Les origines du test « Thresher » du RETC
Élaborée par et pour les acteurs du secteur, la première norme consensuelle relative aux essais de fiabilité et de durabilité des modules photovoltaïques permet, depuis 2011, de « séparer le bon grain de l'ivraie ».
La fiabilité de fonctionnement sur le terrain pendant une période de garantie de 25 ou 40 ans n’est pas le fruit du hasard ; elle témoigne au contraire de la rigueur des programmes de qualité de fabrication et d’essais des produits. Dans notre dernier article, le RETC a rendu hommage au Jet Propulsion Laboratory et à son travail mené depuis une décennie à la tête du programme FSA (Flat-Plate Solar Array), une initiative qui a considérablement amélioré la durée de vie des modules photovoltaïques en identifiant systématiquement les mécanismes de défaillance, en mettant au point des séquences d’essais de résistance accélérés et en définissant les niveaux de défaillance admissibles.
Nous revenons ici sur une autre étape importante dans les essais de fiabilité et de durabilité des modules photovoltaïques en silicium cristallin (c-Si) : le développement du protocole « Thresher Test ». Tout comme le programme FSA a marqué les débuts de l'industrie solaire terrestre, l'introduction du « Thresher Test » représente un tournant décisif dans la maturation du marché, ainsi que la naissance d'une approche de la bancabilité fondée sur la science et l'ingénierie.
Bien qu’ils se soient appuyés sur des méthodologies analytiques similaires, leurs processus de mise en œuvre n’auraient pas pu être plus différents. Alors que le programme FSA était une initiative descendante menée par des scientifiques financés par l’État, le « Thresher Test » était le fruit d’une collaboration ascendante impliquant une équipe ad hoc composée d’acteurs du secteur. Cette initiative a été pilotée, en partie, par un laboratoire d’essais indépendant en phase de démarrage.
UNE RÉVOLUTION DANS LA FABRICATION DES MODULES
L'essor des tests comparatifs de modules photovoltaïques s'explique mieux dans le contexte des bouleversements tectoniques qui redessinent le paysage du marché solaire mondial. En 1986, dans le sillage du programme FSA, les fabricants américains de modules photovoltaïques dominaient le marché naissant de l'énergie solaire terrestre. Cependant, à mesure que le marché solaire mondial se développait, la part de marché relative des fabricants d'autres régions du monde augmentait également.
Selon les les données publiées par la Commission européenne, les États-Unis occupaient encore la première place mondiale en matière de production photovoltaïque en 1998. En 1999, le Japon s'est hissé en tête du classement. Trois ans plus tard, la capacité de production japonaise était plus de deux fois supérieure à celle des États-Unis, et les extensions de capacité en Europe ont relégué les États-Unis à la troisième place du classement mondial. Ce fragile équilibre — avec le Japon en tête des producteurs, suivi de l’Europe et des États-Unis — s’est maintenu de 2002 à 2005.
Un bouleversement s'ensuivit. En 2006, la Chine a détrôné les États-Unis en tant que troisième producteur mondial de panneaux photovoltaïques. En 2007, l'Europe s'est hissée à la première place ; la Chine a continué à grimper dans le classement, reléguant le Japon à la troisième place ; quant à Taïwan, il a dépassé les États-Unis pour s'emparer de la quatrième place. En 2008, la Chine s'est imposée comme premier producteur mondial de panneaux photovoltaïques, un titre qu'elle détient encore aujourd'hui.
Production mondiale de cellules et de modules photovoltaïques de 1990 à 2009. [Voir : Rapport sur l'état du photovoltaïque 2010]
PAYEZ ET FAITES VOTRE CHOIX
Même si l'expansion mondiale des capacités de production de modules et de produits photovoltaïques était à la fois bienvenue et nécessaire, il était difficile pour les acheteurs, à tous les niveaux, de s'y retrouver dans ce paysage en pleine mutation. Les acheteurs disposaient de plus d'options d'approvisionnement que jamais auparavant. Mais à qui pouvait-on faire confiance en matière de durabilité, de performances et de garantie des produits ?
Le archives du magazine SolarPro offrent une vision de terrain des changements vertigineux qui s’opèrent, du point de vue de l’acheteur. Pendant plusieurs années consécutives, cette revue spécialisée a exploité la base de données de la Commission de l’énergie de Californie répertoriant les modules photovoltaïques éligibles à des remises et a contacté les fabricants afin de vérifier quels modèles étaient actuellement en production et commercialisés activement sur le marché nord-américain.
En 2009, le « Tableau des caractéristiques techniques des modules photovoltaïques en silicium cristallin » de SolarProrépertoriait 275 modules photovoltaïques provenant de 23 fabricants différents. Un an plus tard, il en comptait près de 400, provenant de 36 fabricants différents. En 2011, ce guide de référence exhaustif s'était enrichi pour inclure 835 modules provenant de 53 fabricants différents.
LE RENVERSEMENT DE LA CHARGE DE LA PREUVE
« En 2010, j’étais frustré par le manque de données disponibles sur les performances à long terme », se souvient Hugh Kuhn. « À l’époque, j’essayais de prendre des décisions d’achat éclairées pour mon entreprise, Solar Power Partners, un producteur indépendant d’énergie solaire qui a ensuite été racheté par NRG. En raison de notre modèle économique, je n’achetais pas des watts, mais plutôt des wattheures sur une période de 20 ans. »
« Certaines de ces entreprises souhaitaient pratiquer des prix plus élevés, affirmant que leurs produits étaient de « meilleure qualité » et qu’ils offriraient donc, en théorie, de bien meilleures performances au fil des années. Je leur ai proposé que, s’ils parvenaient à quantifier cette affirmation, je serais disposé à envisager de payer plus cher. Malheureusement, aucun des fabricants n’a pu quantifier cette différence de performance, bien que plusieurs aient essayé. »
Au cours de son analyse approfondie, M. Kuhn s’est rendu compte que de nombreux fabricants utilisaient des protocoles de tests accélérés propriétaires pour évaluer la conception de leurs produits et comparer ceux de leurs concurrents en termes de performances et de fiabilité à long terme. Cependant, les développeurs, les ingénieurs et les investisseurs ne pouvaient pas utiliser ces données de tests internes pour évaluer le risque d’investissement à long terme sur une base comparable, en raison de différences fondamentales dans les méthodologies de test et de la nature autodéclarée de ces données.
Les essais normalisés des modules photovoltaïques permettent de comparer des produits à partir de critères identiques.
UNE MASSE CRITIQUE EN FAVEUR DE LA NORMALISATION
En discutant avec des collègues du secteur, M. Kuhn s'est rendu compte qu'il n'était pas le seul dans ce cas. Beaucoup d'autres s'inquiétaient des performances et de la fiabilité à long terme. De plus, une masse critique d'acteurs du secteur — notamment des fabricants de modules, des laboratoires financés par les pouvoirs publics et des laboratoires d'essais indépendants — était favorable à l'adoption d'une norme relative aux essais de fiabilité et de dégradation.
« La mise au point du test Thresher a été le fruit d’un véritable effort conjoint de l’industrie », se souvient Cherif Kedir, PDG de RETC. « Le groupe de parties prenantes comprenait plusieurs fabricants de modules ainsi que des experts du NREL et des laboratoires nationaux Sandia. L’objectif étant de mettre au point un protocole pouvant être mis en œuvre par n’importe quel laboratoire d’essais indépendant, le groupe comprenait également RETC, PVEL, TÜV Rheinland et TÜV SÜD. Nous avons choisi d’un commun accord Hugh Kuhn comme chef de projet, car il s’intéressait à la diligence raisonnable technique au service des évaluations de bancabilité. »
« Le RETC a joué un rôle essentiel en tant que coordinateur du programme, compte tenu des préoccupations des fabricants concernant la propriété intellectuelle. Les fabricants de modules étaient, à juste titre, réticents à partager leurs protocoles de test internes avec leurs concurrents du secteur. Pour contourner ce problème, les fabricants ont accepté de communiquer les détails de leurs programmes de test au RETC dans le cadre d’un accord de confidentialité. Nous avons ainsi pu comparer ces protocoles de test à une base de données du NREL répertoriant les modes de défaillance observés dans des centrales photovoltaïques en service ou lors des essais de certification des produits. »
La « Dream Team » à l'origine du protocole du test Thresher. [Voir : PVQAT]
UN PROTOCOLE DE TEST POUR TOUS LES AUTRES
Le 15 juillet 2011, Hugh Kuhn et Alelie Funcell, du RETC, ont présenté au monde entier le « Thresher Test », développé en collaboration au monde entier dans le cadre du Forum international sur l’assurance qualité des modules photovoltaïques à San Francisco. Ayant grandi dans une communauté agricole, Kuhn a donné à ce protocole de test étendu le nom d’un type de machine agricole utilisé pour séparer les graines et les céréales (les bonnes parties) de la paille et de la balle (les mauvaises parties). Tout comme une batteuse malmène une plante pour séparer les matières utiles des déchets, le « Thresher Test » utilise des séquences de contraintes pour séparer les bons produits des mauvais.
En tant que coordinateur du programme, le RETC a été le premier laboratoire d'essais indépendant à proposer le test Thresher. D'autres laboratoires, tels que TÜV SÜD, ont emboîté le pas, faisant du test Thresher la norme d'essai commerciale de référence dans le secteur solaire pour évaluer les conceptions de modules photovoltaïques en fonction de leurs performances à long terme, de leur fiabilité et de leur durabilité.
Au fil des années qui ont suivi son introduction et son adoption comme norme de facto pour les essais comparatifs de modules photovoltaïques, le RETC a adapté ou ajouté des séquences d’essais « Thresher » afin de mieux aligner les résultats des essais sur les dernières données relatives aux défaillances sur le terrain. Cependant, les séquences d’essais étendues fondamentales — cycles thermiques, humidité-gel, chaleur humide et chaleur humide avec polarisation de la tension du système — sont encore utilisées aujourd’hui pour caractériser les vulnérabilités de conception spécifiques aux produits, les modes d’usure et de défaillance, ainsi que les schémas de dégradation à long terme.
Dans le prochain volet de cette série d'articles, RETC examine la structure de base du protocole du test Thresher, passe en revue ses séquences de test d'origine et actuelles, et analyse en quoi les essais allant au-delà de la certification profitent aux acteurs du secteur.
Chronologie des efforts internationaux visant à améliorer la qualité des modules photovoltaïques depuis la mise en place du test « Thresher ». [Voir : Groupe de travail sur l'assurance qualité photovoltaïque.]