Pour couvrir tous les besoins de chaleur d'une maison grâce au soleil, trois éléments sont à réunir : de très faibles besoins, une énorme surface de capteurs thermiques et un volume de stockage saisonnier important.
La forte réduction des besoins de chauffage en construction neuve permet d'utiliser l'énergie solaire thermique toute l'année pour couvrir plus de 90 % des besoins, grâce au stockage de chaleur saisonnier.
Sous le futur régime de la RT 2012, soit dès le 1er janvier 2011 pour les bureaux et les logements en zones ANRU (1), puis dès le 1er janvier 2012 pour tous les autres bâtiments, les besoins de chaleur pour le chauffage seront de l'ordre de 10 à 15 kWh/m².an pour des bâtiments de bureaux et de 15 à 20 kWh/m².an en logement. Les bâtiments les plus performants qui viseront le niveau « énergie positive », auront des besoins de chauffage inférieurs à 10 kWh/m².an. Dans ces conditions, il devient possible de couvrir les besoins de chauffage exclusivement, ou presque, grâce à l'énergie solaire. Reste la production d'eau chaude sanitaire (ECS). Dans un bâtiment de bureaux où les très faibles consommations sont limitées au lavage des mains, ce n'est pas un problème. Le GIE « Enjeu Energie Positive » les évalue à 5 l à 50 °C par personne et par jour, soit 0,22 kWh/personne.jour.
En revanche, en présence d'un restaurant d'entreprise dans le bâtiment ou en logement, la consommation de chaleur pour l'ECS sera plus importante que pour le chauffage. Les niveaux de température requis pour le chauffage et la production d'ECS sont différents. Le chauffage peut être conçu et dimensionné pour fonctionner à basse température, c'est-à-dire avec un départ à 40 °C pour la température de base (- 5, - 7 ou - 10 °C selon les zones climatiques). En revanche l'ECS doit être distribuée à 50 °C jusqu'au point de puisage selon la réglementation française.
Stockage de chaleur sensible
L'idée du stockage de chaleur saisonnier alimenté à partir de l'énergie solaire n'est pas nouvelle. Elle a été mise en œuvre à de nombreuses reprises. Au Danemark, la ville de Ballerup utilise un réseau de chauffage urbain alimenté par des stockages solaires saisonniers depuis le début des années 90. La ville de Munich s'est équipée d'une solution analogue en 2008. Sonnenhaus, un constructeur allemand de maisons, en fait son cheval de bataille. Les organisations internationales s'en préoccupent, notamment la Tâche 32 Heat Storage de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) dans le programme Solar Heating and Cooling (SHC). Aujourd'hui, nous savons stocker la chaleur solaire sensible : c'est-à-dire réchauffer l'eau dans un énorme ballon (ou plusieurs) durant l'été et puiser la chaleur pendant l'hiver pour chauffer et produire l'ECS. Cette technologie fiable et éprouvée présente deux inconvénients, à savoir un volume et un poids importants. Le stockage est soit implanté verticalement au milieu du bâtiment, soit enterré à proximité immédiate. Un laboratoire suisse a développé et standardisé un concept nouveau de système solaire combiné (chauffage ECS) avec stockage saisonnier, nommé Maxlean. Il s'agit d'une installation avec une cuve de stockage sans pression et une distribution à débit variable. Un algorithme original d'optimisation permet de trouver rapidement les dimensionnements optimaux pour les capteurs solaires et le stockage, sous des contraintes de coût global donné. Pour des applications commerciales immédiates, les principes de construction de bâtiments avec stockage de chaleur saisonnier sont codifiés par le Sonnenhaus Institut allemand.
Chaleur latente, sorption, stockage chimique
En 2008, l'Agence nationale de la recherche a lancé un appel à projets sur le stockage de chaleur. Les travaux ne sont pas rendus, mais 3 directions sont envisagées : le stockage par chaleur latente, par sorption et le stockage chimique. Le stockage exploitant la chaleur latente repose sur l'énergie mise en jeu lors de la transition de phase d'une matière, par exemple de l'état solide à l'état liquide. La transformation inverse - de liquide à solide - libère sous forme de chaleur l'énergie emmagasinée au cours de la première transformation. Les matériaux possibles, dits à changement de phase, sont notamment la paraffine et le sodium d'acétate enrichi de graphite. Une analyse de cycle de vie montre une limite de ces technologies : l'énergie nécessaire pour produire ces composants, la nécessité d'utiliser des cuves et des réseaux en acier inoxydable gomme tout avantage en termes d'énergie consommée, par rapport à un stockage d'eau classique de même puissance. Le stockage par sorption recouvre l'absorption liquide/gaz, l'adsorption solide/gaz et la réaction chimique entre un gaz et un solide. Les avantages attendus sont une forte réduction des volumes à quantité de chaleur stockée égale. L'une des technologies testée est similaire à une pompe à chaleur thermique avec la soude et l'eau comme fluides de travail. Le principe du stockage chimique est simple et se prête bien au stockage de longue durée. La chaleur solaire est utilisée pour séparer chimiquement deux composants, qui lorsqu'ils sont seuls peuvent être stockés indéfiniment. Leur réunion produit de la chaleur. Dans la pratique, le processus est très loin d'être maîtrisé. Aucune de ces trois pistes ne sera commercialement exploitable avant plusieurs années. Pour l'instant, le stockage de chaleur sensible dans l'eau, joint à la forte réduction des besoins, constituent la seule option praticable.
