Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing of Solar Photovoltaic Panels with Heatsinks for Passive Cooling
Cette étude démontre que l'équipement de panneaux solaires photovoltaïques avec des dissipateurs thermiques passifs en aluminium, particulièrement ceux fabriqués à partir d'aluminium recyclé, améliore considérablement la performance environnementale en réduisant le potentiel de réchauffement climatique et abaisse le coût actualisé de l'énergie de 0,023 à 0,021 £/kWh grâce à l'amélioration du rendement énergétique et à l'extension de la durée de vie des panneaux.
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Dans les régions ensoleillées de l'Afrique subsaharienne, les panneaux solaires sont souvent salués comme une bouée de sauvetage, offrant un moyen d'apporter l'électricité à des communautés qui attendent depuis longtemps une énergie fiable. Pourtant, ces panneaux font face à un adversaire silencieux : la chaleur. Tout comme le moteur d'une voiture peine à fonctionner efficacement lorsqu'il surchauffe, un panneau solaire perd sa capacité à convertir la lumière du soleil en électricité à mesure que sa température augmente. Pour chaque degré d'élévation de la température de l'air, l'efficacité du panneau peut chuter de l'ordre de l'un demi pour cent. Dans des endroits comme le Nigeria, où le soleil est abondant mais la chaleur intense, ce stress thermique ne se contente pas de saper la production d'énergie quotidienne, il accélère également le vieillissement des cellules, réduisant ainsi la durée pendant laquelle l'équipement peut servir une communauté. Si les ingénieurs savent depuis longtemps que le refroidissement de ces panneaux aide, la question demeure de savoir si la solution elle-même en vaut le coût et le prix environnemental de sa fabrication.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de répondre à cela en examinant une méthode de refroidissement passif simple : la fixation d'ailettes en aluminium, connues sous le nom de dissipateurs thermiques, à l'arrière des panneaux solaires. Ces ailettes agissent comme les ailettes de refroidissement d'un moteur de moto, évacuant la chaleur du panneau et laissant la brise naturelle la transporter dans l'air. L'étude, menée avec un accent sur le marché nigérian, ne s'est pas contentée de mesurer de combien les panneaux refroidissaient ; elle a examiné toute la vie du système, du moment où les matières premières sont extraites du sol jusqu'au jour où l'équipement est mis au rebut. Les chercheurs ont comparé trois scénarios : un panneau standard sans refroidissement, un panneau refroidi avec un dissipateur thermique fabriqué à partir d'aluminium neuf, ou vierge, et un panneau refroidi avec un dissipateur thermique fabriqué à partir d'aluminium recyclé. Ils voulaient savoir si le matériel supplémentaire requis pour les ailettes de refroidissement serait rentable à long terme, tant pour la planète que pour le portefeuille des populations utilisant l'énergie.
L'enquête a débuté par la modélisation de l'impact environnemental de chaque installation à l'aide de logiciels spécialisés qui suivent chaque étape de la vie d'un produit. L'équipe a calculé la quantité de dioxyde de carbone et d'autres polluants que chaque système générerait tout au long de sa vie, en examinant des facteurs tels que le potentiel de réchauffement climatique, la formation de smog et l'acidification des pluies. Les résultats étaient clairs : l'ajout d'un dissipateur thermique améliore le profil environnemental du système solaire, mais la provenance de l'aluminium importe énormément. Lorsqu'un dissipateur thermique est fabriqué à partir d'aluminium recyclé, le potentiel de réchauffement climatique du système chute de 24,3 % par rapport à un panneau standard sans refroidissement. Même un dissipateur fabriqué à partir d'aluminium neuf aide, réduisant l'impact de 13,7 %, mais la version recyclée offre un avantage nettement plus important. Cet avantage s'étend à d'autres mesures environnementales, l'installation à l'aluminium recyclé montrant des réductions spectaculaires du potentiel de formation de pluies acides et de pollution des systèmes aquatiques par les nutriments.
Au-delà du bilan environnemental, les chercheurs ont également comptabilisé les coûts pour déterminer le prix réel de l'électricité produite. Ils ont calculé le coût actualisé de l'énergie, qui représente le coût moyen de production d'un kilowattheure de puissance sur toute la durée de vie du système, incluant l'achat initial, la maintenance et la production totale d'énergie. Pour un système standard de trois kilowatts au Nigeria sans aucun refroidissement, ce coût était estimé à 0,023 livre par kilowattheure. Cependant, lorsqu'un système comprenait un dissipateur thermique fabriqué à partir d'aluminium recyclé, le coût tombait à 0,021 livre par kilowattheure. Cette réduction s'est produite parce que l'effet de refroidissement a fait deux choses : il a stimulé la quantité d'énergie produite par les panneaux de près de 10 % et il a prolongé la durée de vie des panneaux de la durée standard de 25 ans à 35 ans. En répartissant le coût initial de l'équipement sur plus d'années de fonctionnement et plus d'électricité générée, le prix par unité d'énergie a diminué.
L'étude a également exploré la sensibilité de ces coûts par rapport au prix du dissipateur lui-même. Les chercheurs ont constaté que même si le coût des ailettes en aluminium fluctuait, le système utilisant l'aluminium recyclé, avec une durée de vie plus longue et une production d'énergie plus élevée, restait systématiquement l'option la plus économique. C'était la seule configuration qui demeurait moins chère que la référence non refroidie dans tous les scénarios de prix testés. Bien que les chercheurs aient noté que leur travail reposait sur des simulations et des hypothèses concernant l'extension de la durée de vie des panneaux grâce au refroidissement, les données suggèrent fortement que la combinaison du refroidissement passif et des matériaux recyclés crée un système qui est à la fois plus vert et plus abordable. Les conclusions indiquent une voie pratique pour l'énergie solaire dans les climats chauds, où l'ajout simple d'ailettes métalliques, façonnées à partir de matériaux anciens, peut aider à transformer la chaleur du soleil en une source d'énergie plus fiable et durable.
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