2. Les différents types d'ENR
2.1. Le solaire
a. Généralités
Énergie solaire
Calcul du flux solaire arrivant sur Terre :
Cependant la puissance moyenne de l'énergie solaire arrivant au sol est voisine de 340 W/m2 mais en réalité la valeur réellement observée varie selon les lieux et les saisons.
Énergie solaire reçue par la Terre
Une partie du rayonnement solaire arrivant sur Terre est réfléchit par le sol comme le montre la figure ci-dessous :
L'albédo
albédo = énergie réfléchie / énergie reçue a = 0,3 en moyenne à la surface de la Terre
Différents types d'énergies solaires :
- Solaire thermique[3]
C'est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique. La production de cette énergie peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) où indirectement (comme la production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir une énergie électrique).
- Solaire photovoltaïque[4]
C'est l''énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïques. Elle résulte de la conversion directe dans un semi-conducteur d'un photon en électron.
- Solaire thermodynamique[5]
C'est l'énergie récupérée par concentration du soleil sur des capteurs paraboliques, cylindro-parabolique ou des centrales dites ''à tour'' pour assurer la production d'électricité.
Ressource potentielle de l'énergie solaire
- Puissance d’origine solaire arrivant sur terre : 1,7 . 1017 W
- Énergie solaire reçue annuellement par la Terre : 1,52. 1018 kWh
A l'entrée de l'atmosphère, la densité de puissance solaire est de 1365 W/m², au niveau du sol, elle est d'environ 1000 W/m².
Énergie solaire
Durée annuelle d'ensoleillement :
- dans le monde : 1000 à 4000 h/an
- en France : 1750 à 3000 h/an
Énergie reçue :
- énergie reçue par m2 de surface horizontale (France) : 1100 à 1900 kWh/m2/an
- énergie annuelle reçue sur le territoire français : 700 000 TWh (≈ x200 consommation d'énergie primaire en France - Rappel : 266 Mtep ≈ 3093 TWh en 2010).
Calcul :
- surface France 552000 km² = 5,52.1011 m²
- Energie reçue par m² de surface horizontale (France) : on prend 1100 kWh/m2/an
- E tot = 607 200 TWh/an
- Or consommation E primaire = 3093 TWh
- Rapport E tot / conso E primaire = 196
Cumul annuel
L'ensoleillement varie en fonction du lieu. Les deux figures suivantes présentent l'ensoleillement pour le territoire métropolitain français. Il est bien bien évidemment plus important dans les zones situées autour de la mer Méditerranée.
Moyenne de la durée totale de l'ensoleillement en heures de 1996 à 2000 (une année = 4300 heures) [3]
Absorption du rayonnement solaire et Énergie solaire reçue
Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique. Une petite partie de celui-ci, comprise entre 400 et 700 nm, correspond à la partie visible.
La figure ci-dessous présente le spectre solaire :
- au niveau de l'atmosphère ;
- au niveau du sol (les gaz présents dans l'atmosphère comme H2O ou le CO2 absorbent une partie du rayonnement) ;
- à une profondeur de 10 m sous la mer (l'eau absorbe une grande partie des longueurs d'ondes situées après 600 nm).
Le spectre solaire
[
Monde
Le rayonnement solaire incident peut être absorbé ou réfléchi. La figure suivante présente les disparités (insolation, absorption, émission) sur la surface du globe. Les régions intertropicales sont les zones où l'absorption est la plus importante.
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La carte ci-contre donne la valeur de l'irradiation solaire (énergie) par unité de surface (m²) pour un point du globe. Les régions situées autour des tropiques sont celles qui reçoivent le plus d'énergie.
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World Solar Energy Map
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Europe et France
On remarque que l'ensoleillement est très important dans la moitié sud de la France, en Espagne, en Afrique.
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Énergie solaire reçue quotidiennement (kWh/m²)
En France, l'irradiation solaire varie de 5,2 kWh/m²/jour à Toulon à 3 kWh/m²/jour à Lille. Les disparités sur le territoire sont importantes.
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Fluctuations de l'ensoleillement
L'ensoleillement est un paramètre qui peut varier de manière importante durant un jour. Il y a tout d'abord l'alternance journée/nuit. Ensuite l'ensoleillement est maximale lorsque le Soleil est au zénith (à midi solaire). Cependant il peut y avoir des fluctuations causées par des phénomènes météorologiques. Ainsi sur le 2éme graphique, les chutes de puissances interviennent lors du passage de nuages.
Le rayonnement solaire
Le rayonnement venant directement du Soleil est appelé « rayonnement direct », celui provenant des nuages « rayonnement diffus » :
- G* : densité de flux solaire global (W/m²) ;
- S* : densité de flux solaire direct (W/m²) ;
- D* : densité de flux solaire diffus (W/m²).
L'éclairement solaire reçu par un capteur varie typiquement au cours d'une journée non-perturbée : nul la nuit, il augmente dès le lever du jour pour atteindre un maximum au midi solaire avant de décroître de nouveau jusqu'à s'annuler à la tombée de la nuit. L'utilisation de l'énergie solaire est donc bien adaptée aux applications dont les besoins coïncident avec les heures d'ensoleillement maximum. Dans la plupart des cas, il existe un décalage qui nécessite un stockage pour satisfaire les besoins de la période de non-ensoleillement.
Variation type de l'éclairement solaire au cours d'une journée non-perturbée et représentation des divers types de rayonnement
Diagrammes solaires
Les diagrammes solaires permettent de repérer la trajectoire du Soleil sur la voute céleste, en fonction de la période de l'année et de l'heure de la journée. Ils permettent d'obtenir la hauteur et l'angle que fait le Soleil avec l'horizon.
En y représentant les "caches" (bâtiments ou arbres) qui occultent une partie de l'horizon, ils sont très utilisés pour positionner un système solaire (capteur thermique ou bien capteur photovoltaïque sur un bâtiment).
Complément : Le logiciel Carnaval
Carnaval est un logiciel libre et gratuit, destiné au calcul des masques de terrain (horizon blocking en anglais) et de leur influence sur les conditions d'éclairement et d'ensoleillement.
Lien vers Incub' qui développe ce logiciel.
b. Le solaire thermique
Capteurs solaires thermiques
Un capteur solaire thermique (ou simplement capteur solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du Soleil sous forme de chaleur (rayonnement) et la transmettre à un fluide caloporteur (gaz ou liquide). Ils transforment la lumière en chaleur, le plus souvent pour des chauffe-eaux.
Les panneaux solaires thermiques sont composés d'un ensemble de capteurs. Un fluide caloporteur (eau et antigel) est chauffé par ce système et apporte ainsi la chaleur emmagasinée au ballon de stockage de l'eau. Pour cela, les rayons du soleil passent d'abord par une plaque de verre transparente à la lumière, plus ou moins pure en qualité. Sous ce verre, un absorbeur noir (plaque de métal recouverte d'une fine couche de chrome) absorbe 80 à 90 % des rayons lumineux. L'absorbeur transforme ces rayons lumineux en chaleur grâce au transfert thermique par rayonnement. En s'échauffant, l'absorbeur émet des infrarouges, bloqués entre la plaque de métal et la plaque de verre, c'est le principe de l'effet de serre. Ainsi, l'air entre les deux plaques s'échauffe et améliore le rendement. Par conduction, l'énergie thermique ou chaleur de l'absorbeur est transmise à un circuit d'eau (c'est le liquide caloporteur). Celle-ci s'échauffe et est acheminée vers un ballon d'eau chaude à l'aide d'une pompe. Dans l'accumulateur, le liquide caloporteur chaud parcourt un circuit et transfère sa chaleur à l'eau domestique.
Bilan thermique d'un capteur
Bilan énergétique d'un capteur
Le bilan énergétique d'un capteur est présenté ci-dessous :
Qe : énergie entrant du capteur
Qs : énergie sortant du capteur
S : surface du capteur
G* : rayonnement global
Te : température du fluide caloporteur en entrée du capteur
Ts : température du fluide caloporteur en sortie du capteur
Cp : capacité calorifique du fluide caloporteur
Qp : pertes
Rendement des capteurs solaires
Le rendement d'un capteur plan se calcule comme suit, avec :
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Courbe de rendement d'un capteur solaire plan
A partir des calculs précédents, on peut tracer la courbe de rendement d'un capteur solaire plan :
- n0 : coefficient de conversion optique (%) (êta)
- k1 : coefficient de déperditions thermiques par conduction (W/m2.K)
- k2 : coefficient de déperditions thermiques par convection (W/m2.K2)
- Tm : température moyenne de l’absorbeur (°C)
- Ta : température ambiante moyenne (°C)
- K : coefficient de déperdition
- G* : éclairement énergétique global mesuré dans le plan du capteur (W/m2 de surface d’entrée)
Équation de rendement d'un capteur plan thermique
Capteurs solaires sous vide
Le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un double tube sous vide. Le principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, l'isolation étant simplement assurée par l'absence de molécules d'air (vide).
Les différentes parties constituant un capteur plan sous vide sont présentées ci-dessous :
Certains types de capteurs plan sous vide possèdent un système positionné à l'arrière du tube permettant ainsi la réflexion de la lumière ne traversant pas le tube : le rendement de l'installation est ainsi augmenté.
Courbes de rendement des capteurs solaires
L'expression du rendement est sous la forme :
Avec c0 : le facteur optique du capteur, et c1 et c2 : coefficients de déperditions thermiques (W/m².K et W/m².K²).
En fixant G* :
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Courbe de rendement
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Capteurs solaires à thermosiphon
La circulation de la chaleur passe des capteurs au ballon de stockage naturellement sans pompe ni autre dispositif, grâce à la différence de température. En effet, quand l'eau (ou un autre fluide caloporteur) est chauffée par le Soleil dans les capteurs, elle se dilate et étant plus légère que l'eau froide à volume égal, elle monte (convection). Ainsi, elle crée un mouvement dans le circuit hydraulique reliant les capteurs au ballon de stockage.
Si le circuit hydraulique est conçu dans les règles de l'art, l'eau chauffée dans les capteurs va circuler à travers un échangeur dans le ballon et la température de l'eau dans le ballon va augmenter progressivement.
(Source site web OutilsSolaires)
Les photographies suivantes présentent des systèmes commerciaux utilisant le principe du thermosiphon pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire.
Chauffe-eau solaire
Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captation de l'énergie solaire destiné à fournir partiellement ou totalement de l'Eau Chaude Sanitaire (ECS). Ce type de chauffage permet habituellement de compléter les types de chauffage de l'eau exploitant d'autres sources énergétiques (électricité, énergies fossiles, biomasse, ...) dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant parfaitement renouvelable, ce remplacement permet de limiter efficacement les émissions de gaz à effet de serre ou la production de déchets nucléaires, raison pour laquelle l'installation de tels dispositifs est fortement encouragée par de nombreux États et collectivités via la fiscalité, des primes et/ou une obligation d'installation sur les nouvelles constructions.
Principe du chauffe-eau solaire à circulation directe
Le mouvement du fluide s'effectue au moyen d'une pompe de circulation. La régulation du système doit s'effectuer au moyen d'un contrôle différentiel de températures (actionnant autour de 6-7 °C et la déconnectant autour 2 ou 3 °C).
Avantages :
- Simplicité de raccordement et une légèreté d'installation ;
- le réservoir de stockage peut être placé à un endroit facile à installer et seul le capteur doit être fixé sur le toit ;
- La possibilité d'utiliser un ballon d'eau chaude standard, qui n'a pas à résister aux intempéries.
Inconvénients :
- Cette technologie est plus compliquée ;
- La pompe et son contrôleur sont fragiles ;
- L'utilisation de l'eau de réservoir directement dans le capteur peut causer des problèmes de gel en régions froides.
Principe du chauffe-eau solaire autovidangeable
Les Chauffe-Eau Solaires Individuels autovidangeables fonctionnent selon le principe de la vidange automatique, grâce au principe de la vidange automatique, le fluide solaire ne stagne jamais dans les capteurs. A l'arrêt, le liquide calo-porteur descend par gravitation dans le bas du circuit solaire, les panneaux ainsi que le haut des tubes, ne sont alors remplis que d'air. Lorsque les sondes décèlent une montée en température suffisante dans les panneaux, l'électronique met en route une pompe, qui déclenche la montée du liquide caloporteur vers les panneaux solaires. Le liquide se réchauffe lors de son passage dans les panneaux, puis redescend en direction du ballon. La chaleur est transmise à l'eau sanitaire du ballon.
Si le ballon atteint sa température maximale programmée, la pompe s'arrête et le liquide redescend naturellement dans son réservoir, l'air remplace le liquide dans les panneaux. Donc, une fois que le ballon est entièrement chaud, le liquide repose et ne risque aucune surchauffe ni aucune surpression. Lorsqu'à l'inverse il gèle dehors, le système est à l'arrêt aussi, et le liquide est conservé dans une zone hors gel.
Principe du chauffe-eau solaire à appoint électrique intégré
Ce chauffe-eau électro-solaire intègre une résistance électrique qui s'enclenche comme pour un simple cumulus quand la température du réservoir est insuffisante.
Influence de l'orientation et de l'inclinaison du capteur solaire sur l'énergie solaire disponible
Sous nos latitudes, pour une exposition plein Sud, un angle d'inclinaison du capteur de 30 ° permet d'atteindre un optimal.
Complément : Taux de couverture solaire
Couverture solaire : c'est un pourcentage d'énergie solaire qui couvre les besoins de chauffage d'eau chaude sanitaire ou/et de chauffage des locaux. La couverture solaire par exemple de 60% d'un CESI (Chauffe Eau Solaire Individuel) désigne que l'installation solaire couvre 60% des besoins annuels d'eau chaude sanitaire de l'habitation. Le taux de couverture solaire est se définit donc comme la part des besoins annuels en énergie couverts par l'énergie solaire.
Formule de calcul : Couverture Solaire = production Solaire / Besoins.
La couverture solaire dépend directement du lieu d'exposition et du dimensionnement de l'installation solaire, soit la surface de capteurs solaires et la capacité tampon dit ballon solaire.
(Source www.xpair.com).
Alors que la puissance incidente solaire et maximale en été, c'est pendant cette période que les besoin en Eau Chaude sanitaire sont les moins importants. Durant cette saison, on arrive même à un taux de couverture solaire de 100 %.
En hiver, il faut compléter avec un appoint électrique pour disposer de l'Eau Chaude nécessaire à sa consommation.
Chiffres-clés : Eau chaude sanitaire et chauffe-eau solaire
- Capteur plan : 3 à 5 m2
- Réservoir de stockage : 200 à 300 litres
- Coût : 3 800 à 5 300 €
- Aides : 1500-2500 € (Conseil-Général, communes)
- (TVA 5,5 %, ADEME, crédit d’impôt de 45 %…)
- Rentabilité entre 5 et 15 ans
- Économies réalisées : 50 à 70% des dépenses pour l’ECS.
- 1 chauffe-eau solaire = 1 tonne de CO2 évitée par an
Complément : Chauffage de l'habitat avec l'énergie solaire
Il existe des systèmes combinés chauffage et ECS :
- 1 – 1,2 m2 de capteurs pour 10 m2 de surface habitable ;
- Couverture des besoins : supérieure à 30% ;
- Environ 150 €/m2 à chauffer.
La climatisation solaire
Définition :
La climatisation solaire permet de climatiser en utilisant comme ressource énergétique primaire[1] la chaleur communiquée par les rayonnements du Soleil. Ce mode de climatisation qui peut se substituer à l'utilisation de ressources fossiles présente comme principal intérêt de pouvoir fournir le plus de froid quand il fait le plus chaud, ce qui correspond généralement aux périodes où le Soleil est le plus disponible.
Avantages :
- Production de froid grâce à une énergie inépuisable (l'énergie solaire) ;
- Synchronisation idéale entre la demande frigorifique et le gisement solaire ;
- Utilisation de la chaleur solaire en complément du chauffage en hiver ;
- Consommations électriques très faibles comparées à celles dues à un compresseur frigorifique ;
- Pas de fluide frigorigène polluant, dégradant la couche d'ozone ou à effet de serre (CFC, HCFC, HFC...) ;
Inconvénients :
- La production frigorifique dépendant des apports solaires, le système ne fonctionne qu'en journée. Il est donc plutôt adapté à la climatisation d'entreprises, locaux ou machines ne fonctionnant que le jour ;
- Il est cependant possible de stocker de la chaleur emmagasinée en journée dans des ballons tampons ou des étangs solaires afin d'utiliser le système pendant les périodes non ensoleillées.
Le coefficient de performance (COP), donne le rapport entre la quantité d'énergie frigorifique extraite et la quantité d'énergie fournie.
Exemple : Système de climatisation solaire mis en œuvre pour rafraîchir les caves du Cellier des Templiers à Banyuls (Pyrénées Orientales)
La société TECSOL a développé depuis 1991, une technique de climatisation solaire. Les cellules photovoltaiques servent à alimenter une source chaude à la limite de l'ébullition (90°C-100°C). Cette source chaude est utilisée par une machine à absorbtion qui génère du froid. Ce système révolutionnaire n'utilise pas de CFC et consomme très peu d'électricité, (électrité qui peut être générée par le capteurs photovoltaiques), uniquement pour les pompes de circulation d'eau et est silencieux. Il a été mis en oeuvre pour rafraîchir les caves du Cellier des Templiers à Banyuls (Pyrénées Orientales).
134 m² de capteurs sous vide alimentent une machine à absorption d'une puissance "froid" de 50 kW.
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Système de climatisation solaire mis en œuvre pour rafraîchir les caves du Cellier des Templiers à Banyuls (Pyrénées Orientales) [3]
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Adéquation besoin frigorifique et apport solaire
Les figures ci-dessous illustre le fait qu'il y a adéquation entre le maximum de la ressource solaire (été) et les besoins en froid qui sont alors totalement couvert. En hiver, le Soleil couvre une partie des besoins en chaud ; un complément (électricité EDF ou panneau photovoltaïque) est alors nécessaire.
Idem durant une journée d'été, le maximum d'énergie solaire est disponible quand les besoins en froid sont les plus importants.
Adéquation entre le maximum de la ressource solaire (été) et les besoins en froid
Cuiseurs solaires, désalinisation
On appelle four solaire ou cuiseur solaire un système de chauffage ou de cuisson fondé sur la capture des rayonnements lumineux émis par le Soleil, leur transformation en chaleur puis l'utilisation de cette chaleur pour le chauffage ou la cuisson des aliments. Ne nécessitant ni énergie électrique, ni fossile, la propagation de ce principe permettrait de freiner la déforestation due à la collecte du bois pour la cuisson des aliments dans des régions du monde où les populations sont déjà en état de pénurie énergétique.
Ce principe, peu utilisé, permet de dessaler l'eau de mer en la faisant chauffer au Soleil : le four solaire concentre en une zone restreinte les rayons du soleil, grâce à un miroir parabolique, pour porter à haute température l'élément qui contient l'eau destinée à être évaporée.
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Cuiseur solaire pour le dessalement
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Le marché du solaire thermique en Europe
Parc cumulé de capteurs solaires thermiques installé
L'Allemagne, qui pourtant ne bénéficie des condition d'ensoleillement les meilleures d'Europe, se hisse à la première place en termes de parc cumulé installé. En effet l'Allemagne a depuis les années 80 développé sa filière solaire. D'autres pays du Nord de l'Europe (Pologne, l'Autriche, Les Pays-Bas) sont en bonne position également.
Parc solaire thermique par habitant
Chypre est placée en première position ce qui démontrer une utilisation très développée des chauffe-eau solaire chez les particuliers.
Évolution des surfaces installées dans l'UE depuis 1994 (en m²)
Après une période de croissance continue de 1994 à 2008 (atteignant un maximum de 4,6 millions de m²), le marché européen a fortement régressé du fait de la crise économique.
Évolution annuelle des capteurs solaires thermiques installée dans l'Union Européenne depuis 1994 (en m²)
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[3]
Répartition par technologie du marché solaire thermique de l'UE en 2011 :
Trois technologie se partagent le marché :
- capteurs plans vitrés : 84,3 % ;
- capteurs sous vide : 11,7 % ;
- capteurs non vitrés : 4 %.
Suite : Les énergies renouvelables : 2- Les différents types d'ENR : Le solaire (2eme partie)
