Le coût des panneaux solaires a chuté de plus de 99 % depuis les années 1970, permettant ainsi l’adoption généralisée des systèmes photovoltaïques qui convertissent la lumière du soleil en électricité.
Une nouvelle étude du MIT se penche sur les innovations spécifiques qui ont permis ces réductions de coûts spectaculaires, révélant que les avancées techniques issues d’un réseau diversifié d’efforts de recherche et d’industries ont joué un rôle déterminant.
Ces résultats pourraient aider les entreprises du secteur des énergies renouvelables à prendre des décisions plus efficaces en matière d’investissement dans la R&D et aider les décideurs politiques à identifier les domaines à privilégier pour stimuler la croissance dans la fabrication et le déploiement.
L’approche de modélisation des chercheurs montre que les innovations clés proviennent souvent de secteurs autres que celui de l’énergie solaire, notamment les progrès dans la fabrication des semi-conducteurs, la métallurgie, la fabrication du verre, le forage pétrolier et gazier, les processus de construction et même le domaine juridique.
« Nos résultats montrent à quel point le processus d’amélioration des coûts est complexe et à quel point les progrès scientifiques et techniques, souvent à un niveau très basique, sont au cœur de ces réductions de coûts. De nombreuses connaissances ont été tirées de différents domaines et industries, et c’est ce réseau de connaissances qui permet à ces technologies de s’améliorer », précise Jessika Trancik, auteure principale de l’étude et professeure à l’Institut pour les données, les systèmes et la société du MIT.
Jessika Trancik est rejointe dans cet article par les coauteurs principaux Goksin Kavlak, ancien étudiant diplômé et post-doctorant de l’IDSS, aujourd’hui associé senior en énergie chez Brattle Group ; Magdalena Klemun, ancienne étudiante diplômée et post-doctorante de l’IDSS, aujourd’hui professeure adjointe à l’université Johns Hopkins ; Ajinkya Kamat, ancien post-doctorant du MIT ; ainsi que Brittany Smith et Robert Margolis du Laboratoire national des énergies renouvelables. Cette étude est publiée aujourd’hui dans PLOS ONE.
Identifier les innovations
Ce travail s’appuie sur des modèles mathématiques précédemment développés par les chercheurs, qui mettent en évidence les effets des technologies d’ingénierie sur le coût des modules et des systèmes photovoltaïques (PV).
Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à approfondir les avancées scientifiques qui ont conduit à ces baisses de coûts.
Ils ont combiné leur modèle de coût quantitatif avec une analyse qualitative détaillée des innovations qui ont eu une incidence sur les coûts des matériaux, des étapes de fabrication et des processus de déploiement des systèmes PV.
« Notre modèle de coût quantitatif a guidé l’analyse qualitative, nous permettant d’examiner de près les innovations dans des domaines difficiles à mesurer en raison du manque de données quantitatives », ajoute M. Kavlak.
S’appuyant sur des travaux antérieurs identifiant les principaux facteurs de coût, tels que le nombre de cellules solaires par module, l’efficacité du câblage et la surface des plaquettes de silicium, les chercheurs ont procédé à une analyse structurée de la littérature afin d’identifier les innovations susceptibles d’influencer ces facteurs. Ils ont ensuite regroupé ces innovations afin d’identifier des tendances, révélant ainsi des clusters qui ont permis de réduire les coûts en améliorant les matériaux ou en préfabriquant des composants afin de rationaliser la fabrication et l’installation. Enfin, l’équipe a retracé les origines industrielles et le calendrier de chaque innovation, et a consulté des experts du domaine afin de se concentrer sur les innovations les plus significatives.
Au total, ils ont identifié 81 innovations uniques qui ont eu une incidence sur les coûts des systèmes photovoltaïques depuis 1970, allant des améliorations apportées au verre à revêtement antireflet à la mise en place d’interfaces de permis entièrement en ligne.
« Avec les innovations, on peut toujours aller plus loin, jusqu’à des éléments tels que les techniques de traitement des matières premières, il était donc difficile de savoir quand s’arrêter. Disposer d’un modèle quantitatif pour étayer notre analyse qualitative nous a vraiment aidés », commente Mme Trancik.
Ils ont choisi de séparer les coûts des modules photovoltaïques des coûts dits « balance-of-system » (BOS), qui couvrent des éléments tels que les systèmes de montage, les onduleurs et le câblage.
Les modules photovoltaïques, qui sont câblés ensemble pour former des panneaux solaires, sont produits en série et peuvent être exportés, tandis que de nombreux composants BOS sont conçus, fabriqués et vendus au niveau local.
« En examinant les innovations tant au niveau du BOS qu’au sein des modules, nous identifions les différents types d’innovations qui ont émergé dans ces deux parties de la technologie photovoltaïque », explique M. Kavlak.
Les coûts BOS dépendent davantage des technologies douces, des éléments non physiques tels que les procédures d’autorisation, qui ont beaucoup moins contribué à l’amélioration des coûts du photovoltaïque dans le passé que les innovations matérielles.
« Souvent, cela se résume à des retards. Le temps, c’est de l’argent, et si vous avez des retards sur les chantiers et des processus imprévisibles, cela affecte ces coûts d’équilibre du système », dit encore Mme Trancik.
Des innovations telles que les logiciels de permis automatisés, qui signalent les systèmes conformes aux codes pour une approbation accélérée, sont prometteuses. Bien qu’elles ne soient pas encore quantifiées dans cette étude, le cadre de travail de l’équipe pourrait soutenir une analyse future de leur impact économique et d’innovations similaires qui rationalisent les processus de déploiement.
Industries interconnectées
Les chercheurs ont découvert que les innovations issues des industries des semi-conducteurs, de l’électronique, de la métallurgie et du pétrole ont joué un rôle majeur dans la réduction des coûts des systèmes photovoltaïques et des BOS, mais que les coûts des BOS ont également été influencés par les innovations dans le domaine du génie logiciel et des services publics d’électricité.
Des facteurs non liés à l’innovation, tels que les gains d’efficacité résultant des achats en gros et l’accumulation de connaissances dans l’industrie de l’énergie solaire, ont également contribué à réduire certaines variables de coût.
En outre, alors que la plupart des innovations en matière de panneaux photovoltaïques provenaient d’organismes de recherche ou de l’industrie, de nombreuses innovations BOS ont été développées par des municipalités, des États américains ou des associations professionnelles.
« Je savais que cette technologie était très active, mais la diversité de tous ces domaines et leur étroite interdépendance, ainsi que le fait que nous puissions clairement voir ce réseau grâce à cette analyse, étaient intéressants », explique Mme Trancik.
« Le photovoltaïque était très bien placé pour absorber les innovations d’autres industries, grâce à un timing opportun, à une compatibilité physique et à des politiques favorables à l’adaptation des innovations aux applications photovoltaïques », ajoute M. Klemun.
L’analyse révèle également le rôle que pourrait jouer une plus grande puissance de calcul dans la réduction des coûts BOS grâce à des avancées telles que les systèmes automatisés d’examen technique et les logiciels d’évaluation à distance des sites.
« En termes de retombées technologiques, ce que nous avons vu jusqu’à présent dans le domaine photovoltaïque n’est peut-être qu’un début », déclare M. Klemun, soulignant le rôle croissant de la robotique et des outils numériques basés sur l’IA dans la réduction des coûts et l’amélioration de la qualité à l’avenir.
En plus de leur analyse qualitative, les chercheurs ont démontré comment cette méthodologie pouvait être utilisée pour estimer l’impact quantitatif d’une innovation particulière si l’on dispose des données numériques à intégrer dans l’équation des coûts.
Par exemple, à partir d’informations sur les prix des matériaux et les procédures de fabrication, ils estiment que le sciage au fil, une technique introduite dans les années 1980, a entraîné une baisse globale du coût des systèmes photovoltaïques de 5 dollars par watt en réduisant les pertes de silicium et en augmentant le rendement pendant la fabrication.
« Grâce à cette analyse rétrospective, vous apprenez des choses précieuses pour votre stratégie future, car vous pouvez voir ce qui a fonctionné et ce qui n’a pas fonctionné, et les modèles peuvent également être appliqués de manière prospective. Il est également utile de savoir quels secteurs adjacents peuvent contribuer à l’amélioration d’une technologie particulière », précise Mme Trancik.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’appliquer cette méthodologie à un large éventail de technologies, y compris d’autres systèmes d’énergie renouvelable. Ils souhaitent également approfondir l’étude des technologies douces afin d’identifier les innovations ou les processus susceptibles d’accélérer la réduction des coûts.
« Bien que le processus d’innovation technologique puisse sembler être une boîte noire, nous avons montré qu’il est possible de l’étudier comme n’importe quel autre phénomène », conclut Mme Trancik.
Article : « Nature of innovations affecting photovoltaic system costs » – DOI : 10.1371/journal.pone.0320676
Source : MIT
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