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Energie solaireLe thermique

Diaporama réalisé à partir des publications du SER de mai 2010

Patrick MONASSIERUniversité Lyon 1Faculté des Sciences et TechnologiesMaster ERGE3

Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2

Le solaire thermique dans le monde

Le solaire thermique en France

Les applications du solaire thermique

Les technologies du solaire thermique

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Le thermique

Sommaire


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.


Les objectifs européens à l’horizon 2020

L’ESTIF, la fédération des industriels européens du solaire thermique, estime que le parcsolaire 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 lesbesoins en eau chaude sanitaire et en chauffage de plus de 50 millions de foyerseuropéens.

La Chine dispose du premier parc solaire thermique

Avec 101,5 GW de puissance totale installée, la Chine est largement en tête des paysproducteurs de chaleur d’origine solaire : fin 2009, elle représentait 58,9 % du parc. En2009, 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 de15 GW. Les capteurs solaires y sont essentiellement destinés au chauffage de l’eau despiscines, à la ventilation des bâtiments commerciaux et industriels, au chauffage par airet aux applications spécifiques du secteur agricole. Pour tous ces usages, c’est latechnologie des capteurs non-vitrés qui est utilisée : il s’agit de tubes noirs accolés lesuns aux autres.


Afrique : Namibie, Afrique du Sud, Tunisie, Zimbabwe - Asie : Inde, Corée du Sud, Taïwan, ThaïlandeAmérique Centrale et Amérique du Sud : Barbades, Brésil, Chili, Mexique, Uruguay - Europe : Union Européenne (27 pays), Albanie, Macédoine, Norvège, Suisse, Turquie - Moyen-Orient : Israël, Jordanie

En terme de pénétration du marché –puissance thermique installée pour 1000habitants – Israël se classe troisième mondialen 2009, derrière Chypre et l'Autriche, avec25,8 kW pour 1000 habitants.


Le cas de l'Europe

En 2010, le marché européen du solaire thermique s'est élevé à 2,6 GW, soit une surface decapteurs de 3,69 millions de m2. L’ESTIF prévoit un développement considérable du secteurdans les années à venir, en particulier sur le pourtour méditerranéen. Le marché européen esttrès diversifié, le solaire thermique y est utilisé pour l'eau chaude, le chauffage, la climatisationet le refroidissement.


Un gisement solaire particulièrement favorable : La France dispose du cinquième gisement solaire européen.


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.


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 diminutiondu marché annuel de 15 %. Le Plan Soleil, mis en place par l’ADEME en 1999, apermis un démarrage du marché des CESI (chauffe-eau solaire individuel) en France. Dequelques centaines d’installations en 2000, les ventes ont dépassé les 15 000 en2005.

La forte augmentation du marché à partir de 2005 correspond à la mise en place ducrédit d’impôt de 40 % pour les particuliers, porté à 50 % pour la période2006-2009, auquel s’ajoutent des aides à l’investissement au niveau régional et deplus en plus au niveau local. Le système de soutien français est ainsi devenu, enquelques années, un des plus attractifs de l’Union Européenne.


La répartition du solaire thermique français

En 2010, près de 179 MW (256 000 m2) ont été installés en métropole. Le marchéfrançais représente environ 7 % du marché européen. La particularité du marchéfrançais tient à son développement plus important que chez ses voisins du solairethermique collectif. Le dispositif Fonds Chaleur lancé en 2009 a déjà permis desoutenir financièrement de nombreux projets de solaire collectif et de contribuerà la croissance de ce marché.


CESI - chauffe-eau solaire individuel SSC - système solaire combiné


Une filière professionnelle qui s’organise

Fondée début 2006, Qualit’EnR est l’association pour la qualité d’installation dessystèmes à énergies renouvelables. Elle intervient pour la promotion de la qualitédes prestations des installateurs et gère les dispositifs qualité Qualisol, QualiPV etQualibois. Qualisol est l'appellation pour la qualité d'installation des systèmessolaires thermiques de type CESI. Qualisol inclut le Club Qualisol Combi pour lesSSC.

Créée en 1999 par l'ADEME, dans le cadre du Plan Soleil, Qualisol fédèreaujourd'hui près de 8 000 installateurs. Au niveau de la qualité des produits, lamarque NF CESI créée en 2010 permet de garantir les bonnes performances dessystèmes.

CESI - chauffe-eau solaire individuel SSC - système solaire combiné


La production d’eau chaude sanitaire

Les chauffe-eau solaires individuels (CESI)

Issus de technologies en constante amélioration depuis plus de vingt ans, lesCESI sont des équipements robustes et fiables. Sous les climats méditerranéensou tropicaux, le montage en thermosiphon (sans pompe de circulation, ballonplacé au dessus des panneaux) est bien adapté ; le montage avec circulationforcée et chauffage d’appoint est la version la plus courante en Francemétropolitaine où les CESI couvrent entre 50 et 80 % des besoins en eau chaudesanitaire des foyers.

Les chauffe-eau solaires collectifs

Le principe du chauffe-eau solaire individuel peut être étendu à desconsommations plus importantes d’eau chaude sanitaire : gîtes ruraux,restaurants, immeubles,gymnases, hôpitaux… On parle alors de chauffe-eau solaires collectifs. Leurfonctionnement est sensiblement identique à celui des chauffe-eau individuels.


Les chauffe-eau solaires collectifs (suite)

On distingue plusieurs solutions techniques permettant de fournir l’eau chaudesanitaire collective :

• Le chauffe-eau solaire collectif (CESC) : il comporte un ou plusieurs ballonscollectifs de stockage de l’énergie solaire. Dans ce cas, l’individualisation descharges est difficilement réalisable.

• Le chauffe-eau solaire collectif à appoint individuel (CESCAI) : il comporte un ouplusieurs ballons collectifs de stockage de l’énergie solaire et un appoint àaccumulation ou semi-instantané dans chaque logement. L’individualisation descharges est réalisable par compteurs d’eau individuels.

• Le chauffe-eau solaire collectif individualisé (CESCI) : ce schéma ne comporte niballon de stockage ni chaudière collectifs. Le circuit solaire distribue l’énergiesolaire aux ballons de stockage individuels dans chaque appartement parl’intermédiaire d’un échangeur incorporé à chaque ballon. L’individualisation descharges est totale.


Les modes de montages des CESI (chauffe-eau solaire collectif individualisé)


La production de chauffage et d’eau chaude sanitaire

Outre la production d’eau chaude sanitaire, l’énergie solaire peut aussi couvrir unepartie des besoins de chauffage des bâtiments. On parle alors de systèmes solairescombinés (SSC).

Dans les systèmes du type plancher solaire, la dalle de béton assure le stockage del’énergie et permet une diffusion de la chaleur au cours de la nuit. Les autressystèmes font intervenir un ballon de stockage et des émetteurs bassetempérature. En France, les SSC couvrent entre 10 % et 50 % des besoins en eauchaude sanitaire et en chauffage des foyers.


Le rafraîchissement solaire

Depuis les années 1970, on a souvent considéré, en France, que lerafraîchissement actif était un luxe inutile. Cependant, la canicule de 2003 et sesconséquences dramatiques sur la mortalité des personnes âgées a montrél’urgence de maîtriser le confort d’été, au moins dans les établissements de soinset les maisons de retraites.

Par rapport aux systèmes de climatisation classiques, le rafraîchissement solairepossède plusieurs avantages :

• il permet une meilleure gestion de l’énergie, avec une réduction des pointes deconsommation sur le réseau électrique et une économie d’énergie primaire

• il participe à la protection de l’environnement, avec la réduction des émissionsde CO₂, la réduction de l’emploi des fluides frigorigènes et la réduction des bruitsurbains

• il permet une réduction des coûts, avec une durée de vie importante et unefaible maintenance des équipements.


Le solaire thermique dans l’industrie

Si le solaire thermique se développe fortement dans l’habitat individuel et collectifaujourd'hui, le tertiaire et l’industrie restent cependant en retrait. Le potentiel dedéveloppement dans ces domaines est pourtant très important : le Fonds chaleurinstitué par la loi Grenelle permet le déploiement des systèmes solairesthermiques sur ces segments de marché.

Les systèmes hybrides

Associant pompes à chaleur et capteurs solaires thermiques non-vitrés, lessystèmes hybrides permettent de produire de l’eau chaude sanitaire pour lerésidentiel collectif ou le tertiaire (hôtels, restaurants, activités agricoles…) et dechauffer l’eau des bassins de piscine.

Mobilisant plusieurs sources d’énergies, ces systèmes tirent parti de toutes lessituations climatiques et fonctionnent toute l’année de manière autonome.


Les capteurs plans vitrés

Les capteurs les plus répandus sont des serres plates, similaires à des châssis dejardinier. L’apparente simplicité des équipements cache les exigences imposées à leursconstituants pour obtenir de bons rendements de conversion de l’énergie solaire. Ceux-ci décroissent avec la température du caloporteur.


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 lecircuit 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 nepermettent pas la production d’eau chaude sanitaire, sauf dans les pays chauds.


Les capteurs à tubes sous vide

Cette technologie permet d’annuler les pertes convectives dues à l’air. Àtempérature égale, ces capteurs possèdent un rendement supérieur auxcapteurs plans vitrés. Ils permettent aussi de conserver un rendementacceptable à une température proche de 100 °C, adaptée au couplage avec unemachine de rafraîchissement à absorption.


Les capteurs à air

Ils servent à augmenter la température de l’air de 5 à 10 °C en vue d’uneutilisation directe pour le chauffage, ou pour le séchage de produits agricoles.


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 non-vitrés à air, au Canada et aux Etats-Unis : pour le chauffage, la ventilation de bâtiments commerciaux ou industriels, et certaines applications agricoles.

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 :

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