Energie durable

• Pourquoi parle-t-on de solaire “thermique” ?



• Comment fonctionne un panneau solaire thermique ?



• L'installation complète pour une maison individuelle



• Le dimensionnement d'une installation solaire thermique



• bilan de cette technologie



• Conclusion personnelle

Sur terre le soleil émet une énergie, “les photons”, ces fameux “grains de lumière” qui représentent environ 1 000 W / m² (l'équivalent d'environ 20 ampoules basse consommation). Malheureusement nous n'arrivons pas à exploiter la totalité de cette énergie.
Globalement il y a deux façons d'exploiter cette énergie :

• Récupérer la chaleur dégagée par les rayons du soleil pour chauffer quelque chose (le thermique).
  
  
• Utiliser ces photons pour produire du courant électrique (le photovoltaïque).

Dans le 2e cas et en schématisant fortement, on peut dire que l'on se sert des photons lumineux pour jouer au billard avec les électrons contenus dans une plaque de silicium. Ces électrons projetés dans le circuit relié au panneau solaire photovoltaïque forment ensuite un courant électrique.

En résumé, le solaire thermique produit de la chaleur alors que le solaire photovoltaïque produit de l'électricité.

La technologie du solaire thermique est beaucoup plus simple.

Des tubes (3) contenant de l'eau en circulation sont placés sur une surface conductrice (cuivre ou autre) (2) entre un vitrage (1) et de l'isolant (4) sur un cadre simple (5).

Le rayonnement solaire (lumière visible) est absobé à l'intérieur de la cellule et réémise en rayonnement infrarouge (invisible) qui se retrouve piégé entre le verre et l'isolant. C'est ce phénomène qui fait que la chaleur monte de la même façon qu'une serre le ferait.
La surface conductrice sert à améliorer le rendement en transportant plus efficacement la chaleur aux tubes disposés dans le panneau. L'eau qui circule dans les tubes chauffe et alimente le ballon d'eau chaude de votre logement.

A noter :

En réalité ce n'est pas de l'eau qui circule mais une solution glycolée (comprenant un anti-gel).
Vous ne vous lavez pas avec cette eau glycolée car le réseau d'eau chaude sanitaire et le réseau solaire sont séparés physiquement par un échangeur (voir la suite).

1) Le capteur est disposé le plus au sud possible et de préférence à 30° d'inclinaison pour favoriser le soleil d'hiver qui est plus bas que le soleil d'été. Pour des panneaux fixes c'est dans cette disposition qu'ils sont le plus efficace (dans l'hémisphère nord de la planète).


2) Le circuit primaire contient l'eau glycolée.


3) L'échangeur du circuit primaire est disposé en bas du ballon car c'est lui qui doit chauffer l'eau froide potable en priorité.


4) Lorsque l'eau qui arrive des panneaux réchauffe l'eau froide elle se refroidie à son contact et repart dans le circuit primaire pour être réchauffée par les panneaux, etc.
Il n'y a donc pas plus de mélange entre l'eau du circuit primaire et l'eau du circuit secondaire qu'il n'y en avec une cuisson au bain marie.
Au passage c'est le même principe dans les centrales nucléaires avec l'eau que l'on rejette dans les rivières. Ce n'est en aucun cas l'eau du circuit primaire (d'ailleurs ce n'est pas non plus celle du circuit secondaire mais celle d'un circuit tertiaire pour plus de précautions).


5) Un ballon de stockage à double échangeurs comme celui est généralement utilisé pour les petites installations solaires. Pour les installations collectives on préférera un montage avec deux ballons en série.


6) L'eau froide de la ville arrive en général à une température de 10°C.


7) Le circulateur est une pompe qui sert à faire circuler l'eau dans le circuit primaire. Il est mis en route lorsque l'eau du ballon de stockage descend en dessous d'une certaine température.


8) C'est le régulateur qui met en route le circulateur en fonction de la température des deux sondes 9 et 13 placées respectivement à la sortie des panneaux solaires et dans le ballon d'eau chaude sanitaire.


9) La sonde de température placée à la sortie des panneaux solaires permettra au régulateur de savoir si la température dans le panneau solaire est plus importante que la température dans le ballon. Si la température de l'eau était inférieure à la température dans le ballon et que l'installation était mise en route à ce moment-là, alors le ballon serait refroidi par les capteurs ... C'est notamment le cas la nuit en hiver.


10) Comme nous l'expliquerons plus tard dans les règles de dimensionnement, une installation solaire thermique ne suffit pas pour garantir la totalité des besoins en chaleur. Il y a donc un échangeur supplémentaire en haut du ballon pour réchauffer l'eau lorsque l'énergie solaire n'est pas suffisante.


11) Cet échangeur supplémentaire est celui d'une production de chaleur supplémentaire soit électrique, soit au gaz dans la très grande majorité des cas.


12) Enfin, le circuit secondaire achemine l'eau chaude vers les points de puisage du logement (salle de bains, cuisine, etc.)


13) voir point 8 et 9






Le dimensionnement d'une installation solaire thermique



Le dimensionnement doit répondre à deux besoins principaux :
• Utiliser le plus de chaleur solaire possible afin d'économiser de l'argent et des ressources fossiles.
  
  
• Mais aussi de coûter le moins cher possible.
  
  

La règle générale est de calculer le nombre de panneaux solaires thermiques à installer pour satisfaire au maximum 50% des besoins en eau chaude sanitaire du logement.

La raison est double :

• Pourquoi ne pas faire de chauffage avec le solaire thermique ?
  Vos panneaux vont chauffer toute l'année, il est donc nécessaire d'utiliser cette chaleur pour éviter que votre eau glycolée monte en température et se détériore.Une fois que l'eau glycolée s'est échappée sous forme de vapeur par les soupapes de sécurité, votre installation passe en arrêt de sécurité et plus rien ne fonctionne (dans un panneau la température dépasse parfois les 150°C).
  Du coup les installations solaires thermiques servant au chauffage sont rares car elles nécessitent une installation de délestage (on évacue la chaleur, de la même façon que les centrales thermiques se refroidissent grâce aux rivières).
  Avec ce type d'installation, on ne parle plus des mêmes budgets ...
  C'est pour cette raison que l'on dimensionne les installations solaires pour un usage continu sur l'année : l'eau chaude sanitaire (douche, cuisine, ...).
  
  
• Pourquoi 50% des besoins maximum ?
  
  • - La consommation d'eau chaude sanitaire au jour le jour n'est pas linéraire (fluctuation du taux d'occupation des logements, variation dans les comportements d'usage, ...). Or, comme on ne peut pas réguler la quantité de chaleur absorbée par les panneaux, on se sert du dimensionnement pour anticiper leur surchauffe potentiel.
    
    
  • - La consommation d'eau chaude sanitaire n'est pas rigoureusement égale toute l'année (on prend donc une valeure que l'on assimilera grossièrement à la moyenne des consommations en été)
    
    
  • - Le dimensionnent d'une installation est rarement sur mesure.
    Donc on se sert de ratio généraux qui ont fait leurs preuves pour garantir le bon fonctionnement, même s'il n'exploite pas tout le potentiel de chaque cas.
    
    
  
  
  

IMPORTANT : Le taux de “couverture solaire” souvent annoncé comme proche de 50% ne correspond pas au taux “d'économie sur facture” que vous observerez. Les raisons sont simplement démontrables par le calcul mais cela fera l'objet d'un autre article à venir sur un outil que j'ai conçu pour le suivi thermique des bâtiments : “BatiNRJ” (à suivre donc).

Repère : Comme ordre de grandeur général et non applicable aux cas particuliers, on considère qu'il faut entre 1,5 et 2 m² de panneaux solaires thermiques (orientés plein sud avec 30° d'inclinaison et sans aucun masque) pour 1 logement qui se rapproche nettement plus du T2 que du T5. J'aborderai le calcul des rendements en tenant compte des masques solaires et de l'orientation des panneaux dans un prochain article.





Bilan de cette technologie





Points positifs :

• L'énergie grise nécessaire pour la fabrication de ces installations est faible dû à la technologie simple qui est utilisée. Pour rappel, l'énergie grise est égale à la quantité d'énergie nécessaire à la fabrication du matériel et à son installation.
  
  
• Ce type de dispositif sera financièrement de plus en plus attractif. On peut s'attendre à ce que les prix baissent un peu, mais c'est essentiellement le coût de l'énergie pour se chauffer qui rendra ce type de système très rentable.
  
  
• A mon avis et cela n'engage que moi, on peut s'attendre à un développement de cette technologie dans les 10 ans, qui permettra d'augmenter la couverture des besoins. En clair, on peut très bien imaginer une installation solaire thermique qui évolue pour satisfaire une partie des besoins en chauffage l'hiver et une production de froid en été. Si je parle de rafraîchissement, c'est en rapport avec la question du délestage de la chaleur dans les panneaux en été.
  Cette fonction de rafraîchissement par l'entremise d'un compresseur thermique pourrait être rendue nécessaire pour empêcher l'installation solaire de surchauffer en été. Dans le cas du solaire et aussi de la géothermie sous certaines conditions, la production de froid aura un rôle essentiel pour les dispositifs renouvelables.
  Encore une fois, ce type d'évolution sera rendu possible grâce à la hausse des prix de l'énergie et peu grâce aux avancées technologiques. Aujourd'hui on connaît très bien la technologie de la production de froid par compresseur thermique.
  
  
• Un dernier point positif qui n'est pas le moindre : ce type d'installation se pose très bien en réhabilitation. En effet, le déploiement des solutions durables dans le bâtiment bute souvent sur la question de l'adaptation à la rénovation de l'habitat.
  En d'autre termes, mettre un système de ventilation double flux coûte très chèr en réhabilitation si cela n'a pas été prévu initialement.
  Hors la solution du solaire thermique est facilement adaptable où il y a des chaufferies collectives.
  
  

Points négatifs :

• Le solaire thermique n'est qu'une petite partie de la solution.
  Nous venons de voir qu'il ne répond qu'à 50% des besoins (souvent moins) en eau chaude sanitaire.
  Il reste l'autre moitié à trouver car rappelons que l'objectif pour ce qui est de la construction et du changement climatique n'est pas de diviser les émissions par 4 mais de faire des habitats qui produisent de l'énergie durable.
  Autrement dit le but n'est pas de faire – 50% sur notre consommation mais de faire + X% de production d'énergie par habitat.
  
  
• Ce type de système exprime pleinement son efficacité pour les maisons individuelles ou pour les petits collectifs (R+2 environ).
  Dans le cas d'immeubles type “grands collectifs urbain”, la surface disponible sur le bâtiment ramenée à son rendement (inclinaison et masques) ne permet souvent pas de produire les 50% d'énergie nécessaire à l'eau chaude sanitaire.
  
  




Conclusion personnelle





Le solaire thermique apporte une vrai solution, mais pour une petite partie du problème seulement. Bien que des améliorations techniques soient prévisibles dans les 10 ans sur ce sujet, la maîtrise de ses consommations d'eau chaude sanitaire reste un point incontournable dans l'avenir.

Lorsque j'aborde le sujet de la maîtrise des consommations, voici les actions déterminantes auxquelles je pense (par ordre de priorité croissante et par la même occasion du moins cher au plus coûteux) :

• Equiper les robinets de mousseurs (réduction des débits pour une même taille de jet). Impact infinitésimal mais ayant le mérite d'exister.
  
  
• Installation de chasse d'eau à double débit. Impact très faible.
  
  
• Achat d'un lave vaisselle / lave linge de classe A+ (ne surtout pas faire sa vaisselle à la main car les consommation sont plus importantes). Impact faible.
  
  
• Installation d'une douche et exclure les baignoires. Impact faible mais qui se voit sur la facture.
  
  
• Installer des systèmes de récupération d'eau pluviale (récupérée principlament pour le jardin et les sanitaires). Impact mesuré selon les usages (à voir au cas par cas).
  
  
• Installation d'une petite station de traitement des eaux grises (tout sauf les toilettes) afin de réutiliser l'eau pour les applications telles que les lave vaisselle / lave linge / toilettes, jardins, etc ...)
  
  
Dans tous les cas, pensez que lorsque vous utilisez de l'eau chaude vous consommez des énergies fossiles (très probablement) et de l'eau potable. Je ne traite pas le cas de l'eau dans ce blog mais la question de cette ressource sera également problématique dans l'avenir (elle l'est déjà dans beaucoup de pays et dans certaines villes françaises). Bien que l'on accorde à 1 000 litres d'eau potable qu'une valeure de 2€ à 3€, la valeur de l'eau n'a pourtant pas de prix. Et ce raisonnement s'applique doublement lorsque cette eau est chauffée avec des énergies fossiles (même à 50%).