Formation Continue FORMATION INTRA PRESENTATION DES TECHNOLOGIES SOLAIRES FCIA093 FORMATION DECEMBRE 2007-JANVIER 2008

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1 Formation Continue FORMATION INTRA FORMATION PRESENTATION DES TECHNOLOGIES SOLAIRES FCIA093 FORMATION DECEMBRE 2007-JANVIER 2008 INES EDUCATION Bâtiment LYNX 50 avenue Lac Léman Savoie Technolac BP LE BOURGET DU LAC CEDEX Tél. : +33 (0) Tél. : +33 (0) [email protected] Site :

2 INTEGRER LE SOLAIRE THERMIQUE DANS LE BÂTIMENT Thomas LETZ Docteur-Ingénieur en Energétique Responsable du Département Thermique INES EDUCATION Xavier CHOLIN Ingénieur en Solaire Thermique INES EDUCATION INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire

3 Sommaire 1. Le gisement solaire, les données climatiques Les différents types de capteurs solaires thermiques Les techniques solaires Le chauffe-eau solaire individuel L'eau chaude solaire collective Le système solaire combiné Les piscines solaires Les installations collectives combinées Le froid solaire L'évaluation des besoins pour l'eau chaude collective Le dimensionnement des composants L'intégration des capteurs Le dimensionnement de l'installation Les indicateurs de performance Outils de calcul L'évaluation économique des projets Les aides et subventions Le télésuivi, la Garantie de Résultats Solaires Les conseils opérationnels Le contexte juridique Techniques actuelles et évolutions possibles INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire

4 1. Le gisement solaire, les données climatiques Un petite étoile dans l univers Diamètre : km (environ fois plus gros que la terre) Distance Terre-Soleil : km (ou 8 minutes-lumière) Au centre : La Fusion Nucléaire H ---> 4 2 He + 2e+ + 2 n e + 2, J/mole He Consommation : 576 millions de tonnes d'hydrogène à la seconde Le Soleil rayonne comme un corps noir à K A l'extérieur de l'atmosphère terrestre, une surface de 1m² perpendiculaire au rayonnement reçoit W. C'est la constante solaire Énergie reçue sur terre chaque année : à fois la consommation énergétique de l homme Espérance de vie : environ 5 milliards d années. Le soleil Le soleil est un énorme réacteur thermonucléaire, où l'hydrogène fusionne en hélium. L'énergie qu'il envoie dans toutes les directions est à la fois énorme (environ fois les besoins terrestres), mais malheureusement assez diluée, puisque la puissance maximale reçue à l'extérieur de l'atmosphère sur une surface d'un mètre carré perpendiculaire à la direction du rayonnement est au maximum d'environ 1350 W (cette valeur est légèrement supérieure en hiver car la distance Terre- Soleil est minimale à ce moment-là) Pour récupérer une quantité d'énergie importante, il faut donc nécessairement augmenter la surface qui intercepte le flux solaire. Concentrer le rayonnement solaire n'augmente pas la puissance ou l'énergie récupérés, mais seulement le niveau de température pouvant être atteint. La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est un angle qui permet de prendre en compte cette situation pour calculer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel. Elle varie entre ' au solstice d'été à ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale. solstice d été 23 δ = équinoxe d automne δ = 0 Déclinaison δ : angle entre direction terre-soleil et plan équatorial Le cycle des saisons équinoxe de printemps δ = δ = solstice d hiver Rotation de la Terre sur elle-même : Variation diurne Rotation de la Terre autour du soleil + axe incliné : Variation annuelle Le rayonnement solaire rayonnement extra-atmosphérique : W/m² Limite atmosphère ~2500 km Réfléchi Diffus Surface terrestre Absorbé Le rayonnement solaire Direct maximum au sol : W/m² Absorbé 0,01 ULTRA VIOLET VISIBLE 1 10 INFRA ROUGE proche moyen lointain 2,5 W/ m 2.m m Pertes par dispersion 2,0 Intensité à la limite de l'atmosphère 1,5 Absorption par H2O 1,0 Absorption par O3 0,5 spectre CO2 visible 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 longueur d'onde ( µm) Spectre solaire 100 ( mm ) L'énergie solaire qui arrive sur terre est disponible sous forme de rayonnement électromagnétique émis depuis le soleil. La puissance transmise par ce rayonnement varie avec la longueur d onde du rayonnement. La plus grosse quantité d énergie est apportée par les longueurs d onde visibles (lumière blanche qui est la superposition de toutes les couleurs). Certaines longueurs d onde sont absorbées partiellement ou totalement par les particules de l atmosphère (les molécules d ozone absorbent une partie des ultra violet). Il en résulte que la puissance disponible sur un mètre carré normal au rayonnement est de l'ordre de 1000 W par temps ensoleillé alors qu elle est de l ordre de 1350 W hors atmosphère. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 3/58

5 Pour pouvoir dimensionner une installation solaire, il est nécessaire de connaître la quantité d énergie disponible. Pour cela on utilise les données fournies par la météo nationale. Ces données sont : - la fraction d insolation, égale au rapport de la durée réelle d ensoleillement sur la durée théorique du jour. Cette grandeur est disponible dans quasiment toutes les stations météo françaises en valeur mensuelle. Elle se mesure grâce à un héliographe. - l irradiation globale (kwh/m²/j) : correspondant à l énergie solaire globale reçue sur une surface horizontale. Elle se mesure avec un solarimètre ou pyranomètre. - l irradiation diffuse (kwh/m²/j) : correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct. L irradiation globale verticale (kwh/m²/j) peut être utilisée pour le calcul des apports passifs sur des parois verticales. Appareils de mesure Les pyranomètres délivrent une tension directement proportionnelle à l'irradiation. Cette tension provient d'une thermopile dont la partie supérieure s'échauffe par exposition à l'irradiation solaire alors que la partie inférieure protégée de cette irradiation sert de référence. Ce sont des appareils coûteux : il y a donc peu de stations météorologiques qui en utilisent en France. Le pyranomètre à rayonnement diffus est identique au précédent, mais comporte une "bande d'ombre" qui évite la composante directe du rayonnement incident. Le pyrhéliomètre mesure la composante directe du rayonnement solaire. Il a besoin d'un "suiveur solaire" et d'un collimateur pour maintenir en permanence le disque solaire focalisé et masquer le reste de la voûte céleste. Le capteur est une pile thermoélectrique. Elle mesure le rayonnement solaire direct. Par contre, la durée d'ensoleillement est mesurée dans une centaine de stations météorologiques en France par des héliographes. Mais cette grandeur donne uniquement le nombre d'heures où la puissance du rayonnement solaire dépasse 120 W/m². Pour en déduire l'irradiation, il faut utiliser des corrélations. L'irradiation C'est l'intégrale de la puissance arrivant sur un plan caractérisé par son orientation et son inclinaison. La carte d'irradiation de la France donne la valeur moyenne annuelle de l'irradiation journalière sur un plan orienté au Sud et incliné d'un angle égal à la latitude du lieu. On retrouve une valeur INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 4/58

6 supérieure d'environ 70 % dans les zones les plus favorisées par rapport aux zones les moins favorisées. Repérage du soleil Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles : la hauteur h : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal L'azimut a : angle entre cette projection et la direction du Sud : a est compté positivement vers l'ouest et négativement vers l'est A noël, il n y a du soleil que de midi (solaire) à 15h00, alors qu en juin, la montagne ne le cache pas de la journée. h a hauteur sud Les masques 11h 10h Un clinomètre peut être construit avec un rapporteur et un fil à plomb est 30 sud ouest lever et de coucher du soleil en fonction de la saison.. 12h 21 juin 21 mars - 21 septembre 21 décembre 16h 17h azimut Logiciel de tracé de masque : h Ces montagnes qui nous font de l ombre... Lorsque l on veut utiliser l énergie solaire à un endroit, il faut non seulement connaître l ensoleillement du site, mais aussi déterminer quelle quantité d énergie vont amputer les obstacles entre le soleil et ce site. Il faut donc relever les masques à l endroit où l on désire implanter l installation solaire. Pour cela, il faut se munir d une boussole et d un clinomètre (ou clisimètre) et relever la hauteur angulaire et l azimut de tous les obstacles potentiels. Ces données, une fois reportées sur un graphe représentant la projection de la course fictive du soleil à l endroit du site, permettront de déterminer les heures de Variabilité de l'irradiation L'irradiance solaire est la puissance du rayonnement solaire par unité de surface. Elle s'exprime en W/m². L'irradiation solaire est l'énergie du rayonnement solaire sur un intervalle de temps déterminé. Elle s'exprime en J/m² et en kwh/m². Entre une journée sans nuages et une journée avec ciel couvert, la quantité d'énergie incidente sur un plan donné peut varier d'un facteur 4 à 5. Dans le deuxième cas, cette énergie arrive uniquement sous forme diffuse, et la puissance atteinte ne permet en général pas à un capteur thermique d'atteindre un INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 5/58

7 niveau de température suffisant pour délivrer une puissance utile. La puissance maximale atteinte en hiver est équivalente à celle qu'on peut obtenir en été. Dans l'exemple, présenté, un peu plus de 800 W/m² au midi solaire. Aux équinoxes, cette puissance est plus élevée sur un plan incliné d'un angle égal à la latitude du lieu, car l'angle d'incidence au midi solaire est nul et le rayonnement solaire arrive perpendiculairement sur le plan. Ce qui change entre l'été et l'hiver n'est donc pars la puissance maximale, mais la durée du jour. Calcul de l'irradiation sur un plan quelconque Données météo Fraction solaire σ Global horizontal G Inclinaison β Orientation γ Données géographiques Latitude Φ Global G horizontal extra-atmosphérique G ext Diffus horizontal D mois Déclinaison δ Global incliné = direct + diffus + réfléchi G(β,γ) = (G-D).R b + (1+cosβ).D + (1-cosβ).ρ.G 2 2 Calcul de l'irradiation hémisphérique L'irradiation incidente sur un plan incliné d'un angle β et orienté avec un azimut γ se compose de 3 parties : - le direct, calculé à partir du direct sur le plan horizontal à l'aide d'un facteur de transposition géométrique R b - le diffus, qui est la proportion de diffus total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison - le réfléchi, qui est la proportion de global horizontal total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison et du coefficient de réflexion du sol (albedo). Masque Données du projet Rb 2. Les différents types de capteurs solaires thermiques Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire «travailler». Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en œuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés. On n utilisera pas un capteur sous vide, permettant d atteindre de très hautes températures pour réchauffer une piscine. Le capteur moquette Très bon rendement pour les températures proches de la température de l air Les capteurs sans vitrage Chauffage des piscines Moquette solaire pour le chauffage des piscines. Un capteur simple adapté au basses températures, résistant et peu onéreux. crédit photo : ASDER Séchage en grange La toiture de la grange peut constituer un excellent capteur pour réchauffer l air nécessaire au séchage du foin. INES EDUCATION Institut National de l Energie INES Institut National Solaire de l Energie Solaire 6/58 8

8 ambiant. Ne permet pas de produire d eau chaude sanitaire. Facilité de mise en œuvre, coût d environ 100 /m². Dimensionnement : entre 1/3 et 2/3 de la surface du bassin. Les capteurs sans vitrage (2) Il existe des capteurs non vitrés sélectifs utilisant un absorbeur métallique. Ces capteurs permettent d'atteindre des températures un peu plus élevées que les capteurs moquette, ou inversement de fonctionnement également en dehors de la période estivale. Chauffage des piscines Le capteur plan non vitré en acier à revêtement sélectif permet d avoir de très bonnes performances quand les besoins sont en phase avec la ressource. Ils sont peu sensibles à l angle d incidence du rayonnement. Préchauffage de l ECS Préchauffage de l ECS sur des grosses installations. crédit photo : ASDER En caisson ou à assembler in situ, les capteurs peuvent se mettre sur châssis ou s intégrer dans l architecture des bâtiments. crédit photo : Giordano Les capteurs sous vide Les capteurs plans Eau chaude solaire Le capteur plan vitré Systèmes combinés chauffage et eau chaude INES Institut National de l Energie Solaire Le capteur plan vitré est bien adapté aux besoins des habitations. Ses températures de fonctionnement correspondent aux températures de production de chauffage et d eau chaude sanitaire. INES Institut National de l Energie Solaire Energie Solaire SA Le capteur plan est le capteur le plus répandu et le mieux adapté aux besoins de chauffage et d eau chaude sanitaire dans les bâtiments. Les capteurs vitrés restent les plus performants bien que les non vitrés soient assez utilisés dans de nombreux pays européens (essentiellement pour du préchauffage d eau chaude sur des installations collectives). Ce type de capteur se présente sous forme de caissons de différentes dimensions ou sous forme d éléments séparés à intégrer directement dans l architecture des bâtiments. Les surfaces mises en œuvre vont de quelques mètres carrés pour les chauffe-eau solaires individuels à plusieurs centaines de mètres carrés pour les installations collectives. Les capteurs sous vide permettent Les capteurs à tubes sous vide d atteindre des hautes températures (150 C) avec des rendements corrects. Le vide créé à l intérieur des tubes permet de Capteurs sous vide Concentration (CPC) réduire de manière importante les déperditions lors de la montée en température. Cette technique a été développée il y a une trentaine d'années afin d'améliorer les performances d'un capteur plan. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires. Ainsi ils sont utilisés pour la climatisation Montage 2 tubes Montage avec caloduc par absorption où des températures de INES Institut National de l Energie Solaire plus de 80 C sont nécessaires, ou pour la production d eau chaude haute température. Leur coût reste important. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 7/58 10 Montage avec réflecteur 9 11

9 Leur utilisation pour le chauffage de l eau chaude sanitaire est tout à fait possible, cependant les performances d un chauffe-eau solaire équipé de capteurs sous vide ne sont pas tellement meilleures qu avec des capteurs plans vitrés, dans le cas où l on produit de l eau à 50 C. Le choix du capteur sous vide est donc intéressant pour des plages de températures où les capteurs plans vitrés ont des rendements qui chutent. Le coût de ces capteurs est souvent supérieur à 700 /m². Les capteurs sous vide à concentration combinent l effet de concentration des miroirs paraboliques (CPC = Concentrateur Parabolique Composite) avec des capteurs sous vide permettant d obtenir des hautes températures avec des surfaces de captage réduites. 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 métallique (souvent en cuivre) véhiculant le fluide caloporteur qui transporte l énergie jusqu à l extérieur du capteur - 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. Un Film réfléchissant Chaleur véhiculée par le fluide réchauffé Le capteur plan vitré INES Institut National de l Energie Solaire joint d étanchéité en matériau élastique a pour principale fonction de maintenir l'étanchéité du capteur en empêchant l'eau de pénétrer quand il pleut. Vitrage Caisson Comment ça marche? Absorbeur Isolant Rayonnement visible Rayonnement IR 16 Text Convection 15 % 8 % Principe de fonctionnement Eu = chaleur emportée par le fluide réchauffé 60 % Rayonnement réfléchi par le vitrage 1 % 5 % Pertes thermiques INES Institut National de l Energie Solaire 8 % 3 % E = irradiation solaire 100 % Tm Rayonnement absorbé Rayonnement visible Rayonnement IR 17 Une partie de l'irradiation solaire 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 transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l environnement proche. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 8/58

10 Des performances mesurées La puissance utile Eu que l on peut récupérer d un capteur solaire dépend de nombreux paramètres, à savoir des paramètres extérieurs : E : la puissance solaire incidente sur le plan du capteur (W/m²) Tm : la température moyenne du capteur (approximée à la moyenne entre les températures d entrée et de sortie de capteur) (en C). Text : la température extérieure (en C) et des paramètres définissant le capteur : β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l ensoleillement absorbé par l absorbeur et l ensoleillement τ α E = K m Cp η =. η = α τ K Bilan thermique d'un capteur. ( Tm Text) + m Cp ( Tsortie Tentrée) ( Tsortie Tentrée) τ α E K ( Tm Text) ( Tm Text) INES Institut National de l Energie Solaire incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le coefficient d'absorption de l'absorbeur. K : le coefficient de déperditions thermiques (W/ C) Courbe de rendement (norme NF P50-501) E E E =. E m Cp (Tsortie - Tentrée) K (Tm-Text) 22 Eu = β E - K ( Tm - Text ) η = Eu ( Tm - Text ) = β -K E E 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Rendement Tm : température moyenne du capteur Text : température extérieure E : Irradiation (W/m²) pertes optiques pertes thermiques transmission vitrage facteur optique β = τ. α absorption absorbeur pente = K : coefficient de pertes ( Tm - Text ) / E L énergie utile est donc égale à la partie de l énergie incidente traversant le vitrage moins les déperditions thermiques (proportionnelles à l écart de température entre le capteur et l ambiance). INES Institut National de l Energie Solaire 23 Nouvelle norme européenne Cette nouvelle norme introduit un deuxième coefficient de pertes thermiques, afin de mieux prendre en compte les pertes non linéaires (rayonnement) : a 0 : le facteur optique du capteur, a 1 et a 2 : coefficients de déperditions thermiques (W/m².K et W/m².K²) INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 9/58

11 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. 3. Les techniques solaires 3.1. Le chauffe-eau solaire individuel Les systèmes monobloc Les systèmes monobloc sont des ensembles capteur/ballon simples et complets qui fonctionnent de manière autonome. Leur branchement est extrêmement simple. L échauffement du fluide, lorsque l ensoleillement est suffisant entraîne la mise en mouvement de ce dernier (différence de masse volumique due à la variation de température). La chaleur est donc transférée jusqu au stock qui est située au dessus du capteur. Ces systèmes simples sont difficilement intégrables dans l architecture des bâtiments et souvent de dimensions modestes. La position du ballon ne permet pas d intégrer une source d énergie d appoint dans le système. Elle devra se trouver en aval. Chauffe eau solaire individuel (CESI) Eau froide Monobloc Fonctionnement en thermosiphon Eau réchauffée Systèmes simples, pas trop chers, aux performances correctes, mais difficilement intégrables de manière esthétique. En général, volumes des ballons peu importants (150l) et l énergie d appoint non intégrée au ballon du fait de sa position allongée. INES Institut National de l Energie Solaire Dans les climats froids, les canalisations aller et retour risquent de geler. Ce type de matériel est plutôt adapté aux pays tropicaux, où l énergie d appoint n est pas nécessaire. Dans ce cas, il n est pas nécessaire de disposer d un circuit primaire antigel. La position relative du soleil à ces latitudes permet de poser les capteurs relativement à plat sur des toitures en terrasse. 4 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 10/58

12 Chauffe-eau à éléments séparés (convection naturelle ou thermosiphon) Lorsque la configuration le permet, c est à dire lorsque le ballon de stockage se situe à une altitude supérieure à celle des capteurs, le chauffe-eau à convection naturelle ou thermo-siphon peut être installé. Le principe de fonctionnement réside sur la différence de masse volumique générée par la montée en température dans le capteur, qui va mettre en mouvement le fluide caloporteur. Cette technique ne demande ni pièce mécanique (circulateur), ni régulation. Sa grande simplicité en fait donc un système fiable dans la durée, vu que le nombre de pièces est réduit. Son coût d investissement est moindre ainsi que son coût de fonctionnement, qui est nul. Le dimensionnement de ce type d installations doit être effectué de manières à réduire au maximum les pertes de charges dans le circuit. La mise en circulation du fluide s effectue en général pour des différences de températures (capteur/ballon) de l ordre de 15 C, ce qui fait que les performances de ces procédés sont relativement réduites en hiver (fortes déperditions, mauvais rendement). Le thermosiphon est en principe utilisé pour des installations de taille modeste (chauffe-eau solaire individuel de quelques m²). L énergie d appoint peut être intégrée dans le ballon solaire tout comme en aval de celui-ci. Ces systèmes possèdent une régulation qui enclenche le circulateur dès que l énergie solaire est disponible, ce qui permet des performances supérieures aux systèmes en thermosiphon. La taille de ces chauffe-eau solaires va de quelques mètres carrés pour les installations individuelles à plusieurs centaines de m² pour la production d eau chaude solaire collective. Hormis les capteurs (qui bénéficient des garanties constructeur), les organes du chauffe-eau solaire sont des pièces de plomberie et chauffage ordinaires, qui ne Chauffe-eau à éléments séparés Convection naturelle ou thermosiphon Implantation en toiture Des systèmes simples et assez performants. La contrainte principale étant de pouvoir mettre le ballon de stockage à une altitude supérieure aux capteurs. Les capteurs doivent être adaptés au fonctionnement en thermosiphon. Eau froide INES Institut National de l Energie Solaire Eau réchauffée Le chauffe-eau solaire à éléments séparés et convection forcée Le chauffe-eau solaire à éléments séparés et convection forcée est le plus courant des systèmes. Il présente l avantage de s adapter à la plupart des situations, aussi bien dans le neuf que dans l existant. Les capteurs peuvent s intégrer dans l architecture du bâtiment, le ballon peut se placer n importe où dans l habitation. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 11/58 5

13 nécessitent ni plus ni moins de maintenance qu un système de production d eau chaude ordinaire. La plupart des fabricants proposent des kits chauffe-eau solaire individuels (CESI) comprenant les capteurs, le ballon de stockage, le module hydraulique et la régulation. Ces organes sont plus ou moins bien intégrés ensemble. Les composants du chauffe-eau solaire «classique» La plupart des composants (circulateurs, vannes, soupape de sécurité, purgeurs, vase d'expansion, sondes, ) sont analogues à ceux utilisés classiquement en génie climatique. Il faut par contre faire attention à sélectionner des composants qui peuvent résister aux hautes températures pouvant être atteinte, particulièrement en été, et adopter quelques particularités de montage. Les échangeurs de chaleur Echangeur à tube lisse Echangeur externe pour les plus grosses installations. Fonction : Il permet de transférer la chaleur du circuit solaire rempli d'antigel au circuit secondaire d'ecs. Exigences : Il sera de préférence en acier inoxydable ou en cuivre, pour le protéger le plus possible des problèmes de corrosion et d entartrage. Le fait qu il soit démontable permet un nettoyage ou un remplacement facile. Il aura une surface suffisante et une configuration permettant l'échange maximal de chaleur entre le fluide antigel et l'ecs. Choix : Echangeur à ailettes 3.2. L'eau chaude solaire collective Eau chaude solaire collective Le chauffe-eau solaire collectif fonctionne sur le même principe que le chauffe-eau solaire individuel. Seules les dimensions des éléments diffèrent ainsi que les schémas hydrauliques et les systèmes de régulations dans certains cas. Les installations solaires vont de 10 m² pour une maison et un gîte rural jusqu à plusieurs centaines de mètres carrés pour INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 12/58

14 des immeubles collectifs ou des hôpitaux. Dans ce dernier cas, les installations bénéficient d une garantie de résultats solaires (GRS). Ce schéma est le type de schéma le plus couramment rencontré pour les installations de production d eau chaude sanitaire collective. A noter : Echangeur à plaques extérieur Appoint séparé en série après le préchauffage solaire Dans le cas où il est indispensable de mettre des vannes d arrêt sur ce circuit primaire, il convient de doter les capteurs solaires d une soupape de sécurité (prévoir un réservoir pour les crachats normaux ou anormaux éventuels). INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 13/58

15 Si le volume de stockage ne peut pas être couvert par un seul ballon, il faut fractionner ce volume en plusieurs ballons qui seront montés en "série". Lors de la charge des ballons par la boucle solaire, l'eau sanitaire du bas du ballon le plus froid est envoyée à l'échangeur de chaleur, et le retour se fait à hauteur intermédiaire du ballon le plus chaud. Entre les ballons, la circulation se fait du ballon le plus chaud vers le ballon le plus froid. En cas de soutirage, l'eau froide pénètre en bas du ballon le plus froid, et l'eau soutirée l'est en haut du ballon le plus chaud. Entre les ballons, la circulation se fait du ballon le plus froid vers le ballon le plus chaud. Si les ballons solaires et l'appoint sont éloignés, il faut mettre en place un bouclage qui permet d'alimenter toujours l'appoint avec de l'eau préchauffée par le solaire, même après une longue période de non-soutirage. La production solaire s en trouve légèrement pénalisée, mais la consommation d énergie d appoint est moindre. Dans le cas d une production d eau chaude d appoint collective, il y a lieu de prévoir un dispositif de maintien en température de la distribution, pour empêcher le développement de légionnelles. Différentes solutions existent, la plus courante étant cependant le bouclage. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 14/58

16 Dans le cas d une production d eau chaude d appoint individuel, il y a lieu de prévoir un bouclage sanitaire qui permettra d irriguer en permanence en eau préchauffée, les ballons d eau chaude individuel. Lorsque la production d appoint est individuelle, il y a lieu d être vigilant sur le type de système d appoint mis en œuvre. Pour les appoints à accumulation (ballons électriques ou chaudières murales avec ballon de stockage), il n y a pas de problème particulier. Par contre, lorsqu il s agit de production instantanée, il convient de vérifier que le générateur est thermostaté et accepte des températures «d eau froide» pouvant atteindre 50 ou 60 C. Stockage solaire centralisé, appoints individuels en général, appoint par cumulus électrique (plus rarement par chauffe-eau instantané à puissance variable) Production solaire collective : un bouclage sur la partie solaire peut être intéressant : même température d'entrée dans tous les appartements INES Institut National de l Energie Solaire 8 Stockages solaires individuels, appoints individuels en général, appoint par cumulus électrique (plus rarement par chauffe-eau instantané à puissance variable) R volume total volume appoint volume préchauffage Particularités : - la régulation différentielle fonctionne avec des sondes sur la sortie et le retour du capteur solaire - des vannes d'équilibrage doivent être placées sur chaque dérivation alimentant un appartement Production solaire individualisée = CESI individuels alimentés par une boucle primaire solaire commune INES Institut National de l Energie Solaire 9 Lorsqu un bouclage sanitaire est mis en place, le retour de ce dernier est Les schémas : bouclage sanitaire impérativement ramené au ballon d appoint et non au ballon solaire. Un retour sur le ballon solaire conduirait à un réchauffement 70 C 17 % 55 C 100 % de ce dernier par l appoint qui serait 83 % préjudiciable aux performances. 100 % Il est aussi possible de disposer une vanne 3 70 C M 52 C voies de zone sur le retour du bouclage qui irriguera ce dernier soit vers le ballon d appoint, soit vers le ballon solaire si ce dernier est suffisamment chaud. Cette solution, qui ajoute de la complexité et des risques de dysfonctionnements, ne se justifie qu'en cas de dimensionnement conduisant à Températures ( C) Débits (m3/h) INES EDUCATION Institut Le National bouclage de l Energie est ramené Solaire vers le ballon d'appoint 15/58 BP LE BOURGET DU LAC INES CEDEX Institut National de l Energie Solaire 10

17 des périodes de durée suffisamment longue où la température atteinte dans les ballons solaires dépasse la température de retour du bouclage. Pour les installations collectives dans lesquelles le stockage d'eau sanitaire à température non maîtrisée est interdit (établissement de santé), un ballon tampon rempli d'eau morte et un échangeur instantané supplémentaires sont, nécessaires. Dans ce premier schéma, l'eau chaude sanitaire est préchauffée à partir du tampon, à l'aide d'un échangeur instantané, nécessairement de puissance importante. Le débit de la pompe P3 est variable, en fonction du débit soutiré. Système avec ballon tampon (1) Préchauffage de l'ecs en instantané P3 + Protection anti-légionelles assurée + Intégration facile - Régulation délicate - Asservissement de la pompe P3 au soutirage - Échangeur grand et cher INES Institut National de l Energie Solaire Le système solaire combiné Si on considère les besoins énergétiques du secteur bâtiment et tertiaire, on constate que la plus grande part est relative au chauffage. Ceci est encore plus vrai dans les climats continentaux ou nordiques. Pour ces derniers, l'irradiation totale annuelle n'est guère différente ce celle des climats continentaux. Par contre, le profil annuel de la ressource solaire est différent, avec moins de soleil en hiver est plus en été. Du fait du climat plus rigoureux, la saison de chauffage y est plus longue, et c'est pendant les misaisons que le chauffage solaire se révèle intéressant. Les contraintes du chauffage solaire Le soleil n est pas une source d énergie régulière, les capteurs ne produisent de la chaleur que lorsque l ensoleillement est suffisant. Les besoins de chauffage sont les plus importants en l absence de soleil. La nuit, les capteurs ne produisent rien, d où la nécessité d une inertie suffisante du bâtiment et d un stockage de l énergie. En hiver, il n y a pas assez de soleil pour couvrir tous les besoins de chauffage ; la solution du stockage intersaisonnier rencontre des barrières techniques et économiques difficilement surmontables ; une source d énergie d appoint s impose. Pendant la belle saison, la quantité d énergie solaire disponible est nettement INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 16/58

18 supérieure aux besoins, le système devra donc prendre en compte la production d eau chaude sanitaire afin de valoriser cette énergie gratuite. La problématique du chauffage solaire ne se résume donc pas à dimensionner une surface de capteurs solaires. C est un ensemble complexe qui doit s adapter au mieux aux caprices de la météo pour en tirer le meilleur parti, alliant fiabilité, reproductibilité, adaptabilité et réalisme économique. Les systèmes solaires combinés Le soleil n est pas une source d énergie régulière, les capteurs ne produisent de la chaleur que lorsque l ensoleillement est suffisant. Les besoins de chauffage sont les plus importants en l absence de soleil. La nuit, les capteurs ne produisent rien, d où la nécessité d une inertie suffisante du bâtiment et d un stockage de l énergie. En hiver, il n y a pas assez de soleil pour couvrir tous les besoins de chauffage ; la solution du stockage intersaisonnier rencontre des barrières techniques et économiques difficilement surmontables ; une source d énergie d appoint s impose. Pendant la belle saison, la quantité d énergie solaire disponible est nettement supérieure aux besoins, le système devra donc prendre en compte la production d eau chaude sanitaire afin de valoriser cette énergie gratuite. La problématique du chauffage solaire ne se résume donc pas à dimensionner une surface de capteurs solaires. C est un ensemble complexe qui doit s adapter au mieux aux caprices de la météo pour en tirer le meilleur parti, alliant fiabilité, reproductibilité, adaptabilité et réalisme économique. Lorsqu'on veut utiliser la chaleur du soleil pour fournir une partie du chauffage d'une maison, on utilise un système solaire combiné (SSC) : c'est une installation qui en général utilise deux sources d'énergie (dans de rares cas trois sources) pour fournir de la chaleur à deux usages, éventuellement trois si une piscine est raccordée sur l'installation. Contrairement aux CESI, les SSC présentent une grande variété de schémas hydrauliques. En effet, ils peuvent se différencier par le type de stockage et la stratification de ce dernier, la nature de l'émetteur de chaleur, le mode de raccordement de l'appoint, le mode de production d'eau chaude sanitaire. Les premiers systèmes de chauffage solaire apparus étaient conçus sur le principe de l hydro-accumulation. Le soleil n étant pas présent toute la journée ni toute l année, l idée de stocker cette énergie quand elle était disponible est apparue comme la plus simple pour contrer ce problème. Les volumes de stockage conseillés dans les années 80 pour ce genre de systèmes pouvait atteindre 3 à 4 m 3, de manière à avoir une autonomie de plusieurs jours. Les émetteurs utilisés étaient les radiateurs, fonctionnant à des températures de plus de 60 C. Le stock devait donc être au moins à cette température,... difficile à atteindre et ce qui suppose des surfaces de capteurs importantes (de lors de 40 m² pour une maison individuelle). Depuis, le niveau d'isolation des maisons à a progressé, permettant de réduire très nettement les besoins de chauffage, et de ce fait également les surfaces de capteurs et les volumes de stockage nécessaires. De plus, les planchers chauffants basse température sont de plus en plus utilisés, ce qui permet d'améliorer les performances des systèmes en permettant au capteur solaire de fonctionner avec un meilleur rendement. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 17/58

19 Créé dans les années 80 par l école supérieure d ingénieurs de Marseille (ESIM), le concept du PSD apporte une nouvelle façon d aborder le chauffage solaire. Partant du principe qu une source d énergie d appoint est nécessaire, l idée consiste à utiliser l énergie solaire quand elle est là, et avec le meilleur rendement possible, plutôt que d essayer de la stocker à tout prix. Le fluide circule donc directement des capteurs dans le plancher chauffant sans échangeur. Pas de stock hydraulique, mais une dalle en béton relativement épaisse, qui assure les rôles de stockage, diffusion et déphasage de la chaleur. La suppression des intermédiaires entre les capteurs et le plancher chauffant basse température permet à ceux-ci de «travailler» à un niveau de température plus faible et donc de gagner en rendement. Les capteurs peuvent fournir de l énergie pour le chauffage même par une froide journée d hiver. L épaisseur de dalle conseillée en était d une trentaine de centimètres afin d avoir suffisamment d inertie pour éviter les surchauffes. Depuis, et pour les mêmes raisons d'amélioration de l'isolation des maisons, les épaisseurs des dalles ont été réduites pour arriver à un optimum de 12 à 15 cm. Les différences entre les deux technologies (2) PSD Hydro Accum Avantages - Encombrement réduit - Capacité de stockage élevée - Performances élevées - Régulation assez simple - Facile à comprendre - La plupart des fabricants Inconvénients - Régulation sophistiquée - Complexe dans la compréhension - Un seul fabricant - Pertes de stockage - Encombrement en chaufferie - Médiocres performances pour certains systèmes INES Institut National de l Energie Solaire 18 Des différences de conception CESI avec capteur surdimensionné pour assistance au chauffage 15 % en chauffage et 50% en ECS Système de chauffage solaire à part entière 35 % en chauffage et 60% en ECS Pour 150 m² habitable Hollande : 5 à 7 m² de capteur Allemagne : 8 à 12 m² de capteur Autriche : 12 à 25 m² de capteur France : 8 à 20 m² de capteur INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 18/58 19

20 3.4. Les piscines solaires L'utilisation de l'énergie solaire pour le chauffage de l'eau des bassins, notamment dans les piscines découvertes, est particulièrement adaptée puisque la demande est en phase avec la ressource solaire. La réalisation de telles installations est particulièrement simple sur le plan technique : - pour une utilisation uniquement estivale, les capteurs non vitrés sont particulièrement adaptés, compte tenu de leur très bon rendement à basse température et de leur prix réduit - le raccordement de tels capteurs peut se faire directement par dérivation d'une partie du débit traité après la filtration, sans interposition d'un échangeur. Par contre, deux obstacles limitent la diffusion pour les piscines publiques : - le calcul de telles installations est assez délicat, notamment au niveau de l'estimation des besoins qui peuvent varier beaucoup en fonction de conditions climatiques locales souvent mal connues (en particulier le vent) - malgré des coûts d'investissement bas, la rentabilité est pénalisée par les tarifs très bas de l'électricité en heures creuses et en été. En effet, pour des usages collectifs, les tarifs Vert ou Jaune permettent d'acheter des kwh à très bas prix, et la prime d'abonnement bénéficie également de coefficients d'abattement en période estivale et nocturne. Piscine de Montmélian Cette piscine est justement un exemple où des capteurs vitrés ont été utilisés et non des capteurs simplifiés : l'installation solaire assure trois fonctions : - chauffage des bassins en été - préchauffage d'eau chaude sanitaire - chauffage de locaux (salles de réunion) en hiver. Ces trois usages complémentaires et répartis sur toute l'année imposent donc le choix de capteurs ayant un rendement non nul en hiver. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 19/58

21 3.5. Les installations collectives combinées On ne trouve que quelques dizaines d'installations de ce type en France pour différentes raisons : - plus grande complexité que les installations solaires de production d'eau chaude sanitaire - cette cible n'est pas prise en compte dans le plan Soleil. L'absence de subventions nationales, même si quelques régions aident au cas par cas, rend la rentabilité des projets aléatoires, d'autant plus qu'en collectif, les prix des énergies substituées sont généralement plus bas qu'en individuel. - la cible principale est dans le secteur tertiaire : hôtels, gîtes, établissements de santé,, avec pour les premiers la question de la continuité de parallèle - la consigne de température intérieure est plus élevée en mode solaire qu'en mode appoint, de manière à favoriser le stockage d'énergie gratuite dans la dalle Ici, l'appoint est apporté par une sousstation alimentée par une chaudière existante dans la Mairie contigüe. l'exploitation en cas de changement de gérant ou de propriétaire. Maison de Retraite pour Personnes Agées Dépendantes Les trois installations présentées ci-après ont été réalisées dans le cadre d'un projet européen qui a permis de financer plusieurs installations de Planchers Solaires Directs dans des bâtiments collectifs Les trois schémas présentent des variantes, mais on y retrouve les principes de base suivants : - la régulation donne priorité au circuit demandeur ayant la température la plus basse - deux vannes modulantes en série sur le circuit chauffage, couplées à une régulation permettant un fonctionnement en série ou en Centre Léo Lagrange Particularités - L'installation est située en montagne, donc avec un air extérieur qui peut être très froid en hiver. Un restaurant INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 20/58

22 ayant un taux de ventilation important est équipé d'une centrale de traitement d'air qui préchauffe cet air froid grâce à une batterie à ailettes alimentée par le circuit solaire. Ainsi, le capteur peut fonctionner à des niveaux de température très bas, donc avec un bon rendement. - Deux champs de capteurs solaires sont placés sur des toitures orientées différemment (Sud-est et Sud-ouest). Le circuit primaire est donc double, avec pour chacun une régulation différentielle spécifique, permettant un fonctionnement indépendant. - Grâce à un jeu de vannes, une pompe primaire supplémentaire peur secourir l'une ou l'autre des pompes primaires principales en cas de défaillance Crèche La Poterie Particularités : - Dans une crèche, les besoins d'été sont inexistants. Une utilisation complémentaire a donc été recherchée : 40 logements situés à proximité utilisent l'énergie solaire disponible pour le préchauffage de l'eau chaude sanitaire - L'appoint est apporté par un échangeur sur chauffage urbain - Distribution d'eau chaude assez complexe, avec deux réseaux bouclés différents. Les installations présentées ont été instrumentées. Les résultats présentés montrent une très bonne productivité pour la première : les consommations d'eau chaude sont nettement inférieures aux prévisions, mais ceci n'est pas pénalisant car le chauffage est utilisé toute l'année (1300 m d'altitude, températures de confort élevées) Pour la deuxième, la productivité est correcte, bien que pénalisée par un choix de régulation qui donne priorité à la satisfaction des besoins de la crèche, alors qu'une régulation donnant priorité au circuit le plus froid (ECS logement) aurait vraisemblablement conduit à de meilleures performances. Stockage saisonnier Solarthermie 2000, Allemagne : des pilotes grandeur réelle! Réservoir d'eau : Rottweil Hamburg-Bramfeld Friedrichshafen-Wiggenhausen Hannover-Kronsberg Diffusifs : sondes enterrées : Neckarsulm-Amorbach Eau / gravier : Solaris-Chemnitz Steinfurt-Borghorst Aquifère : Rostock-Brinkmanshöhe Berlin-Reichstag La première installation a un rendement global annuel (= énergie solaire utile pour le chauffage et l'eau chaude, divisée par l'énergie incidente sur les capteurs) de près de 40 %, alors que celui de la deuxième est un peu moins bon, pour les raisons expliquées ci-dessus. Autres systèmes de chauffage collectifs Dans certains pays germaniques ou scandinaves, on trouve des installations de démonstration de grande taille, comportant des stockages enterrés de plusieurs milliers de m3 et des champs de capteurs de Objectif: Coût du kwh réduit d un facteur 2 par rapport aux petits systèmes : 15 à 20 c /kwh? INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 21/58 Bâtiment INES Institut Lynx National de 50 l Energie avenue Solaire Lac Léman - Parc Technologique 15 de Savoie Technolac

23 plusieurs centaines à plusieurs milliers de m². 4 techniques principales de stockage sont explorées, dont certains ne sont pas isolés (diffusifs enterrés, aquifère), l'idée étant que plus la taille du stockage est grande, plus le ratio surface déperditive/volume diminue. Pour de très grands volume, le rendement de stockage (énergie extraite/énergie injectée) reste intéressant compte tenu du coût spécifique faible lié à l'économie sur l'isolation. Ces systèmes sont dignes d'intérêt, notamment là où existent des systèmes de chauffage collectif (chauffage urbain, réseau regroupant plusieurs bâtiments) Par rapport à une installation individuelle visant au stockage intersaisonnier, ces systèmes collectifs présentent l'intérêt de ne pas poser de problèmes de surchauffe. Réservoir d'eau : Rottweil Hamburg-Bramfeld Friedrichshafen-Wiggenhausen Hannover-Kronsberg Stockage saisonnier Solarthermie 2000, Allemagne : des pilotes grandeur réelle! Eau / gravier : Solaris-Chemnitz Steinfurt-Borghorst Diffusifs : sondes enterrées : Neckarsulm-Amorbach Aquifère : Rostock-Brinkmanshöhe Berlin-Reichstag Objectif: Coût du kwh réduit d un facteur 2 par rapport aux petits systèmes : 15 à 20 c /kwh? INES Institut National de l Energie Solaire 16 Diminuer le coût du kwh solaire Habitat groupé et stockage : des quartiers solaires Utilisation 124 maisons en bande HAMBOURG Surface chauffée (m²) Surface de capteurs (m²) Type de stockage Eau chaude Volume de stockage (m³) Besoin de chaleur total (MWh/an) Chaleur solaire fournie (MWh/an) 789 Taux de couverture solaire (%) 49 Coût de l'installation solaire (M ) 2,2 Coût de la chaleur solaire ( /kwh) (avec études, hors subventions et TVA) 0,257 INES Institut National de l Energie Solaire 17 NECKARSULM Diminuer le coût du kwh solaire environ 200 Utilisation logements, école magasin Surface chauffée (m²) Surface de capteurs (m²) Type de stockage Diffusif Volume de stockage (m³) Besoin de chaleur total (MWh/an) Chaleur solaire fournie (MWh/an) 832 Taux de couverture solaire (%) 39 Coût de l'installation solaire (M ) 1,5 Coût de la chaleur solaire ( /kwh) (avec études, hors subventions et TVA) 0,172 INES EDUCATION Institut National de l Energie INES Institut National Solaire de l Energie Solaire 22/58 18

24 3.6. Le froid solaire Deux familles de systèmes sont possibles : - alimentation d'un groupe à compression classique par des panneaux photovoltaïques. Cette technique n'est pas envisageable actuellement essentiellement pour des questions de coût des panneaux. Mais dans quelques décennies, lorsque le prix de ces derniers aura suffisamment diminué, et que des groupes frigorifiques utilisant des fluides frigorigènes sans impacts sur l'effet de serre ou la couche d'ozone, il faudra se reposer la question. - production de chaleur par des capteurs solaires thermiques (plans ou tubes sous vide) pour faire fonctionner une machine frigorifique tritherme (les capteurs étant la source chaude, le milieu à rafraîchir ou climatiser la source froide et l'air ambiant la source à niveau de température intermédiaire. Les systèmes les plus répandus de rafraîchissement utilisant le solaire thermique pour produire du froid, sont présentés dans le tableau. Ils peuvent être classés en deux grandes familles : - Les systèmes fermés : un groupe de production de froid à sorption (absorption et adsorption) produit de l eau glacée, utilisable aussi bien dans une centrale de traitement d air (refroidissement, déshumidification), que dans un réseau d eau glacée alimentant des installations décentralisées (ventilo-convecteurs par exemple). Les groupes de froid existants sur le marché et adaptés au solaire sont les machines à absorption (les plus répandues) et les machines à adsorption (quelques centaines de machines dans le monde, mais présentant un fort intérêt pour le rafraîchissement solaire). - Les systèmes ouverts : où l air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées. Le «réfrigérant» est toujours de l eau, puisqu il est en contact direct avec l air à refroidir. Les systèmes les plus répandus utilisent une roue à dessiccation rotative. Climatisation solaire : les procédés Ce graphique regroupe les composants des différents procédés (tous n'étant pas présents simultanément bien entendu) dans leur environnement complet. A noter : - la tour de refroidissement pour l'évacuation de la chaleur à température intermédiaire pour les procédés fermés - le capteur solaire thermique avec un réservoir de stockage tampon. En effet, autant la climatisation solaire est une utilisation optimale de l'énergie solaire sur une base de temps annuelle, contrairement au chauffage solaire, puisque les besoins sont en phase avec la ressource INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 23/58

25 solaire, autant ceci n'est pas vrai à l'échelle quotidienne. Les besoins peuvent être décalés par rapport à l'ensoleillement, ou inexistant (locaux non occupés), et le ballon tampon permet de stocker l'énergie fournie par les capteurs pour l'utiliser le moment voulu. La production de froid par absorption liquide, issu de l absorbeur, en pression (de la BP à la HP). Dans les machines à absorption, on remplace la compression mécanique par une compression thermique. Cette compression peut être réalisée par n importe quel dispositif de production de chaleur (gaz, bois, solaire fioul ). On garde le même circuit classique, cependant à la place du compresseur, on a un cycle d absorption. Ce cycle utilise des mélanges binaires à partir d un fluide frigorigène et d un absorbant. On va chercher à appauvrir l absorbant en fluide frigorigène pour qu il l absorbe plus facilement après. Le mélange liquide est d abord riche en fluide frigorigène et en absorbant. Une pompe permet de remonter la solution Une fois dans le désorbeur ou bouilleur, un apport de chaleur permet de vaporiser le fluide frigorigène. On sépare ainsi les deux phases du mélange. De ce fait, la solution est appauvrie en fluide frigorigène et est renvoyée vers la basse pression après un passage dans une vanne de détente. On peut utiliser un échangeur thermique entre le fluide montant (froid) et le fluide descendant (chaud) pour une meilleure rentabilité. La vapeur formée est alors envoyée vers le condenseur afin de commencer le cycle de refroidissement. En sortie de l évaporateur, le fluide est sous forme de vapeur et est acheminé vers l absorbeur. A l intérieur de ce dernier, on retrouve un mélange riche en absorbant et pauvre en fluide frigorigène. Ainsi le mélange va absorber la vapeur afin de retrouver un certain équilibre. Cette réaction produit de la chaleur et nécessite une extraction de la chaleur. Une fois le mélange riche en fluide frigorigène, on recommence le cycle par l intermédiaire de la pompe. Et ainsi de suite. L utilisation de ces machines repose donc sur un couple de fluides : le fluide absorbant et le fluide frigorigène. On peut utiliser le mélange eau-bromure de lithium : l eau constitue le fluide frigorigène, le bromure l absorbant. Ce couple est très bien adapté au conditionnement d air (ces systèmes ne nécessitent pas de basse température). Exemple d'installation Une des plus anciennes installations en Europe a été réalisée en France il y a 15 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. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 24/58

26 Systèmes à dessication Les systèmes à dessiccation sont des systèmes ouverts utilisant l eau, en contact direct avec l air, comme réfrigérant. Le cycle de rafraîchissement est une combinaison de rafraîchissement évaporatif avec une déshumidification par un matériau hygroscopique, qui peut être aussi bien liquide que solide. Le terme «ouvert» signifie que le réfrigérant est évacué du système après qu il ait produit son effet refroidissant, et qu une nouvelle quantité de réfrigérant doit être injectée, le tout dans une boucle ouverte. Seule l eau peut être utilisée comme réfrigérant puisqu elle est en contact direct avec l air ambiant. La technologie la plus courante aujourd hui utilise des roues à dessiccation rotatives, avec du silicagel ou du chlorure de lithium comme matériau de sorption. Fonctionnement du dessicant cooling Côté air soufflé Le procédé de base permettant le conditionnement d air est le suivant: L air entrant, chaud et humide, traverse une roue à dessiccation en rotation lente, et est donc déshumidifié (1-2). L air étant réchauffé par le phénomène d adsorption, un premier refroidissement est obtenu au travers d un échangeur thermique (roue métallique en nid d abeilles, en rotation : (2-3). L air est ensuite humidifié, et donc refroidi, dans un humidificateur (3-4), permettant d ajuster le niveau d humidité et de température souhaité pour l air neuf, puis soufflé dans le local (4-6) Côté air repris L air repris dans la pièce est humidifié pratiquement jusqu au point de saturation (7-8), pour bénéficier au maximum du potentiel de refroidissement dans l échangeur thermique (8-9). Enfin, la roue à dessiccation doit être régénérée (10-11), en utilisant de la chaleur à un niveau de température relativement faible (50 à 75 C) (9-10), permettant ainsi de poursuivre le processus continu de déshumidification. Développement du marché Même si le potentiel de développement est important, les techniques de froid solaire sont encore au stade de la démonstration, INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 25/58

27 du fait de la complexité de la mise en œuvre, essentiellement au niveau de l'optimisation des composants et du système global, notamment en ce qui concerne la régulation. Développement actuel Quelques dizaines d'installations sont référencées en Europe actuellement, essentiellement en Allemagne et Espagne. Comme indiqué précédemment, le potentiel de développement est important, notamment dans les pays du pourtour méditerranéen, ayant un bon ensoleillement et des températures estivales élevées. 4. L'évaluation des besoins pour l'eau chaude collective Comme pour toutes les applications solaires thermiques, la rentabilité d'une installation est d'autant meilleure que le système fournit une quantité d'énergie importante. C'est pourquoi les meilleures cibles sont les applications pour lesquelles les besoins d'eau chaude sanitaire sont le plus régulier possible et bien répartis tout au long de l'année. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 26/58

28 La détermination des besoins d ECS est fondamentale pour un bon fonctionnement d une installation solaire. En effet, des besoins d eau chaude surévalués lors de la conception entraînent une performance de l installation solaire nettement moins bonne que celle prévue, en terme d'énergie d'appoint économisée (attention aux résultats garantis), et peuvent générer des températures excessives dans les ballons de stockage. Des besoins d eau chaude sous-estimés sont paradoxalement moins pénalisants : l installation solaire produit dans de très bonnes conditions, seul le taux de couverture des besoins est moins élevé que prévu, mais les économies générées par le solaire sont plus élevées que celle prévues. Les besoins d eau chaude sanitaires Becs = 1,16. Vecs. T (en kwh) Avec : Logement Rénovation Partir des consommations existantes. Neuf Habitat individuel : 50 l/j/pers à 50 C. Logement collectif : 35 l/j/pers à 50 C. Nombre de pièces du logement Vecs : volume consommé en m3 T : élévation de température Consommation (litre/jour) à 60 C mesures CSTB : 33 l/j.pers à 50 C Les valeurs indiquées ici sont les valeurs standard utilisées pour les dimensionnements de l'appoint. Souvent ces valeurs sont prises par défaut également pour le dimensionnement de la partie solaire. Les valeurs mesurées dont on dispose donnent des moyennes de l'ordre de 30 à 35 l/p à 50 C en logement social. Curieusement, on retrouve des consommations analogues également en individuel (résultats de la campagne de mesure conduite par le CSTB en 2005) ( Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Aoû Sep Oct Nov Déc 1,26 1,20 1,10 1,06 1,00 0,80 0,50 0,60 0,90 1,05 1,15 1,40 Source EDF : Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire INES Institut National de l Energie Solaire 6 Les contraintes liées à la valorisation optimale des apports solaires et au respect des exigences sanitaires (protection contre la légionnellose) sont contradictoires : la première conduirait à diminuer la température de consigne de l'appoint alors que la deuxième impose des niveaux minimaux. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 27/58

29 La légionellose Les légionelles prolifèrent dans les installations d'eau lorsque la température est comprise entre 25 et 43 C, lorsque l'eau stagne et en présence de dépôts de tartre, de résidus métalliques comme le fer et le zinc, de certains matériaux tels que le caoutchouc, le chlorure de polyvinyle ou le silicone et d'autres microorganismes des milieux aquatiques, comme les cyanobactéries ou les amibes libres. INES Institut National de l Energie Solaire 11 La légionellose Pour limiter le développement des légionelles, il est nécessaire d'agir à trois niveaux : éviter la stagnation et assurer une bonne circulation de l'eau ; lutter contre l'entartrage et la corrosion par une conception et un entretien adapté à la qualité de l'eau et aux caractéristiques de l'installation ; maîtriser la température de l'eau dans les installations, depuis la production et tout au long des circuits de distribution. INES Institut National de l Energie Solaire 12 Prévention de la légionellose (arrêté du 15/12/2005) Aux points de puisage pièces destinées à la toilette : température maximale < 50 C autres pièces : température maximale < 60 C cuisines et les buanderies : 90 C en certains points faisant l objet d une signalisation particulière. Distribution Si volume entre le point de mise en distribution et le point de puisage à risque le plus éloigné supérieur à 3 litres, la température doit être supérieure ou égale à 50 C en tout point des systèmes de distribution, à l exception des tubes finaux d alimentation dont le volume est inférieur ou égal à 3 litres INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 28/58 Bâtiment Lynx 50 avenue Lac Léman - Parc Technologique INES Institut de National Savoie de l Energie Technolac Solaire 13

30 Prévention de la légionellose (arrêté du 15/12/2005) Stockages L eau des équipements de stockage, à l exclusion des ballons de pré-chauffage, doit : être en tout point et en permanence à une température supérieure ou égale à 55 C ; ou être portée à une température suffisante dans sa totalité au moins un fois par 24 heures. Temps minimum de maintien de la température 2 minutes 4 minutes 60 minutes Température de l'eau ( C) >= 70 C 65 C 60 C INES Institut National de l Energie Solaire Le dimensionnement des composants Le stockage d'eau chaude Le volume de stockage d eau chaude solaire correspond généralement à la consommation journalière dans les applications où la consommation d eau chaude est relativement régulière au cours de la semaine. Dans les applications où la consommation est disparate au cours de la semaine (exemple des restaurants d entreprise où il n y a aucune consommation le week-end), on a tendance à prévoir un volume de stockage correspondant aux valeurs maximales de consommation. Dans les applications de taille importante (plus de 30 m² de capteurs solaires) les ballons de stockage sont des ballons type «Tampon ECS» dépourvus d échangeur de chaleur incorporé. En effet, pour des raisons de coût et de performances, des échangeurs à plaques sont préconisés pour transférer l énergie provenant des capteurs solaires à l eau chaude sanitaire. Pour certaines applications, ou plus spécialement certaines implantations des ballons de stockage avec des températures basses, on utilise des ballons avec échangeur interne pour éviter les risques de gel dans les canalisations et dans l échangeur à plaques. Dans ce cas, les canalisations d eau froide et d eau chaude doivent être efficacement protégées. Une attention particulière est portée à la tenue en température des ballons d eau chaude sanitaire. Certains produits sont garantis uniquement si la température de INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 29/58

31 stockage est inférieure ou égale à 60 C. Une tenue en température minimale de 80 C est nécessaire pour les ballons de stockage solaire. Le capteur solaire Pour donner des ordres de grandeur du dimensionnement à obtenir, on cherche à avoir un taux de couverture de l ordre de 40 à 60% avec une productivité (le nombre de kwh fournis par 1 m² ) comprise entre 400 et 600 kwh/m².an. Bien entendu ces chiffres ne sont valables que si l on dispose d une consommation pratiquement uniforme tout au long de l année. Pour des logements, on préconise en première approche une surface de 1.2 à 2 m² de capteurs solaires par logement. L'échangeur de chaleur Pour que l'échangeur pénalise le moins possible le rendement du capteur solaire, il faut choisir un appareil avec une grande surface d'échange, et un pincement faible (écart de températures en primaire et secondaire). Pour des installations de taille conséquente, les échangeurs à plaques, qui fonctionnent avec de la convection forcée au primaire et au secondaire, contrairement aux échangeurs immergés, sont recommandés. L'entretien est facilité, ainsi que les modifications en cas d'erreurs de dimensionnement 6. L'intégration des capteurs Le champ de capteurs devra être le plus près possible du local technique pour minimiser les pertes de distribution. Dans le cas où les capteurs sont posés sur châssis, il faudra veiller à bien isoler les canalisations de raccordement. On cherchera donc un compromis entre performances et intégration architecturale afin que les capteurs ne défigurent pas le bâtiment. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 30/58

32 Superposition à la toiture Cas de l'individuel Pose sur châssis Cas de l'individuel INES Institut National de l Energie Solaire Dans le cas de rénovation, lorsque la toiture n est pas correctement orientée, le châssis est une solution envisageable. Il peut faire l objet d une intégration sur un bâtiment annexe (garage, abris bois...). Dans tous les cas il faut veiller à ce que les capteurs restent accessibles (trappe d accès) au cas où une intervention soit nécessaire (remplacement de sonde, purge bouchée,...) 4 INES Institut National de l Energie Solaire 5 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 31/58

33 Pose sur châssis (exemple) Cas du collectif INES Institut National de l Energie Solaire 7 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 32/58

34 Intégration au bâtiment Cas de l'individuel Sur un bâtiment neuf, il est souvent possible d intégrer les capteurs dans la toiture du bâtiment. INES Institut National de l Energie Solaire 10 Intégration au bâtiment (2) En toiture INES Institut National de l Energie Solaire Intégration au bâtiment (3) En façade 11 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 33/58 BP INES LE Institut BOURGET National de l Energie DU SolaireLAC CEDEX 12

35 Intégration au bâtiment (4) Éléments préfabriqués INES Institut National de l Energie Solaire 13 Utilisation de capteurs non vitrés Attention, pas de subventions! INES Institut National de l Energie Solaire 14 A éviter! capteur à l'ombre INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 34/58 15

36 Intégration du stockage en dalle "épaisse" (PSD) Épaisseur de 12 à 15 cm Déphasage et émission de la chaleur solaire Déphasage Dephasing: 4,8 : hours = 4,8 4.8 h heures Amplitude = 0,25Emoy Epaisseur Slab de thickness la dalle =20 : cm 20 cm Amplitude : 0,25 Emoy Épaisseur plancher : 20 cm Solar energy Energie incidente injected in the floor Energy Energie restituée emitted by the floor Énergie solaire injectée Énergie émise Emoy Emoy hours Heures INES Institut National de l Energie Solaire 16 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 35/58

37 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 36/58

38 Solar City à Hanover-Kronsberg INES Institut National de l Energie Solaire 23 Toit solaire sur le bâtiment Hélios à Rostock INES Institut National de l Energie Solaire 24 Hotel at 2000 m altitude, Silvretta, Austria Generic system: Large Tank in Tank Heat Storage ; Collector area: 60 m²; Storage volumes: 3 x 0.31 m³ for domestic hot water, 14 m³ for space heating; Auxiliary energy source: electricity INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 37/58 INES Institut National de l Energie Solaire 25

39 Hotel, Carinthia, Austria Generic system: Two Stores (parallel), with an additional connection to a swimming pool in summer; Collector area: 144 m² INES Institut National de l Energie Solaire Two-family house, Hitzendorf, Austria Generic system: Two Stores (series); Collector area: 92 m²; Storage volumes: 0.5 m³ for domestic hot water, 8.3 m³ for space heating; Auxiliary heater: wood boiler 26 INES Institut National de l Energie Solaire Multi-family house and kindergarden, Hohenau, Austria Generic system: Two stores (series); Collector area: 120 m²; Storage volumes: 2 x 0.8 m³ for domestic hot water, 5 m³ for space heating; Auxiliary heater: wood boiler 27 INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 38/58 28

40 7. Le dimensionnement de l'installation 7.1. Les indicateurs de performance Un indicateur couramment utilisé est le taux de couverture, appelé par abus de langage fraction solaire. Ce taux de couverture peut être calculé au niveau des besoins (c'est là où il a la signification la plus claire), mais il est fréquemment exprimé à l'entrée du stockage (cas des logiciels T-SOL ou Polysun). En fait, le bon critère est le taux d'économie d'énergie, tel que défini dans les projets de normes pren et pren Il donne le pourcentage d'économie réalisé par rapport à une installation conventionnelle non solaire qui fournirait le même service, avec la même énergie d'appoint. Pour le calculer, il faut donc définir un système de référence non solaire. Et c'est là que les difficultés commencent : plus la référence est performante, plus le taux d'économie calculé par rapport à cette référence diminue. il faut définir des installations de référence pour les différentes énergies, avec les rendements de génération, les pertes, etc Pour l'instant, il n'y a pas de consensus au niveau européen sur la référence pour les SSC A côté des deux indicateurs sans dimension Taux de couverture et productivité en énergie utile Méthode "française" : calcul à la sortie du stockage Surface capteurs : 4 m² Taux de couverture des besoins = 1600 / 2680 = 59,7 % Productivité = 1600 / 4 = 400 kwh/m².an INES Institut National de l Energie Solaire 200 l/j à 50 C 330 jours /an 2680 kwh Apport solaire : 1600 kwh déjà présentés, on utilise également fréquemment la productivité, définie comme une énergie rapportée à la surface de capteurs solaire. Plus cette valeur est élevée, plus l'installation est performante au sens où elle se rentabilisera vite. Pour éviter toute ambigüité, il faut préciser si on se réfère à l'énergie utile, l'énergie sortant des capteurs, l'énergie solaire entrant dans le ballon ou l'énergie économie à l'entrée du générateur d'appoint. De même, il faut préciser si la surface prise en compte dans le calcul est la surface hors-tout ou la surface d'entrée des capteurs solaires. Quand on compare les productivités de différentes installations, il faut donc veiller à bien utiliser des définitions équivalentes de la productivité. Pour une installation donnée, lorsque l'on fait varier les besoins ou la surface des capteurs, productivité et taux d'économie varient en sens inverse. Par exemple, si pour une surface de capteurs donnée, le besoin diminue, la productivité diminue également, mais le taux d'économie augmente. 9 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 39/58

41 Performances d un chauffe-eau solaire type Les départements sont ombrés en fonction de la consommation d'énergie nécessaire pour la production d'eau chaude sanitaire. Les histogrammes représentent l'économie apportée par l'installation solaire, ainsi que la consommation d'appoint. Ils montrent que l'économie solaire varie très peu d'un département à l'autre (les barres rouges ont à peu près partout la même taille), alors que la consommation d'appoint (barres vertes) varie beaucoup du sud au nord de la France (d'un facteur 1 à 4 pour le chauffage solaire et d'un facteur 1 à 2 pour le chauffe-eau solaire). Ainsi, l'économie varie de moins de 12 % par rapport à la moyenne. Par contre, le taux Performances d un chauffe-eau solaire type solaire appoint Surface : 4 m² Ballon : 250 l Consommation : 200 l/j Taux de couverture : de 50 à 70 % Productivité : de 480 à 550 kwh /m².an Bilan énergétique (kwh) Consommation totale à (21) à (52) à (14) à (9) INES Institut National de l Energie Solaire de couverture varie grosso modo entre 50 et 70 %. Bien évidemment, en montagne où le climat est plus rude, mais plus ensoleillé, l'économie peut être jusqu'à 30 % plus importante. Pourquoi si peu d'écart sur les économies? Parce que si le Nord de la France est moins ensoleillé, les besoins d'énergie y sont aussi bien plus importants (température d'eau froide plus basse!). La "rentabilité" d'une opération est fonction de la quantité d'énergie économisée et non pas du taux de couverture. Et donc, toutes choses égales par ailleurs, il est aussi "rentable" de faire du solaire au Nord qu'au Sud. Nos voisins ne s'y sont d'ailleurs pas trompés : il n'y a qu'à regarder le nombre d'installations et les surface de capteurs solaires vendus annuellement en Autriche, Allemagne, et même Pays-Bas, Danemark ou même Suède par rapport à la France! La quantité d énergie d appoint économisée est presque la même partout, c est la quantité d énergie qu il reste à payer qui change. Mais les habitants du nord et du sud n ont jamais été égaux devant les besoins de chauffage et d eau chaude. Organigramme de calcul Un dimensionnement précis des performances peut être effectué en utilisant un logiciel de calcul. A partir de données d entrée : consommation quotidienne, surface, orientation et inclinaison des capteurs, emplacement géographique, masques éventuels,, ces logiciels calculent la part des besoins couverts par le solaire, et la productivité de l installation. Certains programmes utilisent des modèles mathématiques avec un pas de temps horaires et donnent donc des résultats plus précis. Cependant, ce genre d outil, s il est très utile pour la recherche et le développement, est un peu lourd à manier pour le dimensionnement d un simple CESI. En France, la méthode la plus répandue pour le calcul des installations d eau chaude sanitaire est la méthode SOLO, développée par le CSTB, et qui permet INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 40/58 Répartition Economie due au solaire Consommation d'appoint 32

42 de réaliser des calculs rapides à partir de données mensuelles. Ce programme suffit amplement pour les calculs de CESI Outils de calcul Logiciels de dimensionnement SOLO 2000: dimensionnement d installations d eau chaude solaire téléchargeable gratuitement sur le site du CSTB : (CESI et collectif) POLYSUN : dimensionnement d installations d eau chaude et chauffage solaire développé par le centre de test de Rapperswil (Suisse). Logiciel de modélisation à pas de temps horaire. Version en allemand, français et anglais ( TSOL : dimensionnement d installations d eau chaude et chauffage solaire développé Valentin Software, distribué par Solaire Connexion, importateur de matériel Sonnenkraft. Modélisation à pas de temps 1 à 3 minutes. ( SIMSOL : dimensionnement d installations d eau chaude solaire téléchargeable gratuitement sur le site du CSTB : Nouveau logiciel développé dans le cadre d'une collaboration avec l'agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'énergie (ADEME). Outil basé sur la simulation dynamique (calculs au pas de temps d'une heure) avec TRNSYS. Six configurations d'installations solaires collectives ont été définies. Logiciels de dimensionnement Différents outils gratuits ou payants existent sur le marché. La difficulté quant à leur utilisation réside dans le fait que : - ces outils ne traitent que certains schémas hydrauliques - certains schémas de systèmes commercialisés ne sont traités par aucun outil - les indicateurs calculés ne sont pas les mêmes d'un outil à l'autre, rendant les comparaisons difficiles et hasardeuses. - ces indicateurs sont souvent différents de ceux prévus par les normes pren ou pren INES Institut National de l Energie Solaire 63 Autres logiciels de dimensionnement TRANSOL : très similaire à SIMSOL (noyau de calcul identique), avec de nombreux autres schémas : Outil basé sur la simulation dynamique (calculs au pas de temps d'une heure) avec TRNSYS. Possibilité de calcul de CESI, SSC, CESC avec stockage divisé GetSolar (GR) : Simulations d installations solaires thermiques (allemand, anglais et français) PSD-MI (FR) : Performances des Planchers Solaires Directs pour la France métropolitaine, disponible en CD-ROM au CSTB, ou téléchargeable gratuitement sur le site du CSTB RETScreen (CAN) : Logiciels gratuits sur les données solaires, simulation de systèmes photovoltaïques, thermiques, passifs et sur l'émission GES : INES Institut National de l Energie Solaire L'évaluation économique des projets L'investissement pour les chauffe-eau collectifs Cette figure montre quelques coûts spécifiques d'installations collectives de production d'eau chaude sanitaire réalisées depuis 6 ans en Savoie, en fonction de la taille des installations. Globalement, le coût spécifique décroît avec la taille des installations et au fil des années. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 41/58

43 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 42/58

44 Temps de retour Le temps de retour est le nombre d'années nécessaire pour que les économies cumulées dépassent le coût d'investissement. Il est calculé en faisant l'hypothèse implicite d'une stabilité du prix de l'énergie, ce qui est évidemment sujet à caution. Le graphique illustre pour un projet SSC la différence entre le temps de retour théorique calc ulé initialement pour un projet (un peu plus de 19 ans) et le temps de retour réel compte tenu de l'augmentation du prix de l'énergie (un peu plus de 14 ans) La courbe rose illustre le résultat économique si l'excédent d'énergie en été est valorisé pour chauffer l'eau sanitaire de familles voisines. (un peu plus de 11 ans). Calcul en temps de retour (2) Temps de retour Si on fait varier la surface de capteurs Temps de solaires, toutes choses égales par ailleurs, le retour brut 22 temps de retour passe par un minimum, (années) quoi correspond au dimensionnement 20 Volume de stockage = 1000 l optimal. Cet optimum est assez plat, ce qui 18 Volume de stockage = 2000 l signifie que le dimensionnement optimal n'est pas très "pointu" : on peut faire varier 16 la surface de quelques m² autour de cet optimum sans changer notablement le 14 temps de retour. 12 A gauche de l'optimum, le temps de retour Surface de capteurs (m²) augmente car la part des coûts fixes devient INES 20 EDUCATION 30 Institut 40 National de l Energie Solaire 43/58 Optimum plat INES Institut National de Association Loi du 1 er l Energie Solaire 3 juillet 1901 N SIRET : Code NAF : 804C

45 pénalisante par rapport à l'économie réalisée. A droite de l'optimum, le temps de retour augmente également à cause de la productivité marginale décroissante des m² additionnels. Coût global actualisé Le coût global actualisé est la somme ramenée à l'année 0 de l'investissement et de toutes les dépenses futures pendant la durée de vie prévisionnelle de l'équipement étudié. Il est basé sur la notion d'actualisation, qui considère qu'un euro dépensé dans le futur à moins de "valeur" qu'un euro dépensé aujourd'hui. Cette préférence pour le présent est prise en compte dans le taux d'actualisation. Le choix de la valeur de ce paramètre est assez délicate, et la sensibilité du résultat à la valeur choisie est importante. Cette méthode est plus complète que la méthode du temps de retour dans la mesure où elle permet d'intégrer des scénarios de dérive des prix des énergies ou de la main d'œuvre (maintenance). Pour évaluer un projet ENR, il faut donc comparer son coût global actualisé avec celui d'une solution de référence conventionnelle. Prix de l'énergie solaire produite Une autre approche consiste à calculer le prix du kwh solaire fourni ou plutôt du kwh économisé grâce au solaire, et à le comparer avec le prix du kwh de l'énergie conventionnelle substituée. Le paradoxe du solaire Une installation solaire donnée économisant d'autant plus d'énergie que les besoins sont grands, on en conclut que le temps de retour diminue lorsque les besoins augmentent, ce qui n'encourage pas à la sobriété ou à l'économie. Inversement, la facture d'appoint est d'autant plus basse que les besoins sont réduits et les utilisateurs économes. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 44/58

46 Selon que l'on considère le temps de retour ou la facture d'appoint, on arrive à des conclusions contradictoires 9. Les aides et subventions INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 45/58

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49 10. Le télésuivi, la Garantie de Résultats Solaires INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 48/58

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55 Bilan sur 109 installations Chauffe-eau solaires collectifs pour 70 %, consommation réelle ECS < consommation ECS prévue la plupart ont des performances meilleures que prévu quelques installations avec problèmes source : Tecsol INES Institut National de l Energie Solaire 23 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 54/58

56 Copie d'écran 3 INES Institut National de l Energie Solaire 30 Copie d'écran 4 INES Institut National de l Energie Solaire 31 Copie d'écran 5 INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 55/58 32

57 11. Les conseils opérationnels INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 56/58

58 Sites WEB CSTB : (téléchargement de SOLO, SIMSOL, et PSD-MI) Commission européenne : INES Institut National de l Energie Solaire Le contexte juridique Permis de construire / déclaration de travaux Pour un bâtiment existant, la pose de modules solaires n est pas soumise à permis de construire, mais il faut faire une déclaration de travaux. Pour un bâtiment neuf, il est préférable d intégrer les modules dans le permis de construire. Se renseigner : il peut exister dans votre commune des dispositions architecturales particulières. INES Institut National de l Energie Solaire 2 Contexte réglementaire Urbanisme Loi 13 décembre 2000 Solidarité et Renouvellement urbain SRU introduit le «développement durable» mais la dimension énergétique n est pas explicitement inscrite Ce sont dans les PLU (Plan Local d Urbanisme), et notamment dans le PADD (Projet d'aménagement et de Développement Durable ) que l on peut adopter des dispositions particulières en respectant le code de l urbanisme et les documents supracommunaux : Schémas de Cohérence Territoriale (SCOT) Directives Territoriales d'aménagement (DTA) Schéma de Structure Communal (SSC). INES Institut National de l Energie Solaire 3 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 57/58

59 Contexte réglementaire Il est interdit d imposer le solaire vis-à-vis de la conformité juridique au PLU en Il n est pas impossible de favoriser le solaire Zonages en fonction de l ensoleillement potentiel des parcelles Règles d implantation et orientation des bâtiments : «droit au soleil» Règles d alignement = cahiers de recommandations architecturales et paysagères Pour autant que ces dispositions répondent à un objectif explicite du PADD Plan Aménagement et Développement Durable = engagement des élus sur un axe «énergie solaire» nécessaire Plus important intégrer la dimension du solaire très tôt dans les intentions à toutes les échelles spatiales du projet : plan masse, concours, conception, réalisation, maintenance, etc. INES Institut National de l Energie Solaire 4 Textes généraux Loi Pope : Loi de Programme fixant les Orientations de la Politique Energétique (13 juillet 2005) : production de 10 % des besoins énergétiques français à partir de sources d'énergie renouvelables à l'horizon 2010 caractéristiques thermiques et performance énergétique des constructions dépassement du COS si performance énergétique ou ENR dégrèvement taxe foncière pour HLM si travaux d'économie d'énergie crédit d'impôt majoré certificats d'économie d'énergie. Diagnostic de Performance Energétique : au 01 novembre 2006 INES Institut National de l Energie Solaire Techniques actuelles et évolutions possibles L état de l art en France En France, 3 cibles privilégiées dans le plan Soleil (CESI, SSC individuels, ECS collective) Cibles exclues : piscine, SSC collectifs En gros, prix en baisse dans le collectif, en hausse pour les CESI et les SSC En général, capteurs solaires avec bonnes performances (avis techniques) Moins de connaissances sur les systèmes Couplage chauffage /ECS/(autres utilisations) Couplage solaire / appoint Optimisation de la régulation INES Institut National de l Energie Solaire 36 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 58/58

60 L état de l art en France (2) Les systèmes diffusés restent très classiques (CESI à éléments séparés, idem en collectif) Des progrès sur l information de l utilisateur, mais encore beaucoup à faire GRS en collectif (mais uniquement sur la partie solaire) Nouveaux logiciels (SIMSOL), mais qui ne permettent pas de traiter les systèmes complexes (ECS (+ ch) (+ piscine) (+ AN)) INES Institut National de l Energie Solaire 37 Les évolutions futures : Composants Alliages à mémoire de forme Matériaux intelligents Plastiques et polymères (capteurs, ballons, raccordement, ) Nouveaux stockages (PCM, stockage chimique, améliorés à eau) Capteur hybride (thermique + PV) Nouveaux revêtements sélectifs (non polluants) Nouveaux isolants (sous vide, ) Nouveaux fluides caloporteurs Dispositifs de stratification Échangeurs plus performants INES Institut National de l Energie Solaire 38 Les évolutions futures : Composants (2) Pompe à haut rendement, débit variable Autonomie des systèmes (alimentation par pv ou générateur thermoélectrique?) Protection contre la corrosion, les dépôts de calcaire. INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 59/58 39

61 Les évolutions futures : Systèmes Composants métrologiques adaptés (débit-mètres, températures, irradiation, ) Électroniques adaptées Télésurveillance et maintenance interactive (internet, régulation avec solution de repli en cas de défaut,.) GRS pour tous systèmes Compteur d'énergie économisée Optimisation des consommations des auxiliaires (débit variable, régulation-commande) Développement de systèmes optimisés (chauffe-eau solaires collectifs avec appoint à condensation, ) Analyse et optimisation systémique (éviter juxtaposition de systèmes, interaction entre solaire et appoint) INES Institut National de l Energie Solaire 40 Les évolutions futures : Systèmes (2) Nouvelles régulations (auto-adaptatives, logique floue, commande prédictive, prédicteur météo, connexion serveur météo, ) Logiciels de calcul de systèmes complexes (chauffage, ECS, piscine, préchauffage d air neuf) Analyse multi-critères (performances, performances/coûts, durabilité/fiabilité, temps de retour énergétique, énergie primaire économisée, analyse du cycle de vie, ) Nouveaux indicateurs Analyse de la valeur. INES Institut National de l Energie Solaire 41 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 60/58

62 INTEGRER LE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE DANS LE BÂTIMENT Francis DOMAIN Ingénieur en Solaire Photovoltaïque INES EDUCATION INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 61/58

63 INES-EDUCATION Formation à destination des architectes Partie photovoltaïque Le 5 décembre 2007 au Bourget du Lac en Savoie par Francis Domain INES Education INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 1 Sommaire Historique Le gisement solaire Principe photovoltaïque Statistiques du marché Dimensionnement Coûts du photovoltaïque et les aides Montage d un projet PV et démarches administratives Garantie, suivi, maintenance Installations photovoltaïques connectées au réseau Composants photovoltaïques Montages sur la bâti Intégration au bâti et prime d éliginilité INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 2 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 62/58

64 Étymologie : PHOTO = lumière VOLTAÏQUE = électricité Produire de l électricité à partir de la lumière INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 3 Historique - L effet photovoltaïque a été décrit en premier par Antoine Becquerel ( ) en Albert Einstein ( ) expliqua cet effet en Les laboratoires Bell mettent au point la première cellule au silicium en 1954 (η = 4%) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 4 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 63/58

65 Historique - 1ère utilisation photovoltaïque dans un satellite artificiel américain Vanguard 1 en 1958 (η = 9% et 0,1 W) - 1ère application terrestre, phare au Japon (242 W) - 1ère maison alimentée avec des cellules PV est construite à l université de Delaware (USA) en ère installation PV reliée au réseau électrique en France en 1992 (900 W) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 5 Le gisement solaire Source : réactions thermonucléaires dans le soleil, 638 millions de tonnes d hydrogène sont ainsi transformées en hélium chaque seconde Puissance lumineuse émise : 3, Watts Irradiation solaire extraterrestre au niveau de la terre est de W/m² et d environ W/m² au sol par ciel dégagé La terre reçoit annuellement fois plus d énergie solaire que la consommation humaine en un an (200 pour la France). INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 6 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 64/58

66 Le gisement solaire L énergie lumineuse disponible sur terre est comprise entre 500 à kwh/m² par an INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 7 Le gisement solaire Pour la France, irradiation globale sur un plan horizontal : Lille : kwh/m².an Lyon : kwh/m².an Toulon : kwh/m².an La réunion : kwh/m².an INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 8 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 65/58

67 Le gisement solaire La ressource solaire dépend de : - la rotation de la terre (jour nuit) - l époque de l année (déclinaison) - la latitude INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 9 Le gisement solaire La ressource solaire dépend : - du climat local (données Météo France) - des masques lointains (relief) et proches (arbre, immeuble) (logiciels de calcul) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 10 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 66/58

68 Le gisement solaire La ressource solaire dépend : - de l orientation et inclinaison du plan des capteurs solaires (irradiation solaire directe, diffuse et réfléchi par le sol - albédo) Inclinaison : horizontal Orientation Sud 93% Sud-est ou sud-ouest 93% Est ou ouest 93% Valeurs moyennes pour la France % 96% 90% 60 91% 88% 78% vertical 68% 66% 55% INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 11 Avantages et inconvénients Avantages : - Ressource gratuite et énorme potentiel réparti sur la terre - Moyen décentralisé de production, autonomie - Grande fiabilité et peu d entretien (pas de pièces mobiles) - Pas de pollution (mais nécessite de l énergie et de la chimie pour la fabrication) - Grande souplesse d utilisation, du milliwatt au MégaWatt Inconvénients: - Investissement élevé pour l installation - Disponibilité intermittente (réseau électrique ou stockage ou énergie d appoint) - Grande surface de capteur, intégration pas toujours facile - Technologie de fabrication assez poussée INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 12 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 67/58

69 Principe photovoltaïque : Autour d un atome, les électrons circulent dans différentes bandes. - Dans un conducteur électrique, la bande de valence et de conduction se superposent, rendant le matériau conducteur. - Dans un isolant, ces deux bandes sont très éloignées, rendant le matériau isolant. - Dans un semi conducteur tel que le silicium, l écart entre les deux bandes est suffisamment faible pour que l énergie d un photon puisse éjecter un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Mais très vite, l électron revient à sa place d équilibre dans sa bande de valence. INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 13 Principe photovoltaïque : Pour retenir les électrons dans la bande de conduction, une jonction PN (diode) est créée à partir d un cristal de silicium dopé positivement (bore) et dopé négativement en surface (phosphore), créant une barrière de potentiel. En exposant la jonction aux photons, les électrons délogés par les photons sautent dans la bande de conduction et rejoignent leur place d origine en passant par le fil électrique plutôt que de franchir la barrière de potentielle, ce chemin leur demandant plus d énergie. Une cellule photovoltaïque ainsi crée génère une tension de 0,5 volt et une Intensité d environ 30 ma / cm² en plein soleil. INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 14 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 68/58

70 Principe photovoltaïque : Dans le silicium, l énergie pour faire passer un électron d une bande à l autre est de 1,12 ev. Les photons dont l énergie est inférieure à l énergie de gap (zone A) ne sont pas utilisés et seule une partie de l énergie des photons dont l énergie est supérieure à l énergie de gap (zone B) est utilisée. En moyenne, 10% de l énergie lumineuse est réfléchie et 80% transformée en chaleur. Seule 10% de l énergie lumineuse est transformée en énergie électrique. INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 15 Différentes technologies mature et semi mature Plaquette cristalline (85 % du marché) - Silicium monocristallin (mono-si) - Silicium polycristallin (multi-si) Couches minces - Silicium amorphe (a-si) - Tellure de cadmium (CdTe) - Diséléniure de cuivre et indium (CIS) - Arséniure de gallium (AsGa) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 16 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 69/58

71 Différentes technologies photovoltaïques pour le futur - Cellules multi-jonctions (rendement 40%) - Cellules Graëtel (colorant et TiO2) - Cellules organiques - Cellules polymères (plastique) - Cellules base de fullerène (C60) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 17 Évolution du rendement photovoltaïque dans la recherche INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 18 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 70/58

72 Caractéristiques des principales technologies photovoltaïques Technologie Rendement Durée de vie Techno Mono-Si 14-16% 25 ans mature Multi-Si 12-14% 20 ans mature a-si 6-8% 10 ans mature CdTe 6-9%? Semi mature CIS 10-12%? Semi mature AsGa 18-20% Spatial TiO2 10% faible Pré indus INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 19 Fabrication des cellules photovoltaïques Silicium (sable) lingot barreaux plaquette cellule Tirage des lingots Sciage des barreaux en plaquettes INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 20 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 71/58

73 Fabrication des cellules photovoltaïques Dopage au phosphore par diffusion thermique à la température entre et C. Dépôt d une couche antireflet en oxyde de titane. Sérigraphie en étain argent INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 21 Fabrication des modules photovoltaïques Les cellules photovoltaïques au silicium délivre une tension de 0,5 volt, le courant est fonction de la surface de la cellule (10x10 cm, 15x15 cm ou 20x20 cm). Pour augmenter la tension, les modules photovoltaïques sont composés de cellules en série (36 cellules pour un module de 12V, 54 pour 18V et 72 pour 24V). Suivant le besoin, des modules en série ou en parallèles sont utilisés pour composer un champ photovoltaïque. Cellule: Module : Champ PV: INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 22 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 72/58

74 Caractéristiques électriques d un module photovoltaïque Sous les conditions normalisées suivantes : - une irradiation solaire de W/m² - un spectre solaire AM1,5 - une température de 25 C Les principales caractéristiques sont : La puissance crête notée Wc (ou kwc) Tension à vide Le courant de court-circuit La tension et l intensité typiques d utilisation Coef de température (diminution de la puissance délivrée avec l élévation de la température) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 23 Le Marché : Production de modules PV de 1999 à 2006 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 24 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 73/58

75 Le Marché : Production de modules PV par pays En MWc Japon Allemagne USA France Prod mondiale (Prod cumulée) 288 (1 437) 401 (1 838) 535 (1 437) 744 (2 373) (3 117) (4 923) (7 127) Taux de croissance +44% +39% +33% +39% +60% +51% +22% Source : PV market by Paul Maycock et Observ ER INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 25 Le Marché : Fabricants de modules PV en 2006 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 26 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 74/58

76 Le Marché : Technologie des cellules PV de 1999 à 2006 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 27 Le Marché : Puissance photovoltaïque installée par pays En MWc Japon (cumulée) 122 (330) 122 (452) 184 (636) 223 (859) 273 (1 132) 292 (1 424) 355 (1 779) Allemagne (cumulée) 44 (113) 81 (194) 84 (278) 153 (431) 363 (794) 743 (1 537) 1150 (2 687) USA (cumulée) France (cumulée) 21 (138) 2,2 (11,3) 29 (167) 2,6 (13,9) 45 (212) 3,3 (17,2) 63 (275) 3,9 (21,1) 90 (365) 5,2 (26,3) 108 (473) 6,4 (32,7) 167 (640) 15,6 (48,3) Source IEA PVPS INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 28 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 75/58

77 Le Marché : En Europe Puissance photovoltaïque installée par habitant en Wc par habitant en 2006 (Source Observ ER) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 29 Le Marché : Estimation de la production mondiale d électricité photovoltaïque En 2006 : 7 TWh 0,05 % de la production mondiale d électricité En 2020 : 276 TWh, 1 % de la production mondiale d électricité En 2040 : TWh, 26 % de la production mondiale d électricité Source Generation Solaire» HESPUL/GP/EPIA INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 30 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 76/58

78 Potentiel Photovoltaïque en France Surface bâtie : km² 1/10 ème de cette surface en PV Puissance crête : 100 millions de kwc Production électrique annuelle : 100 TWh soit 20% de la production française en énergie électrique (500 TWh) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 31 Production annuelle et coût de modules PV Courbe log-log et taux d expérience TE = 0,3-30% sur le coût des modules PV quand la production cumulée double Si la production annuelle de module PV double tout les 3 ans Le coût du Wc est divisé par 2 tout les 10 ans INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 32 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 77/58

79 Production annuelle et coût du photovoltaïque En 2006 : Le modules PV est à 4 /Wc (pénurie de silicium solaire) Le système PV réseau est à 6-8 /Wc (Source IEA PVPS) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 33 Prix de revient du kwh photovoltaïque Le prix de revient du kwh PV réseau dépend en partie de l investissement et de l ensoleillement. Le prix public de l électricité du réseau est de l ordre de 0,1 à 0,2 /kwh et devrait augmenter. Nécessité d aides sur l investissement ou sur le tarif d achat de l électricité pour atteindre le point d équilibre dans un avenir plus ou moins proche. INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 34 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 78/58

80 Comparatif des taux d expériences Source INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 35 Le Marché : les différentes applications dans le monde En MWc PV réseau Sites isolés Grand public Professionnel Centralisé Source PV market by Paul Maycock INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 36 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 79/58

81 Le Marché : le PV connecté réseau Bâtiment avec installation PV connectée au réseau Puissance de 1 kwc à 10 kwc Montage en toitures, façades, brise soleil Marché solvable mais besoin d aides Marché en forte croissance INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 37 Le Marché : le PV en sites isolés Sites isolés qui ne peuvent être reliés facilement au réseau, puissance de 0,1 à 10 kwc Application : - éclairage, froid (avec batteries) - pompage (au fil du soleil) Pour les pays en voie de développement, îles (DOM-TOM) et refuges Marché peu solvable malgré un fort besoin Croissance modérée du marché INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 38 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 80/58

82 Le Marché : consumer ou grand public Petit appareillage grand public, puissance de 0,1 à 10 Wc Calculatrices, montres solaires, chargeur de batteries de téléphone portable, lampe de jardin Marché solvable Croissance modérée INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 39 Le Marché : le PV pour applications professionnelles Installation PV professionnel pour sites isolés puissance de 10 Wc à 10 kwc Application : signalisation, télécommunication dans les lieux difficiles d accès Marché très solvable Grande fiabilité demandée Croissance modérée INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 40 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 81/58

83 Le Marché : les centrales photovoltaïques Centrales PV connectées au réseau électrique Puissance > 100 kwc Acteur de l énergie, volonté de l état Coût le plus faible (4 à 5 /Wc) Besoin d aide à l investissement Intégration dans le bâti et le paysage! Marché en croissance suivant les programmes nationaux INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 41 Installations photovoltaïques connectées au réseau Composition : - Modules photovoltaïques, convertit l énergie lumineuse en énergie électrique - Onduleurs, transforme le courant continu en alternatif 230V/50Hz - Éléments de protection (parafoudre, disjoncteurs différentiels) - Compteurs électriques pour la facturation INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 42 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 82/58

84 Installations photovoltaïques connectées au réseau 4 principes de raccordement au réseau électrique : - Vente totale de la production - Vente du surplus - Système sécurisé par batteries - Autoconsommation totale INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 43 Installation photovoltaïque connectée au réseau - Vente totale de la production Source ADEME INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 44 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 83/58

85 Installation photovoltaïque connectée au réseau - Vente du surplus Source ADEME INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 45 Installation photovoltaïque connectée au réseau - Système sécurisé par batteries Source ADEME INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 46 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 84/58

86 Installation photovoltaïque connectée au réseau - Autoconsommation totale Source ADEME INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 47 Dimensionnement d une installation PV réseau La puissance crête Pc du champ photovoltaïque Suivant la surface et rendement des modules, La puissance crête est donnée pour une irradiation lumineuse IG0 de 1kW/m² Surface de 10 m² Rendement η= 10% Pc = 1 kwc Pc = IG0. S. η INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 48 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 85/58

87 Dimensionnement d une installation PV réseau Onduleurs Défini par sa puissance et son rendement : 90 à 95% Câblage électrique Section et résistance ohmique : pertes inférieures à 1% Effet de la température sur la puissance électrique délivrée par les modules photovoltaïques (-0,4% par C), pertes de 10% à 20% Rendement k de l installation électrique k = 0,75 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 49 Dimensionnement d une installation PV réseau Irradiation globale dans le plan, noté IGP en kwh/m². an IGP est fonction de : -Lieu et de sa météo - Masques lointains (relief) - Masques proches (arbre, immeuble) - Orientation et inclinaison du plan des capteurs - De l albédo (logiciel MétéoNorm ) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 50 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 86/58

88 Dimensionnement d une installation PV réseau Influence de l orientation et inclinaison du plan des capteurs sur l irradiation solaire annuelle (France). Inclinaison : horizontal vertical Orientation Sud 93% 100% 91% 68% Sud-est ou sud-ouest 93% 96% 88% 66% Est ou ouest 93% 90% 78% 55% INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 51 Dimensionnement d une installation PV réseau Énergie électrique Ea produite par an en kwh par an Ea = IGP. Pc. k Note : IGP peut être considéré comme un fonctionnement de x heures à 1 kw /m² Logiciels de simulation : PV*SOL ( PV-SYST ( INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 52 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 87/58

89 Dimensionnement d une installation PV réseau EXEMPLE Lyon : Irradiation globale horizontal : kwh/m² par an IGP sur un plan incliné à 30 vers le sud : kwh/m² par an (1 336 heures avec une irradiation de 1 kw/m²) Installation photovoltaïque de puissance crête de 1 kwc (10 m² et η= 10%) Rendement électrique k de 75 % Production annuelle : Ea = ,75 = kwh/m² soit heures de fonctionnement à la puissance crête de 1 kw (Conso moyenne en électricité spécifique d un foyer en France : kwh/an) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 53 Dimensionnement d une installation PV réseau Limites : - Surface disponible, exposition solaire - Équivalent à la consommation sur l année - Capacité et accessibilité du réseau électrique - Architecte des bâtiments de France - Limite financière et rentabilité - Accessibilité pour les travaux - Contraintes mécaniques (poids sur la toiture, vent, neige, ) - Contraintes d intégration INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 54 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 88/58

90 Coût des installations photovoltaïques : Puissance de l installation 1 3 kwc Pose au sol ou sur toiture 7 à 8 /Wc Intégration toiture 7 à 13 /Wc Intégration verrière 3 10 kwc 6 à 7 /Wc 6,5 à 8,8 /Wc > 20 /Wc > 10 kwc 5,5 à 6,5 /Wc 6,5 à 8 /Wc > 15 /Wc Source Hespul 2006 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 55 Coût des installations photovoltaïques : - Modules photovoltaïques 50% - Onduleurs 15% - Matériel électrique 10% - Support 10% - Installation 15% INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 56 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 89/58

91 Coût des installations photovoltaïques : EXEMPLE pour Lyon Installation photovoltaïque intégré de 10 kwc à 7 /Wc Énergie électrique produite Ea = kwh / an Maintenance de 1% de l investissement initial par Garantie d achat sur 20 ans Taux d actualisation de l argent de 3% Prix de revient du kwh photovoltaïque : 0,54 / kwh NOTE : faire de la maîtrise de la consommation d énergie INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 57 Les aides pour le photovoltaïque en France Les subventions : - l Europe : NON - l ADEME : NON (sauf projet innovant) - La région : en RA bonification 0,2 /kwh sous conditions - Le département : en Isère 0,5 /Wc sous conditions - La commune : aides de certaines communes - Voir aussi l ANAH, EDF pour sites isolés (FACE) Se renseigner auprès des Espaces Info Energie de l ADEME INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 58 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 90/58

92 Les aides pour le photovoltaïque en France Le tarif d achat du kwh photovoltaïque : Avant 2002 : tarif d achat = tarif de vente : Depuis 26 juillet 2006 : France base 0,30 0,30526 Corse DOM 0,40 0,40701 Intégré 0,55 0,55964 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 59 Les aides pour le photovoltaïque en France Aides de l Etat : - Crédit d impôts pour les particuliers de 50% en 2006 sur le coût du matériel, aides déduites avec un plafond de pour un couple (cumulé de 2005 à 2009) sous conditions - TVA à 5,5% sur habitations principales de plus de 2 ans et sur toutes les installations PV de moins de 3 kwc - Augmentation du COS si installation PV INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 60 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 91/58

93 La loi et le photovoltaïque en France: Directive Européenne: libéralisation du marché de l électricité (décembre 1996) Loi du 10 février 2000 relative au marché de l électricité et à l obligation d achat de l électricité Décret du 7 septembre 2000 relatif à l autorisation d exploiter Décret du 6 décembre 2000 fixant les catégories d installations Décret du 10 mai 2001 relatif aux conditions d achat Arrêté du 13 mars 2002 fixant les conditions d achat d électricité PV Décret du 13 mars 2003 relatif aux prescriptions techniques Arrêté du 23 décembre 2004 modifiant les conditions d achat d électricité PV Arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d'achat de l'électricité PV INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 61 Les (principales) normes applicables : Modules PV : NF EN pour silicium cristallin NF EN pour couche mince Onduleurs : DIN VDE 0126 (coupures secteur) CEI (émission harmonique) Foudre : NF EN (Parafoudres basse tension) Surtensions : NF EN (protection pour les systèmes PV) Sécurité : NF C (réseau électrique BT) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 62 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 92/58

94 Montage d un projet photovoltaïque Demande du maître d ouvrage Pré étude de faisabilité technique et économique Décision sur la réalisation du maître d ouvrage Appel d offre, devis de réalisation Comparatif entre les devis et choix Réalisation et suivi des travaux Réception des travaux (certificat de conformité) Suivi des documents administratifs Suivi production, maintenance et entretien INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 63 Les démarches administratives : - Déclaration de travaux ou permis de construire (ABF) - Déclaration à la DIDEME d exploitation d une installation PV (prime pour l intégration) - Demande de certificat à la DRIRE ouvrant droit à l obligation d achat - Demande de raccordement à l ARD grand Centre (Devis pour les travaux de raccordement, 300 à 1 500, location compteur 50 /an) - Demande de contrat d achat d énergie PV (date faisant fois pour le tarif d achat) - Demande d aides INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 64 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 93/58

95 Maintenance : Maintenance préconisée : nettoyage une à deux fois par an des modules PV, enlever la neige, suivre et vérifier la production électrique. Suivi de la production : possibilité de suivre la production par un système électronique et de mettre une alarme (envoi par modem) Possibilité d un contrat de maintenance (pertinence?) : vérification câbles, serrage, nettoyage 1 fois par an IMPORTANT : alarme en cas de défaut de production Principale risque : changer l onduleur une fois durant la vie de l installation PV INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 65 Garantie du matériel Garantie sur la puissance crête des modules photovoltaïques : de 20 à 30 ans à 80% de la puissance crête d origine Garantie sur le matériel 2 à 5 ans 2 à 5 ans sur les modules PV et les onduleurs 1 à 2 ans sur la connectique INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 66 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 94/58

96 Garantie de résultat Irradiation solaire moyenne sur 10 ans (Météo France) Possibilité de garantir une production électrique minimale Assurance pour le maître d ouvrage de la rente économique Facilité de vérifier le respect de la production (compteur EDF) Pénalité en cas d objectif non atteint INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 67 Analyse du cycle de vie (silicium) : Silicium : 27,7 % de la croûte terrestre (SIO 2 ) (Pour les autre technologies, limitation avec les éléments rares) Purification du Silicium (10-9 ) par chimie (Acide Chloré, SiH4)) Tirage en lingots énergétivore (3 kwh par Wc pour poly-si) (temps de retour énergétique = 3 ans pour du poly-si) Pas d émission de CO2 durant la vie mais beaucoup durant la fabrication (équivalent gr de CO2 / kwh suivant étude EDF) Recyclage, possibilités moyennes de recycler les modules mono ou poly cristallin INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 68 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 95/58

97 Le photovoltaïque dans le bâti Composants de construction intégrant du photovoltaïque Montés sur un bâtiment Assurant la fonction de production d énergie électrique combiné à d autre fonction comme l étanchéité ou brise soleil Spécificité française : l intégration pour les 0,55 /kwh INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 69 Le photovoltaïque dans le bâti Composants de construction intégrant du photovoltaïque Précautions à prendre : Bonne exposition (30 sud) Bonne ventilation (-0,4% / C) Attention aux masques Attention aux formes courbes Accessibilité travaux et maintenance Passage de la connectique Proximité des onduleurs Double fonctions de production d électricité et d air chaud Sécurité des usagés Études conjointes avec BE INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 70 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 96/58

98 Le photovoltaïque dans le bâti Composants intégrant du photovoltaïque Les modules photovoltaïques classiques Gamme standard 20 à 200 Wc, ou 24 V Avec cadre alu standard Sans cadre alu Avec cadre alu spécifique pour intégration «Bon marché» Quelques couleurs INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 71 Le photovoltaïque dans le bâti Composants intégrant du photovoltaïque Les tuiles et ardoises Exemple tuile Imérys de 0,5 m², 50Wc (Kit de 20 tuiles, 1 kwc à HT) Exemple tuile Sunslate de 0,123 m², 13,3 Wc (2,9V x 4,5A ; 36,6 kg /m²) «Assez cher» INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 72 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 97/58

99 Le photovoltaïque dans le bâti Composants intégrant du photovoltaïque Les membranes souples Exemple ALWITRA, couche mince triple jonction 42 Wc /m², largeur 1 et 1,5m, longueur 3,3 et 6m Épaisseur 4,6 mm ; 4,3 kg par m² Exemple Flexcell Membrane souple PV de rendement 4%, Se veut bon marché et facilement intégrable dans les éléments de Construction INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 73 Le photovoltaïque dans le bâti Composants intégrant du photovoltaïque Les bacs acier standards Exemple THYSSEN Solartec 64 ou 128 Wc ; largeur 0,42 m ; longueur 2,9 ou 5,8 m Épaisseur de la tôle acier 0,75 mm Autres sources : Unimétal, Arval, Sunland21 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 74 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 98/58

100 Le photovoltaïque dans le bâti Composants intégrant du photovoltaïque Les modules bi-verre Exemple PhotoWatt PWX Wc, 12V largeur 0,462 m ; longueur 1,042 m, épaisseur 3,9 cm Poids d un module : 9,2 kg Autre source : Ténésol en France INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 75 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre directe des modules PV Simple mais nécessite une structure Finition moyenne INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 76 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 99/58

101 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre de modules photovoltaïque en sur imposition toiture Simple à mettre en œuvre sur de l existant Coût faible mais peu esthétique INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 77 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre spécialement adapté pour une intégration toiture Adapté pour de l existant Moyennement esthétique INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 78 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 100/58

102 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre de tuiles ou d ardoise photovoltaïque simple sur de l existant Diminution des coût sur du neuf Câblage important Résultat esthétique sauf pour la couleur INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 79 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre de tôle acier intégrant du photovoltaïque Pour bâtiment neuf industriel, commercial S utilise aussi en sur imposition dans le cas de toiture amiante Permet éventuellement un rayon de courbure suivant le technologie photovoltaïque utilisée INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 80 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 101/58

103 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre de membrane d étanchéité intégrant un film souple photovoltaïque Pour bâtiment industriel ou commerciaux Pente 2 % mini pour écoulement de l eau Problème de stagnation des poussières Bonne solution pour les grandes surfaces plates et avec un rayon de courbure, attention aux contraintes d ensoleillement INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 81 Le photovoltaïque dans le bâti Mise en œuvre des modules bi verres Pour bâtiment tertiaire avec grandes verrières Structure lourde permet un rayon de courbure assez grand Excellente esthétique INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 82 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 102/58

104 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Toiture terrasse ou sheds Bacs à 30 orienté sud (meilleure production) NON Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 83 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Surimposition toiture (bonne ventilation) NON Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 84 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 103/58

105 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Brise soleil sans baies vitrées de même que les pergolas et les préaux NON Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 85 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Brise soleil OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 86 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 104/58

106 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Allège OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 87 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Verrières OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 88 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 105/58

107 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Garde-corps de fenêtres de balcon ou de terrasse OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 89 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Bardage OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 90 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 106/58

108 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Mur rideau OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 91 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Tuiles et ardoises photovoltaïques (attention à la ventilation) OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 92 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 107/58

109 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Modules photovoltaïques avec un système de fixation conçu industriellement OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 93 Le photovoltaïque dans le bâti Éligibilité à la prime d intégration Membrane souple photovoltaïque OUI Source : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 94 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 108/58

110 Photovoltaïque au Japon à Ota, 550 maisons - 2,2MWc INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 95 Gare de Mataro en Espagne INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 96 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 109/58

111 Gare de Lehrter à Berlin 100 kwc INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 97 Lycée du Grésivaudan à Meylan (38) 44,6 kwc INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 98 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 110/58

112 Bibliographie - Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, Guide de rédaction du cahier des charges techniques de construction à destination du maître d ouvrage de l ADEME (nouvelle édition de novembre 2007) - Photopiles Solaire de Alain Ricaud, presses polytechniques et universitaires romandes - Energie solaire photovoltaïque : le manuel du professionnel de Anne Labouret et Michel Pierre Villoz, ed Dunod - Guide pratique du solaire photovoltaïque de Jean Paul Louineau, éditeur Systèmes Solaires. - Cellules solaires de Anne Labouret, Pascal Cumunel, Jean-Paul Braun et Benjamin Faraggi - Editions techniques et scientifiques françaises (ETSF) INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 99 Weebographie - Site de l INES Éducation : - Site du logiciel CalSol de l INES Éducation : - Site de l ADEME : - Site de Hespul : - Site du gouvernement (intégration) : - Site du CLER : Espace Info Energie : INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 100 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 111/58

113 INES-Education - Savoie Technolac - BP Le Bourget du Lac 101 Les évolutions futures : Autres pistes Capteurs à concentration, à tubes sous vide, Production d électricité thermodynamique Stockage intersaisonnier (souterrain), réseaux de chaleur solaires Froid solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 112/58 INES Institut National de l Energie Solaire 42