Note de cadrage sur le potentiel de développement de la climatisation solaire en Languedoc- Roussillon

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1 Note de cadrage sur le potentiel de développement de la climatisation solaire en Languedoc- Roussillon Auteur : Daniel MUGNIER, TECSOL - Date : 12/06/ Version : v4 Introduction : La technologie de la climatisation /chauffage solaire constitue depuis de nombreuses années une filière prometteuse dans la production de froid renouvelables. Dans un contexte où la demande énergétique en Languedoc Roussillon en période estivale ne cesse de croître et où la Région affiche clairement une volonté d augmenter son niveau d autonomie énergétique, la climatisation/chauffage solaire est un enjeu important. 1) Etat des lieux de la climatisation/chauffage solaire en Languedoc Roussillon Cette technologie est encore considérée au niveau international comme une filière en phase de pré industrialisation puisqu on ne démontre qu un petit millier d installations actuellement en fonctionnement dans le monde (pour plus de 70 millions de climatiseurs chaque année) mais avec une croissance très importante depuis 2005 (cf. Figure1). Au niveau français, le nombre d installations recensées à la fin 2010 est de 20 installations réalisées depuis Sur ces 20 installations, 16 sont encore en état de marche et parmi ces 16 installations, 3 sont situées en Languedoc Roussillon, représentant 15% du parc installé (cf. Figure2). documenté Estimé LR 15% RA 15% IDF 10% AQUITAINE 5% PACA 20% DOM 25% CORSE 5% ALSACE 5% Source: climasol Fraunhofer ISE Rococo TECSOL TECSOL estimate Figure 1. Nombre d installations de climatisation solaire dans le monde Figure 2. Répartition par région des installations françaises à la fin 2010 (source : TECSOL) Les 3 installations situées en Languedoc Roussillon toutes de type démonstration - sont assez représentatives des différentes applications et technologies de climatisation/chauffage solaire existantes (adsorption, absorption, petite puissance et moyenne puissance, applications tertiaire et viticole) : une première installation, le GICB, est la plus ancienne d Europe encore en fonctionnement depuis sa mise en route depuis 1991 alors que les deux autres installations ont été mise en route en 2007 et Toutes les principales technologies de captations solaires sont représentées : capteurs plans (Haribo, Uzès), capteurs plans double vitrage (SOLACLIM, Perpignan) et capteurs à tubes sous vides (GICB, Banyuls). Figure 3. Tableau de synthèse des caractéristiques techniques des installations de climatisation solaire en Languedoc Roussillon (source : TECSOL)

2 Photo installation GICB (source: TECSOL) Photo installation SOLACLIM (source : TECSOL) Photo installation HARIBO (source : Phönix) La figure 3 donne les caractéristiques des 3 installations de Languedoc Roussillon. Elles sont toutes les 3 en fonctionnement actuellement même si seules les données du GICB et de SOLACLIM sont accessibles. Le GICB ne fonctionne qu en rafraîchissement, les deux autres sont «réversibles». La Figure 4 fait apparaître notamment le niveau de performance électrique (ratio entre énergie solaire frigorifique et calorifique utile sur énergie électrique consommée) de 10 atteint sur la saison complète par l installation SOLACLIM et mesuré grâce à un dispositif spécifique. Figure 4. Performances mesurées de l installation SOLACLIM en (source : TECSOL) Pour le GICB, en 2007 notamment, l installation a fonctionné 95% du temps, pendant une durée de 6h30 en moyenne par jour avec les niveaux moyens de performance suivants : - Energie solaire utile pout la machine à absorption circuit générateur = 340 kwh/jour (moyenne) ; - Energie frigorifique utile = 203 kwh/jour (moyenne) ; - COP moyen de la machine à absorption = 0,58 - Efficacité électrique moyenne : 4,1 Depuis début 2011, 3 nouveaux projets de démonstration sont en phase préparatoire de réalisation : une installation de climatisation/chauffage solaire (10 kw puissance frigorifique) en adsorption au sein de l AFPA St Jean de Védas (travaux prévus fin 2011), une installation de climatisation /production ECS solaire sur un bâtiment du Quartier Jacques Cœur à Montpellier et dont le maître d ouvrage est la SERM (travaux durant l été 2011) de puissance frigorifique 35 kw. Enfin, la SMAC de Nîmes souhaite réaliser un projet de climatisation solaire de puissance 35 kw courant Au niveau régional, les acteurs moteurs dans le domaine de la climatisation solaire sont essentiellement des installateurs (CLIMATSOL, CLIMSERVICE, AE3000) ainsi que des bureaux d études (TECSOL, EnR Concept, Celsius Environnement, Holisud). Un distributeur, Sun Power Systems, basé à Rivesaltes à partir de 2008, a développé et tenté de commercialiser un système complet packagé de 8 ou 15 kw, mais faute de marché il a arrêté son activité à la fin 2010 (à ce jour, connaissance de la vente de 3 systèmes dont 2 hors de France). En Recherche et Développement, TECSOL, l entreprise COLDWAY et le CNRS PROMES sont très actifs sur le sujet et deux projets de R&D sont en cours sur le sujet ou viennent de s achever : - le projet SOLACLIM financé par la Région à travers une aide à Coldway et la Fonds de Compétitivité des Entreprises (FCE, Ministère de l Industrie) qui a consisté à développer un dispositif de stockage par matériau à changement de phase (PCM) pour améliorer les performances électriques au niveau du refroidissement des petites installations de climatisation solaire (travaux en parallèle de l installation de démonstration citée plus haut). - le projet ANR Habisol 2009 MEGAPICS (Méthode pour Garantir les Performances des Installations de Climatisation/Chauffage solaire) qui vise entre 2010 et fin 2012 à améliorer la qualité des installations, en termes de performances sur le long terme, notamment en mettant à disposition des bureaux d études à la fois d outils de calculs et de design simplifiés et des guides de bonnes pratiques. TECSOL est la seule entité de la Région impliquée dans cette action mais est accompagnée par INES CEA, le laboratoire PIMENT (Université de la Réunion), ENERPLAN, GDF SUEZ et EDF pour ce programme de recherche.

3 - Le projet ANR PREBAT 2006 «ORASOL» (Optimisation des systèmes de rafraîchissement solaire) impliquant TECSOL et le laboratoire PROMES du CNRS, en plus des laboratoires PIMENT, LATEP (Université de Pau), LOCIE (Université de Savoie), du LIMSI-CNRS, du CEA à l INES et de CIAT. En dehors de ces projets de R&D nationaux, on peut également citer la présence active de TECSOL parmi la R&D européenne et mondiale sur le sujet à travers de nombreux projets (SOLAIR ( SOLERA ( MEDISCO ( Tache 38 AIE SHC ( Le bilan de la situation actuelle de cette technologie et de son développement relativement lent est essentiellement dû à deux facteurs principaux : - des coûts encore très élevés à la fois au niveau investissement et au niveau fonctionnement par rapport à son concurrent direct qu est la pompe à chaleur réversible (environ 5 à 7 fois plus cher avec des ratios fournis posés de l ordre de 4 à 5000 euros du kw froid pour des installations de plusieurs dizaines de kw et jusqu à euros pour des petits systèmes soit environ 10 kw). Pour cette raison, il est aujourd'hui difficile de trouver une rentabilité économique à des projets de climatisation/solaire, y compris avec des aides financières élevées. - un manque de savoir faire dans la conception et la mise en oeuvre de systèmes complexes et touchant plusieurs disciplines professionnelles et donc un faible niveau de qualité des opérations réalisées menant à la fois à des performances non optimales et souvent (au moins au niveau national) à des soucis techniques récurrents. C est pourquoi depuis fin 2009 a été mis en place conjointement par l ADEME et ENERPLAN, un ambitieux programme appelé EMERGENCE ( Rubrique Froid Solaire) qui vise à : 1) Mettre en place les conditions pour financer des projets dé démonstration de climatisation/chauffage solaire : optimisées au niveau technique (productivité et COPélec avec des garanties de performances minimums) impliquant fortement tous les acteurs (Maître d ouvrage, Maître d œuvre, exploitant) conduisant aux meilleurs cas de figure en terme de rentabilité économique 2) Rendre systématique le suivi de performance des installations en l intégrant aux mécanismes de financement 3) Valoriser les retours d expérience et les cas de figures (type de bâtiment, type d équipes de construction) où le rapport investissement / gain est optimal Un important mécanisme assurant un niveau de qualité minimum des installations va consister à n octroyer le reliquat de l aide totale (fixé à 20%) qu au bout de 2 saisons de fonctionnement et après vérification de l atteinte des objectifs de performances minimums imposés (350 kwh/m².an de productivité solaire utile en chauffage et en chauffage pour la production de froid au niveau des capteurs solaires et une efficacité électrique totale moyenne sur les 2 ans d observation de valeur minimum 5). En Languedoc Roussillon, les projets de la SERM à Montpellier (cf. focus en fin de note) et celui de l AFPA St Jean de Védas font partie de ce programme ambitieux. Il a un premier objectif de financement en en termes de nombre de projets de 2 à 3 systèmes par an avec des taux d aides tangeantant les plafonds autorisés par l Europe, ce qui correspond à 40 à 50% du coût d investissement selon le type de maître d ouvrage. Aux yeux des experts internationaux de la climatisation/chauffage solaire (Tâche 38 du programme Solar Heating and Cooling de l AIE), cette initiative représente un modèle à suivre car devant mener d avantage de qualité dans les projets. En conclusion à cette première partie de l état des lieux, un certain nombre de constats peuvent être faits sur la limitation du développement de la technologie de la climatisation/chauffage solaire au delà de son coût très important : 1) La nécessité de savoir-faire spécifiques en conception et surtout en installation, de multiples compétences en pose de capteurs, plomberie, chauffage/climatisation, refroidissement, électricité, automatisme, technologies de l information et de la communication (TIC) 2) Difficulté d intégration des capteurs solaires dans les bâtiments, en particulier au niveau architectural dans le cas de bâtiments neufs avec des capteurs à tube sous vide par exemple 3) Quasi obligation jusqu à présent en climatisation solaire du recours aux aérorefroidisseurs (tour de refroidissement humide ou aérorefroidisseur sec adiabatique) pour le rejet de chaleur des machines à ab/adsorption existantes, et donc la présence d une règlementation contraignante et à des coûts de fonctionnement élevés (arrêté du 13/12/2004, régissant la maîtrise des risques de légionellose).

4 2) Perspectives de développement de la technologie a) Perspectives de la climatisation/ chauffage solaire au niveau international : Au niveau européen, la consommation d énergie pour des applications en climatisation est prévue d augmenter dans les 30 prochaines années (cf. Fig. 5), contrairement à la consommation de chaleur. Une augmentation de la part des bâtiments commerciaux en Europe équipés de climatisation est attendue à hauteur d au moins 60% d ici rural areas urban areas service sector 50 Mtoe / Figure 5 : Evolution prévue de la demande en climatisation en Europe (source: RHC Common vision, 2011) Les changements climatiques ainsi que les standards de confort dans les bâtiments sont les principales causes de cette croissance prévisionnelle. Afin de réduire cette tendance, de gros efforts vont être effectués dans le domaine de l architecture bioclimatique (travail sur l enveloppe, la ventilation, etc..) mais cela ne sera pas suffisant. Au delà de l Europe, en 2011, la climatisation solaire représente également un potentiel de développement encore plus important et à beaucoup plus court terme dans les pays où le climat et l urbanisation impliquent des besoins en climatisation beaucoup plus importants et sur toute l année (à Singapour, 60% de la consommation électrique du pays est dédiée à la climatisation (source : IEA SHC)). Cette perspective est une réalité à très court terme. Ainsi, des pays comme Singapour, la Chine, les USA, l Afrique du Sud et l Australie manifestent actuellement un vif intérêt pour cette technologie. En témoigne la plus grosse installation en construction actuellement dans le monde qui se trouve sur le Collège des Nations Unies pour le Sud Est Asiatique à Singapour (cf. Fig. 6) qui va mettre en œuvre près de m² de capteurs plans haute efficacité et 1500 kw en absorption couvrant jusqu à 100% des besoins en climatisation et eau chaude sanitaire de cet établissement de m² (source : L innovation dans ce projet au-delà de sa très grande taille permettant de fortes économies d échelle est qu il inclut un contrat de vente d énergie sur 20 ans de type ESCO (le maître d ouvrage n est pas le propriétaire du système et celui-ci s amortit sur la vente de kwh). Ces deux voies (gros systèmes et garantie de performances) sont les grandes tendances actuelles dans le domaine. Figure 6 : Vues du Collège des Nations Unies pour le Sud Est Asiatique à Singapour (source: SOLID) Dans le cadre du programme Solar Heating and Cooling (SHC, et après des travaux de R&D (Tâches 25 et Tâches 38) essentiellement pilotés par l Europe et très technologiques, ces pays cibles ont affirmés leur volonté de mettre des moyens pour rapidement faire passer le stade de l industrialisation à la climatisation solaire : développer et fournir des systèmes fiables, efficaces et robustes en même temps que d importantes réductions de coûts sur tous les niveaux (production, installation, entretien/maintenance).

5 Une nouvelle tâche (IEA SHC Tâche 48) vient donc d être lancée à partir d octobre 2011 (1 ère réunion en marge de la conférence ESTEC à Marseille) pour travailler spécifiquement sur la qualité des systèmes de climatisation chauffage solaire : certification des composants principaux et de certains systèmes, développement de solutions packagées standardisées, projet de création d un label clim solaire, dispositifs de garanties de performances, vente d énergie, actions de lobbying). TECSOL vient d être nommé pilote (Operating Agent) de cette nouvelle tâche grâce à la délégation de l ADEME (représentant la France au sein de SHC) et va permettre d intégrer au mieux au niveau international le travail sur la qualité mené actuellement au niveau du projet MEGAPICS. La France est donc très active au niveau international et bénéficie ainsi d une position idéale en termes de veille technologique. De plus, certains industriels français comme EDF Optimal Solutions (filiale du groupe EDF visant à commercialiser des solutions énergétiques éco-efficaces) souhaitent développer une offre de climatisation/chauffage solaire de moyenne et grande puissance ( 35kW) au-delà de nos frontières (Maghreb, Europe) afin de pouvoir profiter de ce marché émergent à court terme. La stratégie française en termes de climatisation solaire, à l image de sa voisine allemande, est donc actuellement de profiter de son avance technologique sur le sujet et de développer une technologie d excellence pour également profiter de ce marché d exportation. b) Enjeu et perspectives de la climatisation/ chauffage solaire en Languedoc Roussillon : En Languedoc Roussillon, la climatisation/chauffage solaire représente un important enjeu énergétique. Au delà de représenter en premier lieu un moyen de satisfaire le besoin important et croissant en climatisation des bâtiments en Languedoc Roussillon, la technologie représente pour l heure le seul moyen technique significatif permettant de massivement accroitre la surface de capteurs solaires thermiques potentielle installée par habitant et donc de contribuer à ce que le solaire couvre une part significative des besoins en froid et chaleur dans le secteur du bâtiment. En effet, la majorité des zones habitées dans la Région sont situées dans des zones ayant une saison de chauffage relativement courte mais ayant assez rapidement en saison estivale des besoins de rafraîchissement. Au delà de la consommation de chaleur liée à la production d eau chaude sanitaire que l énergie solaire thermique peut prendre en charge jusqu à 60-70% en moyenne sur l année au niveau énergétique, il est difficile d envisager des systèmes combinés avec plus de 10m² par maison individuelle dans la Région Languedoc Roussillon, à la fois pour des raisons techniques (risque de surchauffe, surconsommation électrique potentielle) et économiques (une part importante de l énergie collectée n est pas valorisée financièrement en période hors chauffage). Les besoins en rafraîchissement des bâtiments en période estivale vont irrésistiblement croître dans les années à venir, en raison des augmentations de la température, notamment durant la période estivale (source : étude sur l'évolution du comportement thermique des bâtiments BBC en 2030 et 2050). De fait, même les bâtiments les plus performants présenteront des durées d'inconfort importantes. Une des solutions sera d'utiliser dans ces cas là des systèmes de rafraîchissement performants à la fois techniquement, économiquement et environnementalement. D'où une place pour la climatisation/chauffage solaire qui associera ces 3 avantages (la double utilisation en chauffage et climatisation de la captation solaire pour rentabiliser au mieux cette source renouvelable, elle fiabilisera l utilisation continue des capteurs solaires et enfin elle n aura qu un très faible impact en termes d émissions de CO 2 ou de gaz à effet de serre). Par conséquent, le développement massif de l énergie solaire thermique dans la Région au niveau du résidentiel (collectif à court et moyen terme et individuel à plus long terme) et du tertiaire dépend de la capacité de la climatisation/chauffage solaire d être compétitive et fiable dans les années à venir. D ici 2015, le développement de la climatisation/chauffage solaire passera en effet par le tertiaire, le résidentiel collectif et l industrie. Ensuite, la conjonction des évolutions techniques en termes de packaging des systèmes et de la hausse des prix de l énergie pour les particuliers vont mener à une croissance significative du marché des systèmes combinés + (appellation pour les systèmes de climatisation/chauffage solaires de petite taille, c est à dire de moins de 10 kw) sur la Région. A très court terme, l application qui pourrait être privilégiée dans la région est la dualité ECS/climatisation solaire (résidentiel collectif + tertiaire spécifique) car elle est la plus rentable financièrement (à l image du projet SERM cité plus haut). Par ailleurs, il serait judicieux au-delà de cette application de lancer une étude technico économique ambitieuse permettant la sélection et la mise en place de solutions en fonction de profils d applications en LR (BBC, bureaux, logement, industrie viticole, etc..) prenant en compte particulièrement la valorisation du savoir faire régional au niveau de toutes les étapes du projet (conception, réalisation, exploitation).

6 Focus : Exemple d application climatisation/ecs solaire Etude de cas projet Arche Jacques Cœur Montpellier Maître d'ouvrage Lieu (adresse) Statut (juin 2011) Type système Type bâtiment cible Type production solaire ECS Type production solaire climatisation Données générales SERM Montpellier Arche Jacques Coeur 266, place Ernest Granier - Montpellier Consultation des entreprises Climatisation/ECS solaire Bâtiment tertiaire + bâtiment résidentiel collectif (2 îlots attenants) Préchauffage ECS solaire avec appoint gaz Pré-refroidissement avec appoint groupe eau glacée Données techniques Surface captation solaire totale 240 m² Puissance groupe absorption solaire 35 kw Stockage solaire litres Production solaire Production ECS solaire (prévisionnel) - Productible kwh/an - Taux couverture 34.4 % Production Climatisation solaire (prévisionnel) - Productible kwh/an - Taux couverture 3.1 % Bilan économique Estimatif projet global* (juin 2011) HT Estimatif projet sous partie production ECS* (juin 2011) HT Estimatif projet sous partie production climatisation* (juin 2011) HT Ratios surcoût projet clim solaire (juin 2011) - rapporté au m² de capteurs solaires 786 HT / m² - rapporté au kw frigo du groupe absorption HT / kw Estimatif coût projet en 2015** HT Coût kwh (ECS+clim) sur 20 ans*** 0,061 /kwh * Hors surcoût intégration architectural, monitoring Emergence et travaux déjà effectués ** Ramené à 3000 /kw pour la partie clim et 600 /m² pour ECS *** A partir d un coût d investissement prévisionnel 2015 et un productible constant sur 20 ans Cette étude de cas montre en détail les caractéristiques techniques et économiques d une installation de climatisation/ecs solaire de taille moyenne. Elle permet à la fois de produire de l eau chaude sanitaire solaire pour du résidentiel collectif et d une contribution en climatisation pour un bâtiment tertiaire. Ce type d application représente un potentiel de quelques dizaines de bâtiments en Languedoc Roussillon, notamment avec l émergence des écoquartiers et du concept de mini réseaux de chaleur à l échelle locale.