La chute phénoménale du coût des panneaux solaires, qui a dépassé le chiffre incroyable de 99 % depuis les années 1970, a permis l'adoption massive des systèmes photovoltaïques dans le monde entier. Ces systèmes, qui convertissent directement la lumière du soleil en énergie électrique, sont devenus un pilier essentiel de la transition énergétique mondiale. Cependant, derrière cette réduction de prix impressionnante ne se cache pas une seule innovation révolutionnaire, mais un réseau complexe de progrès techniques issus de divers efforts de recherche et de secteurs industriels, comme le révèle une nouvelle étude du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Cette étude détaillée, qui se penche en profondeur sur les innovations spécifiques ayant permis une réduction des coûts aussi drastique, fournit des informations précieuses. Ses conclusions peuvent aider les entreprises du secteur des énergies renouvelables à prendre des décisions plus efficaces en matière d'investissement dans la recherche et le développement, tout en servant de guide aux décideurs politiques pour identifier les domaines à encourager en priorité afin d'accélérer la croissance de la production et de la mise en œuvre des technologies solaires.

Un réseau complexe de connaissances et d'innovations

La modélisation réalisée par les chercheurs montre clairement que les innovations clés provenaient souvent de l'extérieur du secteur solaire lui-même. Cela inclut les progrès dans la fabrication des semi-conducteurs, la métallurgie, la production de verre, les processus de forage pétrolier et gazier, les méthodes de construction, et même les cadres juridiques. La professeure Jessika Trancik de l'Institut des données, des systèmes et de la société du MIT, auteur principal de l'étude, souligne la complexité du processus d'amélioration des coûts. Selon elle, les progrès scientifiques et techniques, souvent à un niveau très fondamental, sont au cœur de ces réductions de coûts. Une grande quantité de connaissances a été puisée dans divers domaines et industries, et c'est précisément ce réseau de connaissances qui a permis l'amélioration de ces technologies.

Dans l'article, publié dans la revue PLOS ONE, Trancik a été rejointe par les co-auteurs Goksin Kavlak, ancienne étudiante diplômée et postdoctorante de l'IDSS, aujourd'hui associée principale en énergie au sein du groupe Brattle ; Magdalena Klemun, également ancienne étudiante diplômée et postdoctorante de l'IDSS, aujourd'hui professeure adjointe à l'Université Johns Hopkins ; l'ancien postdoctorant du MIT Ajinkya Kamat ; ainsi que Brittany Smith et Robert Margolis du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL).

Identification des innovations clés

Cette recherche s'appuie sur des modèles mathématiques que les chercheurs avaient précédemment développés, qui ont permis de séparer les effets des technologies d'ingénierie sur les coûts des modules et des systèmes photovoltaïques (PV). L'objectif de cette étude était de pénétrer encore plus profondément dans les avancées scientifiques qui ont conduit à la réduction des coûts. Ils ont combiné leur modèle de coût quantitatif avec une analyse qualitative détaillée des innovations qui ont influencé les coûts des matériaux des systèmes PV, les étapes de fabrication et les processus de mise en œuvre.

Goksin Kavlak explique que leur modèle de coût quantitatif a guidé l'analyse qualitative, leur permettant d'examiner de près les innovations dans des domaines difficiles à mesurer en raison du manque de données quantitatives. S'appuyant sur des travaux antérieurs qui avaient identifié les principaux facteurs de coût – tels que le nombre de cellules solaires par module, l'efficacité du câblage et la surface de la plaquette de silicium – les chercheurs ont mené une recherche documentaire structurée pour les innovations susceptibles d'affecter ces facteurs. Ils ont ensuite regroupé ces innovations pour identifier des modèles, révélant des grappes qui ont réduit les coûts en améliorant les matériaux ou en préfabriquant des composants pour simplifier la fabrication et l'installation. Enfin, l'équipe a retracé l'origine industrielle et le calendrier de chaque innovation et a consulté des experts du domaine pour se concentrer sur les innovations les plus importantes.

Au total, ils ont identifié 81 innovations uniques qui ont eu un impact sur les coûts des systèmes PV depuis 1970, des améliorations du verre antireflet à la mise en place d'interfaces de permis entièrement en ligne. Trancik note qu'avec les innovations, on peut toujours aller plus en profondeur, jusqu'aux techniques de traitement des matières premières, il était donc difficile de savoir quand s'arrêter. Le modèle quantitatif les a grandement aidés à fonder l'analyse qualitative.

Modules et coûts « immatériels » : Les deux facettes des systèmes solaires

Les chercheurs ont décidé de séparer les coûts des modules PV des coûts dits d'équilibre du système (BOS - Balance-of-System), qui couvrent des éléments tels que les systèmes de montage, les onduleurs et le câblage. Les modules PV, qui sont interconnectés pour former des panneaux solaires, sont produits en masse et peuvent être exportés, tandis que de nombreux composants BOS sont conçus, construits et vendus localement. Kavlak explique qu'en examinant les innovations au niveau du BOS et à l'intérieur des modules, ils ont identifié différents types d'innovations qui ont émergé dans ces deux parties de la technologie PV.

Les coûts BOS dépendent davantage des « technologies immatérielles » – des éléments non physiques comme les procédures d'obtention de permis, qui ont beaucoup moins contribué à l'amélioration des coûts du PV jusqu'à présent par rapport aux innovations matérielles. Trancik souligne qu'il s'agit souvent de retards. Le temps, c'est de l'argent, et les retards sur les chantiers et les processus imprévisibles affectent ces coûts d'équilibre du système. Des innovations telles que les logiciels automatisés d'octroi de permis, qui signalent les systèmes conformes au code pour une approbation accélérée, sont prometteuses. Bien que non encore quantifiées dans cette étude, le cadre de l'équipe pourrait soutenir une analyse future de leur impact économique et d'innovations similaires qui simplifient les processus de mise en œuvre.

Par exemple, en Croatie et dans d'autres pays de l'Union européenne, le processus d'obtention des permis pour les centrales solaires a souvent été long et bureaucratique. L'introduction de plateformes numériques pour la soumission des demandes, la normalisation de la documentation et l'accélération des procédures administratives sont essentielles pour réduire ces coûts « immatériels ». De tels changements réduisent non seulement les dépenses financières, mais raccourcissent également le temps nécessaire à la réalisation des projets, ce qui est extrêmement important pour les investisseurs et les utilisateurs finaux.

Industries interconnectées et transfert de connaissances

Les chercheurs ont découvert que les innovations des industries des semi-conducteurs, de l'électronique, de la métallurgie et du pétrole ont joué un grand rôle dans la réduction des coûts du PV et du BOS. Cependant, les coûts du BOS ont également été influencés par des innovations en génie logiciel et en génie électrique. Des facteurs non liés à l'innovation, tels que les gains d'efficacité liés aux achats en gros et à l'accumulation de connaissances dans l'industrie de l'énergie solaire, ont également réduit certaines variables de coût.

De plus, alors que la plupart des innovations dans les panneaux PV provenaient d'organismes de recherche ou de l'industrie, de nombreuses innovations BOS ont été développées par des administrations municipales, des États américains ou des associations professionnelles. Trancik s'est dite surprise par la diversité de tous ces domaines et leur étroite interconnexion, ainsi que par le fait que ce réseau est clairement visible à travers cette analyse. Klemun ajoute que le PV était très bien positionné pour absorber les innovations d'autres industries – grâce au bon timing, à la compatibilité physique et à des politiques incitatives pour l'adaptation des innovations aux applications PV.

Ce transfert de connaissances, connu sous le nom de « knowledge spillovers », est crucial pour un progrès rapide. Par exemple, les techniques d'usinage de précision et d'automatisation développées pour la fabrication de micropuces dans l'industrie des semi-conducteurs ont été directement appliquées à la production de plaquettes de silicium pour les cellules solaires, permettant des cellules plus minces, plus efficaces et moins chères. De même, les progrès de la métallurgie ont conduit au développement de nouveaux alliages pour les cadres et les supports des panneaux solaires, qui sont plus légers, plus durables et plus résistants à la corrosion, réduisant les coûts de transport et d'installation. Les innovations dans la fabrication du verre, telles que le développement de verre à faible teneur en fer et de revêtements antireflets, ont considérablement amélioré la transmission de la lumière et réduit les pertes, augmentant ainsi l'efficacité globale des panneaux.

La révolution numérique et l'avenir des technologies solaires

L'analyse révèle également le rôle que la plus grande puissance de calcul peut jouer dans la réduction des coûts BOS grâce à des avancées telles que les systèmes automatisés d'examen d'ingénierie et les logiciels d'évaluation de site à distance. Klemun souligne que, en termes de transfert de connaissances, ce que nous avons vu jusqu'à présent dans le PV n'est peut-être qu'un début, indiquant le rôle croissant de la robotique et des outils numériques alimentés par l'intelligence artificielle pour stimuler les futures réductions de coûts et améliorations de la qualité.

L'intelligence artificielle (IA) transforme déjà l'industrie solaire. Les algorithmes d'IA peuvent optimiser la conception des parcs solaires, prédire la production d'énergie en fonction des conditions météorologiques et des données historiques, et gérer la distribution de l'énergie dans le réseau. Les robots sont de plus en plus utilisés pour l'assemblage automatisé des modules, l'installation sur le terrain, et même pour le nettoyage et l'entretien des panneaux solaires, réduisant le besoin de main-d'œuvre humaine et augmentant la sécurité. Les jumeaux numériques (digital twins) – des répliques virtuelles de centrales solaires physiques – permettent de surveiller les performances en temps réel, de prédire les pannes et d'optimiser le fonctionnement, ce qui réduit encore les coûts d'exploitation.

En plus de l'analyse qualitative, les chercheurs ont montré comment cette méthodologie peut être utilisée pour évaluer l'impact quantitatif d'une innovation spécifique si des données numériques sont disponibles pour être intégrées dans l'équation des coûts. Par exemple, en utilisant des informations sur les prix des matériaux et les processus de fabrication, ils estiment que le sciage au fil (wire sawing), une technique introduite dans les années 1980, a entraîné une réduction totale des coûts des systèmes PV de 5 dollars par watt en réduisant les pertes de silicium et en augmentant le débit pendant la production. Cette technique a permis de couper des lingots de silicium en plaquettes beaucoup plus minces avec moins de déchets, ce qui a directement influencé la réduction des coûts par watt.

Leçons pour l'avenir et application plus large

Trancik souligne qu'à travers cette analyse rétrospective, on apprend quelque chose de précieux pour la stratégie future car on peut 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 voisins peuvent aider à soutenir l'amélioration d'une technologie particulière. À l'avenir, les chercheurs prévoient d'appliquer cette méthodologie à un large éventail de technologies, y compris d'autres systèmes d'énergie renouvelable comme les éoliennes, les systèmes géothermiques et les systèmes de stockage d'énergie. Ils souhaitent également étudier plus en détail les « technologies immatérielles » afin d'identifier les innovations ou les processus qui pourraient accélérer la réduction des coûts.

Bien que le processus d'innovation technologique puisse sembler être une « boîte noire », les chercheurs ont montré qu'il peut être étudié comme n'importe quel autre phénomène. Comprendre les interactions complexes entre les différentes industries, disciplines scientifiques et cadres réglementaires est essentiel pour progresser davantage dans le développement et la mise en œuvre de technologies énergétiques propres. Cette étude du MIT fournit un cadre solide pour analyser les succès passés et orienter les efforts futurs, garantissant que le chemin vers un avenir énergétique durable soit aussi efficace et rentable que possible.