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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

22. Le solaire thermique basse température

Philippe Papillon

Texte intégral

1Outre la production d’électricité, l’énergie solaire est également utilisée pour la production de chaleur. Ces usages thermiques représentent près de 50 % des usages de l’énergie finale en France, notamment dans le secteur du résidentiel-tertiaire, et le « solaire thermique basse température » constitue une réponse adaptée face aux enjeux environnementaux et d’indépendance énergétique. Le succès dans la mise en œuvre de cette technologie repose sur 3 points-clés majeurs : les capteurs solaires, le stockage de l’énergie et l’application ou le système dans lequel vont être intégrés les capteurs et le stockage.

Le capteur solaire

2La fonction du capteur solaire est de transformer le rayonnement radiatif du Soleil en une énergie thermique qui échauffera un fluide caloporteur (eau, eau avec antigel, air…). Celui-ci sera ensuite transféré vers l’application ou le stockage thermique. Différentes technologies de capteurs solaires existent selon le niveau de température requis. En Europe, la technologie la plus commune est le capteur plan (figure a). Il est principalement composé d’un absorbeur* (tôle revêtue d’un traitement de surface) qui absorbe le rayonnement solaire (caractérisé par le coefficient d’absorption solaire αs = 95 %). En face arrière, des tubes véhiculent le fluide caloporteur, réchauffé par conduction * et convection*. S’échauffant, l’absorbeur émet un rayonnement de grande longueur d’onde, dont l’intensité dépend de l’écart de température entre absorbeur et milieu extérieur, et de l’émissivité thermique εt de l’absorbeur. Une peinture noire a une émissivité thermique εt de 95 % et donc des pertes thermiques élevées. Pour les réduire, des traitements de surface spécifiquement développés permettent d’atteindre une valeur très faible de εt de l’ordre de 5 %. Au-dessus de l’absorbeur, une vitre assure un effet de serre en bloquant le rayonnement de grande longueur d’onde et enfin, l’isolant en face arrière limite les pertes thermiques. En fonction de l’irradiation*, de la température du capteur solaire et de la température ambiante, le rendement de captation, rapport entre l’énergie transférée au fluide caloporteur et l’énergie solaire incidente, pourra atteindre près de 80 % (figure b). Les autres variantes de capteurs solaires diffèrent sur leur conception :

  • Les capteurs non vitrés. L’absence de vitre en face avant conduit à des pertes thermiques plus importantes, mais également une meilleure transmission optique. Ces capteurs sont plus adaptés aux applications à basse température.
  • Les capteurs à tubes sous vide : l’absorbeur est inséré dans un tube en verre dans lequel le vide a été réalisé, limitant les pertes thermiques et se traduisant par un rendement plus élevé à température importante.
  • Les capteurs à concentration disposent de miroirs qui réfléchissent le rayonnement solaire vers l’absorbeur. Compte tenu d’un rapport réduit entre la surface de captation et la surface de déperdition, les pertes thermiques sont proportionnellement diminuées : il en résulte un rendement élevé à haute température. Cependant, ces capteurs ne valorisent que la part directe du rayonnement solaire, ce qui explique qu’à basse température, leur rendement est moins élevé que pour les technologies précédentes.

a) Bilan thermique typique d’un capteur plan. b) Courbes de rendement

Les différentes applications

3Le chauffage solaire des piscines est certainement l’application la plus simple : elle associe des capteurs solaires non vitrés dans lesquels circule directement l’eau de piscine. Le volume d’eau de la piscine joue le rôle de stockage thermique.

4Largement répandu, notamment en Grèce, Chine et dans les Outre-Mer, le chauffe-eau solaire pour les maisons individuelles consiste à associer une surface de 2 à 4 m2 de capteurs plans ou à tubes sous vide à un réservoir de stockage (de 150 à 400 L) contenant l’eau chaude sanitaire (ECS). Selon les pays, le climat, le chauffe-eau solaire se décline en de multiples variantes. Le chauffe-eau à thermosiphon est ainsi caractérisé par une circulation naturelle du fluide, des capteurs vers le stockage, entraîné par l’élévation de température dans les capteurs qui conduit à une baisse de la densité du fluide. Cette configuration impose que le réservoir soit situé au-dessus des capteurs. Dans les chauffe-eau à circulation forcée, le fluide est mis en circulation par une pompe pilotée par un régulateur associé à deux sondes de température. Lorsque la température des capteurs est plus élevée que celle du réservoir, alors la pompe est mise en service. Qu’ils soient à circulation naturelle ou à circulation forcée, les chauffe-eau peuvent ou non être équipés d’un échangeur. Dans les climats où le risque de gel n’existe pas, le fluide circulant dans les capteurs peut être directement l’eau sanitaire. Avec le risque de gel, un fluide antigel est utilisé, et un échangeur, inséré dans le ballon de stockage, assure le transfert d’énergie du fluide antigel à l’ECS.

5Le chauffe-eau solaire pour les bâtiments collectifs se différencie de l’application en maison individuelle par la taille et les réservoirs de stockage d’ECS, qui peuvent être collectifs à destination de l’ensemble des logements, ou répartis dans chaque logement. Des règles précises permettent de concevoir une installation de qualité. En France métropolitaine, pour un logement moyen, une surface de 1 à 2 m2 de capteurs solaires associée à un stockage de 50 à 150 L permet d’assurer un taux d’économie de 40 à 70 % suivant la localisation géographique.

6Le chauffage solaire des bâtiments, également appelé Systèmes Solaires Combinés ou CombiSystems, est très répandu en Allemagne et en Autriche. Cette technologie utilise également des capteurs plans ou à tubes sous vides. Au cours de la journée, les apports solaires n’étant pas toujours en phase avec les besoins d’énergie, un stockage thermique est mis en œuvre. Il permet de restituer l’énergie lorsque le Soleil a disparu de l’horizon, pour les besoins de chauffage ou d’ECS. Un appoint (généralement une chaudière) prend le relais lorsque les apports solaires ne sont pas suffisants. En France métropolitaine, l’énergie solaire permet de fournir 30 à 60 % des besoins de chauffage et d’ECS d’une maison individuelle de 140 m2 équipée avec 15 m2 de capteurs solaires.

7Pouvant associer plusieurs milliers de m2 de capteurs disposés en un grand champ ou répartis sur différents bâtiments, à des gros volumes de stockage (en eau, en eau et en gravier, dans le sous-sol…), les réseaux de chaleur solaire sont de plus en plus répandus au Danemark et commencent à se diffuser en France. Les objectifs assignés au solaire peuvent aller de la fourniture de l’eau chaude en période estivale à la fourniture du chauffage et de l’eau chaude sur la majeure partie de l’année : il en résulte de multiples possibilités, notamment au niveau du dimensionnement qui conduisent à des taux de couverture des besoins par l’énergie solaire compris entre 15 et 90 %.

8Plus récemment, et en phase de développement du marché, le solaire thermique est également utilisé pour fournir de la chaleur pour les processus industriels, principalement dans les industries agroalimentaires, textiles et chimiques. La conception de ces installations est réalisée en fonction de trois critères principaux : le niveau de température requis (et donc de la technologie des capteurs solaires), la coïncidence temporelle des besoins de chaleur et des apports solaires et le taux d’économie d’énergie visé.

9Enfin, l’énergie solaire thermique peut être valorisée pour assurer la production de froid, notamment dans le cadre de la climatisation solaire. La chaleur produite par les capteurs solaires est alors dirigée vers une machine thermique tri-therme à absorption ou adsorption qui, au travers d’un cycle thermodynamique, va transformer l’énergie calorifique en énergie frigorifique.

Bibliographie

Références bibliographiques

• ICO, ADEME, EDF et GDF Suez – Production d’eau chaude sanitaire collective par énergie solaire : guide de conception des installations, 2011.

• W. WEISS et al.Solar Heating Systems for Houses : A Design Handbook for Solar Combisystems, 2003.

• Projet SDH PLUS – www.solar-district-heating.eu/fr/Home.aspx.

Table des illustrations

Légende a) Bilan thermique typique d’un capteur plan. b) Courbes de rendement
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11071/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 92k

Auteur

Ingénieur de recherche au CEA-INES, Le Bourget du Lac.
philippe.papillon@cea.fr

© CNRS Éditions, 2013

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