoin d’une plus grande quantité d’époxy pour atteindre les propriétés aérodynamiques escomptées.¹⁶¹⁷¹²

La longueur que l’on peut donner aux pales de bois n’est plus déterminée par la disponibilité de grands troncs d’arbre de consistance homogène.

Certains ingénieurs et scientifiques essaient d’autres approches et s’intéressent à des méthodes de construction en bois plus traditionnelles. Pour les éoliennes de petite taille, il est possible de tailler les pales dans du bois massif. Pour les éoliennes plus grandes, il est possible de créer une coque aérodynamique évidée munie d’une structure interne de nervures et de lisses (EN:stringer) soutenues par une poutre, le longeron – le tout créé à partir de planches, poutres et panneaux de « lamibois ».

Le Lamibois

Le lamibois – matériau composite constitué de fines couches de placage de bois collées – est apparu dans les années 1980 et présente de sérieux avantages par rapport au bois massif . En effet, la consistance du bois massif peut être très variable, même dans un seul tronc d’arbre : ainsi la taille des longerons utilisés pour les moulins traditionnels était limitée par la disponibilité de grands troncs d’arbres de consistance homogène. Le plus grand moulin traditionnel jamais construit – le Murphy Mill à San Francisco, 1900 – possédait une hélice de 35 m de diamètre.

Aile « Patent Sail» dotées du système Dekker, années 1940. Image: Reboelje.

En revanche, le processus de production du lamibois permet de répartir les défauts du tronc (comme les nœuds du bois), ce qui apporte une rigidité plus homogène au matériau. Ainsi il peut être utilisé pour construire de plus grandes pales d’éolienne. ¹² Le lamibois est aussi plus léger et moins cher que la fibre de verre. La solidité et la rigidité du matériau sont moins élevées, mais étant donné que la plupart des forces s’exerçant sur les pales sont dues à leur propre poids, une pale de bois plus légère n’a pas besoin d’être aussi solide qu’une lourde pale de fibre de verre. ¹²

Toutefois, la faible rigidité du bois rend difficile la limitation des déformations élastiques dans le cas de grandes pales.

Une étude de 2017 de l’Université de Amherst, Massachusetts portant sur une éolienne de 5 MV munie de pales de 61,5m a calculé que pour pouvoir être suffisamment rigide et résister aux forces auxquelles elle est exposée, une pale de 60 m faite de panneaux de lamibois devrait peser 2,8 fois plus qu’une pale composite (48 tonnes pour 17 tonnes) et avoir une épaisseur de lamibois de 50 cm. ¹² Il est donc bel et bien techniquement possible de construire une pale de lamibois de 60 m, mais cela n’est pas pratique : une éolienne munie de pales si lourdes devra être bien plus solide pour résister au stress créé par ce poids, ce qui la rend plus chère et plus coûteuse en ressources à la construction.

Trouver un compromis ?

On peut aborder le problème de deux manières : la première serait de concevoir une pale en lamibois, la doter d’un longeron en polymère renforcé de carbone (PRFC) et la recouvrir d’une couche de composite renforcé de fibre de verre. L’étude mentionnée ci-dessus a montré qu’une telle pale « hybride » bois-carbone est suffisamment rigide pour atteindre les 61,5 m pour une éolienne de 5 MW, et pèse jusqu’à 3 tonnes de moins qu’une pale en fibre de verre. ¹² Une autre étude portant sur une pale hybride bois-carbone de taille similaire arrive à la même conclusion, à la différence que la pale ainsi obtenue est légèrement plus lourde que la pale en plastique. ¹⁴

Une pale essentiellement fait de lamibois mais renforcée de longerons de carbone peut dépasser les 60 m de long. De telles pales hybrides contiennent moins de composés plastiques, et ces plastiques ne sont pas entrelacés dans le bois : au contraire ce sont deux couches séparées ce qui rend plus facile la réutilisation, le recyclage ou l’incinération des pales en fin de vie.

Cependant, selon les deux études mentionnées ci-dessus, une pale hybride bois-carbone contient toujours entre 2,5 tonnes 14 et 6,2 tonnes 12 de plastique. Ainsi pour une éolienne tripale de 5 MW, cela représente entre 7,5 et 18,4 tonnes de déchets non recyclables. En comparaison, une pale conventionnelle en produit actuellement 50 tonnes.

Des éoliennes plus petites ?

A l’aune des dommages environnementaux causés par les pales d’éoliennes conventionnelles, on pourrait être tenté de considérer les dommages plus modestes causés par l’utilisation de longerons carbone-époxy dans les pales de bois comme négligeables. Pourtant, ce changement de matériaux ne peut suffire à résoudre le problème des déchets de l’industrie et la production croissante d’éoliennes continuera de générer des flux de déchets de plus en plus massifs.

Image: Pale éolienne en lamellé-collé avec des semelles de longeron en carbone. Source: [^14]

Si l’on voulait se montrer plus ambitieux dans notre définition d’une production éolienne durable, on pourrait choisir de construire nos éoliennes intégralement en (lami)bois, même si nous devrions pour cela nous contenter d’éoliennes plus petites.

On peut aussi opposer un autre argument à la recherche d’efficience à tout prix : le manque de durabilité induit par la taille croissante des éoliennes concerne non seulement les pales, mais aussi d’autres composants qu’il devient de plus en plus courant de fabriquer en composites plastiques (NDT : pour résister au poids des pales) – particulièrement le cône frontal et la coque de la nacelle (l’habitacle qui protège des éléments le générateur, le multiplicateur et les autres équipements auxiliaires). ¹²³⁴

On peut aussi mentionner l’utilisation croissante de pièces électroniques tout simplement impossibles à recycler et des moteurs à aimants permanents à base de terres rares, qui ne coûtent moins chers qu’une boîte de vitesses mécanique que grâce à une industrie minière de plus en plus destructrice. Les éoliennes de grandes tailles sont aussi responsables de la mort d’un plus grand nombre d’oiseaux et de chauve-souris. ¹⁸

On pourrait améliorer sensiblement la durabilité au prix d’une perte mineure d’efficacité.

On pourrait améliorer sensiblement la durabilité au prix d’une perte mineure d’efficacité. Les défenseurs de l’énergie éolienne seront peut-être opposés à cette idée, car elle rendrait l’éolienne incapable de concurrencer les énergies fossiles en termes de prix. Mais on pourrait imaginer contrebalancer le coût plus élevé de l’éolien en augmentant celui des énergies fossiles.

Notre problème en réalité est que nous choisissons de continuer à juger de la viabilité de l’énergie éolienne en utilisant les énergies fossiles les moins coûteuses comme unité de mesure. C’est parce que nous essayons à tout prix de concurrencer les énergies fossiles – c’est à dire de produire autant d’énergie que celle nécessaire à un mode de vie basé sur l’abondance d’énergies fossiles – que nous avons rendu les éoliennes de plus en plus néfastes pour l’environnement. Si nous choisissons de réduire la demande en énergie, se contenter d’éoliennes plus petites et moins efficientes n’est plus un problème.

Image: La première éolienne construite aux États-Unis par Charles F. Brush possédait d’une « aile annulaire » (EN : annular sail) composée de 144 fines pales en bois de cèdre

Jusqu’à quelle taille pouvons-nous construire des éoliennes viables si l’on utilise uniquement du lamibois ? Personne ne semble étudier la question. Je l’ai posée à Rachel Koh, la scientifique qui a calculé les caractéristiques de la pale lamibois de 61,5 m, mais elle n’a pas pu m’en apprendre beaucoup plus : « Le modèle que j’ai créé n’est applicable qu’à une éolienne de 5 MW. Il serait hypothétiquement possible de mener une autre étude pour répondre à votre question, mais ça nécessiterait beaucoup de travail. » Elle note également qu’il est sûrement possible d’améliorer encore plus la rigidité du lamibois par des innovations industrielles.

Une Forêt d’Éoliennes

Que l’on opte pour des pales géantes en bois-carbone ou de plus petites pales entièrement en bois, dans les deux cas il est déjà possible de construire la tour et la coque de la nacelle en bois. En 2012, l’entreprise allemande TimberTower a construit une tour en lamibois de 100 m de hauteur pour équiper une éolienne de 1,5 MW. On pourrait penser que construire une tour d’éolienne en bois n’apporte pas grand-chose de plus, car le bois vient remplacer de l’acier qui est déjà parfaitement recyclable. Et pourtant, une éolienne construite intégralement en bois présente des avantages supplémentaires :

Illustration: Eva Miquel pour Low-tech Magazine

Utiliser du bois permettrait à l’énergie éolienne de s’affranchir de l’industrie minière et des énergies fossiles, à l’exception des parties mécaniques et électriques (mais il est déjà possible d’améliorer ce point en utilisant l’énergie du vent pour la production d’énergie mécanique directe ou la production directe de chaleur). ¹⁹

De plus, des parcs éolien faits de bois feraient office de puits de carbone – car leurs composants de bois séquestreraient du CO2 issu de l’atmosphère.

Enfin, l’espace présent entre les éoliennes qui composent parcs éoliens, très peu propice à des zones résidentielles, pourrait en revanche être utilisé pour planter une forêt dont le bois servirait à construire la génération d’éolienne suivante. Ainsi le bois pourrait être scié, transformé et assemblé sur place, ce qui diminuerait grandement l’énergie nécessaire au déplacement des pièces d’éoliennes.

Les éoliennes déjà en place, dont l’action serait complétée par l’usage de la biomasse forestière, pourraient fournir l’énergie nécessaire pour fabriquer le lamibois et les différents composants. Le parc éolien pourrait ainsi devenir un modèle en matière d’économie circulaire, surtout si l’on choisissait de n’utiliser que du bois pour les pièces le composant.

Et les panneaux solaires dans tout ça ?

Un prochain article s’intéressera à la durabilité des panneaux solaires. L’énergie photovoltaïque est-elle condamné à produire des déchets toxiques ? Est-il possible de construire des panneaux solaires uniquement en matériaux recyclables ? Et quelles seraient les conséquences sur le coût et l’efficience de cette source d’énergie ?

Kris De Decker

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩︎
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩︎ ↩︎
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2009). here ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩︎ ↩︎
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩︎
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩︎
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩︎ ↩︎
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩︎
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩︎ ↩︎
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩︎
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩︎
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩︎
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎