Solaire thermique

Gratuite et non polluante, une incroyable possibilité pour répondre aux besoins de chauffage et d’eau chaude

vendredi 29 août 2008
par Bialis Team

Concentrer les rayons du soleil en un point précis afin d’en augmenter la température, beaucoup d’enfants l’ont expérimenté avec une loupe. Le solaire thermique consiste à capter la chaleur offerte par le soleil afin de la stocker et de la réutiliser pour des besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire. Plusieurs technologies se sont développées parmi lesquelles les centrales solaires thermiques, les chauffe-eau et les systèmes solaires combinés.

L’énergie solaire est une énergie propre, renouvelable qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne produit pas de déchets toxiques.

Quelques chiffres

1 m² de capteur solaire permet d’économiser en métropole en moyenne 0,064 tep par an, jusqu’à 800 kWh d’énergie utile (source : DGEMP 2005).

Le rayonnement solaire moyen annuel est de 1150 kWh/m² en Ile-de-France soit seulement 20 % de moins que dans le sud de la France (source : ARENE) .

La productivité d’un capteur solaire permet de couvrir plus de la moitié (entre 50 et 80 %) des besoins annuels d’eau chaude sanitaire d’un foyer (source : HESPUL).

Pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS), il faut prévoir :
- Une surface de capteurs solaires thermiques : entre 0,7 à 1,5 m² par habitant.
- Un volume de stockage : environ 50 litres par m² de capteur.

La capacité totale européenne est estimée à 15,4 GWth soit 22 millions de m² de capteurs installés en 2007, dont 40% de capacité installée en Allemagne, 16% en Grèce, 13% en Autriche. Ces chiffres mettent en relation la surface de capteur et la capacité installée sur la base que 1 m² = 0,7 kWth (kilowatt-thermal) (source : ESTIF, Solar thermal markets in Europe 2007).

	marché du solaire thermique
	2006		2007
	Capacité [GWth]	surface de capteurs installés [millions m²]	Capacité [GWth]	surface de capteurs installés [millions m²]
Allemagne	5,6	8,1	6,3	9,0
Grèce	2,3	3,3	2,5	3,6
Autriche	1,8	2,6	2,0	2,9
Italie	0,6	0,9	0,8	1,1
Espagne	0,5	0,7	0,7	1,0
France	0,4	0,6	0,6	0,9
source : ESTIF

Technologie

Selon la situation géographique, l’intensité du rayonnnement solaire et par conséquence la quantité d’énergie solaire disponible peuvent varier. C’est ainsi que se sont développés différents systèmes thermiques solaires capables de s’adapter aux inssuffisances d’ensoleillement et qui répondent à des besoins de chauffage, de réchauffement de locaux, de matières ou de fluides.

Ces technologies s’appuient sur :

des capteurs solaires : des plaques ou des tubes metalliques noirs absorbeurs pour récuperer l’énergie solaire
un fluide dit caloporteur ayant pour fonction de transporter et de faire circuler la chaleur dans le circuit thermique primaire
un échangeur thermique qui permet de faire l’appoint et de restituer la chaleur,
un support de stockage généralement un ballon

Les capteurs solaires

Les capteurs plans sont différents des capteurs à concentration et des capteurs photovoltaïques.

Les capteurs photovoltaïques s’appuient sur le spectre lumineux et la récupération de l’énergie sous forme électrique au passage des photons.

Les capteurs à concentration consistent à concentrer l’énergie solaire sur une surface réduite. Ils ont généralement besoin d’une exposition constante au soleil ce qui en limite les applications. Pour réfléchir et concentrer le rayonnement dans les foyers (ponctuels ou linéaires) équipés de capteurs on pourra utiliser des mirroirs ou des surfaces réfléchissantes paraboliques ou cylindro-paraboliques. On peut alors atteindre des températures très élevées jusqu’à 1500°C.

Les capteurs plans sont constitués d’un absorbeur qui capte les rayons solaires, transforme l’énergie en chaleur et la transmet au moyen d’un fluide caloporteur vers un éventuel support de stockage thermique ou chimique.
L’absorbeur est généralement constitué d’une surface plane orientée de façon optimale et présentant une couche superficielle exposée. Cette couche devrait représenter le meilleur coefficient d’absorption possible (autour de 0,95 avec des couleurs sombres comme le noir) et une propriété d’émissivité superficielle la plus faible possible (coefficient d’emissivité de < 0,15) afin de limiter les pertes par réémission.
Pour la transmission vers un fluide caloporteur on utilise en général une plaque métallique présentant de bon coefficient de conduction (cuivre, aluminium).

Les capteurs plans se déclinent sous plusieurs formes : les capteurs vitrés, les capteurs vitrés sous vide, les capteurs non vitrés ou "moquette" et les capteurs à air :
- Les capteurs vitrés sont des capteurs plans auquels on ajoute une couverture transparente, généralement une vitre qui assure un effet de serre afin de garder le maximum de chaleur.
- Les capteurs vitrés sous vide ont de meilleures performances et répondent à des besoins de températures plus élevées.
- Les capteurs moquette constitués de réseau de tubes noirs accolés les uns aux autres. Ces capteurs non vitrés sont adaptés aux applications comme le chauffage des piscines pour lesquelles on souhaite produire des températures proches de celles de l’air ambiant.
- Les capteurs à air sont adaptés aux besoins industriels tels que le chauffage de serres, de dalles ou encore de séchage de produits agricoles. L’air chauffé au travers du circuit permet de réduire l’humidité.

Le fluide caloporteur

Le fluide caloporteur est composé d’eau, d’huiles thermiques ou de gaz. Le fluide caloporteur permet de faire circuler la chaleur dans le circuit primaire d’une installation thermique.
Le fluide caloporteur peut circuler naturellement et transporter la chaleur grâce à sa différence de densité avec l’eau du ballon de stockage lorsque ce dernier est placé au dessus des capteurs.
Losque la circulation du fluide caloporteur ne peut pas être naturelle, on peut la forcer en complétant le dispositif par une pompe et un régulateur. La pompe généralement électrique force la circulation du fluide tandis que le régulateur active ou désactive la pompe selon les différences de températures entre ballon et capteur.

L’échangeur thermique

L’échangeur thermique est un dispositif constitué généralement d’un serpentin raccordé à une chaudière et d’une résistance associée au ballon de stockage, qui permettent de faire l’appoint et de restituer la chaleur. Le dispositif d’appoint prend le relais en cas de besoin en palliant l’insuffisance d’ensoleillement.

Les systèmes de stockage

On peut dissocier les systèmes de stockage thermiques, chimiques et biologiques.

Le stockage thermique pourra être réalisé sous la forme de chaleur sensible (ex : piscine) ou sous la forme de la chaleur latente dégagée au changement de phase des matériaux de stockage.
Dans le cas du stockage sous forme de chaleur sensible, le support pourra être de l’eau, des pierres ou des huiles thermiques dont on pourra faire varier la température en fonction des besoins.
Dans le cas du stockage sous forme de chaleur latente, le support passe d’un état (solide, liquide, gazeux) à une autre par apport ou libération de chaleur.

Le stockage chimique implique un système dans lequel un élément chimique est décomposé en d’autres éléments qui seront stockés dans le temps suite à une réaction catalysée ou sous l’effet d’apport de chaleur. L’énergie peut ensuite être libérée en recomposant l’élément initial à partir des éléments stockés. Les technologies de stockage chimique s’appuient et désignent en général les accumulateurs électrochimiques, les condensateurs, les piles ou encore les batteries.

Le stockage biologique s’appuie essentiellement sur des techniques mettant en œuvre la photosynthèse.

Applications industrielles

Ainsi plusieurs typologies d’installations sont aujourd’hui développées autour de l’utilisation de l’énergie solaire thermique :

Les centrales solaires thermiques ou héliothermodynamiques concentrent l’énergie solaire sur un point focal permettant d’atteindre de hautes températures. Elles peuvent être équipées de collecteurs paraboliques chauffant un fluide caloporteur (eau, huiles thermique ou gaz) permettant d’améliorer les rendements pour la transmission de la chaleur.

Le chauffe-eau solaire individuels (CESI) ou collectifs permettent la production d’eau chaude sanitaire. Plusieurs technologies sont actuellement commercialisées en version monobloc ou à éléments séparés à circulation forcée ou non.
Lorsque la circulation est naturelle on parle de thermosiphon. Le terme thermosiphon désigne la circulation d’un fluide alimentée par la différence de température et de densité entre deux points d’un circuit.
Le fluide caloporteur se met en circulation naturelle dans le cas des chauffe-eau monoblocs et thermosiphons ce qui permet de faire l’économie d’une pompe pour forcer la circulation du liquide primaire. Chauffe-eau monoblocs et chauffe-eau thermosiphons sont particulièrement appropriés pour les régions régulièrement ensoleillées qui sont plus favorables à la circulation naturelle.
Les chauffe-eau monoblocs désignent ceux pour lesquels capteurs et ballon sont regroupés et par conséquent tous deux à l’extérieur. Ils sont simples à mettre en œuvre, peu coûteux et adaptés à la pose sur des supports peu inclinés.
Les chauffe-eau à éléments séparés sont comme leur nom l’indique ceux pour lesquels le ballon est dissocié des capteurs solaires. Les chauffe-eau à éléments séparés sont couramment proposés en circulation forcée par un circulateur - généralement une pompe électrique - complété d’un régulateur pour faire varier et adapter les températures selon les besoins.
Les chauffe-eau thermosiphons s’appuyant sur la circulation naturelle du fluide caloporteur n’ont donc pas besoins de circulateur ni de régulateur. L’effet thermosiphon est assuré par le simple fait que le ballon est fixé à un niveau plus haut que le capteur solaire, la mise au point n’en est pas moins technique.

Les systèmes solaires combinés (SSC) permettent la production d’eau chaude sanitaire ou le chauffage des habitations et piscines. Plusieurs technologies existent parmi lesquelles celles qui s’appuient sur un ballon de stockage thermique et le "Plancher solaire direct", marque déposée de Clipsol, très déployé en France.
Un système solaire combiné est généralement composé de capteurs solaires thermiques, d’un système de distribution (tuyauterie), d’un système de stockage (ex : ballon), d’un système d’émission de la chaleur (ex : radiateurs, dalle chauffante), d’un système de régulation ou d’appoint.
Le système d’appoint permet d’assurer une réponse aux demandes de chauffage ou d’eau chaude sanitaire en palliant aux éventuelles insuffisances du rayonnement solaire. Le système d’appoint est combiné lorsqu’il fait appel à une chaudière classique (fioul, gaz, bois, électrique) qui complète automatiquement le dispositif ou dit séparé lorsqu’il est indépendant (ex : cheminée, poêle à bois, convecteurs électriques).

Les systèmes de rafraîchissement solaire permettent de produire du froid. L’énergie délivrée par le système solaire est utilisée par des machines de production de froid ou de traitement d’air pour produire de l’énergie frigorifique permettant d’assurer le rafraîchissement des locaux. Les systèmes foncionnent grâce au couplage des capteurs solaires thermiques avec soit une machine de froid à sorption (absorption ou adsorption) soit un système de conditionnement d’air par rafraîchissement évaporatif.
Les cuisinières et sécheurs solaires : Cuiseur-boîte, cuiseur à panneaux ou cuiseurs paraboliques, plusieurs versions existent et se sont développées dans des pays tels que l’Inde ou la Chine. Une plaque de carton en forme de coquille recouverte d’aluminium et enveloppée dans un sachet en plastique pour éviter les pertes suffit. Il faut bien sûr que le soleil soit au rendez vous.
Dans le domaine agricole les capteurs à air trouvent leur application pour sécher les céréales.

Aspects positifs

L’énergie solaire est une énergie non polluante, renouvelable, inépuisable, disponible partout et dont l’usage est gratuit.
Les technologies permettant d’utiliser l’énergie solaire thermique sont adaptables aux besoins ainsi qu’aux situations géographiques et climatiques selon que les régions soient ensoleillées ou peu ensoleillées.
Les frais liés à la maintenance et à l’entretien des installations solaires sont faibles. Les techniques et matériaux utilisés sont similaires à ceux employés traditionnellement pour le chauffage et les sanitaires tandis que la main d’œuvre nécessaire n’implique pas de surcoût particulier de formation.
Le nombre de chauffe-eau solaires individuels (CESI) installés en 2006 en France métropolitaine est de l’ordre de 35000 équivalent à une surface de 150.000 m² de capteur solaire. Le nombre d’installations double chaque année (source : Enerplan, ESTIF).
En France, les installations de chauffe-eau solaire sont favorisées au travers du crédit d’impôt, d’aides des collectivités territoriales, de l’Agence Nationale de l’Habitat (ANAH) ou d’autres organismes. En collectif, le concept de Garantie de Résultats Solaires (GRS) avec performances garanties au maître d’ouvrage ajoute à la pérennité des installations.
Des projets ambiteux se préparent et vont permettre une meilleure exploitation de l’énergie solaire.
- Le projet ambitieux PSSM de Centrale électrique solaire à Sanlúcar la Mayor en Andalusie pour une capacité de 300MW à l’horizon 2013
- Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (dont Daniel Nocera et Matthew Kanan - MIT, Juillet 2008) ont réalisés des piles à combustible qui, combinées aux technologies solaires, permettent à moindre coût et pour un rendement satisfaisant le stockage d’énergie. Les piles à combustion utilisent l’énergie solaire pour transformer l’eau en hydrogène et oxygène et restituent ensuite l’énergie sous forme électrique. Le système repose sur la combinaison d’électrodes et de catalyseurs de platine, de cobalt et phosphate qui permettent de générer à souhait respectivement de l’hydrogène et de l’oxygene (source : MIT).

Aspects négatifs

Le sous-développement des technologies solaires et la sous-exploitation de l’énergie solaire sont regrettables car ils ne présentent pas de difficultés majeures de réalisation ou d’adaptation selon les régions.

Contraites

La disponibilité de l’énergie solaire peut varier avec le temps et le climat ce qui renforce le besoin de stockage et par conséquence un coût plus élévé des installations et technologies pour parvenir à des autonomies satisfaisantes.
La puissance disponible par unité de surface est limitée.

Axes de réflexion

L’Allemagne investi fortement dans le domaine du solaire, par exemple alors qu’elle bénéficie d’une plus faible irradiation solaire que la France, elle a installé, en 2004, 8 fois plus de m² de capteurs solaires. Peu de pays ont investi dans le solaire alors que le potentiel est important et l’installation peu couteuse - pourquoi ?
Un fort investissement dans le domaine du solaire peut-il constituer une alternative totale aux énergies polluantes ?

Perspectives

L’énergie solaire constitue une réponse adaptée aux crises énergétiques et environnementales, il s’agit d’une énergie inépuisable, non polluante et encore sous exploitée.