La plus importante installation de refroidissement solaire (600 m2 de panneaux à tubes sous vide d'air) en Suisse a été inaugurée en 2008. Dans la majorité des cas, le solaire fournit environ un tiers des besoins en climatisation. (Doc Walter Meier.)
Réputée coûteuse et complexe, la climatisation solaire est devenue plus fiable et plus simple à installer. Des projets de toutes tailles voient le jour, mais l'industrialisation du procédé en est à ses débuts.
«Les machines frigorifiques sont des équipements fiabilisés depuis plusieurs années, mais ces systèmes demeurent toujours complexes, peu connus et très chers. Sur un chantier il arrive encore trop souvent que chacun se protège en surévaluant sa part. Le risque est de ne pas avoir assez de ressources pour finir correctement le travail », assène Daniel Mugnier, du BE Tecsol à Perpignan, pionnier du domaine. Le ton est donné. Pourtant depuis déjà deux décennies, les technologies de climatisation fonctionnant à partir d'une source thermique, ont été adaptées avec succès à l'énergie solaire. La pertinence de ce nouveau parti pris énergétique saute aux yeux. Les besoins en rafraîchissement sont d'autant plus importants que le temps est ensoleillé.
La climatisation solaire (ou plutôt le rafraîchissement solaire) est classée en deux grandes familles de technologies, dites ouvertes ou fermées, selon que l'air est refroidi en direct (par dessiccation) ou via la circulation en circuit fermé d'un réfrigérant (machine à sorption). La dessiccation (ou DEC pour Dessicant Evaporative Cooling) ne concerne qu'une petite minorité de projets. En France, il n'existe que de petits démonstrateurs comme celui qui a été installé en 2005 à des fins d'études dans la Maison des énergies de Chambéry. D'une puissance froide de 7 kWf, il est couplé avec 16 m² de capteurs plans vitrés. Les autres pays européens ont été plus audacieux avec des installations imposantes comme celle de la chambre de commerce de Fribourg (équipée dès 2001 de 100 m² de capteurs et d'une machine de 35 kWf, pouvant rafraichir jusqu'à 10 000 m³/h), celle du centre de recherche de Fiat à Turin (15 000 m³/h) ou celle du centre logistique d'Audi à Ingolstadt (8 000 m³/h). La dessiccation exploite un double échange de frigories et d'humidité entre les flux d'air entrant et sortant d'un bâtiment. L'air entrant est desséché par une roue dessicante rotative. Le produit dessicant (gel de silice, zéolite, ou chloride de lithium LiCl) est ensuite régénéré par un apport thermique solaire. Cette circulation à double flux est généralement assurée par une centrale de traitement d'air. Un atout de la technologie dessicante est de fonctionner avec une température assez basse pour la source thermique, typiquement, avec de l'eau entre 50 à 80 °C. Elle peut donc fonctionner avec des capteurs solaires thermiques, de type capteurs plans.
Machines frigorifiques à sorption
Sur le terrain, la quasi totalité des installations en France fonctionnent avec une machine à sorption, qui exploite les changements de phase d'un fluide frigorigène. La sorption du réfrigérant s'effectue sur un liquide absorbant, comme le bromure de lithium (LiBr) ou l'ammoniac. Contrairement à la climatisation traditionnelle, la compression du fluide caloporteur n'est pas mécanique mais thermique. Cette absence de mouvements mécaniques augmente la durée de vie des équipements et réduit leur bruit. Plusieurs centaines de systèmes de climatisation solaire à sorption ont été mis en service depuis vingt ans en Europe, l'Espagne étant la mieux équipée. Un grand nombre d'installations datant des années quatre-vingt sont hors service, pour des problèmes de fiabilité ou de défauts de maintenance. En France, une vingtaine d'installations sont actuellement en fonctionnement dont une dizaine à but pédagogique ou d'études. Pour un fonctionnement optimal, la température de l'eau utilisée pour la décomposition de l'eau et de l'absorbant doit être comprise entre 80 et 120 °C. Les capteurs à tubes sous vide sont quasi incontournables pour alimenter en chaleur les machines à absorption. La plus ancienne installation de climatisation solaire en fonctionnement en France est celle des caves de Banyuls près de Perpignan, mise en service en 1991. Une machine japonaise à absorption Yazaki de 50 kWf exploite la chaleur produite par 130 m² de capteurs à tubes sous vide. Plus récemment, d'autres machines Yazaki ont été installées : en 2003 au Cstb de Sophia-Antipolis (35 kWf) et en 2005 à la société Givaudan à Argenteuil (105 kWf), avec 300 m² de capteurs à tubes sous vide.
Ces dernières années, les constructeurs ont commercialisé des machines avec une puissance froide inférieure à 20 kWf, plus compactes, plus intégrées avec un haut niveau de préfabrication, et donc moins coûteuses. Ainsi, en 2007, deux machines Suninverse de SonnenKlima (filiale de Phoenix Solaire) ont été installées, l'une de 10 kWf au musée Haribo à Uzès, couplée à 50,4 m² de capteurs plans Phoenix, et l'autre de 13,4 kWf à la maison de retraite du Lac à Maclas. En 2008, le nouveau siège social de Sonnenkraft à Haguenau et l'IUT de Saint-Pierre sur l'île de la Réunion, ont été à leur tour pourvus de la dernière génération de machines à absorption, respectivement une Yazaki de 17.5 kWf et une Schüco de 30 kWf. L'année suivante, les programmes d'études s'accélèrent avec de nouvelles installations universitaires, à l'Ines (Institut national de l'énergie solaire) de Chambéry en collaboration avec le CEA-Liten (4,5 kWf), à l'Université de Corse à Vignola (35 kWf) et à l'Istab de Bordeaux (35 kWf). 2009 est aussi remarquable par l'inauguration de la très grande installation du Lycée HQE de Port-Louis (Guadeloupe) avec une surface de 435 m² de capteurs à tubes sous vide, et deux machines à absorption Yazaki de 100 et 170 kWf. « Outre les constructeurs reconnus comme Yazaki, York, Trane, Carrier, l'indien Thermax, le chinois Broad, ou le suédois ClimateWell bien implanté en Espagne, le marché voit arriver de nombreux nouveaux venus, avec pour certains, des produits qui ne sont encore qu'au stade du prototype », confie Fabien Ruiz, d'EDF Optimal Solutions.
De leur côté, les machines à adsorption, plus coûteuses, sont plus récentes sur le marché. Leur substance absorbante est solide (le gel de silicium par exemple) et elles peuvent fonctionner avec une température de l'eau à partir de 60 °C. En 2008, deux machines SorTech de 7,5 kWf ont été installées en France, pour des besoins pédagogiques et universitaires, sur le Campus Veolia à Jouy-le-Moutier et au laboratoire Promes du CNRS à Perpignan, dans le cadre du projet Solaclim. Le fournisseur de l'installation du Campus Veolia, Yann Denance de Solbeo défend l'adsorption : « Elle convient pour des installations de plus petite puissance et variables (5 ou 8 kWf). Cela correspond au marché de demain, celui de l'habitat individuel. Pour sa part, l'absorption est une technologie aboutie mais moins pertinente en dessous de 15 kWf. »
Une régulation complexe
Quelle que soit la technologie retenue, la climatisation solaire s'est fiabilisée. La complexité d'une installation réside dans la régulation des multiples circulations de fluides avec une source thermique variable et discontinue, boucle primaire pour l'apport de chaleur, boucle secondaire entre l'échangeur et le stockage d'eau chaude, circuit de refroidissement de la machine frigorifique, distribution de l'eau glacée. En outre, à l'inverse des Dom-Tom, la rentabilité nécessite une double exploitation des panneaux thermiques, chauffage l'hiver et climatisation l'été. Un bon fonctionnement d'une climatisation solaire s'avère délicat à garantir sur la durée, et la maintenance est contraignante. Il faut optimiser le refroidissement et la régulation (bonne gestion des priorités, plages de fonctionnement adaptées.), éviter les pertes thermiques et les pertes de fluides, limiter la consommation électrique, éviter la surchauffe en période estivale, se protéger contre le gel, etc. « Si l'un de ces paramètres varie, c'est toute la performance du système qui s'effondre. Tous les systèmes que nous installons sont instrumentés, pour faire de l'analyse et de la correction. Ce surcoût nous permet d'assurer une régulation du système à distance », admet Yann Denance.
En particulier, le dispositif de refroidissement est une spécificité de ces machines frigorifiques, qui produisent deux fois plus de chaleur à une température comprise entre 25 et 35 °C, qu'elles ne produisent de froid. L'évacuation de cette chaleur entraîne un risque sanitaire dans les grosses installations, où les tours de refroidissement sont soumises à déclaration préfectorale, du fait de la contamination possible à la légionellose. Pour les installations plus modestes, le dry-cooler s'impose. L'autre défi d'une installation qui se veut économe est de récupérer ces calories, ou au minimum de les évacuer sans consommation électrique additionnelle. Par exemple, la nouvelle installation de l'Ines de Chambéry teste la dissipation de chaleur par des sondes géothermiques.
6 000 euros le kW
Le coût d'investissement est un autre frein du procédé. Une climatisation solaire, pour les installations de plus de 50 kW froid, revient en moyenne entre 4 000 et 6 000 euros le kW, et pour moins de 50 kW entre 5 000 et 10 000 euros. Ce niveau est à comparer aux 800 euros du kW pour les systèmes classiques à compression mécanique. Ainsi, le constructeur italien Robür s'est retiré du marché des machines à absorption. Maurizio Rota, leur responsable du développement, avoue : « Dans notre expérience, les coûts engendrés par ces systèmes sont trop élevés pour être commercialement intéressants. » Pour Daniel Mugnier, ce sont les programmes publics de financement qui vont « permettre à la technologie de décoller. Dans le cadre d'Enerplan, un financement élevé sera disponible sur une nouvelle installation en contrepartie d'une Garantie de résultat solaire (GRS), avec un niveau de performance moyen minimum mesuré sur deux ans, comme un COP électrique supérieur à 5. » L'idée est de financer 5 à 6 projets nouveaux en 2010, puis une dizaine annuellement dans les années qui suivent. Une goutte d'eau dans le marché de la climatisation.
