Energie solaire Le thermique Patrick MONASSIER Université Lyon 1 Faculté des Sciences et Technologies Master ERGE3 Diaporama réalisé à partir des publications du SER de mai 2010
Le thermique Sommaire Le solaire thermique dans le monde Le solaire thermique en France Les applications du solaire thermique Les technologies du solaire thermique 3 8 15 24 Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2
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Entre 1999 et 2006, le parc mondial d installations solaires thermiques a connu une croissance moyenne de 20 % par an. En 2007 et 2008, la progression du marché a été légèrement moins soutenue avec une croissance d environ 15 %. Fin 2009, la puissance solaire thermique installée dans le monde était de 172,4 GW soit une surface équivalente d environ 246,2 millions de m2. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 4
Les objectifs européens à l horizon 2020 L ESTIF, la fédération des industriels européens du solaire thermique, estime que le parc solaire thermique atteindra une puissance installée de 320 000 MW à l horizon 2020, soit une surface équivalente de 450 millions de m². Cette puissance devrait couvrir les besoins en eau chaude sanitaire et en chauffage de plus de 50 millions de foyers européens. La Chine dispose du premier parc solaire thermique Avec 101,5 GW de puissance totale installée, la Chine est largement en tête des pays producteurs de chaleur d origine solaire : fin 2009, elle représentait 58,9 % du parc. En 2009, ce pays a installé 29,4 GW soit l'équivalent de 42 millions de m2. Un fort développement du marché des capteurs aux Etats-Unis Les Etats-Unis se placent au second rang mondial avec une puissance totale installée de 15 GW. Les capteurs solaires y sont essentiellement destinés au chauffage de l eau des piscines, à la ventilation des bâtiments commerciaux et industriels, au chauffage par air et aux applications spécifiques du secteur agricole. Pour tous ces usages, c est la technologie des capteurs non-vitrés qui est utilisée : il s agit de tubes noirs accolés les uns aux autres. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 5
En terme de pénétration du marché puissance thermique installée pour 1000 habitants Israël se classe troisième mondial en 2009, derrière Chypre et l'autriche, avec 25,8 kw pour 1000 habitants. Afrique : Namibie, Afrique du Sud, Tunisie, Zimbabwe - Asie : Inde, Corée du Sud, Taïwan, Thaïlande Amérique Centrale et Amérique du Sud : Barbades, Brésil, Chili, Mexique, Uruguay - Europe : Union Européenne (27 pays), Albanie, Macédoine, Norvège, Suisse, Turquie - Moyen-Orient : Israël, Jordanie Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 6
Le cas de l'europe En 2010, le marché européen du solaire thermique s'est élevé à 2,6 GW, soit une surface de capteurs de 3,69 millions de m2. L ESTIF prévoit un développement considérable du secteur dans les années à venir, en particulier sur le pourtour méditerranéen. Le marché européen est très diversifié, le solaire thermique y est utilisé pour l'eau chaude, le chauffage, la climatisation et le refroidissement. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 7
Un gisement solaire particulièrement favorable : La France dispose du cinquième gisement solaire européen. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 8
Dans le sud de la France, un chauffe-eau solaire individuel (CESI) avec 2 à 3,5 m² de capteurs (3 à 5,5 m² dans le nord) produit de l eau chaude sanitaire pour une famille de 3 ou 4personnes, à hauteur de 50 à 80 % de leurs consommations. Concernant le chauffage à l aide de SSC (système solaire combiné), les installations sont plus importantes : la surface des capteurs est de l ordre de 15 m² ; le ratio moyen pour le taux d économie d énergie concernant les SSC s échelonne entre 10 et 50 %, voire plus dans certains cas très favorables. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 9
Une croissance forte depuis 1999, légère inflexion en 2009 Entre 1998 et 2006, le marché en France métropolitaine a progressé de près de 40 % par an. Il a ensuite connu une croissance moins soutenue en 2007 et 2008 avec environ 20 % d augmentation. Le contexte économique peu favorable de l année 2009 a engendré une diminution du marché annuel de 15 %. Le Plan Soleil, mis en place par l ADEME en 1999, a permis un démarrage du marché des CESI (chauffe-eau solaire individuel) en France. De quelques centaines d installations en 2000, les ventes ont dépassé les 15 000 en 2005. La forte augmentation du marché à partir de 2005 correspond à la mise en place du crédit d impôt de 40 % pour les particuliers, porté à 50 % pour la période 2006-2009, auquel s ajoutent des aides à l investissement au niveau régional et de plus en plus au niveau local. Le système de soutien français est ainsi devenu, en quelques années, un des plus attractifs de l Union Européenne. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 10
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La répartition du solaire thermique français En 2010, près de 179 MW (256 000 m2) ont été installés en métropole. Le marché français représente environ 7 % du marché européen. La particularité du marché français tient à son développement plus important que chez ses voisins du solaire thermique collectif. Le dispositif Fonds Chaleur lancé en 2009 a déjà permis de soutenir financièrement de nombreux projets de solaire collectif et de contribuer à la croissance de ce marché. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 12
CESI - chauffe-eau solaire individuel SSC - système solaire combiné Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 13
Une filière professionnelle qui s organise Fondée début 2006, Qualit EnR est l association pour la qualité d installation des systèmes à énergies renouvelables. Elle intervient pour la promotion de la qualité des prestations des installateurs et gère les dispositifs qualité Qualisol, QualiPV et Qualibois. Qualisol est l'appellation pour la qualité d'installation des systèmes solaires thermiques de type CESI. Qualisol inclut le Club Qualisol Combi pour les SSC. Créée en 1999 par l'ademe, dans le cadre du Plan Soleil, Qualisol fédère aujourd'hui près de 8 000 installateurs. Au niveau de la qualité des produits, la marque NF CESI créée en 2010 permet de garantir les bonnes performances des systèmes. CESI - chauffe-eau solaire individuel SSC - système solaire combiné Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 14
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Les chauffe-eau solaires individuels (CESI) La production d eau chaude sanitaire Issus de technologies en constante amélioration depuis plus de vingt ans, les CESI sont des équipements robustes et fiables. Sous les climats méditerranéens ou tropicaux, le montage en thermosiphon (sans pompe de circulation, ballon placé au dessus des panneaux) est bien adapté ; le montage avec circulation forcée et chauffage d appoint est la version la plus courante en France métropolitaine où les CESI couvrent entre 50 et 80 % des besoins en eau chaude sanitaire des foyers. Les chauffe-eau solaires collectifs Le principe du chauffe-eau solaire individuel peut être étendu à des consommations plus importantes d eau chaude sanitaire : gîtes ruraux, restaurants, immeubles, gymnases, hôpitaux On parle alors de chauffe-eau solaires collectifs. Leur fonctionnement est sensiblement identique à celui des chauffe-eau individuels. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 16
Les chauffe-eau solaires collectifs (suite) On distingue plusieurs solutions techniques permettant de fournir l eau chaude sanitaire collective : Le chauffe-eau solaire collectif (CESC) : il comporte un ou plusieurs ballons collectifs de stockage de l énergie solaire. Dans ce cas, l individualisation des charges est difficilement réalisable. Le chauffe-eau solaire collectif à appoint individuel (CESCAI) : il comporte un ou plusieurs ballons collectifs de stockage de l énergie solaire et un appoint à accumulation ou semi-instantané dans chaque logement. L individualisation des charges est réalisable par compteurs d eau individuels. Le chauffe-eau solaire collectif individualisé (CESCI) : ce schéma ne comporte ni ballon de stockage ni chaudière collectifs. Le circuit solaire distribue l énergie solaire aux ballons de stockage individuels dans chaque appartement par l intermédiaire d un échangeur incorporé à chaque ballon. L individualisation des charges est totale. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 17
Les modes de montages des CESI (chauffe-eau solaire collectif individualisé) Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 18
La production de chauffage et d eau chaude sanitaire Outre la production d eau chaude sanitaire, l énergie solaire peut aussi couvrir une partie des besoins de chauffage des bâtiments. On parle alors de systèmes solaires combinés (SSC). Dans les systèmes du type plancher solaire, la dalle de béton assure le stockage de l énergie et permet une diffusion de la chaleur au cours de la nuit. Les autres systèmes font intervenir un ballon de stockage et des émetteurs basse température. En France, les SSC couvrent entre 10 % et 50 % des besoins en eau chaude sanitaire et en chauffage des foyers. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 19
Le rafraîchissement solaire Depuis les années 1970, on a souvent considéré, en France, que le rafraîchissement actif était un luxe inutile. Cependant, la canicule de 2003 et ses conséquences dramatiques sur la mortalité des personnes âgées a montré l urgence de maîtriser le confort d été, au moins dans les établissements de soins et les maisons de retraites. Par rapport aux systèmes de climatisation classiques, le rafraîchissement solaire possède plusieurs avantages : il permet une meilleure gestion de l énergie, avec une réduction des pointes de consommation sur le réseau électrique et une économie d énergie primaire il participe à la protection de l environnement, avec la réduction des émissions de CO₂, la réduction de l emploi des fluides frigorigènes et la réduction des bruits urbains il permet une réduction des coûts, avec une durée de vie importante et une faible maintenance des équipements. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 20
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Le solaire thermique dans l industrie Si le solaire thermique se développe fortement dans l habitat individuel et collectif aujourd'hui, le tertiaire et l industrie restent cependant en retrait. Le potentiel de développement dans ces domaines est pourtant très important : le Fonds chaleur institué par la loi Grenelle permet le déploiement des systèmes solaires thermiques sur ces segments de marché. Les systèmes hybrides Associant pompes à chaleur et capteurs solaires thermiques non-vitrés, les systèmes hybrides permettent de produire de l eau chaude sanitaire pour le résidentiel collectif ou le tertiaire (hôtels, restaurants, activités agricoles ) et de chauffer l eau des bassins de piscine. Mobilisant plusieurs sources d énergies, ces systèmes tirent parti de toutes les situations climatiques et fonctionnent toute l année de manière autonome. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 22
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Les capteurs plans vitrés Les capteurs les plus répandus sont des serres plates, similaires à des châssis de jardinier. L apparente simplicité des équipements cache les exigences imposées à leurs constituants pour obtenir de bons rendements de conversion de l énergie solaire. Ceuxci décroissent avec la température du caloporteur. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 25
Les capteurs non vitrés Ils consistent en un réseau de tubes noirs en matière plastique, accolés les uns aux autres. Pour chauffer l eau d une piscine, les capteurs peuvent être insérés dans le circuit de filtration. Leur rendement est très bon pour produire des températures proches de la température de l air ambiant. En revanche, les capteurs non vitrés ne permettent pas la production d eau chaude sanitaire, sauf dans les pays chauds. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 26
Les capteurs à tubes sous vide Cette technologie permet d annuler les pertes convectives dues à l air. À température égale, ces capteurs possèdent un rendement supérieur aux capteurs plans vitrés. Ils permettent aussi de conserver un rendement acceptable à une température proche de 100 C, adaptée au couplage avec une machine de rafraîchissement à absorption. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 27
Les capteurs à air Ils servent à augmenter la température de l air de 5 à 10 C en vue d une utilisation directe pour le chauffage, ou pour le séchage de produits agricoles. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 28
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La répartition des types de capteurs à l échelle mondiale L utilisation de l énergie solaire thermique varie grandement selon les pays. En Chine (101,5 GW), en Europe (20,3 GW) et au Japon (4,3 GW), les systèmes de production de chaleur sont en majorité constitués de capteurs plans vitrés ou de capteurs à tubes sous vide : ils alimentent les ménages en eau chaude sanitaire et en chauffage. En Amérique du Nord (Etats-Unis et Canada), l application principale du solaire thermique est le chauffage des piscines, avec une capacité installée de capteurs non-vitrés de 13 GW. Ce secteur mis à part, signalons l émergence d un marché spécifique aux capteurs nonvitrés à air, au Canada et aux Etats-Unis : pour le chauffage, la ventilation de bâtiments commerciaux ou industriels, et certaines applications agricoles. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 05/2010 30
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