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LES SECRETS DE FABRICATION DES NOUVELLES ENERGIES

Thomas Blosseville

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DES NOUVELLES
ENERGIES

Le système de Vitronic contrôle la fabrication des panneaux solaires.

© D.R.

Parées de toutes les vertus écologiques, les énergies nouvelles n'ont pas encore réalisé leur révolution industrielle. Pour monter en puissance, les entreprises de la filière devront pourtant apprendre à fabriquer plus vite et moins cher des équipements aux dimensions uniques. Industrie et Technologies lève le voile sur les secrets de fabrication de deux technologies leaders-: l'éolien et le photovoltaïque.

Colossal. Pour revenir en 2050 au niveau d'émissions de gaz à effet de serre de 2005 --le scénario le moins contraignant de l'Agence internationale de l'énergie (AIE)-- les investissements mondiaux en R-&-D, selon l'AIE, devront dépasser les 3-500-milliards d'euros-! Les ressources renouvelables auront bien sûr leur rôle à jouer, mais à condition de gagner en performance. Réduction des coûts, disponibilité des matières premières, conception d'équipements faciles à intégrer... Leur industrialisation en grande série pose de multiples défis. Dans la perspective d'un bouquet énergétique diversifié et décentralisé, leur montée en puissance impose de développer un ensemble de technologies de pointe, indispensables pour leur déploiement à grande échelle.

Parmi toutes les sources en lice (eau, vent, soleil), l'éolien et le photovoltaïque sont passés à la vitesse supérieure. Depuis deux ans, cinq usines de pâles d'éoliennes se sont construites en France.

Les industriels séduits par les éoliennes

Au niveau mondial, la donne est la même. «-Avec l'ouverture de deux sites, en Chine fin 2008 et dans le Colorado cette année, nous allons doubler, d'ici à 2010, notre capacité de production à plus de 4-000-éoliennes par an-», annonce Nicolas Wolff, directeur général France de Vestas, le géant mondial du secteur.

Les promesses sont telles que nombre d'industriels s'engouffrent dans la brèche. EADS-Astrium, profitant de son expertise en aérodynamisme, s'intéresserait à la fabrication de pâles-! Le constructeur naval DCNS projetterait quant à lui de concevoir des éoliennes flottantes. Des composants au montage final, en passant par la maintenance, l'éolien français comptabiliserait déjà 130-industriels, selon le Syndicat des énergies renouvelables. Nul doute que ce bilan va croître-! «-Les débouchés s'ouvrent pour les industriels de la métallurgie, de la chaudronnerie, de la mécanique... », confirme Jean-Philippe Roudil, délégué général du syndicat.

Une démarche industrielle mature

Dans le photovoltaïque aussi, la course au leadership est lancée. L'électronicien français Sofie réaménage actuellement à Lannion (Côtes d'Armor) une ancienne usine de circuits imprimés pour la production de panneaux photovoltaïques. Autre exemple, sur son site toulousain, un autre fabricant français, Tenesol, a triplé l'an passé ses lignes de production. Il inscrit désormais son activité dans une démarche industrielle mature-: automatisation, zéro défaut et fabrication au plus juste (voir notre reportage page 42). Total, qui détient 50-% de Tenesol (le solde appartenant à EdF), se positionne lui sur toute la filière. Déjà actionnaire, avec GdF Suez, du fabricant de cellules Photovoltech, il avait fin 2007 acquis 25-% du suisse Novacis, lorgnant sur son programme de R&D dédié aux cellules à couche mince (alternative à court terme au silicium cristallin). Il a récidivé l'an passé. En décembre, le groupe pétrolier annonçait son entrée au capital de la start-up américaine Konarta, spécialisée dans les technologies organiques, considérées comme l'avenir, à plus long terme, du photovoltaïque.

Si, en coulisse, les manoeuvres vont bon train, c'est parce que les objectifs sont ambitieux. «-Aujourd'hui, à part le nucléaire et l'hydraulique, aucune énergie ne rivalise encore avec les ressources fossiles, encore très compétitives en termes de coût et de mise en oeuvre-», confie Bernard Besnainou, directeur adjoint du pôle de compétitivité Capenergies. Autant dire que des ruptures technologiques sont attendues. Les 115 projets financés à ce jour par le pôle s'y attellent. Les pistes de diversification énergétiques ne manquent pas-: hydrogène, thermique marin, biocarburants... Toutes ces voies en sont au stade d'unités pilotes ou d'applications de niche.

Deux filières ont un temps d'avance

Dans l'immédiat, c'est sur l'éolien et le photovoltaïque qu'il faut compter. Ces deux filières ont un temps d'avance, leurs solutions leaders étant éprouvées-: les éoliennes terrestres de grandes puissances (supérieures à 2-MW) d'une part, et les cellules photovoltaïques au silicium cristallin d'autre part. Leur maturité ne les exonère pour autant pas d'enjeux industriels. Les colosses éoliens de Vestas mesurent de 80 à 105 mètres de haut, pour un diamètre de plus de 80-mètres. Et le fabricant danois voit encore plus grand. Il prévoit de sortir fin 2010 une génératrice de 3-MW culminant jusqu'à 119 mètres de haut, pour une envergure de 112-mètres. Un véritable défi pour les ateliers de production-! Quant aux cellules photovoltaïques standard, leur composition atteint une pureté extrême, avec une concentration en silicium au milliardième près-!

Machines-outils, systèmes de vision, robots, logiciels... L'éolien et le photovoltaïque requièrent des équipements de fabrication de pointe spécifiquement développés. Mais ces prouesses ne suffiront pourtant pas. Aujourd'hui, les éoliennes sont déployées dans de grands parcs terrestres. «-Limités par la réglementation, nous travaillons en France sur des sites atteignant 12-MW de capacité. En Espagne, c'est au minimum 50-MW, soit 25 turbines-», témoigne Gérard Mane, responsable du service Énergies renouvelables chez Ambio. C'est avec une incertitude de 10-% que cette filiale de Norisko prévoit le potentiel éolien d'un site, minimisant par ses calculs l'impact de l'intermittence du vent. Défi pour les fabricants d'éoliennes, celle-ci les pousse à innover. Dans sa nouvelle génératrice de 3-MW, Vestas compte ainsi sur l'électronique de puissance pour lisser la tension et la fréquence électriques produites.

La prochaine vague d'innovations éoliennes devrait venir d'ailleurs. L'enjeu porte désormais sur les applications offshores, pour lesquelles l'ancrage au sol et le retour des câbles vers la côte restent à optimiser. Mais surtout, davantage que sur les grandes puissances, la R-&-D s'attaque au micro-éolien, pour lequel deux verrous technologiques subsistent. Pour être efficaces sur les toits des bâtiments, ces éoliennes devront démarrer à des vitesses de vent plus faibles qu'actuellement, soit sous les 20-km/h. Et leurs génératrices devront s'accorder à une rotation limitée par les performances aérauliques entre 20 et 100 tours/minute. Industrie et Technologies a déniché une solution-: une éolienne, spécialement conçue pour la ville, dont le processus de développement est détaillé page 46.

Pour le photovoltaïque, l'innovation franchit actuellement un pas décisif. En septembre, démarrera le projet PV Alliance. Sa mission sera d'industrialiser les nouvelles technologies de cellules. Sur le site isérois de Photowatt, en collaboration avec EdF et le CEA-Liten, sont mis en place des prototypes de lignes de fabrication. Elles devront permettre de faire passer du stade de la recherche à la production en série les innovations issues de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines), le centre rassemblant la recherche française du photovoltaïque. L'initiative compte atteindre une taille critique pour rivaliser avec l'Allemagne, le Japon, les États-Unis... L'objectif de l'Ines est, fin 2011, de regrouper 250 chercheurs (contre 150 aujourd'hui). Avec une obsession-: faire baisser le prix du watt d'un facteur 2 à 3. Le but ultime est de passer sous la barre des deux euros par watt installé.

À la recherche d'une alternative au silicium

Les fabricants allemands dominent toujours nettement le secteur, avec le leader mondial Q-Cells. Les chinois investissent massivement dans la production de cellules au silicium cristallin, sans pour autant avoir encore totalement convaincu de leur fiabilité. Pour rattraper son retard, la France mise donc sur les prochaines générations de cellules et veut mettre un pied dans le très haut rendement-: jusqu'à 22-% de conversion photoélectrique, là où les solutions actuelles fonctionnent aux alentours de 15-%.

Il faudra pour cela trancher dans l'autre problématique majeure du photovoltaïque-: l'approvisionnement en matières premières. Les cellules standards fonctionnent avec une très grande pureté en silicium, basée sur des critères issus de l'industrie électronique. À terme, la concurrence entre les deux filières pourrait s'avérer préjudiciable. «-D'autant qu'accroître les rendements amène à augmenter encore davantage la pureté-», souligne Robert de Franclieu, directeur général de la société d'ingénierie Apollon Solar, membre du pôle de compétitivité Tenerrdis. L'idée serait donc de développer un silicium dit "métallurgique" ou "de qualité solaire", de moindre pureté mais également moins cher. Un défi que l'Ines et PV Alliance entendent relever. En attendant l'alternative au silicium, c'est par l'optimisation des processus de production qu'arrivera incontestablement la baisse des coûts. Plusieurs voies sont à l'étude, notamment lors de la formation des lingots, qui, après découpe, donnent les cellules photovoltaïques. Le projet Photosil (CEA-Liten, CNRS, Apollon Solar, FerroPem) travaille sur la cristallisation contrôlée. Après fusion du silicium dans un creuset, sa solidification est guidée du fond vers le haut. Le changement de phase est ainsi mieux maîtrisé et les impuretés, entraînées vers le sommet. Les temps de cycle sont ainsi réduits de 26-% (48-heures au lieu de 65) et le pourcentage de silicium récupéré passe de 70-% à 85-%. La société Emix exploite un autre procédé, la coulée continue-: les lingots sont découpés régulièrement, sans arrêt de la production. Quant aux chercheurs de l'Université galloise de Swansea, ils ont peut-être trouvé le meilleur compromis entre rendement et approvisionnement en matière première. Ils viennent d'annoncer le développement d'une cellule photovoltaïque à base de silicium recyclé de l'industrie électronique. Leur premier prototype atteindrait un rendement de 14-%, proche donc de la plupart des technologies actuelles. Ils espèrent atteindre désormais les 20-%. L'effort d'innovation est bien engagé mais il ne fait que commencer.

23%

C'est l'objectif, à l'horizon 2020, d'incorporation du renouvelable dans la consommation d'énergie française, toutes sources confondues. Pour le photovoltaïque, le plan prévoit un parc de 5-400-MW. Seuls 160-MW étaient installés fin 2008. Et, pour l'éolien, il faudra passer, en dix ans, de 3-400-MW... à 25-000-MW-! Source-: Syndicat des énergies renouvelables

LES OUTILS SE METTENT À LA PAGE

Un des rares domaines à résister à la crise, l'industrie de l'énergie attire de nombreux fournisseurs. Des pièces plus volumineuses à usiner, des éléments plus fragiles à manipuler, des défauts difficiles à détecter... les solutions doivent prendre en compte ses spécificités.

MACHINES-OUTILS Fabriquer des pièces lourdes

L'essor du marché des nouvelles formes d'énergie mobilise les bureaux d'étude de constructeurs qui imaginent des solutions d'usinage adéquates. Mazak, DMG, Dorries Scharmann... s'y intéressent activement. Spécialiste de centres de tournage de grandes dimensions, WFL illustre également cette tendance. «-Le marché de l'énergie a dépassé en 2008 celui de l'aéronautique dans nos commandes de machines-», constatent les spécialistes du constructeur autrichien qui a dû adapter un de ses équipements phares, la machine multifonction M150, à la fabrication des composants pour les éoliennes. Le socle de cet équipement qui assure des opérations de tournage/fraisage, a été agrandi de 6,5-m à 8-m pour pouvoir usiner des pièces de 1,5-m de diamètre et dont le poids peut aller jusqu'à 14-968-kg. La machine est dotée d'une broche de fraisage puissante (55-kW) et d'un magasin d'outils de 90 places (HSK 100). ROBOTS Manipuler des composants fragiles

La capacité des usines qui fabriquent les panneaux photovoltaïques doit être augmentée pour répondre à une demande de plus en plus forte. Facile à dire, difficile à faire. Composés de cellules de silicium qui ont une épaisseur extrêmement fine, ces panneaux sont extrêmement délicats. Les cellules sont fragiles comme le verre et il faut le manipuler avec un maximum de précautions pour éviter les rebuts. Solution-: robotiser les opérations manuelles de chargement/déchargement des cellules lors du soudage en panneaux. Adept Technology propose ainsi un robot Delta, le Quattro s650, qui améliore sensiblement la vitesse et la qualité de manipulation de ces systèmes. Le nombre de rebuts est ainsi divisé par deux et la vitesse des lignes de fabrication est améliorée de l'ordre de 20-%. LOGICIELS DE CALCUL PAR ÉLÉMENTS FINIS Dimensionner au plus juste les installations

Systèmes mécaniques complexes composés de corps flexibles soumis à des efforts en grande partie aléatoires, les éoliennes de grande taille nécessitent un effort de calcul important. Et des outils logiciels adaptés qui ne se limitent pas à la prédiction des efforts aérodynamiques s'exerçant sur le rotor. Les pales, qui constituent la partie principale de la machine, doivent par exemple, être modélisées au plus près de leur fonctionnement réel. L'outil d'analyse par éléments finis Femap proposé par Siemens PLM Software s'inscrit dans cette démarche. Sa dernière version 64 bits offre de nouveaux outils de maillage interactif et de vérification en temps réel du modèle, qui répondent aux besoins de concepteurs d'éoliennes. La société australienne RPC Technologies a utilisé ces fonctionnalités pour accélérer son processus d'analyse. «-Pour une analyse comportant 1,45-million de degrés de liberté, nous avons réduit le temps de calcul de deux heures et demie à un peu plus de quatre minutes-», constate Mark Harrison, directeur du service conception de la société. SYSTÈMES DE VISION Détecter des défauts à temps

Les systèmes de vision ont une foultitude d'applications dans la fabrication de panneaux solaires. Les cellules solaires étant des dispositifs semi-conducteurs, leur fabrication s'apparente à celle de ces derniers. Ce n'est donc pas surprenant si de nombreux fournisseurs de systèmes de vision spécialisés dans le contrôle des semi-conducteurs sont présents dans la fabrication des panneaux solaires. Des sociétés comme Adept Technology, Basler, Cognex, ISRA Vision, Icos Vision Systems, Vitronic... proposent des solutions polyvalentes qui jouent un rôle critique dans ce type de fabrication. Le coût et la raréfaction de la matière première (silicium), oblige les fabricants de cellules à réaliser des couches de plus en plus fines. La vision artificielle combinée parfois à des éclairages et des capteurs spéciaux, permet donc de détecter des défauts comme le burinage, les microfissures, les courbures, les traces de doigts, les impuretés...

PHOTOVOLTAÏQUELA RUPTURE TECHNOLOGIQUE ARRIVE

«-Le secteur est encore très aidé-: ça ne peut pas durer-!-». Tel est le leitmotiv des chercheurs dans le photovoltaïque. La faute à des rendements insuffisants-? Pas seulement. Jusqu'ici le silicium cristallin standard n'avait aucun véritable challenger. Mais les couches minces émergent-! L'idée est de travailler à des épaisseurs 100 fois plus faibles, jusqu'au micron-: qui dit moins de matière première, dit coûts réduits. Pour améliorer leurs rendements (limités entre 5 et 13-% pour l'instant), les couches minces misent sur des matériaux, comme le tellure de cadmium, jusqu'à 100 fois plus absorbant que le silicium et moins sensibles aux variations d'intensité lumineuse (passage d'un nuage). Mais, les chercheurs comptent aussi sur les nanotechnologies pour amplifier les effets de la lumière. Des nanofils pourraient, par exemple, être intégrés aux cellules photovoltaïques pour muscler leur efficacité.

L?INDISPENSABLE MIX ÉNERGÉTIQUE

Comment remplacer les énergies fossiles-? Aucune énergie, seule, ne suffira. Leur consommation mondiale atteint 8-milliards de tonnes équivalent pétrole (tep) par an, selon Capenergies, dont 120-millions en France. Pour le nucléaire, il faudrait 8-000 réacteurs EPR dans le monde (120 rien qu'en France). Pour le photovoltaïque, une surface de 800-000-km2 (une fois et demi la France métropolitaine). Et pour l'éolien, plus de 18-millions de génératrices de 2-MW. Impossible à tenir industriellement-! Le mix énergétique s'impose comme le bon compromis.

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