Renforcer la chaîne de valeur du silicium en Europe pour des solutions durables de stockage énergétique : du panneau photovoltaïque à la batterie Li-ion

En introduction de la conférence, nos deux intervenants ont d’abord brièvement présenté leur structure respective, évoquant ainsi d’emblée les challenges qui sont les leurs. Hamid Oubaha est Chercheur Post-Doctoral au sein du Laboratoire GREEnMat (ULiège), spécialisé notamment dans le développement et la caractérisation des matériaux inorganiques sous forme de poudres. Gregory Lewis est Ingénieur R&D chez Comet Traitements, entreprise qui valorise historiquement les déchets métalliques mais aussi, depuis une vingtaine d’années, les plastiques, minéraux, ainsi que les résidus de broyage. 

Comme le gisement de déchets s’est de plus en plus complexifié au fil du temps, Comet Traitements a dû adapter ses outils. Ils ont par exemple été pionniers dès 2012 dans le recyclage des panneaux photovoltaïques (projet Solar Cycle, en collaboration avec Recma et le GREEnMat) ; élément au cœur de la transition énergétique pour lequel se pose aujourd’hui la problématique accrue de la gestion de leur fin de vie, de nombreux modules atteignant en effet la fin de leur cycle de vie. C’était le thème de notre conférence ce mardi : Comment gérer l’afflux de ce nouveau type de déchets, et les valoriser ?

En effet, la part du solaire dans la production électrique est en croissance exponentielle depuis les premières installations photovoltaïques significatives au début des années 1990, suivies d'une expansion rapide dans les années 2000. Actuellement, encore, les installations ne cessent d’augmenter. Bien qu’un panneau photovoltaïque (PV) ait une durée de vie assez longue (25 à 30 ans), beaucoup sont déjà en fin de vie et se pose donc la question de leur recyclage.

Si le besoin de traitement des PV est important, leur composition complexe ne rend pas le recyclage aisé (multitude de couches collées ensemble et composition incluant aluminium, verre, silicium, argent, cuivre, étain, polymères…). Le défi est de séparer les différents composants et d’obtenir des matériaux assez purs. Après une première étape de démantèlement du cadre par l’entreprise Recma, la séparation mécanique des éléments du PV est prise en charge par Comet Traitements. La fraction métallique va en pyrométallurgie (au haut rendement de valorisation) et le verre est recyclé en sable (qui remplace le sable de mer). Près de 90% du PV est recyclé chez Comet Traitements.

GREEnMat a présenté le projet de recherche PURSILICON Win²Wal dans lequel ils ont développé un procédé d’oxydation avancé dans l'eau qui permet de traiter le PV après démantèlement du cadre en aluminium et de la box de jonction. Un premier traitement permet d’enlever sélectivement le verre, qui est propre à la sortie du procédé, tandis qu’un deuxième traitement permet de dépolymériser les polymères pour obtenir du silicium plus pur. Ce procédé hydrothermal non-continu comporte divers avantages comme l’utilisation d'eau comme milieu réactionnel pour le démantèlement et l'obtention de factions propres (verres, Silicium, connecteurs).

GREEnMat a ensuite abordé la valorisation du silicium (Si) après l’avoir récupéré dans d’anciens PV. Après avoir rappelé le fonctionnement d’une batterie et de quoi elle est composée, il a présenté les avantages (capacité 10 fois supérieure à celle du graphite, densité d’énergie élevée) et les inconvénients d’utiliser le Si pour les batteries. Un des inconvénients du Si est sa stabilité (en effet il souffre d’une expansion volumique) et pour résoudre ce problème, différentes stratégies sont développées jouant sur des aspects comme le design ou la formation des composites… Chez GREEnMat, ils ont choisi une solution basée sur le broyage (nano structuration) et la formation d’un composite. Hamid Oubaha a détaillé le procédé utilisé (dans le cadre du projet PURSILICON), qui leur a permis de rentrer dans le consortium RESiLEX qui couvre la chaîne de valeur du Si dans son entièreté. En effet, les travaux de PURSILICON à échelle du laboratoire leur ont permis de grandir sur l’échelle de maturation (RESiLEX).

Comet Traitements fait également partie du consortium RESiLEX, plus précisément du WP5 sur le traitement et l’extraction du Si pour pouvoir être utilisé dans les batteries. Actuellement, leurs développements leur permettent déjà d’obtenir un concentré de Si de grande pureté depuis un PV classique. La suite (qui est d’ailleurs un des délivrables du projet) est de construire un démonstrateur qui pourra être testé par des utilisateurs finaux qui pourront ainsi valider les utilisations finales. Le concentré de Si est utilisé par GREEnMat dans le WP6, pour préparer un composé actif utilisable dans les batteries. La poudre de Si obtenue est évaluée par test électrochimique et les résultats montrent que le procédé est stable et robuste. Cette technologie, bien que récente, a beaucoup de concurrence...

En conclusion, les orateurs ont souligné la richesse de la collaboration industrie-université pour la R&D qui permet : le transfert d’informations, l’orientation des recherches (vers ce qui est nécessaire pour l’industriel), l’échange de matériaux et la validation de procédés. La conférence s’est terminée sur l’évocation de l’aventure GREEnMat-Comet Traitements (depuis 2012) qui a permis à la technologie d’évoluer et de maturer, avec un TRL de 6 sur 9 aujourd’hui, l’objectif final étant de réaliser une batterie Si, le graal ...