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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. ↩︎ ↩︎
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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). ↩︎ ↩︎
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Les fermes verticales ne font pas gagner d’espace

Tue, 16 Feb 2021 00:00:00 +0000

Récemment on a vu l’émergence d’un type d’agriculture urbaine, dans des « fermes » d’intérieur, où un éclairage électrique permet aux plantes de pousser en couches superposées et ce en toutes saisons. Les adeptes de ce type de culture affirment qu’il permettrait de limiter l’occupation des terres arables. Cette technique présente également d’autres avantages : il est possible de réaliser des économies d’énergie sur le transport des produits agricoles jusqu’aux consommateurs (la plupart d’entre eux vivant en ville). Le procédé dépense également moins d’eau et de pesticides que d’autres types d’agriculture.

Quelles cultures sont concernées?

Toutes les fermes verticales existantes et commercialement actives depuis plusieurs années se concentrent sur les mêmes produits agricoles. Il s’agit des végétaux à haute teneur en eau comme les laitues, tomates, concombres, poivrons et aromatiques. Ces produits ne contiennent que très peu de glucides, de protéine ou d’acides gras, il ne permettent en aucun cas de subvenir aux besoins nutritionnels d’une ville entière. Les végétaux qui permettent de nourrir de grandes populations sont les légumineuses, les céréales, les légumes racine et les oléagineux. A travers le monde, la culture de ces plantes nourricières représente 16 millions de kilomètres carrés de terres cultivées – presque la surface de l’Amérique du Sud. ¹

Faire pousser du blé verticalement

Une installation artistique actuellement exposée à Bruxelles - The Farm – se penche sur la manière dont il serait possible de faire pousser du blé en agriculture verticale : 1 mètre carré de blé a été semé dans un environnement complètement artificiel et les différents apports en eau et en énergie ont été mesurés. Le projet témoigne finalement de l’importance que revêtent les écosystèmes naturels dans la production de notre nourriture: en effet lorsque du blé est semé en pleine terre, et non dans des caissons superposés les uns aux autres, le soleil et les nuages lui procurent toute l’énergie et l’eau dont il a besoin, et ce gratuitement.

Une miche de pain à 345 euros

L’expérience nous montre que faire pousser 1 mètre carré de blé dans un environnement artificiel génère un coût de 2577 kilowatt-heures d’électricité et 394 litres d’eau par an. L’énergie qui a servi à fabriquer le matériel nécessaire à l’installation (comme les éclairages) n’est pas pris en compte dans ces calculs, on peut donc considérer qu’il s’agit d’un montant sous-estimé. L’énergie requise pour le fonctionnement du bâtiment n’est pas prise en compte non plus, c’est à dire pour la construction, le chauffage, la climatisation et le pompage de l’eau.

Le calcul des coûts inclut par contre le prix des équipements qui composent l’installation (1277 euros). Leur durée de vie est estimée à 8 ans. Ainsi, la production de 1 m² de blé en milieu artificiel coûte 610 euros par mètre carré et par an (en incluant les infrastructures, l’électricité et l’eau). Sur ce montant, 412 euros sont dépensés en électricité et seulement 1 euro en consommation d’eau. À noter que ce calcul est peut-être surestimé car l’installation se situe dans un espace d’exposition.

La « ferme » génère quatre récoltes de blé par an. Chaque récolte fournit assez de blé pour faire une miche de pain (580 grammes), qui représente donc un coût de 345 euros au bas mot. Chaque miche de pain contient 2000 kilocalories, qui est la quantité dont une personne moyenne a besoin par jour. On peut en déduire qu’il faut produire 91 m² de blé artificiel par personne et par an, pour un coût total de 125 680 euros l’année.

Le paradoxe de l’agriculture verticale

L’éclairage artificiel permet de gagner de la place car les plantes peuvent être cultivées les unes superposées aux autres. Cependant, si l’électricité qui alimente l’éclairage provient de panneaux solaires, les économies d’espace au sol seront nulles, car l’installation des panneaux consomme également de l’espace. La ferme verticale est un paradoxe, sauf si l’énergie nécessaire au système provient de combustibles fossiles ², mais dans ce cas ces fermes ne représentent plus une solution très durable.

Si l’on considère des panneaux solaires avec un rendement de 175 kilowatt-heures par mètre carré de panneau, la culture en intérieur de 1 m² de blé nécessite 20 m² de panneaux solaires. Encore une fois, les montants sont sous-estimés car les calculs sont basés sur le rendement moyen d’un panneau solaire, or il y a beaucoup moins de soleil en hiver qu’en été. En réalité, une ferme verticale aurait besoin de beaucoup plus de panneaux solaires pour continuer à fonctionner tout au long l’année, ainsi que d’une infrastructure de stockage d’énergie, qui coûte elle aussi de l’argent et de l’énergie pour la produire. Enfin, la production de panneaux solaires elle-même nécessite de l’énergie, ce qui signifie encore plus d’espace occupé si le processus de production de cette énergie lui-même devait fonctionner à l’énergie solaire.

De l’innovation?

Toutes ces critiques s’appliquent également aux fermes verticales qui cultivent des laitues et des tomates. Dans ce cas cependant, on constate une réduction significative de la consommation d’eau pour mener la culture à maturité. Il est vrai que ces entreprises sont rentables, mais uniquement parce que le processus repose sur un approvisionnement en combustibles fossiles bon marché. Si l’énergie consommée par les fermes provenait exclusivement de panneaux solaires, les coûts et l’espace supplémentaires nécessaires pour l’approvisionnement en énergie annuleraient à nouveau les économies réalisées. Il ne resterait alors qu’un seul atout aux fermes verticales : la culture en ville qui permet de réduire les distances de transport – et la consommation d’énergie fossile que cela représente. Cependant d’autres solutions peuvent être envisagées pour résoudre ce problème, comme rendre les transports entre la ville et la campagne plus soutenables écologiquement.

L’agriculture est polluante, non pas parce qu’elle a lieu à la campagne – trop loin des consommateur finaux – mais plutôt parce que la production dépend fortement des combustibles fossiles. L’agriculture verticale n’est pas une solution puisqu’elle remplace, une fois de plus, une énergie solaire gratuite et renouvelable par une technologie coûteuse et dépendante des énergies fossiles (lampes LED + ordinateurs + bâtiments en béton + panneaux solaires). Notre mode de vie devient de moins en moins durable, de plus en plus dépendant des matières premières, des infrastructures, des machines et des énergies fossiles. Malheureusement, cela s’applique également à presque toutes les technologies que nous qualifions aujourd’hui de durables.

Plus d’info: Solar Share (The Farm), by Disnovation.org (Maria Roszkowska, Nicolas Maigret) and Baruch Gottlieb.

Smil, Vaclav. “Il sera plus compliqué que prévu que de se débarrasser des énergies carbonées [Blueprints for a Miracle].” IEEE Spectrum 55.6 (2018): 72-75. ↩︎
L’énergie nucléaire et les éoliennes sont d’autres otpions envisagées. Voir les commentaires. ↩︎

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

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