Le Japon peut-il récupérer son énergie solaire ?

La façon dont le pays du soleil levant a construit et perdu sa domination dans le photovoltaïque montre à quel point les énergies renouvelables restent vulnérables à l'évolution des politiques et des politiques nationales. Par

• Pierre Fairley page d'archives

18 décembre 2014

Il fait 38 °C sur la péninsule d'Atsumi au sud-ouest de Tokyo : une vague de chaleur mortelle s'est emparée d'une grande partie du Japon à la fin de l'été. Dans les bureaux d'une centrale électrique nouvellement construite et exploitée par la société de plastique Mitsui Chemicals, le courant alternatif explose. À l'extérieur, 215 000 panneaux solaires convertissent la lumière du soleil en 50 mégawatts d'électricité pour le réseau local. Trois éoliennes de 118 mètres de haut érigées sur le site ajoutent six mégawatts de capacité de production pour soutenir les panneaux solaires pendant l'hiver.

L'usine de Mitsui n'est que l'une des milliers d'installations d'énergie renouvelable en cours alors que le Japon affronte son troisième été consécutif sans utiliser les réacteurs nucléaires qui avaient fourni près de 30 % de son électricité. Au Japon, les gens se réfèrent au tremblement de terre et à la catastrophe nucléaire de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi de la Tokyo Electric Power Company le 11 mars 2011 sous le nom de Three-Eleven. La contamination radioactive a forcé plus de 100 000 personnes à évacuer et terrifié des millions d'autres. Cela a également envoyé une onde de choc dans le secteur manufacturier déjà fragile du Japon, qui est le deuxième employeur du pays et représente 18 % de son économie.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2015

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Onze des 54 réacteurs nucléaires du Japon se sont arrêtés le jour du tremblement de terre. Un an plus tard, tous les réacteurs du Japon étaient hors service ; chacun devait être mis à niveau pour répondre à des normes de sécurité renforcées, puis faire la queue pour les inspections. Lors de ma visite cet été, le Japon n'avait toujours pas d'énergie nucléaire, et seules des économies d'énergie agressives maintenaient les lumières allumées. Pendant ce temps, le pays utilisait tellement plus de combustibles fossiles importés que les prix de l'électricité ont augmenté d'environ 20 % pour les foyers et de 30 % pour les entreprises, selon le ministère japonais de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie (METI).

La soi-disant arche solaire de Sanyo Electric, construite en 2001 à l'apogée du premier boom solaire du pays, a été conçue pour générer 630 kilowatts d'électricité, ce qui en fait l'une des plus grandes installations solaires au monde. Il dispose de 5 046 panneaux solaires.

La crise énergétique post-Fukushima, cependant, a alimenté les espoirs pour l'industrie des énergies renouvelables du pays, en particulier ses activités solaires. Dans le cadre de l'une de ses dernières actions avant de quitter ses fonctions à l'été 2011, le Premier ministre Naoto Kan a établi des tarifs de rachat potentiellement lucratifs pour stimuler l'installation d'énergie solaire, éolienne et d'autres formes d'énergie renouvelable. Les tarifs de rachat fixent un taux majoré auquel les services publics doivent acheter l'électricité produite à partir de ces sources.

L'incitation du gouvernement est ce qui a motivé Mitsui à enfin utiliser le terrain acheté à l'origine pour une usine de plastique automobile qui n'a jamais été construite parce que les constructeurs automobiles ont déménagé leurs opérations de fabrication à l'étranger. Le site était resté inactif pendant 21 ans avant que Mitsui ne réunisse un consortium pour aider à financer un investissement de 180 millions de dollars dans des panneaux solaires et des éoliennes. En agissant rapidement, Mitsui et ses six partenaires se sont qualifiés pour les tarifs de rachat de 2012 qui promettaient aux installations solaires à l'échelle industrielle 40 yens (35 cents) par kilowattheure produit pendant 20 ans. À ce prix, dit Shin Fukuda, l'ancien ingénieur nucléaire qui dirige l'activité énergie et environnement de Mitsui, le consortium devrait récupérer son investissement en 10 ans et percevoir des bénéfices substantiels de l'installation renouvelable pendant au moins une autre décennie.

Du jour au lendemain, le Japon est devenu le marché solaire le plus en vogue au monde : en moins de deux ans après la fusion de Fukushima, le pays a plus que doublé sa capacité de production solaire. Selon le METI, les promoteurs ont installé près de 10 gigawatts de capacité de production d'énergie renouvelable jusqu'à la fin avril 2014, dont 9,6 gigawatts de photovoltaïque. (Les réacteurs nucléaires de Fukushima Daiichi avaient une capacité de 4,7 gigawatts ; dans l'ensemble, le pays dispose d'environ 290 gigawatts de capacité de production d'électricité installée.) Les trois quarts de la nouvelle capacité solaire se trouvaient dans des installations à grande échelle telles que celle de Mitsui.

Pourtant, cette explosion de la capacité solaire marque un triomphe doux-amer pour les fabricants japonais de panneaux solaires, qui avaient dirigé la conception du photovoltaïque dans les années 1980 et lancé l'industrie solaire mondiale dans les années 1990. Amer parce que la plupart des millions de panneaux en cours d'installation sont des importations réalisées à l'extérieur du pays. Même certains fabricants japonais, dont le premier leader du marché Sharp, ont commencé à acheter des panneaux produits à l'étranger et à les vendre au Japon.

La façon dont le Japon - autrefois le producteur de semi-conducteurs le plus avancé au monde et un pionnier dans l'utilisation de cette technologie pour fabriquer des cellules photovoltaïques - a abandonné son industrie solaire est une histoire d'insécurité nationale, de pouvoir monopolistique et de politique axée sur l'argent. C'est aussi une histoire riche d'enseignements pour ceux qui pensent que la puissance des technologies renouvelables incitera suffisamment les pays à transformer leurs habitudes énergétiques.

Au Japon, pendant la majeure partie des années 2000, les progrès impressionnants du photovoltaïque ont été ignorés parce que les puissants services publics du pays ont exercé leur force politique pour favoriser l'énergie nucléaire. Et malgré la recrudescence de la demande des consommateurs pour l'énergie solaire et le fort mépris du public pour le nucléaire, la même chose pourrait se reproduire. Un pays aux faibles ressources fossiles et au triste souvenir de la catastrophe de Fukushima profitera-t-il de son expertise technique pour retrouver sa place de premier producteur de photovoltaïque ou se détournera-t-il une fois de plus des énergies renouvelables ?

Riches

Plus longue que trois terrains de football et haute de plus de 37 mètres, l'Arche solaire est clairement visible depuis le Tokkaido Shinkansen alors que le train à grande vitesse traverse le centre du Japon. La structure, recouverte de panneaux photovoltaïques, ressemble à un temple de l'énergie d'une autre époque, une époque où le Japon possédait l'industrie de l'énergie solaire. Sanyo a érigé l'Arche en 2001, y installant 5 046 panneaux solaires capables de générer 630 kilowatts d'électricité sans pollution.

L'ère qui a donné lieu à cet exploit a commencé avec les crises énergétiques des années 1970, lorsque la flambée des prix mondiaux du pétrole a frappé l'économie manufacturière japonaise axée sur les exportations. Le pays a exploité sa domination dans la production de puces électroniques à semi-conducteurs pour rechercher des alternatives pour une énergie photovoltaïque plus propre et plus sûre. Et contrairement à d'autres pays, comme les États-Unis, il est resté fidèle aux programmes de développement solaire qui en ont résulté, même lorsque les prix du pétrole ont chuté dans les années 1980. Entre 1985 et 2007, les chercheurs japonais ont déposé plus de deux fois plus de brevets dans les technologies solaires que les inventeurs américains et européens concurrents réunis. Des entreprises comme Sharp, Sanyo Electric, Panasonic et Kyocera sont devenues les leaders incontestés de la technologie solaire. Les producteurs japonais ont commencé à augmenter leurs ventes et leurs installations solaires dans les années 1990. En 2001, la production totale d'énergie solaire au Japon était 500 fois plus élevée qu'elle ne l'avait été une décennie plus tôt, une décennie au cours de laquelle la production solaire aux États-Unis a augmenté d'un maigre 15 %.

Une image de la télévision japonaise capture la fumée qui s'élève après une explosion d'hydrogène à l'unité 3 de Fukushima Daiichi le 14 mars 2011, quelques jours après le tremblement de terre initial. Suite à la catastrophe de Fukushima, tous les réacteurs nucléaires du pays ont été arrêtés.

Puis tout s'est arrêté il y a dix ans alors que le pays pariait son avenir sur l'énergie nucléaire.

Les plans nucléaires du gouvernement étaient ambitieux : au moment où Fukushima Daiichi fondrait, ils exigeraient 14 réacteurs supplémentaires d'ici 2030, ce qui aurait presque doublé la production nucléaire pour représenter 50 % de l'approvisionnement électrique du Japon. Pendant ce temps, les ventes de photovoltaïque au Japon ont diminué au milieu des années 2000 et, en 2007, les producteurs japonais avaient cédé le leadership du marché mondial aux fabricants américains, chinois et européens. En quelques années seulement, le pays était passé de leader de l'industrie à has-been.

Ce qui a détourné le Japon du soleil était un mélange pernicieux de perception, de culture et de politique. L'énergie nucléaire avait une aura de force, tandis que l'énergie basée sur des sources d'énergie renouvelables intermittentes semblait faible et peu fiable - une impression encouragée par les services publics politiquement puissants du pays. Bien que le Japon compte de nombreux sites idéaux pour l'énergie éolienne et solaire, les compagnies d'électricité ont convaincu le public que les choix énergétiques étaient limités. Nous pensons vraiment que nous manquons de ressources et que le Japon doit dépendre du carburant importé, déclare Mika Ohbayashi, directeur de la Japan Renewable Energy Foundation, basée à Tokyo.

Ce qui a détourné le Japon du soleil était un mélange pernicieux de perception, de culture et de politique.

Le point de vue des services publics était teinté d'intérêt personnel. Les 10 services publics japonais étaient (et restent) des monopoles verticaux. Chacun contrôle la production, le transport et la distribution d'électricité dans sa région respective, et ses réseaux sont conçus pour fournir de l'électricité à partir de centrales électriques centralisées, y compris de grands réacteurs nucléaires. Ils manquent, de par leur conception, des interconnexions qui facilitent l'utilisation sûre de la production d'énergie variable. Dans la plupart des pays industrialisés, les gouvernements ont brisé les monopoles sur les marchés de l'électricité, libérant les opérateurs de réseaux de transmission pour construire ces interconnexions, mais les services publics japonais ont résisté à la tendance à la déréglementation. Le problème d'interconnexion est encore aggravé par un artefact : deux fréquences CA qui divisent en deux le système électrique du pays. L'est du Japon fonctionne à 50 hertz, tandis que l'ouest du Japon utilise une alimentation à 60 hertz - une barrière qui s'est avérée paralysante en 2011, au lendemain de la catastrophe de Fukushima, lorsqu'un Tokyo soudainement sous-alimenté n'a pu accéder qu'à une petite partie du surplus d'électricité d'Osaka.

Lorsqu'on lui a demandé pourquoi le Japon avait choisi de ne pas pousser l'énergie solaire de manière agressive alors qu'elle dominait l'industrie mondiale, l'ancien Premier ministre Kan m'a dit qu'il blâmait carrément les services publics du pays : la raison est très claire. Les compagnies d'électricité, les gens qui voulaient promouvoir le nucléaire, s'y sont opposés.

La relance

Dans un lotissement s'étendant sur des terres récupérées dans la baie d'Ashiya, une ville située entre Osaka et Kobe, un développement résidentiel de 400 unités appelé Smart City Shio-Ashiya (Salty-Ashiya) prend forme, une idée originale de la filiale de Panasonic PanaHome. Un dimanche de juillet, des panneaux solaires au sommet de chacune des 50 maisons construites à ce jour pompent l'électricité excédentaire dans le réseau local, et les vendeurs de PanaHome vendent un couple avec des tout-petits sur les avantages énergétiques et la résistance aux tremblements de terre des maisons.

Les maisons à deux étages de Shio-Ashiya comprennent le chauffage et le refroidissement géothermiques et d'autres caractéristiques de conception écologiques pour minimiser la consommation d'énergie, tandis que les panneaux solaires à haut rendement sur le toit maximisent la production d'électricité. Le surplus d'électricité devrait, selon la vendeuse de PanaHome Saho Watanabe, rapporter aux résidents environ 100 000 yens (825 $) chaque année. Watanabe vante une autre fonctionnalité, qui devrait être inestimable lorsque le réseau tombe en panne, par exemple lors d'un tremblement de terre ou d'un typhon. Elle ouvre un placard dans la salle à manger d'une maison modèle pour révéler une batterie au lithium qui, fonctionnant avec un système de gestion de l'énergie près de la cuisine, peut faire fonctionner la climatisation/les pompes à chaleur, l'éclairage du premier étage et le réfrigérateur de la famille pendant environ deux jours.

Les espoirs solaires de Panasonic reposent sur une technologie inventée par des chercheurs de Sanyo dans les années 1990 et acquise par Panasonic il y a quatre ans lors de la fusion des sociétés. Les cellules solaires combinent les technologies conventionnelles de silicium cristallin et de silicium amorphe à couches minces pour atteindre une efficacité relativement élevée dans la conversion de la lumière du soleil en électricité. Baptisée HIT, pour hétérojonction à couche mince intrinsèque, la technologie hybride est devenue un pilier de la stratégie solaire de l'entreprise.

Shingo Okamoto, un scientifique des matériaux qui a passé sa carrière chez Sanyo Electric avant de devenir directeur de la R&D solaire pour le groupe commercial EcoSolutions de Panasonic, affirme que les panneaux gagnent des prix élevés dans les ventes nationales car ils produisent beaucoup plus d'électricité à partir d'un toit donné que les panneaux polycristallins moins chers qui dominent le marché. En supposant que chaque ménage consomme de l'électricité à la moyenne japonaise de 1 400 kilowattheures par an pendant la journée, dit-il, un ménage équipé du système Panasonic aura 52 % d'électricité excédentaire en plus à retourner au réseau qu'une maison avec un système solaire ordinaire. .

L'électricité résidentielle au Japon est chère - à 24,33 yens (20 cents) par kilowattheure en 2013, c'était presque le double de la moyenne américaine. Et étant donné que les prix de l'électricité vont certainement continuer à augmenter, dit Okamoto, les systèmes photovoltaïques les plus efficaces sur les toits auront un avantage considérable. Lorsque nous nous sommes rencontrés en juillet à l'usine Panasonic de Shiga, à l'est de Kyoto, l'usine venait de commencer à expédier sa conception de panneau la plus récente et la plus puissante. Les avancées derrière le panneau, qui utilise des cellules avec une efficacité de 22,5%, incluent un film diffusant la lumière à l'arrière pour améliorer l'absorption de la lumière. Les chaînes de montage fonctionnaient 24 heures sur 24 pour répondre à la demande intérieure.

D'autres avancées sont en préparation. En avril, le groupe d'Okamoto a produit une cellule solaire au silicium qui a atteint une efficacité de 25,6 %, battant un record mondial de 25,0 % vieux de 15 ans. Bien que le record ait été établi en laboratoire à l'aide d'un dispositif prototype, Okamoto prédit que le groupe sera finalement en mesure de produire des cellules commerciales dont l'efficacité se situe à quelques points de pourcentage de la limite théorique du silicium cristallin, 29 %.

Repowering

De l'autre côté des montagnes côtières, depuis les réacteurs détruits de Fukushima Daiichi et le paysage contaminé qu'ils ont créé, l'une des installations les plus avancées au monde dédiée à la R&D sur les énergies renouvelables se prépare. Le complexe de 100 millions de dollars a ouvert ses portes en avril à Koriyama, le centre commercial de la préfecture de Fukushima, et rassemble des recherches auparavant disparates menées par les agences scientifiques et technologiques japonaises. L'institut n'est pas là par hasard. C'est un engagement explicite envers la région émotionnellement et économiquement dévastée.

La préfecture verdoyante au nord de Tokyo reste dépeuplée après le tremblement de terre, le tsunami et les effondrements de mars 2011. Beaucoup des plus de 100 000 habitants rendus sans abri par les catastrophes ne reviendront jamais. Remplacer les résidents et les entreprises perdus dans une zone connue pour sa contamination radioactive n'est pas facile. Les moniteurs de radioactivité à énergie solaire à Koriyama montrent que l'air est sûr, mais à 100 kilomètres à l'est, la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) lutte toujours pour empêcher la contamination de polluer à la fois les eaux souterraines et la mer.

L'installation de R&D de Koriyama dispose de laboratoires de pointe pour la cristallisation, le tranchage et la structuration des tranches de silicium, et sa ligne de production peut produire jusqu'à 360 tranches par heure. À l'extérieur, diverses installations photovoltaïques sont testées, ainsi qu'une éolienne de taille modeste et une grande batterie connectée au réseau. Son programme le plus ambitieux est dirigé par Makoto Konagai, l'un des scientifiques solaires les plus célèbres du Japon, qui a quitté l'Institut de technologie de Tokyo pour Koriyama. Son objectif est de dépasser la limite d'efficacité théorique des cellules au silicium, démontrant des taux de 30 % d'ici 2016 et jusqu'à 40 % d'ici 2021. C'est un plan ambitieux, mais trois grands fabricants, dont Panasonic, ont signé.

Alors que d'autres chercheurs cherchent des alternatives plus efficaces au silicium, qui représente 90 % de la production solaire actuelle, Konagai cherche à repenser la cellule au silicium de fond en comble. Une de ses équipes développe par exemple une méthode de coulée pour produire des lingots de silicium de meilleure qualité. Une autre équipe repense la façon dont les structures semi-conductrices sont modelées pour transformer les tranches de silicium en cellules : le plan de Konagai est de graver ou de construire des structures verticales de quelques nanomètres de diamètre, presque 100 000 fois plus étroites que la tranche de silicium elle-même. Si ses simulations sont bonnes, les nanofils ou les nanomurs résultants modifieront le comportement électrique du silicium à l'intérieur, augmentant son potentiel d'absorption de la lumière et de collecte de charges électriques.

En juin 2011, le gouverneur précédemment pro-nucléaire de Fukushima, Yuhei Sato, a déclaré que Fukushima devrait fonder son avenir sur les énergies renouvelables. Des militants communautaires ont lancé des dizaines de projets dans toute la préfecture et, en 2012, ils se sont fixé pour objectif d'augmenter les énergies renouvelables de 22 % à 100 % de leur alimentation électrique d'ici 2040.

En octobre, des travailleurs ont vu une grue soulever une section d'un linceul antiradiation qui avait été placé au-dessus d'un réacteur à Fukushima après le tremblement de terre. Le fait de soulever la couverture a exposé les débris à l'intérieur du bâtiment détruit pour la première fois depuis 2011.

La froide réalité de la situation énergétique difficile du Japon, cependant, est que de telles ambitions audacieuses risquent d'échouer. Le type d'expansion solaire que l'on peut attendre des seuls tarifs de rachat n'est pas susceptible d'atteindre les objectifs de la préfecture, ni même de remplacer l'électricité fournie par le parc nucléaire japonais. Et les forces politiques et économiques ne semblent pas favoriser les politiques qui développeraient les énergies renouvelables de manière plus spectaculaire.

Les projections de la Japan Photovoltaic Energy Association, un groupe commercial basé à Tokyo, suggèrent que les installations solaires annuelles culmineront cette année à un peu moins de sept gigawatts. Le groupe prévoit que la capacité solaire totale installée au Japon atteindra 102 gigawatts d'ici 2030, ce qui suffirait à couvrir seulement une petite fraction des besoins en électricité du pays. Un déploiement modéré de l'énergie éolienne fournirait de l'électricité supplémentaire. Mais le Japon a besoin de bien plus. Alors que les consommateurs et l'industrie japonais ont réduit la demande d'électricité depuis 2011, les services publics ont couvert la majeure partie du déficit nucléaire en augmentant la combustion du gaz naturel, du pétrole et du charbon importés. Les combustibles fossiles représentaient environ 89 % de la production d'électricité du Japon en 2012. En conséquence, ses émissions totales de gaz à effet de serre étaient de 7 % plus élevées cette année-là qu'en 2010.

Les perspectives de l'énergie renouvelable pourraient s'aggraver. Pour se prémunir contre la possibilité qu'ils ne puissent pas redémarrer les réacteurs nucléaires, les services publics construisent une nouvelle génération de centrales électriques au charbon. Selon le décompte d'Ohbayashi, quelque 13 gigawatts de nouvelle production d'électricité au charbon sont actuellement en cours de développement.

Pendant ce temps, le coût relativement élevé de l'énergie solaire au Japon menace d'inciter à une réaction contre les énergies renouvelables, encouragée par les services publics pro-nucléaires. Il ne fait aucun doute qu'avec le photovoltaïque actuel, la production d'électricité coûte cher, déclare Okamoto, exprimant son point de vue personnel plutôt que celui de Panasonic. Il craint les réactions négatives des contribuables, dont les factures d'électricité en hausse paient les tarifs qui financent les systèmes photovoltaïques sur les toits et dans les centrales électriques comme celle de Mitsui Chemicals : si nous continuons à développer nos activités avec le niveau actuel des coûts, nous pourrions avoir des objections.

De plus, les vieilles politiques qui favorisent l'énergie nucléaire semblent revenir. Bien que les sondages d'opinion montrent systématiquement qu'une majorité de Japonais s'opposent au redémarrage des réacteurs inactifs des services publics, le Premier ministre Shinzo Abe promet de redémarrer ceux jugés sûrs par l'Autorité de réglementation nucléaire du Japon. En juillet, l'agence a délivré la première certification de ce type à deux réacteurs sur l'île méridionale de Kyushu, même si les centres de contrôle d'urgence hors site mandatés après Fukushima ne sont pas encore terminés et que les réacteurs sont dangereusement proches d'un volcan actif. Des pilules d'iode ont été rapidement distribuées aux voisins des réacteurs, et le redémarrage sans précédent est attendu prochainement, après avoir obtenu le feu vert du gouverneur local et de la ville hôte de l'usine, Satsumasendai, dont l'économie est paralysée sans les emplois, l'argent des contribuables et affaires que l'usine fournit.

Dans le même temps, les services publics retardent les connexions au réseau aux développements renouvelables ou imposent des frais de mise à niveau du réseau qui rendent les projets renouvelables irréalisables. Le refoulement frappe le plus durement l'énergie éolienne. Le maigre marché japonais des éoliennes a en fait ralenti depuis Fukushima.

Cet été, le METI a lancé un comité chargé de gérer la mise en œuvre des nouvelles politiques énergétiques. Un sujet : les efforts récents des services publics et du gouvernement pour limiter les installations solaires supplémentaires. Ohbayashi dit que le METI fait marche arrière parce qu'il a mal évalué le potentiel commercial des énergies renouvelables et leur impact potentiel sur les services publics. Dit Ohbayashi, Ils n'avaient pas prévu la croissance explosive du photovoltaïque.

Le gouvernement japonais a l'intention de remanier radicalement le marché de gros balkanisé et le réseau électrique du pays, se préparant à un avenir dans lequel les producteurs se disputeront le droit de fournir de l'électricité. Dans ce scénario, les énergies renouvelables pourraient prospérer.

L'étape la plus critique, cependant, est encore dans des années : obliger les services publics intégrés verticalement à dégrouper leurs activités de production et de transport d'électricité. Le dégroupage est essentiel pour créer des règles du jeu équitables pour les producteurs et un système optimisé pour fournir l'électricité la moins chère et la plus propre disponible en temps réel.

La réingénierie du réseau pour accueillir des flux massifs d'énergies renouvelables telles que l'éolien et le solaire est une voie potentiellement coûteuse pour le Japon. Cependant, ce n'est pas nécessairement plus coûteux que le chemin du retour vers le nucléaire que le gouvernement actuel et les services publics tracent. La prise en compte du coût de l'assurance contre les accidents et des mises à niveau pour les prévenir pourrait doubler le coût de l'énergie nucléaire.

Comme me l'a dit l'ancien Premier ministre Naoto Kan, la catastrophe de Fukushima Daiichi a modifié à jamais l'économie de l'énergie nucléaire. Dans le passé, on disait que l'énergie nucléaire pouvait fournir de l'électricité à un coût très bon marché, mais nous savons maintenant que ce n'est pas correct, a-t-il déclaré. Ce calcul supposait qu'aucun accident ne pouvait se produire. Maintenant, nous savons qu'ils le peuvent.

Peter Fairley est rédacteur en chef pour Examen de la technologie MIT.

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