Une nouvelle technique de gestion circulaire de l’eau pour baisser les coûts de fabrication des cellules PERC

D’après pv magazine International

Des chercheurs de l’Institut allemand Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (Fraunhofer ISE) ont mis au point des modèles pour évaluer et comparer deux techniques circulaires de gestion de l’eau dans une usine de cellules solaires à contact arrière à émetteur passivé (PERC) de 5 GW.

Selon eux, il s’agit de la première publication d’un « outil global de modélisation de l’eau » pour une usine de fabrication de cellules solaires.

Les scientifiques ont comparé deux scénarios de flux de l’eau propre et des eaux usées avec une stratégie classique de gestion de l’eau dans une usine de fabrication de cellules PERC. Dans le premier scénario, appelé « low contaminated wastewater (LCR) » (eaux usées peu contaminées), les eaux de rinçage sont récupérées de sorte qu’elles puissent être rejetées indirectement, conformément aux règlementations. « De plus, certains flux d’eaux usées ont été réutilisés pour des applications en aval », indiquent les chercheurs.

Dans le second scénario, appelé « minimal liquid discharge (MLD) » (rejets liquides minimaux), la quantité d’eaux usées quittant l’usine est réduite autant que possible et les éventuels éléments valorisables sont identifiés et récupérés dans les eaux usées.

Pour chacun des scénarios, une analyse coûts-bénéfices ainsi qu’une analyse du cycle de vie (ACV) ont été menées à l’aide d’Umberto 11, un logiciel couramment utilisé pour analyser les impacts des entreprises et des produits sur l’environnement, et de la base de données d’inventaire du cycle de vie Ecoinvent. L’analyse s’est également fondée sur un modèle spécifique de flux de substances, une évaluation environnementale et un calcul du coût total de propriété (TCO).

« Une analyse globale de l’impact environnemental est nécessaire pour déterminer si les solutions proposées entraînent une amélioration environnementale nette au niveau du système de fabrication des cellules solaires, affirme l’équipe de chercheurs. D’après nos conclusions, les approches LCR et MLD étudiées permettent d’économiser respectivement 38 % et 79 % de la consommation d’eau et 40 % et 84 % du rejet indirect des eaux usées au niveau de l’usine. »

En outre, des réductions des coûts de production des cellules de 0,5 % et 0,7 % ont été recensées respectivement pour les stratégies LCR et MLD. « Par comparaison avec le scénario de référence, les stratégies de gestion circulaire de l’eau proposées permettent de réaliser des économies significatives d’eau propre et d’eaux usées », indique le groupe.

Plusieurs types de technologie de gestion de l’eau propre et des eaux usées ont été passés en revue, sans perdre de vue les coûts, la consommation énergétique, ainsi que les risques et la complexité opérationnels. Seules les technologies de recyclage de l’eau déjà commercialisées et spécialement adaptées aux caractéristiques chimiques des eaux usées issues de la fabrication PV ont été prises en compte, telles que l’osmose inverse, la précipitation de fluorure de calcium et l’ultrafiltration.

Les chercheurs ont par ailleurs rassemblé un grand nombre de données pour chaque étape de la fabrication des cellules PERC. Parmi les autres contraintes à prendre en compte, citons une cadence de production de 2 819 m² de cellules par heure, et des produits présentant les caractéristiques suivantes : 160 µm d’épaisseur, 244,32 cm², 5,37 W et un rendement de conversion énergétique de 22 %.

Différents outils ont servi à élaborer les modèles des scénarios. Pour combiner les flux, l’évaporation, les réactions de précipitation et de neutralisation et l’utilisation des produits chimiques, l’équipe a eu recours au logiciel phreeq, un programme utilisé pour la spéciation, la réaction des lots, le transport unidimensionnel et les calculs géochimiques inverses. Les solutions pour les processus d’évaporation ont été modélisées grâce à la base de données SIT.dat pour les solutions à haut degré de salinité. Les processus des membranes ont été simulés sur DuPont WAVE, un logiciel de conception des traitements de l’eau. Des modèles de flux de l’eau propre et des eaux usées, y compris les processus de récupération de l’eau, ont aussi été créés.

Pour l’évaluation de l’impact du cycle de vie (EICV), l’équipe a utilisé la version 3.0 de l’EU Environmental Footprint et a pu atteindre une amélioration de la note unique de l’impact environnemental de la fabrication de cellules. Celle-ci a baissé de 0,4 % avec LCR et de 3,2 % avec MLD.

« L’analyse du coût du cycle de vie réalisée a montré que ces technologies sont économiquement viables pour cette application, mais le prix de l’énergie, de l’eau et du rejet des eaux usées doit être soigneusement pris en compte », précisent les universitaires. Ils ajoutent qu’une réduction nette des coûts de production des cellules de 0,025 €/W et 0,035 €/W respectivement pour les stratégies LCR et MDL est faisable.

« D’après nos estimations, les réductions de l’impact environnemental au niveau de l’usine de cellules sont comprises entre -1,4 % et 34,3 % pour les différentes catégories d’impact, avec des baisses significatives de l’écotoxicité de l’eau douce et de l’eutrophisation de l’eau douce et de l’eau de mer pour les deux stratégies de gestion circulaire de l’eau », poursuit l’équipe.

Les chercheurs ont calculé les dépenses en capital (CAPEX) et les charges d’exploitation (OPEX) pour chacune des stratégies, en soulignant que la consommation d’énergie globale avec LCR était « relativement basse » et présentait des « CAPEX et OPEX très faibles ». Ils notent en outre que, par rapport au scénario de référence, aucune ressource autre que l’eau n’est récupérée.

Dans leur analyse du scénario MLD, ils indiquent à l’inverse que les machines nécessaires demandent un énergie thermique importante et des CAPEX et OPEX plus élevés. Ils précisent toutefois que le MLD réduit la consommation d’eau propre de 79 % et les eaux usées de 84 %, ce qui permet de réaliser des économies à l’année, et qu’il offre la possibilité de récupérer des sous-produits intéressants pour d’autres secteurs.

Pour le futur, les chercheurs anticipent l’adoption de ce type de technologie dans les usines de cellules à contacts passivés à oxyde tunnel (TOPCon) et à hétérojonction (HJT), étant donné que « la plupart des flux d’eaux usées analysés sont similaires ». Un dispositif d’essai est recommandé « afin de valider les économies estimées, car il a fallu venir à bout de nombreux problèmes techniques ».

Le concept novateur de gestion circulaire de l’eau a été présenté dans l’article « Circular water strategies in solar cells manufacturing », publié dans Solar Energy. Cette étude est le fruit d’une collaboration entre chercheurs du Fraunhofer ISE, de l’entreprise RENA Technologies GmbH, de l’Université technique de Berlin et de l’Institut Fraunhofer pour la physique des bâtiments.

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