Le solaire thermique

Le solaire thermique a connu au milieu des années 2000 une période faste qui laissait présager un bel avenir à la chaleur renouvelable. Après plusieurs années de baisse à 2 chiffres, le marché semble se stabiliser, principalement grâce au segment du collectif qui est désormais devenu le principal marché porteur. Cette technologie éprouvée souffre du manque de soutien des pouvoirs publics alors qu'elle offre de nombreux avantages.

15:3631/01/2020

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UMGCCP

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Le marché du solaire thermique

Le solaire thermique a connu au milieu des années 2000 une période faste qui laissait présager un bel avenir à la chaleur renouvelable. Il avait même atteint un pic en 2008 avec plus de 300 000 m2 de capteurs installés dans l’individuel et le collectif. Puis les ventes ont reculé, avant de brutalement s’effondrer entre 2012 et 2016.

Selon UNICLIMA, le syndicat des industries thermiques, aérauliques et frigorifiques, le marché du solaire thermique affiche un léger retrait de -4 % par rapport à 2017 avec une surface totale de capteurs installés de 50 000 m² en 2018 contre 51 900 m² en 2017. Après plusieurs années de baisse à deux chiffres, le marché semble se stabiliser, principalement grâce au segment du collectif qui est désormais devenu le principal marché porteur.

Les installations de chauffe-eau solaires individuels (CEsI) s’établissent à 4 600 unités en 2018 contre 5 500 en 2017, soit une baisse de -16 % pour la 10ème année de baisse consécutive. Le CESI ne parvient pas à s’implanter dans la maison neuve, fortement concurrencé par l’eau chaude thermodynamique (CET ou PAC double service) et par le photovoltaïque.

Concernant les systèmes solaires combinés (ssC), on compte 340 pièces pour l’année 2018, comparées à 300 en 2017, soit une hausse de +13 % après des années de baisse pour un segment qui demeure toutefois un marché de niche. Cet équipement trouve difficilement sa place dans l’existant en France, alors qu’il représente plus de 50 % du marché allemand. La surface moyenne de capteurs par équipement individuel se stabilise pour les CEsI à 3,3 m² et pour les ssC à 13 m².

Les livraisons de capteurs, destinés aux immeubles d’habitation collectifs ou aux bâtiments tertiaires, retrouvent le chemin de la croissance après une baisse durant cinq années consécutives, pour atteindre 30 000 m² de capteurs contre 29 100 m² en 2017, soit une hausse de +3 %. Ce segment, qui représente désormais 60% du marché, semble enfin se stabiliser.

Le chauffe-eau solaire individuel

Le contexte français, avec des ventes au plus bas pour les CESI, n’est pas favorable à l’investissement et à l’innovation. Pour autant, la technologie n’est pas mise en cause. Le chauffe-eau solaire individuel présente même plusieurs avantages qui sans doute lui permettront de revenir sur le devant de la scène, notamment pour ne plus être tributaire des variations de prix pratiquées sur les énergies conventionnelles.

Une technologie éprouvée

Le CESI est un procédé solaire participant à la couverture des besoins d’eau chaude sanitaire d’un bâtiment. Les CESI sont des équipements robustes et fiables. De plus, la majorité des installations suivies et entretenues fonctionne bien.

Une installation type se compose de capteurs solaires qui assurent la transformation du rayonnement solaire en chaleur, d’une boucle de transfert qui assure le transport de l’énergie depuis les capteurs solaires vers le ballon de stockage par le biais d’un échangeur de chaleur incorporé au stockage et d’un ballon de stockage maintenant l’eau chaude sanitaire en température en vue de sa future utilisation.

Concernant l’appoint, il peut être séparé ou intégré au ballon de stockage.

Suivant la nature des besoins et leur localisation on peut dégager deux installations types de CESI :

le chauffe-eau à éléments séparés : le ballon est placé dans une pièce de la maison ou d’une construction attenante. La circulation du fluide caloporteur entre les deux composants peut être naturelle (on parle de chauffe-eau thermosiphon) ou forcée par le biais d’un circulateur (une pompe électrique) ;

le chauffe-eau monobloc : les capteurs et le ballon sont couplés et placés à l’extérieur, de manière plus compacte. Ce type de CESI est adapté pour les DOM-TOM car il n’y a pas de risque de gel de l’eau chaude sanitaire.

Selon l’ADEME, s’ils sont bien conçus, bien utilisés et régulièrement entretenus, les éléments d’un chauffe-eau solaire individuel ont une durée de vie :

de 20 à 30 ans pour des capteurs plans de qualité (certains constructeurs les garantissent 10 ans) ;
de 15 à 20 ans pour un ballon performant, avec un suivi régulier ;
d’environ 10 ans pour le circulateur, les sondes de température et la régulation.

Un atout pour l’environnement

L’utilisation des chauffe-eau solaires individuels peut permettre de répondre aux objectifs fixés pour 2030. En effet, le CSsI exploite une ressource naturelle propre, inépuisable et gratuite : le soleil. Il peut donc participer à l’objectif de la France de satisfaire 32 % de sa consommation finale d’énergie par les énergies renouvelables à l’horizon 2030.

De plus, c’est un atout important pour l’environnement puisque qu’il participe à la réduction de gaz à effet de serre. En effet, d’un point de vue environnemental, le CESI est la seule énergie thermique qui ne rejette aucune particule. En plus de diminuer les émissions de CO2, cela permettrait de préserver les combustibles fossiles.

L’avantage économique

En plus de valoriser financièrement un logement, l’installation d’un CEsI permet de faire des économies sur l’eau chaude sanitaire notamment pour les nouvelles constructions performantes thermiquement, où la part de l’ECS est de plus en plus importante.

En règle générale, les installations sont souvent dimensionnées avec des taux de couverture solaire compris entre 50 et 70 %. Cependant, il faut veiller au bon dimensionnement de l’installation. En effet, tendre vers un taux de couverture important conduit à l’implantation d’une surface de capteurs importante et donc à un surdimensionnement de l’installation. Un surdimensionnement génère une faible augmentation de la production solaire pour un surcoût important et des contraintes techniques néfastes.

Les besoins en ECS doivent donc être évalués au plus juste. s’ils ne sont pas connus, mieux vaut une valeur sous-estimée que surestimée. D’autre part, il est recommandé de privilégier une productivité (en kWh par m² de capteurs) maximale plutôt qu’un taux de couverture des besoins en ECS élevé. Ce taux doit toutefois rester supérieur à 50 %.

Le solaire thermique collectif

Le chauffe-eau solaire collectif, sur le même principe que le chauffe-eau solaire individuel, permet de couvrir 50 % des besoins pour la production d’eau chaude d’un bâtiment collectif, à condition que les besoins en eau chaude soient réguliers et répartis sur toute l’année.

L’énergie solaire n’est en effet pas réservée qu’aux particuliers et certains secteurs se prêtent notamment bien au choix du solaire pour la production d’eau chaude sanitaire : c’est le cas de l’hôtellerie et des établissements de santé, grands consommateurs d’eau chaude tout au long de l’année. Pour les logements collectifs, le rendement peut être meilleur que pour un système individuel grâce aux possibilités de rationalisation de l’installation solaire et aux besoins réguliers.

En revanche, le recours à une solution solaire collective ne s’adapte pas toujours aux contraintes spécifiques de fonctionnement de certains bâtiments comme les immeubles de bureaux où la consommation en eau chaude est faible, les immeubles occupés de façon saisonnière, les locaux vides pendant l’été (écoles, gymnases…).

Principe d’une installation collective

Une installation solaire de production d’eau chaude sanitaire comporte en général cinq sous-ensembles :

un captage réalisé au niveau de la toiture par des capteurs solaires thermiques ;
un circuit de transfert ou circuit primaire avec une pompe de circulation, une régulation et un échangeur solaire ;
le stockage par le biais d’un ballon qui peut servir également de préparateur ;
un système d’appoint avec une énergie complémentaire ;
le réseau de distribution d’eau chaude sanitaire.

L’eau est chauffée par le biais de l’échangeur qui transfère la chaleur véhiculée par le fluide caloporteur en provenance des capteurs. Pour faciliter l’entretien et garantir les performances de l’installation, l’échangeur solaire est en général extérieur au ballon de stockage, contrairement aux systèmes individuels.

L’eau chaude produite est stockée dans un ballon « solaire » qui peut souvent être associé en série avec un ballon d’appoint ou une installation de production d’eau chaude instantanée. L’appoint est en effet nécessaire pour garantir la température de consigne, la possibilité de faire des montées en température (pour lutter notamment contre la légionellose) et la permanence de la fourniture d’eau chaude puisque pour des raisons économiques, la couverture totale des besoins annuels par le solaire n’est pas réaliste.

Suivant la nature des besoins et leur localisation on peut donc dégager trois solutions :

stockage solaire centralisé et appoint centralisé intégré ou séparé ;
chauffe-eau solaire collectif et appoints individuels ;
production solaire collective à appoints individuels.

Stockage solaire centralisé et appoint centralisé intégré ou séparé

Pour les installations de taille supérieure à 30 m², on utilise généralement un échangeur à plaques situé entre les capteurs et le ballon. Ce montage permet un démarrage en deux étapes : la boucle primaire est mise en circulation avec homogénéisation des températures dans les capteurs et dans les canalisations ; ensuite le circuit secondaire est mis en service avec transfert d’énergie de la boucle primaire à la boucle secondaire. En cas de plusieurs ballons solaires, ils sont connectés en série.

Le circulateur du circuit secondaire est asservi à celui du circuit primaire afin d’éviter qu’il ne fonctionne pour rien si le circuit primaire est à l’arrêt.

Par ailleurs, au niveau de la boucle de recirculation de l’eau chaude sanitaire, le réchauffage de celle-ci pour compenser les pertes thermiques doit être assuré par l’appoint et non par le ballon solaire afin de garantir le maintien en température.

Chauffe-eau solaire collectif et appoints individuels

Cette solution est adaptée à une production d’eau chaude sanitaire existante individuelle en bon état.

L’installation solaire vient s’implanter sur le réseau existant. L’énergie solaire est stockée dans un ballon solaire collectif placé en chaufferie ou dans un local technique.

Le réchauffage du ballon s’effectue en deux étapes : une mise en circulation du liquide caloporteur dans le champ de capteurs pour homogénéiser les températures ; puis une mise en circulation de l’eau vers le ballon solaire via un régulateur différentiel.

Production solaire collective à appoints individuels

Cette solution demande un très bon équilibrage de la boucle de distribution primaire. En particulier, les vannes de réglages des ballons échangeurs seront placées dans les parties communes afin d’être facilement accessibles.

Cette solution reste particulièrement adaptée aux immeubles d’habitation collectifs. L’énergie est directement stockée dans des ballons individuels biénergie, permettant ainsi une individualisation des charges d’énergie liées à l’eau chaude sanitaire ainsi que la suppression de la boucle de distribution sanitaire.

La mise en service de la production solaire se fait en deux étapes : le liquide est mis en circulation dans les capteurs solaires pour homogénéiser les températures ; ensuite l’eau est mise en circulation vers l’échangeur des ballons solaires individuels.

Conception et dimensionnement de la production d’eau chaude solaire collective

Pour disposer d’une installation solaire bien adaptée et bien conçue, il faut prendre en compte le potentiel solaire existant et bien analyser les besoins en eau chaude. La production d’eau chaude solaire est en effet possible sous tous les climats métropolitains même si elle est plus ou moins efficace selon l’ensoleillement local. Pour autant, la productivité des capteurs reste sensiblement équivalente.

Pour que l’installation d’une production d’eau chaude solaire soit judicieuse, l’analyse doit montrer que les besoins identifiés du bâtiment à équiper sont quasi constants tout au long de l’année. Une estimation quantitative fiable est le point important du dimensionnement afin de produire un maximum d’énergie d’origine solaire. En effet, un surdimensionnement entraîne une augmentation de la production solaire mais également une augmentation du coût du kWh produit ainsi qu’une baisse de la productivité de l’installation (production par m² et par an). En règle générale, les installations sont souvent dimensionnées avec des taux de couverture solaire compris entre 40 et 60%.

Dans le cas d’une réhabilitation, l’estimation des besoins peut s’appuyer sur des campagnes de mesures dans l’existant. Un diagnostic de l’état des équipements du bâtiment peut également être réalisé dans le but d’améliorer les consommations d’eau chaude. Ainsi, si le marché de rénovation figure parmi les cibles intéressantes pour la mise en place d’une installation solaire collective, il est judicieux de penser à remplacer une chaudière vétuste et défaillante et à rénover également les circuits de distribution de l’installation existante pour optimiser l’investissement solaire. Des approches portant sur l’efficacité énergétique dans le bâtiment et la promotion de l’énergie solaire sont donc très complémentaires.

L’implantation des capteurs

L’implantation des capteurs doit être faite en fonction des particularités du site et notamment des contraintes d’inclinaison, d’orientation au sud des capteurs, des éventuelles ombres portées, ainsi que des contraintes liées aux opérations de maintenance.

Les capteurs peuvent être implantés en couverture ou en toiture terrasse en veillant à respecter les dispositions des DTU de la série 40 et 43 et notamment au niveau de la traversée des canalisations. En toiture inclinée, une intégration à la couverture est possible. Les Avis Techniques des capteurs peuvent cependant limiter le nombre de rangées qu’il est possible d’installer.

Sur une toiture terrasse (ou sur le sol), les rangées de supports inclinés sont suffisamment écartées pour qu’elles ne se fassent pas mutuellement de l’ombre et pour faciliter l’entretien. Une distance minimale entre rangée est en général de l’ordre de 4 fois la hauteur du capteur. L’implantation des capteurs en toiture terrasse doit également respecter une distance minimale d’un mètre par rapport aux émergences en toiture.

Afin de capter un maximum d’ensoleillement, les capteurs sont orientés préférentiellement au sud. Concernant l’inclinaison, pour un usage d’eau chaude sanitaire à longueur d’année, l’optimum correspond à la latitude de l’endroit où sont installés les capteurs (entre 43° et 51° pour la France métropolitaine). Cependant une variation d’une quinzaine de degrés par rapport à cette position idéale influe peu sur leurs performances.

Les champs de capteurs sont raccordés en série, en parallèle ou en montage série/parallèle. Quel que soit le couplage hydraulique, il faut veiller à ce que chaque batterie de capteurs soit équipée de vannes de réglage à mesure de débit permettant l’équilibrage et le sectionnement.

Par ailleurs, la libre dilatation entre les canalisations de l’ensemble du champ de capteurs doit être assurée, avec par exemple la mise en place de lyres de dilatation. L’ensemble des canalisations extérieure doit comporter un calorifuge adapté et résistant aux UV.

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