Energies renouvelables : le solaire

Le Solaire

GENERALITES

Le soleil n’est qu’une petite étoile qui rayonne à travers l’univers. Pourtant l’énergie reçue chaque année par la terre représente 10 000 fois la consommation énergétique totale de l’homme.



Nous avons donc à notre disposition une source d’énergie gratuite, non polluante et disponible partout pour 5 à 10 milliards d’années encore.

L’homme d’aujourd’hui a développé des techniques pour utiliser cette source d’énergie dans ses besoins quotidiens.

L’eau chauffée par le soleil à travers des capteurs,  peut être utilisée pour différentes applications :

  • l’eau chaude sanitaire individuelle
  • l’eau chaude collective
  • le chauffage de l’habitation
  • le séchage du foin en grange
  • mais aussi produire de l’électricité et même du froid !

Les efforts réalisés sur le choix des matériaux et les évolutions technologiques avec notamment l’utilisation des microprocesseurs dans les régulations ont permis d’accroître les performances et la durabilité de ces systèmes. Aujourd’hui le marché du solaire dispose de produits fiables mais se trouve confronté à une méconnaissance et à la concurrence avec d’autre investissement tels que l’installation de pompe à chaleur ou de panneaux photovoltaïques.

Pour votre installation solaire, l’ASDER peut vous apporter un service de conseil sur :

  • la faisabilité d’un système, plutôt chauffe eau ou chauffe eau + chauffage
  • les démarches à effectuer
  • budgétiser l’investissement
  • vous mettre en garde sur les points de vigilance
  • vous apporter un avis technique sur l’installation proposée ou existante.

N’hésitez pas à consulter l’ASDER avant de vous lancer afin d’être aiguillé gratuitement sur le système qui vous convient, ou lors d’un dysfonctionnement de votre installation.

Plaquettes disponibles :

Les capteurs

3 types de capteurs existent : capteur plan vitré, non vitré et capteur sous vide.
Ils sont caractérisés par 2 coefficients : un coefficient de captage de l’énergie incidente (B- coefficient optique) et un coefficient de conservation d’énergie dans le capteur( K –appelé coefficient de pertes).
Chaque type de capteur aura un rendement différent suivant l’écart de température entre l’intérieur du capteur et l’extérieur :

Le capteur moquette

Le « capteur-moquette » ou « moquette solaire » est un capteur rudimentaire qui a un très bon rendement pour des plages de températures inférieures à 30°C, correspondant au réchauffage de l’eau d’une piscine en été. Il apporte quelques degrés à la température de l’eau et permet d’augmenter la période d’utilisation de la piscine.

Le capteur plan vitré

Le capteur plan vitré reste le capteur le plus répandu. Il se compose :

  • d’un élément absorbeur, recouvert la plupart du temps d’un revêtement sélectif, en contact avec des tubes de cuivre véhiculant le fluide caloporteur.
  • d’un vitrage pour favoriser l’effet de serre et réduire les pertes par convection.
  • d’un isolant afin de limiter les pertes vers l’extérieur.

Pour ce qui est de la structure, ces éléments peuvent être enfermés dans un caisson ou bien intégrés en toiture.

Comment ça marche ?

Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes.
Comme tout corps qui s’échauffe, l’absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infra-rouges) qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant.

L’isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l’extérieur. En effet, le maximum d’énergie doit être transmise au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l’environnement proche.

Le capteur sous vide

L’idée est de limiter les pertes du capteurs grâce au vide, le meilleur isolant. On retrouve les 3 élements à des emplacements différents suivant les technologies :

  • capteur sous vide à concentration : avec un réflecteur parabolique externe au tube qui doit être nettoyé 1 à 2 fois/an ou interne qui ne nécessite pas d’entretien.
  • capteur plan dans un capteur sou vide : l’absorbeur est orientable afin de ratrapper des défauts d’orientation.
  • Un fluide se fait chauffer par le rayonnement du soleil à travers un tube dans lequel le vide a été fait. Le fluide peut passer directement dans le tube ou alors il reste seulement dans le dollecteur et un contact sec assure l’échange thermique entre le fluide du tube qui circult en évaporation – condensation (principe du caloduc) et le fluide qui transmet la chaleur au ballon de stockage. Ce dernier principe aura l’avantage de pouvoir démonter facilement le tube sans vidanger l’installation.

Ils peuvent atteindre des hautes températures (150°C) avec des rendements corrects.
Ils sont généralement utilisés pour climatiser ou pour la production d’eau chaude haute température.

Leur coût reste important mais diminue.

Différentes technologies existent :, un « capteur plan » intégré dans un tube sous vide, capteur sous vide à caloduc…



Quel capteur choisir ?

Les courbes de rendement des capteurs montrent que pour un ensoleillement constant, les performances des capteurs baissent lorsque l’on demande au capteur de «travailler» à une température éloignée de la température extérieure. Ceci est dû tout simplement aux déperditions thermiques qui augmentent avec la température (de manière linéaire pour les phénomènes de convection et conduction et à la puissance 4 pour les pertes par rayonnement). Il faut donc, pour tirer meilleur parti des capteurs, utiliser une technologie qui correspond le mieux aux niveaux de températures auxquels on veut travailler.
Un capteur sous vide aura un rendement 30% supérieur à un capteur plan vitré pour produire de l’eau à 90 °C. Par contre il sera moins performant qu’un capteur moquette pour réchauffer l’eau d’une piscine de deux degrés par rapport à la température ambiante.

La liste du matériel agrée est disponible sur le site O Solaire
Pour connaître l’installateur agrée au plus de chez vous : Qualit ENR
Pour connaître les coefficients des capteurs et leurs avis techniques : Tecsol

Pour en aller plus loin, savoir quel capteur choisir, connaître le lieux de fabrication des capteurs : http://www.outilssolaires.com

Pour fabriquer son capteur : http://www.sebasol.ch/ Installations solaires en auto-construction ou clef-en-main, encadré par des spécialistes

Le chauffe-eau solaire individuel

Il existe toute une gamme de chauffe-eau solaires individuels : système monobloc et les systèmes à éléments séparés comprenant les auto-vidangeables, les thermosiphons et les plus courant à convection forcée.

Du fluide caloporteur (eau + antigel) est chauffé par les capteurs solaires et vient réchauffer la partie la plus froide du ballon via un échangeur. Une source d’énergie d’appoint apporte le complément d’énergie au cas où l’ensoleillement ne serait pas suffisant.

Le fluide est mis en mouvement :

  • soit de manière naturelle par thermosiphon (le ballon doit être placé au-dessus du capteur, difficilement envisageable en Savoie).
  • soit par un circulateur commandé par une régulation différentielle.

L’installation sur système existant :

Si vous souhaitez conserver votre système actuel, l’installation solaire peut être raccordée en amont.
Le système d’appoint n’a plus qu’à apporter le complément d’énergie à l’eau sortant du ballon solaire.

L’installation dans le neuf

Dans ce cas, l’appoint peut être :

  • Une résistance électrique, immergée dans le ballon solaire.
  • Un deuxième échangeur (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (gaz, bois, fioul).

Quelle surface pour quelles performances ?

L’orientation idéale pour les capteurs est plein sud avec une inclinaison de 45° par rapport à l’horizontale.
Une toiture exposée Est /Ouest pourra recevoir des capteurs, le rendement sera bien sur diminué de 10 à 15%. On pourra sur-dimensionner légèrement la surface de capteur afin d’augmenter la production, attention tout de même à la surchauffe pour les toitures exposées Ouest.

Le dimensionnement de l’installation dépend des besoins de l’utilisateur. Il est inutile de surdimensionner la surface de capteurs.

Dimensionnement d’un CESI en Savoie :

Nombre d'occupants 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 7 ou 8
vol. ballon solaire sans appoint (L) 100 à 150 100 à 250 250 à 350 350 à 500
vol. ballon solaire avec appoint (L) 100 à 250 250 à 400 400 à 500 550 à 650
surface de capteurs (m²) 2 à 3 2,5 à 4,5 3,5 à 6,5 4,5 à 7

Une installation correctement dimensionnée couvrira entre 40 et 70 % des besoins d’eau chaude sanitaire, ce qui réduira d’autant la consommation d’énergie d’appoint, entraînant une économie financière et évitant le rejet de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

  • L’hiver, l’eau froide est préchauffée par l’installation solaire, avant d’être portée à la température de consigne par l’appoint (résistance électrique ou chaudière).
  • L’été, le solaire couvre la totalité des besoins (sauf si manque d’ensoleillement sur plusieurs jours).

Comme l’appoint prend toujours le relais s’il n’y pas assez de soleil, un défaut de production solaire peut passer inaperçu. C’est pourquoi il est fortement recommandé d’installer un système de comptage lors de l’installation de votre chauffe eau. Cela vous permet de :

  • repérer les dysfonctionnements permettant de les corriger rapidement
  • connaître précisément l’énergie économisée et donc le retour sur votre investissement.

Depuis 2007, l’INES (Institut National de l’Energie Solaire) a mis en place, grâce à des financements de la Région Rhône Alpes, de l’ADEME et du Conseil Général de Savoie, le dispositif TélésuiWeb permettant aux maîtres d'ouvrage d'avoir un suivi de l'installation à moindre coût et ce pour les installations de toutes tailles.

Pour en savoir plus, et pour connaître les résultats des installations suivies (anonymes) :    http://www.suivi-ines.fr/resultats.php

Le chauffage solaire

Il peut sembler paradoxal de vouloir faire du chauffage solaire, en effet, c’est en général lorsqu’il y a le moins de soleil que le besoin de chauffage se fait le plus ressentir. Cependant le chauffage solaire reste intéressant pour les périodes de mi-saison où les journées sont relativement belles et les nuits encore fraîches.

Des capteurs solaires absorbent la chaleur émise par le soleil et permettent de réchauffer un fluide caloporteur (eau + antigel). L’énergie produite dans la journée peut être stockée pour être ensuite distribuée dans les émetteurs de chaleur.

Deux familles existent :

  • Stockage dans un ballon : principe de l’hydro-accumulation :

Volume du ballon important : 500 à 2000 litres
Raccordement simplifié sur l’installation existante
Performance diminuée par les pertes thermiques du ballon

  • Soit directement dans la dalle : Plancher Solaire Direct (PSD) :

Valorisation maximale de l’énergie solaire
Epaisseur de dalle d’environ 15 cm
Faible emprise au sol

Dans les deux cas, un circuit en dérivation permettra de chauffer l’eau chaude sanitaire.
Le système sera d’autant plus performant avec des émetteurs basse température (radiateurs chaleur douce, plancher et mur chauffants).

Nécessité d’un appoint :

La nuit ou les jours couverts, l’appoint peut se faire soit de manière indépendante (cheminée, poêle à bois ou convecteur électrique), soit directement piloté par la régulation solaire (raccordement à une chaudière ou résistance électrique immergée dans le ballon).

Quelle surface pour quelles performances ?

Le dimensionnement se fait au cas par cas suivant :

  • Les besoins (nombre de personnes, isolation et situation de la maison)
  • L’inclinaison et l’orientation des capteurs : idéalement inclinés fortement entre 45° et 60° (minimum 30°) et orientés plein sud (à plus ou moins 45°) pour pouvoir collecter le rayonnement solaire même quand le soleil est bas en hiver (60°) ou en inter-saison (30 à45°).

De manière générale, on compte environ 1 m² de capteur pour 1000 kWh de besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire, soit entre 10 et 20 m² pour une maison individuelle. Ils peuvent être intégrés dans l’architecture de la maison ou placés sur un châssis.
Ils ne nécessitent aucun entretien.

Un système solaire combiné couvrira de 30 à 45 % des besoins de chauffage et de 40 à 50 % des besoins d’eau chaude sanitaire, ce qui réduira d’autant les consommations globales.

A quels prix ?

De 12 000 € H.T pour une petite installation de 10 m² de capteurs (pour 70 m² à 110 m² de surface chauffée suivant l’isolation de la maison), à 22 000 € H.T pour une installation de 20 m² de capteurs, correspondant une maison de 120 à 180 m² de surface chauffée.

L’eau chaude solaire collective

L’énergie solaire peut être utilisée pour préchauffer l’eau chaude sanitaire dans les logements collectifs, ce qui permet de réduire la quantité d’énergie d’appoint à apporter et donc les charges pour les locataires.
A Barcelone, l’utilisation de l’énergie solaire est obligatoire pour tous les immeubles collectifs dont la consommation en eau chaude dépasse 2500 l/j.
La Garantie de Résultats Solaires (GRS) que l'ASDER peut assurer est un contrat passé entre le maître d’ouvrage et les acteurs ayant conçu et réalisé l’installation, qui garantit la production d’une certaine quantité d’énergie solaire. Si les résultats prévus ne sont pas atteints le maître d’ouvrage est remboursé.
Les mesures sont effectuées par un organisme indépendant.

Le séchage en grange

Dans certaines régions, le foin est ramassé "en vrac" et séché en grange, ce qui améliore ses qualités nutritives. Ces installations demandent des quantités d’énergies importantes au moment où le soleil est très présent. Le séchage solaire est alors une solution évidente et appréciée des agriculteurs.

La production d’électricité :

3 familles:

  • Les paraboles ou Les capteurs à concentration : les "dishes"

Les capteurs à concentration du type 'dishes" concentrent la lumière sur un absorbeur ponctuel équipé d’un petit moteur stirling, avec une système de poursuite du soleil selon deux directions. De ce fait, le facteur de concentration est plus important, ainsi que les températures atteintes.

Il est utilisé soit pour les sites isolés soit reliés en centrale de grosse puissance
Il n’y a pas besoin de beaucoup d’eau mais par contre on ne peut pas stocker l’énergie. La durabilité et la rentabilité de ces systèmes reste à démontrer.

  • Les systèmes linéaires :

Les capteurs à concentration fonctionnent avec un système de poursuite du soleil. Le fluide est de l’huile minérale.
Ils concentrent la lumière sur un absorbeur linéaire, avec un système de poursuite du soleil selon une seule direction. De ce fait, le facteur de concentration ou alors le rendement optique, n'est pas très élevé, ainsi que les températures atteintes.

Les premières centrales industrielles importantes de ce type ont été développées aux Etats–Unis par la compagnie Luz Solar

En 2008, en Espagne a été réalisée la Centrale Andasol en Andalousie d’une puissance de 3*50 MWe.  La chaleur est stockée pour produire de l’électricité aussi la nuit avec 7 heures d’autonomie.
Sa production d’électricité est équivalente à la consommation de 150 000 foyers .

  • Les centrales à tours

Les installations de ce type concentrent la lumière sur un absorbeur ponctuel, à l'aide de miroirs (appelé "héliostats") qui suivent le soleil selon deux directions, sur une chaudière située au sommet d'une tour. De ce fait, le facteur de concentration est plus important, ainsi que les températures atteintes.
Compte tenu du grand nombre de miroirs, les puissances peuvent atteindre plusieurs MW.

Projets réalisés :
PS 10 prés de Seville, première centrale européenne
PS 20 a achevé fin avril 2010 ses 3 premiers jours d’essais. P = 20 MW tour de 162m pour 10000 foyers.

Projet encore en étude :
Société Esolar qui a eu 2 marchés pour une P=500MW aux USA en centrales Esolar et un autre marché de 1 GW en Inde sur 10 ans en centrales héliothermodynamiques.

Le froid solaire :

Une des plus anciennes installations en  Europe a été réalisée en France il y a 20 ans. Elle est toujours en fonctionnement actuellement.
Elle fonctionne au fil du soleil, le stockage étant réalisé en froid par les bouteilles stockées dans la cave.

  • année de construction : 1991
  • coût : 295,4 kF HT, soit 150 kF HT de surcoût
  • 130 m² de capteurs à tubes sous vide
  • groupe à absorption : puissance froid nominale : 52 kW / COP : 0,57
  • puissance tour de refroidissement : 180 kW
  • ballon tampon de 1000 litres

  1. Une pompe remonte la solution riche en fluide frigorigène vers la zone haute pression.
  2. Le mélange est chauffé dans le désorbeur ou bouilleur. Le fluide frigorigène se vaporise et se sépare de l’absorbant.
  3. Le fluide frigorigène est envoyé vers le cycle classique condenseur/détendeur/évaporateur
  4. Le mélange pauvre en fluide frigorigène retourne dans l’absorbeur en passant par une vanne de détente.
  5. Le mélange "aspire" le fluide frigorigène dans l’absorbeur. Le cycle peut recommencer.

L’intégration de l’énergie solaire pour le chauffage dans le bouilleur supprime la plupart des nuisances d'une climatisation classique :

  • La consommation d’électricité (pompe) est environ 20 fois inférieure à celle du compresseur remplacé.
  • Le fluide frigorigène employé est totalement inoffensif, puisqu’il s’agit d’eau.
  • La nuisance sonore du compresseur est totalement supprimée.