Le grand bond en avant de Solar

Pour voir l'avenir de l'énergie solaire, faites un trajet d'une heure en train à l'intérieur des terres depuis Shanghai, puis un trajet en taxi à fond de klaxon à travers le smog de Wuxi, une ville chinoise de cinq millions d'habitants à croissance rapide. Après avoir traversé un parc industriel, vous arriverez à la porte d'entrée de Suntech Power, une entreprise qui, en quelques années depuis sa fondation, est devenue le plus grand fabricant mondial de panneaux solaires en silicium cristallin.

Des panneaux solaires couvrent toute la face avant du vaste siège social de huit étages. Près de 2 600 panneaux de deux mètres de long forment la plus grande façade solaire connectée au réseau au monde. Associé à un ensemble de 1 800 panneaux plus petits sur le toit, il peut générer un mégawatt de puissance par une journée ensoleillée. Il devrait produire plus d'un million de kilowattheures d'électricité en un an, assez pour plus de 300 personnes en Chine.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2010

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En 2001, lorsque Suntech a été fondée, toutes les usines de panneaux solaires en Chine fonctionnant à pleine capacité auraient mis six mois pour construire suffisamment de panneaux pour un panneau aussi massif. La première usine de Suntech, qui a ouvert ses portes en 2002, a réduit ce délai à un peu plus d'un mois. Aujourd'hui, l'entreprise peut fabriquer autant de panneaux en moins d'une équipe de 12 heures. D'ici la fin de cette année, les ouvriers pourraient avoir terminé à l'heure du déjeuner. La capacité de production de Suntech est passée de 10 mégawatts par an en 2002 à bien plus de 1 000 mégawatts aujourd'hui. L'industrie solaire chinoise dans son ensemble a augmenté sa capacité de deux mégawatts en 2001 à plus de 4 000 mégawatts.

Cette croissance rapide, alimentée par une réduction des coûts incessante, a permis aux fabricants chinois de dépasser ceux des États-Unis, du Japon et de l'Allemagne en moins d'une décennie pour devenir la plus grande source de panneaux solaires au monde. Dans le monde entier, les panneaux solaires chinois représentaient environ la moitié des expéditions totales en 2009. Et cette part devrait augmenter cette année. Sur les 10 plus grands fabricants de panneaux solaires, la moitié sont basés en Chine. En 2007, les fabricants américains ont fourni 43 % des panneaux pour un programme de rabais solaire en Californie. Le reste venait presque exclusivement du Japon et d'Allemagne ; seulement 2% venaient de Chine. Aujourd'hui, les entreprises chinoises fournissent 42% des panneaux, et la part des États-Unis est tombée à 15% selon une analyse de Nathaniel Bullard de Bloomberg New Energy Finance.

En 2004, la fabrication de panneaux solaires en silicium coûtait environ 3,20 $ le watt en moyenne. À l'heure actuelle, selon les analystes de l'industrie solaire de Photon Consulting à Boston, un fabricant chinois peut les fabriquer pour aussi peu que 1,28 $ le watt, tandis que le fabricant occidental le moins cher produira une technologie comparable pour environ 2,00 $ le watt. Non seulement cet avantage de coût a rendu les fabricants chinois dominants dans l'industrie, mais il a également contribué à redéfinir les perspectives de l'énergie solaire, la rapprochant de ce que les initiés appellent la parité du réseau - le point où elle est tout aussi bon marché que l'électricité sur le réseau électrique, dont la plupart sont générés avec des combustibles fossiles. D'ici cinq ans environ, nous devrions être en mesure d'atteindre la parité réseau sur au moins 30 à 50 % du marché mondial, déclare Zhengrong Shi, fondateur et PDG de Suntech, s'exprimant depuis son bureau spacieux donnant sur l'arrière de l'immense façade solaire.

Visage du solaire: Une immense façade de panneaux photovoltaïques accueille les visiteurs au siège de Suntech à Wuxi, en Chine.

La stratégie de Suntech jusqu'à présent a été de réduire le coût par watt en réduisant les dépenses de fabrication des panneaux solaires. Mais atteindre la parité réseau nécessitera également d'augmenter l'efficacité des panneaux afin que chacun produise plus de watts. Sous la direction de Shi, qui était chercheur solaire avant de devenir homme d'affaires, l'entreprise a développé une nouvelle façon de fabriquer des panneaux solaires ; les modules multicristallins fabriqués l'année dernière ont battu un record de 15 ans d'efficacité dans la conversion de la lumière du soleil en électricité. Quelques mois plus tard, Suntech a encore augmenté la note d'efficacité. Et le laboratoire de l'entreprise a des prototypes qui promettent des résultats encore meilleurs. Si ces progrès se concrétisent, cela pourrait enfin ouvrir la voie au rêve de Shi d'une énergie solaire abordable.

Richesses et chiffons

À bien des égards, Shi reflète la complexité de la Chine contemporaine. Bien qu'il soit né et ait grandi à moins de 100 kilomètres de ses usines à Wuxi, il a commencé sa carrière en Australie, où il a vécu une décennie et est devenu citoyen avant de retourner en Chine en 2000 pour profiter du boom économique du pays. Je dois obtenir un visa pour travailler en Chine, dit Shi avec un soupçon d'accent australien en riant. Malgré sa richesse et son poste de direction, il a l'air décontracté mais confiant d'un chercheur, vêtu d'un simple manteau de sport et d'une chemise rayée à col ouvert. Mais son look décontracté et ses manières australiennes faciles à vivre démentent son ambition et ses liens étroits avec son pays natal. Plusieurs exemplaires de couvertures de magazines le présentant comme le Roi Soleil ( Forbes Asie ) et le nouveau roi chinois du solaire ( Fortune ) sont soigneusement disposés autour de son bureau spacieux, au milieu des citations des académies nationales et d'autres récompenses. Accueillir les visiteurs dans l'entrée est une énorme version du Ch'an Chu, le symbole chinois de prospérité - un crapaud de pierre tenant une pièce de la taille d'une assiette dans sa bouche.

Le chiffre, qui est aussi un symbole de chance, est approprié. En 2005, alors que les prix du pétrole étaient volatils et que de nombreux pays, en particulier en Europe, faisaient pression pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, Shi a fait entrer Suntech en bourse à la Bourse de New York. En 2006, il est devenu le septième homme le plus riche de Chine, avec une valeur nette de plus de 1,4 milliard de dollars, selon Forbes . Mais l'homme qui a rendu Suntech possible n'a presque pas du tout été dans le solaire.

Les parents de Shi, des agriculteurs ruraux laissés dans la misère par les famines qui ont sévi en Chine au début des années 1960, ont été contraints de le donner en adoption à un ami proche de la famille quand il était petit. Il a excellé à l'école, obtenant finalement un baccalauréat en sciences optiques et une maîtrise en physique des lasers. Shi a postulé pour étudier à l'étranger, comme de nombreux étudiants talentueux l'ont fait en Chine à la fin des années 1980. Il a été approuvé, non pas pour des études aux États-Unis, comme il s'y attendait, mais en Australie. Connaissant peu le pays, il s'est appuyé sur la suggestion d'un de ses collègues de rencontrer Martin Green, le directeur du Centre d'excellence photovoltaïque de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, célèbre pour avoir inventé une approche des cellules solaires au silicium qui atteint des rendements records. Il a postulé pour un poste de chercheur rémunéré, mais Green m'a immédiatement refusé, se souvient Shi. Au lieu de cela, Green l'a persuadé d'étudier pour un doctorat. Il a obtenu son diplôme en seulement deux ans et demi et, en 1995, il a commencé à travailler chez Pacific Solar, une startup issue du laboratoire de Green qui commercialisait un nouveau type de cellule solaire à couche mince.

En 2000, Shi était directeur exécutif de la startup, mais les nouvelles concernant la croissance de l'industrie solaire en Europe et au Japon l'ont rendu impatient. J'ai vu l'opportunité du boom solaire, dit-il. Pendant ce temps, la technologie de Pacific Solar prenait trop de temps à mettre sur le marché. Le film mince à ce stade n'était pas encore tout à fait prêt, dit Shi. Il a également vu une opportunité en Chine, où les coûts étaient bas et où personne ne comprenait vraiment la technologie et l'industrie. Après 10 ans à l'étranger, il est retourné en Chine et a présenté un plan d'affaires aux politiciens en charge du nouveau district de Wuxi, un parc industriel de haute technologie à environ une heure de là où il avait grandi. Son plan était de fabriquer des panneaux solaires conventionnels en silicium et de le faire à moindre coût. Les représentants du gouvernement l'ont rejeté, suggérant que même son approche conservatrice était un pas en avance, se souvient-il. Bien que les investisseurs en capital-risque et les grandes entreprises proposant des coentreprises soient désormais courants en Chine, ils étaient rares à l'époque. Shi a donc passé les 10 mois suivants à établir des relations et à courtiser les politiciens pendant que lui, sa femme et leurs deux jeunes enfants vivaient de ses économies. Le vrai défi était de convaincre les autorités locales que je pouvais réussir dans le secteur solaire et pas seulement dans le laboratoire solaire, dit-il. Finalement, ils lui ont offert 6 millions de dollars, collectés auprès d'entreprises locales gérées par l'État, pour démarrer Suntech.

Le fondateur et PDG de Suntech, Zhengrong Shi, pose sur une terrasse à l'extérieur de son bureau, avec la façade en arrière-plan.

Shi a gardé un œil sur chaque opportunité de réduire les coûts. Il a acheté du matériel d'occasion. Il a aidé une entreprise japonaise à concevoir une nouvelle machine en échange d'une remise. Et là où il le pouvait, il a trouvé des moyens de remplacer les machines par une main-d'œuvre moins chère.

Les méthodes de fabrication utilisées par Shi pour faire décoller l'entreprise sont toujours visibles dans l'usine, accessible par des portes situées à l'arrière du bâtiment du siège. Les travailleurs, plutôt que les robots coûteux utilisés dans les usines solaires au Japon et en Occident, transfèrent une à une des plaquettes de silicium fines comme des coquilles d'œuf sur des supports pouvant résister à des fours flamboyants où les températures atteignent 1 000 °C. L'opération pourrait être automatisée, mais la main-d'œuvre humaine coûte moins cher et peut réduire les taux de casse. Les machines sont utilisées là où elles en valent la peine : dans une autre station, on teste la puissance de sortie des cellules finies avec un flash de lumière avant que les bras robotiques ne les placent dans des bacs en fonction de leurs performances. Une équipe humaine trie davantage ces cellules, identifiant de fines gradations dans la couleur bleu foncé. (Tout ce tri est fait pour assurer la cohérence des cellules qui entrent dans un panneau.) Dans un autre bâtiment, les ouvriers soudent des cellules solaires en bandes, puis les alignent à l'œil sur une boîte à lumière pour former les rangées et les colonnes de cellules qui composent un panneau solaire complet. Pour finir les panneaux, des binômes collent les cadres ensemble à la main et les nettoient avec un chiffon.

Sur demande

Lorsque Shi a lancé Suntech en 2001, son timing n'aurait pas pu être meilleur. La fabrication d'énergie solaire en Chine était presque inexistante, il y avait donc peu de concurrence nationale. Dans le même temps, le marché mondial commençait à se développer. Les incitations tarifaires pour l'énergie solaire que le parlement allemand a autorisées en 2000 venaient juste d'entrer en vigueur (voir L'expérience allemande ) ; après l'augmentation de ces subventions en 2004, l'Allemagne est devenue le plus grand marché au monde pour les panneaux solaires et la plus grande source de revenus de Suntech.

Alors que d'autres gouvernements ont introduit leurs propres incitations à l'installation de sources d'énergie renouvelables, la demande a grimpé en flèche et les constructeurs ont commencé à tenter leur chance avec les panneaux solaires bon marché provenant de Chine. En 2005 et 2006, je ne pouvais pas obtenir de panneaux solaires, explique Barry Cinnamon, PDG d'Akeena Solar, un installateur solaire et l'un des premiers clients de Suntech en Californie. La demande était bien plus importante que l'offre. N'importe quelle entreprise, n'importe où dans le monde, qui pourrait fabriquer un morceau de verre avec des fils dessus qui produirait de l'électricité lorsque le soleil le frappait pourrait en vendre autant qu'elle le souhaitait. Non seulement Suntech pouvait répondre à sa demande, mais il était prêt à répondre aux demandes d'Akeena. Ce qui était intéressant à propos de Suntech, c'est qu'ils étaient prêts à construire un panneau solaire spécialement conçu pour nous, dit-il. Personne d'autre ne le ferait.

Dans les années qui ont suivi la fondation de Suntech par Shi, le nombre total de watts produits par l'industrie solaire a doublé environ tous les deux ans. Suntech a gardé une longueur d'avance, doublant sa propre production en moyenne chaque année jusqu'en 2009, lorsque la récession a ralenti les choses. Cette année, sa production devrait encore augmenter de 100 pour cent ; l'entreprise emploiera 12 000 travailleurs. Le gouvernement a récemment rendu Suntech éligible à 7,3 milliards de dollars de prêts via la Banque chinoise de développement pour financer encore plus d'expansion.

Les progrès de la Chine
Source : Photon Consulting
*Pour les fabricants les moins chers de chaque pays

Pendant ce temps, des centaines d'autres sociétés solaires ont été fondées en Chine, et plusieurs sont devenues des fournisseurs majeurs dans le monde entier. Yingli Green Energy, basée près de Pékin, détient une part encore plus importante du marché californien que Suntech, bien qu'elle produise globalement moins de panneaux. Il a également des coûts encore plus bas. D'autres, comme JA Solar, Trina Solar et China Sunergy, gagnent rapidement en notoriété dans le monde entier. Une grande partie de l'industrie remonte à Green et à son laboratoire en Nouvelle-Galles du Sud ; ses anciens étudiants sont des dirigeants clés dans des entreprises qui produisent ensemble 60 % des panneaux solaires fabriqués en Chine. Mais si Green a fourni une grande partie de la formation technique, il attribue à Shi le sens des affaires pour aider à créer l'industrie en plein essor du pays. Les anciens étudiants ont eu un grand impact en Chine, dit-il. Mais, ajoute-t-il, je donnerais tout le mérite à Zhengrong Shi pour avoir ouvert la voie aux autres.

Astuces vertes

Lorsqu'il a fondé Suntech, Shi savait qu'il était possible de fabriquer des cellules solaires presque deux fois plus puissantes que celles qui sortaient de la chaîne de sa première usine. Green les fabriquait depuis des années dans son laboratoire. Si vous modifiez les propriétés électroniques des plaquettes de silicium de la plus haute qualité selon des motifs précis, puis tracez des contacts électriques extrêmement fins sur leurs surfaces avant et arrière pour extraire le courant électronique, les cellules résultantes capturent beaucoup plus de ce courant que les cellules conventionnelles. Le seul problème est que les méthodes de Green reposent sur une technologie de traitement avancée et coûteuse empruntée à l'industrie des semi-conducteurs. Les cellules coûtent environ 100 fois plus cher à fabriquer que les cellules solaires conventionnelles comme celles que Suntech a produites jusqu'à présent.

L'Université de Nouvelle-Galles du Sud tentait en vain de commercialiser la technologie depuis 20 ans, mais Shi était déterminé à trouver un moyen. La clé était d'identifier des méthodes peu coûteuses pour obtenir les mêmes effets avec du silicium de qualité commerciale facilement disponible. Soulignant ses 45 brevets et ses 65 brevets en instance, Suntech affirme qu'il a maintenant réussi, mais il garde le secret sur les détails. Seuls trois employés ont vu tout le processus de fabrication de ses nouveaux produits. Nous savons que quiconque a vu toute la gamme sera ciblé avec beaucoup d'enthousiasme par d'autres sociétés, déclare Stuart Wenham, directeur de la technologie de Suntech. Wenham, un collègue de Green's en Nouvelle-Galles du Sud et de Shi's à Pacific Solar, a rejoint Suntech en 2005 pour produire les cellules avancées. Le Dr Shi était tellement déterminé à garder tout cela confidentiel qu'il a acheté sa propre entreprise d'équipement pour fabriquer l'équipement pour cette technologie, dit-il.

Le procédé consiste à remplacer une étape clé de la fabrication des cellules solaires conventionnelles : la sérigraphie. Pour extraire le courant électrique d'une cellule, les fabricants impriment des lignes de pâte d'argent sur sa face avant. Plus ces électrons sont rapprochés

indéfini

Les progrès de la Chine
Source : Photon Consulting
*Pour les fabricants les moins chers de chaque pays

les lignes conductrices sont, plus elles collecteront efficacement la charge du silicium. Cependant, si une trop grande partie de la surface de la cellule est ombrée par les lignes, la cellule ne peut pas absorber suffisamment de lumière. Plus les lignes sont fines, plus elles peuvent se rapprocher sans causer ce problème, mais le processus d'impression ne peut pas les rendre plus fines qu'environ 120 micromètres.

Les chercheurs de Suntech ont développé un moyen de traiter chimiquement la plaquette de silicium en bandes étroites. Ces zones traitées attirent l'argent, qui forme des lignes métalliques d'à peine 20 micromètres de large. En plus de produire des lignes plus fines, le procédé permet d'économiser sur les coûts de matière en utilisant des plaquettes de silicium si fines que les équipements de sérigraphie pourraient les casser lors de l'estampage des lignes à leur surface. Il remplace également un traitement utilisé dans la fabrication conventionnelle qui réduit l'efficacité des cellules en endommageant la surface du silicium. Les meilleurs modules fabriqués avec la nouvelle technologie convertissent environ 18 % de l'énergie de la lumière en électricité, contre 13 % pour les panneaux solaires d'origine de l'entreprise. L'année prochaine, Suntech a l'intention de déployer une version plus récente de la technologie, dont les tests préliminaires suggèrent qu'elle améliorera l'efficacité d'un ou deux points de pourcentage supplémentaires. L'amélioration peut sembler modeste, mais une efficacité accrue a un impact important sur le coût de l'électricité qui en résulte. En règle générale, une amélioration d'un point de pourcentage de l'efficacité peut réduire les coûts de plus de 6 %.

Suntech finance également des collaborations avec des universités, dont la Nouvelle-Galles du Sud et l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, pour développer des cellules solaires qui contournent une limitation fondamentale du photovoltaïque d'aujourd'hui : elles ne peuvent pas absorber toutes les longueurs d'onde de la lumière du soleil, et elles ne peuvent pas convertir toute l'énergie dans plusieurs de ces longueurs d'onde en charge électronique. Un investissement clé est dans la plasmonique, qui utilise le fait que les particules métalliques déposées à la surface d'une cellule peuvent guider l'énergie lumineuse afin qu'elle rebondisse dans la cellule au lieu d'être réfléchie. L'exploitation de cet effet pourrait permettre aux chercheurs de réduire de plusieurs ordres de grandeur la quantité de matériau semi-conducteur actif dans une cellule solaire, ou même de fabriquer des cellules à partir de matériaux beaucoup moins chers que le silicium cristallin purifié. (voir Photovoltaïque piégeant la lumière , mai/juin 2010). Ces concepts ne trouveront probablement pas leur place dans les produits commerciaux dans les 10 à 20 prochaines années, dit Wenham. Mais ils finiront par le faire.

Sur le point

Malgré la croissance rapide de Suntech et de l'industrie solaire dans le monde, l'énergie solaire contribue toujours à une part infime de l'électricité totale produite chaque année. Aux États-Unis, il est légèrement supérieur à 0,1%. C'est une erreur d'arrondi, déclare Nathaniel Bullard, analyste pour Bloomberg New Energy Finance.

Il est difficile de projeter le cours de l'industrie encore minuscule. D'une part, toutes les prédictions du moment où l'énergie solaire pourrait atteindre la parité réseau sont pleines d'incertitudes, dit Bullard. Pour ne prendre qu'un exemple, considérons qu'aujourd'hui les panneaux solaires représentent eux-mêmes moins de la moitié du coût total de la technologie. Les coûts d'installation, les équipements supplémentaires tels que les onduleurs, les ventes et la commercialisation par les installateurs et, surtout, le financement devront également baisser. De plus, en ce qui concerne la parité réseau, le prix que les fabricants de panneaux photovoltaïques facturent pour leurs produits est en réalité plus important que l'argent qu'il en coûte pour les fabriquer, et cela dépendra du marché. Si la demande de photovoltaïque reste élevée, en partie parce que les incitations gouvernementales en Allemagne et ailleurs la soutiennent, les panneaux solaires pourraient rester suffisamment chers pour maintenir le prix de l'énergie solaire bien au-dessus de celui de l'électricité du réseau.

On ne sait pas non plus quelle technologie est la mieux adaptée pour une utilisation généralisée de l'énergie solaire. Dans dix ans, les panneaux solaires que la plupart des gens achèteront pourraient même ne pas être en silicium. Le changement serait difficile pour Suntech. S'il possède l'expertise pour changer de cap, ses faibles coûts de fabrication dépendent des investissements en équipements et des accords avec les fournisseurs de silicium. Pendant ce temps, les entreprises rivales ont une longueur d'avance sur les technologies qui utilisent d'autres matériaux. First Solar, basée à Tempe, AZ, fabrique des cellules solaires à couche mince à base de cadmium et de tellure pour encore moins par watt que les entreprises chinoises fabriquant des cellules en silicium. Certes, la technologie de First Solar ne convertit qu'environ 11 % de la lumière solaire en électricité ; cette efficacité relativement faible se traduit par des coûts d'installation plus élevés et limite les applications pour lesquelles il est bon. Pourtant, l'énergie solaire à couche mince représente une part de plus en plus importante du marché global, de 3 % en 2003 à plus de 15 % aujourd'hui.

Pourtant, malgré toutes ces incertitudes, Shi reste convaincu que l'énergie solaire à base de silicium est sur le point de devenir compétitive sans subventions gouvernementales. L'idée que l'énergie solaire devra attendre une percée pour atteindre la parité réseau est une merde, dit-il. Il ajoute : Nous ne parlons pas de science de fusée. Nous parlons d'ingénierie de base.

Kevin Bullis est Examen de la technologie éditeur de l'énergie.

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