Le moteur asynchrone triphasé
I. CONSTITUTION :Le moteur asynchrone triphasé, qui est le récepteur de puissance des installations industrielles, est formé d'un :
- Stator : la partie fixe du moteur. Il comporte trois bobinages (ou enroulements) qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle ∆ selon le réseau d'alimentation.
- Rotor : la partie tournante du moteur. Cylindrique, il porte soit un bobinage (d'ordinaire triphasé comme le stator) accessible par trois bagues et trois balais (figure 3), soit une cage d'écureuil non accessible,à base de barres conductrices en aluminium(figures1et 2).
Le moteur asynchrone à cage est très répandu dans le domaine industriel, de par sa grande robustesse mécanique, son faible coût et sa très bonne standardisation. La plage des puissances des machines asynchrones s'étend de la centaine de Watts à la dizaine de Mégawatts.
Figure 4 : le moteur asynchrone triphasé II . BRANCHEMENT DU MOTEUR ASYNCHRONE TRIPAHSÉ :
Le stator d'un moteur asynchrone triphasé comporte trois enroulements identiques qui sont couplés :
- Soit en étoile (Y)
Le choix du couplage dépend :
- Soit en triangle (∆)
- Des tensions du réseau.
L'utilisateur choisit le couplage qui convient par l'intermédiaire de la plaque à borne du moteur, qui comporte six bornes auxquelles sont reliées les entrées et les sorties des trois enroulementsNormalisation des bornes :Entrées : U1, V1 et W1. Sorties : U2, V2 et W2.Détermination du couplage :
- Des indications portées sur la plaque signalétique qui donne les conditions normales de fonctionnement (dites aussi nominales).
- si la plus petite tension de la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phase du réseau on choisit le couplage triangle ∆.
- si la plus grande tension de la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phase du réseau on choisit le couplage étoile Y.
III . PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :LES BOBINAGES STATORIQUES, ALIMENTÉS PAR DES COURANTS TRIPHASÉS DE PULSATION W, CRÉENT UN CHAMP MAGNÉTIQUE B TOURNANT À LA VITESSE WS=W/P OÙ P EST LE NOMBRE DE PAIRE DE PÔLES AU STATOR.CE CHAMP (FLUX) TOURNANT BALAIE LE BOBINAGE ROTORIQUE ET Y INDUIT DES FORCES ÉLECTROMOTRICES (FÈM) D'APRÈS LA LOI DE LENZ. LE BOBINAGE ROTORIQUE ÉTANT EN COURT-CIRCUIT, CES FÉM Y PRODUISENT DES COURANTS INDUITS.C'EST L'ACTION DU CHAMP TOURNANT B SUR LES COURANTS INDUITS QUI CRÉE LE COUPLE MOTEUR. CE DERNIER TEND À RÉDUIRE LA CAUSE QUI A DONNÉ NAISSANCE AUX COURANTS, C'EST À DIRE LA ROTATION RELATIVE DU CHAMP TOURNANT PAR RAPPORT AU ROTOR. LE ROTOR VA DONC AVOIR TENDANCE À SUIVRE CE CHAMP.LE ROTOR TOURNE FORCÉMENT À UNE VITESSE W < WS (D'OÙ LE TERME ASYNCHRONE).POUR CHANGER LE SIGNE DE WS (DONC LE SENS DE ROTATION), IL SUFFIT DE PERMUTER DEUX FILS DE PHASE.IV. PROBLÈME DE DÉMARRAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES :Le branchement du moteur au réseau de distribution peut se réaliser :1. Sans perturbation pour les autres récepteurs et sans détérioration du moteur : l'équipement de démarrage est dit à démarrage direct.2. Avec perturbations à la fois pour le réseau et les autres récepteurs ou avec détérioration du moteur : l'équipement de force motrice doit assurer le démarrage suivant un procédé qui élimine ou qui réduit dans leurs limites réglementaires ces perturbations et qui évite toute détérioration.D'une façon générale et quel que soit le type de moteur, les différents procédés de démarrage ont pour objectif la réduction de l'intensité de démarrage. V. DÉMARRAGE DIRECT : V.1 PRINCIPE : DANS CE PROCÉDÉ LE STATOR DU MOTEUR EST BRANCHÉ DIRECTEMENT SUR LE RÉSEAU D'ALIMENTATION TRIPHASÉ. LE DÉMARRAGE S'EFFECTUE EN UN SEUL TEMPS. V.2 CARACTÉRISTIQUE TECHNIQUE :SEULS LES MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASÉS AVEC ROTOR EN COURT-CIRCUIT OU ROTOR À CAGE PEUVENT ÊTRE DÉMARRÉS EN DIRECT.AU DÉMARRAGE DU MOTEUR LA POINTE D'INTENSITÉ EST DE L'ORDRE DE 4 À 8 FOIS L'INTENSITÉ NOMINALE.LE COUPLE AU DÉCOLLAGE EST IMPORTANT, ENVIRON 1,5 FOIS LE COUPLE NOMINAL.V.3 DÉMARRAGE DIRECT SEMI-AUTOMATIQUE UN SENS DE MARCHE :On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans un sens de rotation par un bouton poussoir S1 et l'arrêter par l'appui sur un bouton poussoir S0.
F : contact auxiliaire du relais thermique S0 : bouton poussoir arrêt S1: bouton poussoir marche KM1 : bobine du contacteur KM11 : contact auxiliaire du contacteur
F : contact auxiliaire du relais thermique S0 : bouton poussoir arrêt S1: bouton poussoir marche KM1 : bobine du contacteur KM11 : contact auxiliaire du contacteur
On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans deux sens de rotation, par un bouton poussoir S1, on commande le sens 1 et on démarre le sens 2 par un bouton poussoir S2 et l'arrêter par l'appui sur un bouton poussoir S0.V.4.1 Schéma fonctionnel :
V.4.2 Circuit de puissance :KM1 : contacteur sens 1 KM2 : contacteur sens 2
V.4.3 Circuit de commande :V.3.1 Schéma fonctionnel :V.3.2 Circuit de puissance : V.3.3 Circuit de commande :V.4 Démarrage direct semi-automatique deux sens de marche :
Pourquoi utiliser une pompe à chaleur
Les pompes à chaleur sont des appareils qui sont utilisés pour chauffer ou refroidir un lieu. Le lieu peut être votre maison, bureau ou tout autre endroit de votre maison. Il est assez intéressant de noter que les pompes à chaleur peuvent être utilisés à la fois chauffer et climatiser une maison. Quand ils agissent comme un appareil de chauffage, ils puisent la chaleur nécessaire à partir de l'air ambiant ou de la terre, et réchauffent les chambres, alors que le processus inverse est réalisée à refroidir la pièce. Simplement dit, quand il agit comme un réfrigérant, ils tirent sur la chaleur ou de l'air chaud dans les chambres et rendent donc plus frais. Ils sont des dispositifs particuliers et sont très efficaces dans leur travail. Dans la quête pour résoudre la crise énergétique mondiale croissante, les pompes à chaleur peuvent être mieux utilisées comme source d'énergie alternative pour les appareils ménagers et les bureaux. Ils donnent même une excellente réponse dans les zones où il ya un climat doux. Leur installation peut vous aider à économiser sur votre budget, des lourdes dépenses des climatiseurs et fours. Il existe plusieurs types de pompes à chaleur, comme source d'air, géothermique et pompes à chaleur géothermiques.
Travail des pompes à chaleur géothermiques
L'énergie géothermique est l'énergie qui est enfoui profondément sous la terre. Comme son nom l'indique, la géothermie est dérivé des mots grecs «géo» (la Terre) et «thermos» (thermique / chaleur). Il est un fait que la température de la Terre à grande profondeur se situe entre 50 et 70 0 C. L'énergie géothermique est généralement plus utile dans les zones proches des frontières des plaques tectoniques, comme le magma à proximité de ces endroits se lève souvent près de la surface. La géothermie est désormais un sujet majeur de recherche et les scientifiques tentent d'exploiter cette forme d'énergie dans toute la mesure possible. Dans les pompes à chaleur géothermiques, pas de carburant est nécessaire pour la fourniture de la chaleur. Au lieu de cela, comme mentionné l'énergie thermique de la Terre est alimenté par des canalisations à l'endroit précis où la chaleur est nécessaire. Comment est la chaleur fournie à de longues distances? Eh bien, il ya une série de tuyaux, appelés boucles qui sont installés sous la surface des lacs ou de la terre souterraine et avec l'aide de ces tuyaux, la chaleur est fournie aux foyers.
Vous devez avoir observé les tubes immergés dans les rivières et les lacs dans de nombreux domaines, où les pompes à chaleur géothermiques sont largement utilisés. Lorsque la chaleur atteint sa destination, compresseurs fonctionnant électriquement et échangeurs de chaleur se concentrent l'énergie thermique. Cette forme concentrée d'énergie de chaleur est à une température plus élevée, ce qui est finalement libérée à l'intérieur des maisons. Dans la maison, le conduit ramifié fonctionne pour distribuer la chaleur à différentes pièces. Durant la saison estivale, les pompes à chaleur géothermiques puisent l'énergie de l'excès de chaleur de la maison et permet la Terre absorber. Son fonctionnement est exactement similaire à celle des climatiseurs, qui aspirent l'air chaud excès de la maison et soufflent de l'air froid dans les chambres!
De travail de sol Pompes à chaleur géothermiques
Les pompes à chaleur géothermiques sont utilisés dans les maisons et les lieux de travail. Une pompe à chaleur géothermique typique se compose d'une boucle de masse, une pompe à chaleur et un système de distribution de chaleur. Les boucles de masse sont constitués de tuyaux en plastique, qui sont enterrés dans le sol. En règle générale, les tuyaux sont soit enterrés dans des trous ou des tranchées horizontales. Cependant, un système de boucle verticale et moulante est également utilisé dans de nombreux endroits. Le tube est rempli d'un mélange d'eau et d'antigel, qui circule dans la boucle qui est enfoui dans le jardin ou tout autre endroit approprié. Lorsque le liquide se déplace autour de la boucle, il absorbe de l'énergie thermique du sol. La longueur de la boucle dépend de la quantité de chaleur dont vous avez besoin et la taille de votre maison. Comme mentionné précédemment, la boucle est enroulé dans des tranchées (2 mètres de profondeur) ou posé à plat, mais si vous avez moins de place, alors vous pouvez installer verticalement la boucle à une profondeur d'environ 100 mètres. L'efficacité d'une pompe à chaleur géothermique est mesurée par un coefficient appelé coefficient de performance, qui est un rapport de la quantité d'électricité consommée et la chaleur produite.
Les pompes à chaleur sont rentables, efficaces et respectueux de l'environnement. Cependant, les pompes à chaleur, comme les pompes à chaleur géothermiques, nécessitent de l'électricité et donc ils sont certainement beaucoup de ressources. Pourtant, les pompes à chaleur sont considérées comme une option viable pour résoudre les problèmes d'énergie.
De la lumière à l’électricité
Le terme « photovoltaïque » est composé du mot de grec ancien « photos » (φωτoς : lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le français Antoine-César Becquerel, désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité.L’effet photovoltaïque représente ainsi la seule alternative existante à la production d’électricité à partir de la force mécanique, puisque toutes les autres techniques sans exception, renouvelables ou non, font appel à des génératrices tournantes (alternateurs ou dynamos) qui peuvent être actionnées de diverses manières : vapeur, vent, force de l’eau, courants marins, …Outre cette spécificité qui le distingue très nettement des autres techniques, le photovoltaïque possède de nombreuses qualités qui présentent autant d’avantages :- Basé sur un phénomène physique imperceptible, son fonctionnement n’occasionne strictement aucune nuisance ou impact sur l’environnement immédiat : ni mouvement, ni bruit, ni odeur, ni émission quelconque.
- Le fonctionnement d’un système photovoltaïque ne fait appel à aucune pièce en mouvement, le risque de panne ou d’accident est donc quasiment nul et le niveau de fiabilité très élevé.
- Les caractéristiques physiques des matériaux photovoltaïques ne s’altèrent pas dans le temps, et la baisse de rendement des panneaux, que l’on peut éventuellement observer et due essentiellement aux imperfections mineures de fabrication, est très lente et très limitée, ce qui permet aux fabricants d’apporter une garantie de rendement pouvant aller jusqu’à 30 ans.
- Hormis le coût d’investissement, l’accès à la ressource énergétique primaire est totalement libre et gratuit, puisqu’il s’agit de la lumière du soleil, et comme les besoins d’entretien et de maintenance sont très réduits (ils concernent essentiellement l’électronique de régulation et de connexion), le bilan économique est prévisible avec un haut degré de certitude.
- L’alternance jour/nuit étant un phénomène universel, même si sa répartition temporelle peut être très différente selon les lieux, le photovoltaïque peut fonctionner en tout point du globe terrestre avec un écart de potentiel annuel allant de 1 à 4 en entre le moins bon et le meilleur site.
- La quantité d’énergie récupérable en un lieu donné est directement proportionnelle à la surface exposée à la lumière du soleil, ce qui confère au photovoltaïque un caractère intrinsèquement modulaire et flexible : la surface des capteurs va de quelques cm2 pour l’alimentation d’une calculette à plusieurs centaines de milliers de m2 pour les centrales au sol et cette taille peut être modifiée à tout moment par simple ajout (ou retrait) de « tranches », sans même interrompre le fonctionnement de l’installation existante.
Le soleil, source d’énergie renouvelable
Tout comme le Monsieur Jourdain du Bourgeois Gentilhomme qui faisait de la prose sans le savoir, chacun des êtres vivants, du plus microscopique organisme unicellulaire au plus grand des pachydermes, utilise de l’énergie pour naître, croître et se maintenir en vie.C’est le soleil qui, dès l’origine même de la vie, a fourni cette énergie que les micro-organismes marins primordiaux, sans conteste les champions de l‘efficacité énergétique, ont appris à exploiter pour fabriquer, grâce à la photosynthèse, de la matière organique à partir de molécules d’eau et de carbone, sans doute l’une des plus formidables astuces qui ait jamais été trouvée.C’est cette même photosynthèse qui a permis ensuite aux végétaux de travailler sans relâche pendant des millions d’années à capturer le carbone présent dans l’atmosphère et à le stocker dans le sous-sol, jusqu’à ce que le taux d’oxygène soit suffisant pour qu’apparaissent des animaux dotés de poumons, capables de se déplacer sur la terre ferme ou dans les airs. Libérés des racines par lesquelles les végétaux se nourrissent et fournissent de la matière organique au sol, ces animaux ont du alors trouver une « technologie embarquée » pour assurer leur survie : ce furent les « chaînes alimentaires ».D’un maillon à l’autre de ces chaînes, ce sont encore, sous forme de nourriture, des transferts d’énergie qui s’effectuent dans le but de satisfaire les besoins vitaux des organismes vivants comme maintenir au bon niveau la température interne du corps ou se déplacer pour toutes sortes de raisons : chercher à manger, fuir le prédateur ou rencontrer l’âme sœur.L’être humain n’échappe pas à cette règle fondamentale de la biologie, mais il a su probablement assez tôt faire fonctionner un cerveau peut-être un peu plus développé que celui des autres espèces pour commencer à maîtriser et exploiter plus efficacement l’énergie que la nature mettait à sa disposition. La maîtrise du feu, la construction d’abris puis de maisons, la confection de vêtements, l’apparition de l’agriculture et de l’élevage, l’invention des bateaux à voile et des moulins à vent, et encore bien d’autres événements, toutes ces grandes étapes qui ont jalonné le développement de l’humanité ont à voir avec l’énergie et avec les manières d’en optimiser l’usage.Depuis la nuit des temps jusqu’à l’ouverture des mines de charbon au milieu du XVIIIème siècle, qui allait déclencher la première révolution industrielle, l’humanité n’a quasiment eu à sa disposition que des énergies renouvelables, toutes directement ou indirectement issues du rayonnement solaire.Déjà à cette époque et jusqu’à aujourd’hui, la concentration d’énergie d’un boulet de charbon, d’une bonbonne de gaz, d’un litre de pétrole et plus encore d’un gramme d’uranium ont exercé sur l’humanité une véritable fascination qui lui a donné l’impression qu’elle était capable de réaliser ses rêves les plus anciens et les plus fous comme voler dans les airs, commander à toute chose ou se moquer des jours et des saisons, en fait que c’en était fini de ses souffrances et de ses malheurs.Mais le rêve était trop beau, il ne pouvait pas durer éternellement !En se mettant à puiser à grandes pelletées sans se poser de questions dans les réserves d’énergie fossiles patiemment accumulées pendant des milliers de millénaires l’humanité a commencé à creuser sa propre tombe : en même temps qu’elle est devenue de plus en plus dépendante d’une drogue de plus en plus dure, les rejets de ses activités ont commencé à modifier le climat et plus largement le fonctionnement de l’écosystème « Terre ».On sait aujourd’hui que si toutes les réserves fossiles sont extraites du sous-sol et brûlées pour satisfaire notre addiction énergétique, le climat en sera irrémédiablement changé, il causera des catastrophes et des souffrances tout aussi graves mais bien plus étendues que celles dont l’humanité a voulu se prémunir à l’origine.Et c’est bien là le problème : il faut convaincre l’humanité de renoncer à la corne d’abondance qu’elle a à portée de main mais qui la conduira inéluctablement à sa propre perte si elle puise dedans sans compter !Heureusement les solutions existent : d’abord réduire ses besoins à ce qui est strictement indispensable en adoptant des comportements empreints de sobriété énergétique ; ensuite utiliser le moins possible d’énergie pour satisfaire les besoins résiduels en faisant appel à toute les actions et techniques d’efficacité énergétique ; enfin, exploiter prioritairement aujourd’hui, et demain exclusivement, les formidables gisements d’énergies renouvelables.Le rayonnement solaire qui parvient sur la Terre en un an représente plus de 10 000 fois la consommation mondiale d’énergie, toutes formes et usages confondus et notre étoile bienfaitrice a une durée de vie prévisible de 5 milliards d’années.Les gisements d’énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz) et fissiles (uranium), même les plus extrêmes, ne représentent quant à eux que quelques dizaines d’années au rythme de leur consommation actuelle (un peu plus d’un siècle pour le charbon), et comme cette consommation ne cesse d’augmenter avec notamment la soif des « économies émergentes » des pays les plus peuplés de la planète (Chine, Inde, Brésil) à imiter nos propres comportements, l’échéance de leur épuisement ne cesse de se rapprocher.Il n’y a pas besoin de savoir laquelle des deux catastrophes qui se préparent, l’épuisement des ressources non-renouvelables ou le changement climatique, adviendra la première pour se tourner résolument vers ces énergies renouvelables qui seules permettront à l’humanité de continuer à vivre sur terre pour les siècles à venir, comme elle l’ont fait depuis les temps immémoriaux.Avec une différence de taille toutefois : grâces aux connaissances scientifiques accumulées et aux innombrables technologies aujourd’hui disponibles même si elles n’en sont qu’aux prémisses de leur développement, elles sont en mesure de répondre de manière efficace et « moderne » à tous nos besoins.Parmi celles-ci l’énergie solaire occupe une place importante : nous vous proposons donc un petit tour d’horizon à son sujet, ainsi que sur les différentes utilisations directes qui peuvent en être faites.
Les applications du photovoltaïque
Marquée par une grande variété permise par les caractéristiques intrinsèques de la technologie photovoltaïque, la longue liste des applications du photovoltaïque peut être divisée en deux grandes catégories :
Les applications autonomes (site isolé), c’est-à-dire non-raccordées à un réseau électrique, apparues les premières, comportent quatre domaines distincts :- les satellites artificiels pour lesquels le photovoltaïque constitue la seule source d’énergie qui réponde à toutes les contraintes
- les appareils portables, aujourd’hui calculettes et montres, demain téléphones et micro-ordinateurs
- les applications « professionnelles », relais de télécommunications, balises maritimes ou aéroportuaires, signalisation routière, bornes de secours autoroutières, horodateurs de stationnement, etc.
- l’électrification rurale des sites isolés, habitat dispersé, refuges, dispensaires et écoles dans les pays en voie de développement, …
les applications raccordées au réseau public de distribution d’électricité que l’on peut subdiviser en trois grands domaines :- les systèmes attachés à un bâtiment consommateur d’électricité, qu’il soit à usage résidentiel (maisons individuelles, habitat collectif social ou privé) ou professionnel (bureaux, commerces, équipements publics, industrie, agriculture,…). Les modules peuvent être « sur-imposés » à la toiture (toit en pente ou toiture-terrasse) sans assurer le clos ni le couvert ou bien « intégrés au bâti » dans une logique de double fonction (clos et couvert, bardage, verrière, garde-corps,…). Leur surface active va de quelques dizaines à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques kilowatts-crêtes à quelques mégawatts-crêtes
- les systèmes posés sur ou intégrés à des structures non-consommatrices d’électricité par elles-mêmes mais pour lesquelles les panneaux remplissent une fonction bien identifiée en sus de la production d’électricité (ombrière de parking, couverture de passage public ou de quai de gare, mur antibruit,…). Leur surface active va en général de quelques centaines à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de kilowatts-crêtes
- les parcs photovoltaïques au sol, constituées de quantités importantes de modules posés sur des structures porteuses, dont la production est exclusivement destinée à l’alimentation directe du réseau électrique. Leur surface active va de quelques milliers à plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés (puissance de quelques centaines de kilowatts à plusieurs dizaines de mégawatts).
Recyclage des systèmes photovoltaïques
Un système photovoltaïque est principalement constitué de modules et d’onduleurs. Le reste étant des composants et raccords électriques classiques, dont le recyclage n’est pas spécifique à la filière photovoltaïque.Contexte réglementaireLa législation européenne en matière de gestion des déchets s’appuie essentiellement sur la directive cadre sur les déchets 2008/98/CE, la directive 2011/65/CE relative aux exigences d’écoconception des produits liés à l’énergie, la directive 2002/95/CE dite RoHS limitant l’utilisation de certaines substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques, et la directive 2002/96/CE dite DEEE (ou D3E) relative aux déchets d’équipements électriques et électroniques.
Depuis 2005, les fabricants d’onduleurs doivent, dans le respect de la directive des D3E réaliser à leurs frais la collecte et le recyclage de leurs produits.
Suite à la révision en 2012 de cette directive, les fabricants des panneaux photovoltaïques vont devoir respecter les obligations de collecte et de recyclage des panneaux, à leur charge.Durée de vieLa durée de vie d’un système est supérieure à 20 ans.
Aujourd’hui, les fabricants garantissent en général 80% de la puissance initiale après 25 ans. Cela ne signifie pas que l’installation doit être démontée au bout de 25 ans, bien au contraire puisqu’elle reste encore en mesure de produire 80% de sa puissance initiale. La fin de vie reste donc à l’appréciation du producteur, selon ses besoins de production (par rapport à ses besoins de consommation par exemple).Démantèlement et CollecteCes opérations, préalables à celles de recyclage proprement dites, nécessitent un suivi et des infrastructures spécifiques.
Le démantèlement d’une installation photovoltaïque consiste à déposer tous les éléments constitutifs du système, depuis les modules jusqu’aux câbles électriques en passant par les structures support.
Dans l’hypothèse d’un service de fourniture d’énergie et non de fourniture d’un système photovoltaïque, la durée de vie d’une installation peut être prolongée par le renouvellement des modules afin de revenir à un niveau de production équivalent ou supérieur à celui de l’année de mise en service. L’opération de démantèlement consistera alors en un échange standard de matériel. Si, après 20 ou 30 ans de service, l’installation doit cesser sa production, alors la totalité des éléments sera démontée pour tri et recyclage.
Les opérations de démantèlement ne sont pas couvertes par la DEEE.
Les opérations de collecte sont d’ordre logistique, et adressent des problématiques d’emballage, d’étiquetage, de stockage et de transport vers les centres de traitement.Recyclage des modules photovoltaïques à base de silicium cristallinAprès séparation mécanique des câbles, boîtes de jonction et cadres métalliques, le recyclage des modules à base de silicium cristallin peut suivre deux voies. Celle du traitement thermique va permettre d’éliminer le polymère encapsulant en le brûlant et de séparer ainsi les différents éléments du module photovoltaïque (cellules, verre et métaux : aluminium, cuivre et argent). Celle du traitement chimique consiste à broyer l’ensemble du module puis à extraire des matériaux secondaires par fractions, selon différentes méthodes.
Une fois séparées des modules, les cellules subissent un traitement chimique qui permet d’extirper les contacts métalliques et la couche anti-reflet.
Ces plaquettes recyclées sont alors :- Soit intégrées dans le process de fabrication de cellules et utilisées pour la fabrication de nouveaux modules, si elles ont été récupérées dans leur intégrité,
- Soit fondues et intégrées dans le process de fabrication des lingots de silicium.
Il est donc important, au vu de ces informations, de mobiliser l’ensemble de la filière pour permettre l’amélioration du procédé de séparation des différents composants (appelé "désencapsulation").- Exemple : L’entreprise allemande Deutsche Solar, filiale de Solarworld, dispose de sa propre usine de recyclage mise en service en 2003 afin de traiter les modules photovoltaïques en fin de vie provenant d’une ancienne centrale photovoltaïque installée sur l’ile de Pellworm en mer du Nord.
Recyclage des modules photovoltaïque en couches mincesCertaines études prospectives estiment que la part de marché des couches minces pourrait atteindre 30% d’ici 2030.
Les technologies couches minces (CdTe, CIS, CIGS…) sont différentes les unes des autres et mettent en jeu des complexes déposés sur un substrat simple (verre ou feuille métallique). Les études réalisées sur le cadmium présent dans les couches minces sous la forme CdTe soulignent la grande stabilité de ce composé. Il n’en demeure pas moins que les modules en fin de vie doivent être traités avec une attention particulière.ValorisationLes filières de valorisation des matériaux extraits lors des opérations de recyclage sont naturellement celle de la production de modules photovoltaïques, mais aussi les filières traditionnelles des matières premières secondaires comme le verre et l’aluminium ainsi que le marché des métaux pour le cuivre, l’argent, le cadmium, le tellure etc.
Fabrication et impact environnemental
La mesure de l’impact environnemental d’une installation photovoltaïque s’effectue par une analyse du cycle de vie du système depuis sa fabrication jusqu’à son installation, son fonctionnement sur site et sa fin de vie. Ce type d’analyse est défini et normé selon les normes ISO-14040-44(2006), définissant ainsi ses principes.
Dans le cas du photovoltaïque, une analyse de cycle de vie permet de mieux comprendre et appréhender les impacts environnementaux de l’industrie de fabrication du module depuis l’élaboration du silicium de grade solaire au système photovoltaïque global.
2 sources d’information sont disponible en français :- Un projet nommé ESPACE-PV, (Eco-conception d’un Système Photovoltaïque par l’Analyse de son Cycle de vie et son impact sur l’Environnement) cherche à apporter des arguments scientifiques, techniques et économiques sur le positionnement du photovoltaïque en terme d’impact environnemental. Le site web recense les résultats de divers études à ce sujet.
- Hespul a élaboré un document de synthèse d’études scientifiques dont des analyse de cycles de vie, intitulé Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental.
Les procédés de fabrication décrits sont la réduction carbothermique de la silice dans un four à arc, le raffinage du silicium solaire par procédé Siemens (voie gazeuse chlorée), la cristallisation du silicium en lingots et la découpe des plaques, la fabrication des cellules photovoltaïques par dopage, polarisation et traitement anti-reflet, l’assemblage des modules par encapsulation dans un feuilleté verre/EVA/Tedlar®, et enfin l’installation du système comprenant câblage et onduleurs.
Les analyses du cycle de vie vont de l’extraction du quartz à la production d’électricité 30 ans durant, hors fin de vie des systèmes, avec un remplacement d’onduleurs. Le mix énergétique de la fabrication est de type UCTE région Europe de l’Ouest.
La fabrication nous révèle une consommation de silicium de 10 à 15 g/Wc, des éléments toxiques présents à l’état de traces (Pb, Br, B, P), l’utilisation de métal aux ressources limitées (Ag), et une dépense énergétique conséquente due à l’aluminium et au silicium (40%). Elle occasionne la génération de rejets chlorés, de boues chargées en silicium et de gaz et d’effluents provenant de l’utilisation de produits chimiques.
Les résultats de l’analyse du cycle de vie sont que l’énergie est l’impact majeur, avec environ 30000 MJ d’énergie primaire par kWc, soit 2500 kWh d’énergie finale. Pour caractériser les effets sur l’environnement d’un système photovoltaïque, les indicateurs pertinents sont le temps de retour énergétique, qui est d’environ 3 ans, et l’effet de serre, qui est d’environ 70 g de CO2-eq/kWh, ceci pour la France.
Les avancées technologiques identifiées qui permettent de réduire ces impacts concernent la production de silicium solaire avec l’utilisation d’un réacteur à lit fluidisé au lieu d’un réacteur Siemens ou la voie métallurgique (Elkem Solar). Les recommandations de mise en œuvre sont de privilégier des modules sans cadre aluminium et d’installer les systèmes dans les règles de l’art afin d’optimiser leur production (orientation, inclinaison, ombrages, ventilation, onduleur performant, suivi de la production etc…). L’étape suivante sera la mise en place d’une filière de recyclage.
Résumé du document
Analyse du Cycle de Vie Photocoltaique
Afin de pouvoir comparer sur les mêmes bases l’impact que peut avoir sur l’environnement un produit ou un service, une méthode standardisée s’est développée sous le nom d’analyse du cycle de vie. Au niveau international, elle est cadrée par les normes ISO 14040 et ISO 14044 de 2006.
Le principe est de comptabiliser les ressources utilisées et les émissions occasionnées à toutes les étapes de la vie du produit. L’ensemble de ces données est ensuite traduit en indicateurs quantifiables grâce à des modèles mathématiques. Ces indicateurs s’appliquent généralement à la fonction du produit et non au produit lui-même, ce qui permet de comparer plus facilement deux produits différents qui remplissent la même fonction. Au final, ce type d’études sert à mettre en lumière quel type d’impact est dominant ou quels sont les éléments ou les étapes qui pèsent le plus sur l’environnement, pour pouvoir agir sur les facteurs adéquats.
Méthodologie
En premier lieu, il s’agit de définir l’objectif et le périmètre de l’étude. Dans le cas du photovoltaïque, l’objectif est de comptabiliser les ressources utilisées et les rejets occasionnés pour la production de 1kWh d’électricité. Le résultat dépend donc de la production totale d’une installation, donc de la durée de vie et de la productivité du panneau, fonction de la technologie employée et de l’installation. Les résultats sont donnés par unité fonctionnelle (1kWh), ce qui permet de comparer les systèmes entre eux (ex : combien de g de CO2 est rejeté dans l’atmosphère pour la production d’un kWh avec un système photovoltaïque ou avec une centrale à charbon.) Le périmètre de l’étude est défini par l’ensemble des étapes ou processus de transformation qui interviennent pour que le système photovoltaïque remplisse sa fonction, du sable jusqu’au retraitement en fin de vie.
Puis on fait l’analyse de l’inventaire. Pour chaque étape, on fait la liste de tout ce qui entre et sort du système. Les « flux entrants » : les quantités d’énergie et de matière utilisées ; et les « flux sortants » : les rejets générés. Ils sont ensuite additionnés pour chaque type de flux (par ex : consommation d’eau, rejet de chutes de découpe d’aluminium…).
Durant l’évaluation de l’impact, les flux entrants et sortants sont combinés dans des catégories d’impact. Ces résultats sont autant d’indicateurs en termes de dommage environnemental. On retrouve généralement les axes suivants : - La demande cumulée en énergie primaire
- L’utilisation de ressources non renouvelables.
- Les Gaz à effet de serre
- La santé humaine
- Les écosystèmes
L’analyse du cycle de vie d’un système photovoltaïqueIl est admis par la communauté scientifique internationale que dans le cas du photovoltaïque, les étapes qui pèsent le plus dans le bilan concernent la fabrication des systèmes, et ce quelle que soit la technologie retenue. En effet, une fois en fonction, mis à part le remplacement éventuel des onduleurs, le système produit de l’électricité sans dommage notable pour l’environnement : ni bruit, ni vibration, ni consommation de combustible, ni production de déchets, d’effluents liquides ou gazeux…
Lors de la fabrication, l’impact le plus important sur l’environnement est dû à la consommation d’énergie. En effet, une partie importante de l’énergie utilisée est issue de combustibles fossiles, à l’origine de l’épuisement des ressources fossiles, de l’émission de gaz à effet de serre, et de l’émission de résidus de combustion provoquant pluies acides et dommages respiratoires. Dans le cas particulier du silicium cristallin, cette consommation est principalement due au très énergivore procédé de production de silicium polycristallin en réacteurs Siemens.
L’ensemble des dépenses énergétiques peut être exprimé en énergie primaire. L’énergie primaire est l’énergie puisée dans les ressources naturelles telles qu’on les trouve à l’état brut (pétrole, gaz, charbon, uranium, soleil, vent, biomasse etc.). Cette unité permet de prendre en compte les pertes inhérentes au mode de production d’énergie utilisée. Pour du silicium cristallin, il faut compter 30 à 35 000 MJ d’énergie primaire par kWc pour un système photovoltaïque complet. Exprimé autrement, on comptera environ 2500 kWh d’énergie finale(l’électricité facturée au compteur par exemple) par kWc installé.
L’énergie grise d’un système photovoltaïque exprimée en énergie primaire permet de calculer le temps de retour énergétique, par rapport à l’énergie habituellement utilisée à laquelle se substitue la production photovoltaïque. Il est généralement admis qu’il faut en moyenne 2 à 3 ans à un système photovoltaïque pour produire autant d’énergie qu’il en a fallu pour le fabriquer, cette durée étant fonction de l’ensoleillement. Bien entendu, les technologies se perfectionnant sans cesse, l’impact environnemental diminue à mesure que le rendement des cellules augmente et que les concepteurs de systèmes prennent soin d’optimiser la production.Etude ESPACE-PVL’Analyse du Cycle de Vie cofinancée par l’Ademe et initiée en 2008 dans le cadre du projet ESPACE-PV a permis de présenter plusieurs résultats représentatifs pour la France. Tous les détails et les résultats sont surhttp://www.espace-pv.org/
L’évaluation pour différents systèmes de la part des ressources consommées (exprimée en énergie primaire non-renouvelable consommée) et la contribution à l’effet de serre (ou l’empreinte carbone).
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| Empreinte carbone |
L’empreinte carbone est traduite à l’aide d’un indicateur en g CO2-équivalent par kWh produit, correspondant à la quantité de gaz à effet de serre émis lors de la fabrication du système divisé par sa production électrique pendant 30 ans. Le résultat obtenu dépend alors de la productivité du système, fortement liée à l’irradiation du lieu, et varie donc avec la région concernée.
L’importance des modules sur les impacts environnementaux de toutes les installations est dominante et souligne la nécessité d’optimiser les performances environnementales des étapes de fabrication de ceux-ci.
Énergie primaire non-renouvelable consomméeIl faut cependant signaler l’importance particulière de l’équipement de pose sur les émissions de CO2 éq. dans le cas de la technologie a-Si puisque sa superficie est doublée pour une même puissance installée. Une plus grande utilisation de métaux à fort contenu énergétique explique principalement ces résultats.
La comparaison pour différents mix énergétiques de l’impact lié à la fabrication des systèmes.
Elle apporte des éléments de réponse au questionnement sur la pertinence écologique de fabriquer des modules à partir d’électricité provenant de centrales à charbon.
A droite, l’exemple du silicium amorphe.
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| Émission de CO2 équivalent pour le silicium amorphe |
Constatant la multiplication des ACV PV, un groupe d’experts de l’agence internationale de l’énergie a souhaité harmoniser le choix des hypothèses de travail et des méthodologies adoptées. Un guide méthodologique sur l’analyse du cycle de vie de l’électricité photovoltaïque de systèmes raccordés au réseau a été diffusé en octobre 2009.Telecharger le PDF
Ce guide propose des recommandations sur les caractéristiques techniques relatives aux systèmes photovoltaïques étudiés (durée de vie de 30 ans, composants du système photovoltaïque, ratio de performance de 75 %, un seul remplacement d’onduleur, irradiation moyenne de la zone concernée, etc.), sur l’approche méthodologique et sur les modèles d’analyse choisis (empreinte environnementale du kWh d’électricité injecté sur le réseau, catégories d’impact etc.) et enfin sur le format des résultats (mention des hypothèses utilisées, choix des indicateurs, etc).
Durant les 30 dernières années, des centaines d’analyses du cycle de vie ont ainsi été menées et publiées sur le photovoltaïque, des systèmes résidentiels aux fermes solaires, fournissant une large gamme de résultats. Le NREL (laboratoire national des énergies renouvelables, aux Etats-Unis) a effectué un travail de synthèse dans le souci de dégager les tendances et de réduire les écarts d’une étude à l’autre.
In fine, l’empreinte carbone d’un système photovoltaïque complet est évaluée à environ 44g CO2-eq/kW.
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| Empreinte carbone des différentes technologies photovoltaïques - données 2005-2006 |
Nota : les valeurs d’empreinte carbone publiées dans cette étude sont des valeurs médianes, et non moyennes, de références jugées scientifiquement recevables et valables. Ces valeurs ne sont donc pas pondérées par les parts de marché des différentes technologies, des divers modes d’installation (sol, toiture), par les gammes de puissances ou par les mix électriques des lieux de fabrication. Puisqu’elles ne sont pas représentatives d’installations réelles, mais le résultat d’un traitement statistique des données disponibles, elles doivent être utilisées comme un indicateur de tendances de la filière.Les valeurs qui en ressortent sont les valeurs médianes d’une série de valeurs références tirées de 13 études pour le silicium cristallin et de 5 pour les couches minces sur les 400 recensées. L’harmonisation des données a ensuite consisté à ramener les estimations d’émissions de gaz à effet de serre à un ensemble d’hypothèses de départ identiques, à savoir : irradiation de 1700 kWh/m2.an, rendement du module, ratio de performance de 0.75 ou 0.80 selon que le système soit intégré en toiture ou posé au sol, durée de vie de 30 ans et dégradation du rendement de 0.5 % par an. Enfin, l’étude concernant le silicium cristallin visait des modules cadrés, recyclage compris, pour un état de l’art technologique datant de 2005-2006, alors que celle sur les technologies couche minces envisageait des modules non cadrés, recyclage exclus. Cette méthode a permis de réduire la dispersion des résultats de 65 %.Sur l’ensemble du système
Le produit fini s’étend au delà du module. A l’énergie physiquement dépensée lors des étapes de fabrication des modules vient s’ajouter l’énergie grise et les rejets impactés par les autres éléments. Suivant les systèmes et leur type d’intégration, ces valeurs évoluent beaucoup. On peut cependant émettre quelques généralités :
Les onduleurs : du fait de l’électronique qu’ils contiennent en quantité grandissante, ainsi que des métaux utilisés pour les boîtiers, les onduleurs ont un impact important. L’augmentation de leur longévité peut permettre d’améliorer le bilan énergétique.
L’aluminium : Il est présent en petite quantité comme contact arrière des cellules photovoltaïques et en masse dans le cadre, la structure de montage et l’onduleur. La production d’aluminium est très consommatrice en énergie et génère des émissions d’hexafluorure de soufre ou SF6, gaz à effet de serre à très haut pouvoir réchauffant (coefficient de 22 200 contre 1 pour le CO2).
Le silicium : Il est l’enjeu le plus important de réduction de la consommation énergétique. Il faut 60 fois plus d’énergie pour produire du silicium solaire que du verre. Les pistes actuellement explorées sont l’amélioration des procédés de raffinage et la diminution de l’épaisseur des cellules.
L’argent : Présent en quantité limitée sur la planète, la taux de récupération et de recyclage de ce métal est, comme son prix, élevé. Il est utilisé dans les électrodes en face avant des cellules, les fournisseurs de pâtes de métallisation développant des amalgame sans Argent.
Substances dangereuses : parmi les substances les plus dangereuses, on trouve le plomb et le brome. Le plomb est présent dans les soudures ou les contacts électriques des cellules, des procédés de soudure alternatifs faisant leur apparition sur le marché. Le brome se trouve dans les matières plastiques de l’onduleur.
D’autres matériaux ne présentent pas de toxicité particulière mais ne sont pas valorisables en fin de vie ou présentent des ressources limitées. C’est le cas de l’EVA ou du Tedlar.
Enfin, de nombreux composés chimiques utilisés lors de la fabrication du silicium polycristallin et des cellules photovoltaïques imposent des conditions de manipulation adéquates garantissant la santé et la sécurité des travailleurs. Étant donné qu’ils donnent lieu à des rejets importants de polluants dans l’eau ou dans l’air, dont les plus importants sont les gaz à effet de serre du type CF4 ou des produits inorganiques tels que HF, HNO3, HCl, NH3 et NaOH, des systèmes de traitement sont mis en place sur les lieux de fabrication pour éviter tout rejet dans la nature.
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