Photovoltaïque tandem à pérovskite pour l’agrivoltaïsme

Agrivoltaïsme et panneaux tandem pérovskite : une révolution pour la production alimentaire durable

L’agrivoltaïsme, qui combine production agricole et énergie solaire sur une même parcelle, connaît un essor mondial grâce aux innovations technologiques. Parmi les avancées les plus prometteuses, les cellules photovoltaïques tandem à pérovskite offrent des rendements de conversion énergétique élevés et une flexibilité d’intégration inédite. Une étude récente de l’Université Cornell, publiée dans la revue Nexus, analyse en profondeur le potentiel de durabilité de ces technologies appliquées à la culture de la laitue aux États-Unis. Les résultats montrent des bénéfices environnementaux considérables, tant en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre que d’économies d’eau.

L’étude de l’université Cornell sur le cycle de vie des systèmes agrivoltaïques

Les chercheurs ont mené une analyse du cycle de vie complète, de la ferme à l’assiette, pour comparer deux technologies tandem : pérovskite-silicium (P-S) et pérovskite-pérovskite (P-P). Leur référence était les panneaux photovoltaïques conventionnels au silicium. L’étude a intégré des données régionales de production de laitue, des scénarios de recyclage circulaire, des besoins en irrigation, des pertes alimentaires tout au long de la chaîne d’approvisionnement, ainsi que des hypothèses sur la durée de vie des systèmes (2, 5 et 10 ans) et les rendements de conversion énergétique (25 %, 30 % et 35 %).

Selon Fengqi You, auteur principal correspondant, « cette approche systémique permet d’évaluer si les exploitations agricoles peuvent simultanément produire des aliments, générer de l’électricité propre, réduire les émissions de gaz à effet de serre, préserver les ressources en eau et limiter la concurrence pour l’usage des terres ». L’équipe a notamment étudié six grandes régions productrices de laitue : les côtes centrale et sud de la Californie, le désert du Sud, la vallée centrale de Californie, l’Arizona et la Floride.

Des bénéfices spectaculaires pour l’environnement et l’eau

Les résultats sont frappants : dans des conditions favorables, la conversion des terres américaines consacrées à la culture de la laitue en systèmes agrivoltaïques équipés de panneaux tandem à pérovskite pourrait éviter jusqu’à 30,9 millions de tonnes équivalent CO₂ par an. Par ailleurs, les économies d’eau atteindraient environ 8,4 milliards de m³ chaque année, soit l’équivalent de la consommation annuelle de plusieurs millions de foyers.

L’analyse inclut l’ensemble du cycle de vie : production d’engrais, irrigation, culture, récolte, fabrication et exploitation des panneaux photovoltaïques, emballage, transport réfrigéré, distribution commerciale, gaspillage alimentaire des consommateurs, élimination en décharge, ainsi que la production d’électricité solaire et le recyclage des modules dans le cadre d’une économie solaire circulaire. Les émissions évitées grâce à l’électricité solaire injectée dans le réseau sont comptabilisées comme des bénéfices environnementaux.

Impact des configurations agrivoltaïques sur les rendements agricoles

L’étude a modélisé plusieurs configurations de panneaux solaires au-dessus des cultures :

• Densité complète (FD) : réduction du rendement de laitue de 40 %, baisse des besoins en irrigation de 50 %.
• Demi-densité (HD) : baisse de rendement de 20 %, économie d’eau de 30 %.
• Suivi solaire sur un axe : réduction de 12 % du rendement, irrigation réduite de 30 %.
• Suivi sur deux axes : perte de rendement limitée à 5 %, économie d’eau de 15 %.

Ces données montrent qu’un compromis est possible entre production alimentaire et énergétique, avec des bénéfices nets pour l’environnement, notamment dans les régions arides où l’eau est une ressource critique.

Le rôle de la géographie dans la performance agrivoltaïque

Un constat inattendu de l’étude concerne l’influence de la localisation. Contrairement à l’intuition, les régions les plus ensoleillées ne présentent pas toujours le meilleur potentiel de réduction des émissions de carbone par kilogramme de laitue. Fengqi You explique : « La Floride, malgré un rayonnement solaire inférieur à celui des régions désertiques, a montré un très fort potentiel de décarbonation unitaire, car des rendements agricoles plus faibles impliquent une plus grande surface de terre associée à chaque kilogramme de laitue, ce qui permet de produire davantage d’électricité solaire dans une configuration agrivoltaïque. »

Pour la préservation de l’eau, les régions soumises à un stress hydrique comme le désert du Sud de la Californie et l’Arizona offrent les gains les plus significatifs. L’agrivoltaïsme y devient un outil de résilience face au changement climatique.

Vers une économie circulaire solaire dans l’agriculture

L’étude de Cornell intègre des scénarios de recyclage et de remanufacturation des panneaux tandem à pérovskite. Contrairement aux panneaux silicium classiques, ces technologies peuvent bénéficier d’une économie circulaire grâce à la possibilité de récupérer les matériaux précieux (indium, or, etc.) et de réutiliser les substrats. Les chercheurs ont modélisé des durées de vie de 2, 5 et 10 ans pour les tandems, reflétant les défis actuels de stabilité des pérovskites. Cependant, les progrès rapides en encapsulation et en chimie des matériaux pourraient allonger cette durée à 15-20 ans d’ici 2025-2027, rendant les systèmes encore plus compétitifs.

Pour approfondir, consultez l’article original dans la revue Nexus ou visitez le site de l’Université Cornell.

Conclusion : l’agrivoltaïsme comme plateforme intégrée

Fengqi You conclut : « Si elles sont conçues de manière responsable, les nouvelles générations de systèmes agrivoltaïques peuvent transformer les terres agricoles, passant d’un lieu de concurrence entre production alimentaire et énergétique à une plateforme intégrée combinant production alimentaire, énergie propre et préservation de l’eau. » L’étude démontre que les panneaux tandem à pérovskite, malgré leur jeunesse technologique, offrent une voie prometteuse pour atteindre les objectifs de neutralité carbone tout en renforçant la sécurité alimentaire et hydrique. L’agrivoltaïsme ne se limite plus à un compromis : il devient une solution gagnant-gagnant pour le nexus alimentation-énergie-eau.