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Equipements techniques Récupération et recyclage pour consommer mieux et moins

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Equipements techniques Récupération et recyclage pour consommer mieux et moins

Mise au point par Systaïc, la couverture énergétique répond à la question de l'intégration des panneaux en toiture. En plus de la production d'électricité, le système assure l'étanchéité d'un pan entier de toit et comprend rives, faîtage, chéneau ainsi que les accessoires nécessaires à la gestion des accidents de toits. (Docs. Systaïc.)

Le développement actuel des équipements techniques concerne l'amélioration de leur efficacité énergétique. Ce mot d'ordre se retrouve dans tous les secteurs, du photovoltaïque à l'éclairage, en passant par la ventilation ou les systèmes thermodynamiques. La récupération touche les EP dans une optique de réutilisation directe et de lissage de leur évacuation dans les réseaux.

Depuis plusieurs mois, la filière française l'attendait : les nouveaux tarifs d'achat de l'électricité photovoltaïque ont été annoncés en septembre dernier dans un projet d'arrêté du ministère de l'Ecologie, de l'Energie, du développement durable et de la Mer (Meeddm). Les tarifs s'organisent en trois groupes : prime d'intégration au bâti, prime d'intégration simplifiée au bâti et un troisième pour les installations au sol. Désormais, pour les installations bénéficiant de la prime d'intégration au bâti, c'est-à-dire les éléments qui assurent le clos, le couvert et l'étanchéité, le kWh est vendu à 60,176 c d'euros. Pour les panneaux installés sur les bâtiments non clos, on parlera d'une prime d'intégration simplifiée au bâti de 45 c/kWh. La puissance minimale pour être éligible à ce tarif étant de 3 kWc, il sera nécessaire d'installer 25 m2 de panneau en toiture pour en bénéficier. En moyenne, il est nécessaire de disposer de 10 m2 de panneaux photovoltaïques pour produire 1 Wc (Watt crête), qui correspond à la puissance mesurée dans des conditions conventionnelles : température ambiante de 21 °C, température surfacique des panneaux de 28 °C et une puissance d'ensoleillement reçue de 800 W/m2. Cette disposition est surtout prévue pour les agriculteurs ou les industriels disposant de vastes hangars susceptibles d'être équipés de panneaux photovoltaïques. Ce tarif intermédiaire pour les installations simplifiées va permettre de couvrir des parkings et autres grandes surfaces disponibles. Pour les autres installations, telles que les centrales au sol par exemple, le tarif s'élève à 32,823 R c/kWh, dans lequel R est une modulation en fonction des régions. Cette modulation est comprise entre 1 pour la Provence et 1,2 pour le Nord-Pas-de-Calais.

Depuis quelques années, le solaire photovoltaïque connaît un boom important avec un taux de croissance qui varie entre 30 et 130 %. Actuellement en France métropolitaine, il y a autant de demandes de raccordements au réseau qu'il existe de systèmes déjà installés, ce qui représente environ 25 000 systèmes raccordés au réseau pour 20 000 systèmes en attente. En revanche, en terme de puissance, les données ne sont pas les mêmes, puisque pour 100 MW installés, il y a 1 000 MW en attente. Cette différence s'explique aussi bien par les systèmes incitatifs mis en place par l'Etat que par les récents développements de l'industrie photovoltaïque et l'amélioration des techniques.

Les cellules photovoltaïques employées, à base de silicium, dépendent de leur process de fabrication. Dans les deux cas, le silicium est fondu puis versé dans un moule. S'il est refroidi naturellement, on obtient un seul cristal par lingot (monocristallin). Si le refroidissement est forcé pour gagner du temps, on obtient une multitude de cristaux par lingot, c'est le silicium polycrystallin. Les cellules monocristallines, plus homogènes, affichent en général des rendements de 16 à 19 %, supérieurs à ceux des cellules polycristallines qui sont compris entre 14 et 15 %.

L'autre technologie est celle des couches minces. Elle consiste à déposer sous vide sur un substrat, tels le verre, le métal ou le plastique, une fine couche uniforme composée d'un, et plus souvent, de plusieurs matériaux réduits en poudre. Le processus de déposition est effectué soit par un bain chimique, soit par un bain gazeux, ce qui permet d'utiliser moins de matière première. Les plus répandues utilisent du silicium amorphe. Le rapport entre l'énergie électrique produite et l'énergie solaire captée est inférieur à celui des cellules mono ou polycristallines (entre 5 et 13 %), mais cette technologie est aussi beaucoup moins coûteuse. Sa part de marché est d'ailleurs passée de 2 à 10 %. En matière de couches minces, les recherches s'orientent sur la réalisation d'usines clé en main, dans lesquelles les process de fabrication sont intégralement automatisés, ce qui permettrait d'augmenter le rendement grâce à la suppression des impuretés.

Concentrer l'énergie pour améliorer le rendement

Une évolution à moyen terme devrait provenir des modules à concentration. Les modules standard à base de silicium ne sont pas adaptés à cette technologie. Il est nécessaire d'utiliser des matériaux spécifiques, tels que l'arséniure de Gallium (Ga-As) dont la pureté et l'homogénéité sont plus adaptées à la présence d'une lentille de Fresnel. Ce dispositif permet de concentrer jusqu'à 300 fois, voire 1 000 fois en théorie, le rayonnement solaire. Le surcoût important du module est compensé par la puissance supplémentaire produite. Il sera ainsi possible de réduire les dimensions des panneaux, proportionnellement à la concentration de la lentille. Actuellement, une entreprise italienne arriverait en phase de production industrielle pour cette technique.

L'autre axe de recherche pour augmenter le rendement des panneaux consiste à modifier les connections sur la cellule elle-même. En effet, sur la plupart d'entre eux, les liaisons électriques sont sur les deux faces. Or les liaisons exposées au soleil font de l'ombre aux cellules et diminuent la puissance crête. Il existe depuis peu des cellules à liaisons arrière sur lesquelles les connexions électriques se trouvent en sous-face mais leur fabrication reste difficile à industrialiser. C'est le cas également pour les modules transparents, dont les connexions sont déportées en périphérie. Ces solutions pourraient être intéressantes si elles sont mises en œuvre sur des parkings ou en façade, afin d'accroître la récupération d'énergie.

En attendant l'arrivée de ces techniques, le marché du photovoltaïque se structure. Conséquence logique, les maîtres d'ouvrage sont mieux informés et plus exigeants sur la qualité des produits et leurs rendements. Ils s'informent donc sur la pérennité des performances des panneaux. En général, les industriels garantissent 90 % de la puissance nominale après 10 ans et 80 % après 20 ans. De même, la production varie en fonction de la température surfacique du panneau : plus elle est élevée et moins le panneau produit. Un problème d'autant plus important pour les installations intégrées au bâti, moins ventilées en sous-face.

Quelles solutions contre les feux d'origine électrique

Dans le même temps, le Cstb reçoit de nombreuses demandes d'agréments. De nombreux Avis techniques et Pass innovation devraient être disponibles d'ici à la fin de l'année 2009. Pour l'instant, six marques disposent d'un Avis technique et trois d'un Pass innovation (1). Parallèlement, les premiers retours d'expérience sur les panneaux en œuvre apparaissent. Outre le rendement ou l'installation, c'est la question de l'incendie qui préoccupe la filière photovoltaïque aujourd'hui. Il ne s'agit pas de problèmes inhérents aux panneaux eux-mêmes ou à la connectique qui causerait un incendie mais plutôt d'arrêter l'incendie d'une construction équipée de panneaux photovoltaïques. L'arrosage de la toiture et des panneaux risque de générer un arc électrique dangereux pour les pompiers. Les précautions à prendre consistent pour l'instant à placer les connecteurs au plus près des panneaux afin de pouvoir les isoler tout en mettant le réseau hors tension. Les techniques pour lutter contre les feux d'origine électrique sont connues. Il est possible d'utiliser des mousses par exemple ou d'envisager de bâcher une toiture. Ces méthodes requièrent toutefois une logistique particulière, difficile à mettre en œuvre en milieu urbain. Les industriels du secteur réfléchissent avec les professionnels du feu afin de mettre au point des solutions adaptées à cette problématique.

Leds : le virage technologique

Autre difficulté : le vol. Si certains faits divers ont défrayé la chronique ces derniers mois, cette question reste anecdotique. Mélodie de l'Epine, chargée de mission photovoltaïque chez Hespul, estime simplement qu'il s'agit d'un « faux problème ». Outre la durée nécessaire pour le démontage d'un panneau, il existe déjà des fixations par l'intérieur, qui sont donc inaccessibles à une personne qui agirait depuis le toit. « Lorsque nous avons procédé à un changement de panneaux pour nos locaux, l'installateur a eu besoin de très longtemps pour le démontage. Chaque vis avait été collée lors de la fixation ».

Amélioration des rendements, diminution des coûts et marché en plein essor sont les mots clés qui résument les tendances en matière de photovoltaïque aujourd'hui. Cette technologie apporte effectivement de nombreuses réponses aussi bien en termes de bilan carbone que d'efficacité énergétique. Couplée à d'autres énergies renouvelables, comme le solaire thermique ou l'éolien, il est possible de répondre à tous les besoins d'une construction. D'autant plus si ces besoins sont réduits. Pour l'éclairage, le législateur a déjà tranché avec la fin annoncée des ampoules à incandescence très gourmandes en énergie. Depuis septembre 2009, les ampoules à incandescence et halogènes non claires (dépolies, opales, blanches, etc.) sont interdites. C'est le cas également des ampoules à incandescence de 100 W. Globalement, il s'agit de privilégier toutes les meilleures classes énergétiques et de faire disparaître d'abord les produits de classe F et G. La plupart des fabricants ont anticipé ces exigences réglementaires. Ainsi, Philips a retiré du marché depuis le 1er juillet 2009 ses appareils fluorescents équipés de ballasts ferromagnétiques, tout comme les tubes fluorescents dits « blanc industrie » qui consomment 10 % d'énergie en plus par rapport à un tube fluo à haut rendement, pour un même éclairage.

Dépenses d'électricité réduites de 75 %

Afin de réduire les consommations d'énergie et d'accroître l'efficacité de l'éclairage, les tubes fluorescents T5 équipés de ballasts électroniques constituent une solution adaptée d'éclairage pour le tertiaire, les bâtiments commerciaux et industriels. Ces tubes de 16 mm de diamètre existent depuis les années 1990, mais s'imposent aujourd'hui dans les constructions. Dans la famille des tubes fluorescents, eux seuls répondent aux exigences de la démarche HQE. Ils affichent en effet, une puissance de 7 W/m2, quand les cibles HQE préconisent 12 W/m2. Cette solution peut également être combinée à des détecteurs de présence ainsi qu'à des cellules photoélectriques qui régulent l'éclairage en fonction de la lumière naturelle. Par rapport à des tubes fluorescents équipés de ballast ferromagnétiques, l'association de ces trois systèmes (ballast électronique, détecteur de présence et cellules photoélectriques) peut réduire les dépenses d'électricité de 75 % au maximum. Changer simplement les ballasts apporte une réduction de 20 %.

Mais le véritable virage technologique s'opère avec l'avènement des Leds, ou diodes électroluminescentes. Ces semi-conducteurs révolutionnent la façon de concevoir l'éclairage. Avec une durée de vie de 50 000 heures, soit environ 15 ans, ces appareils s'apparentent désormais davantage aux éléments de second œuvre. Les Leds modifient la façon de concevoir l'ambiance, grâce à leurs formes, leurs dimensions et la variété de couleurs qu'elles offrent. Les variations s'opèrent au niveau des teintes, avec des éclairages rouge/vert/bleu, comme au niveau des températures de couleurs, qui permettent depuis peu d'obtenir une palette de blancs. En effet, à l'origine une Led ne diffuse pas une lumière blanche. Sa couleur dépend des matériaux qui la constituent. Pour obtenir une lumière blanche chaude, équivalente aux halogènes ou à la lampe à incandescence, le mélange est complexe et se fait au détriment de l'efficacité énergétique. « L'efficacité de la Led en général n'est pas encore au niveau de la fluorescence. D'autant que toutes les couleurs n'ont pas la même efficacité énergétique », relève Yves Robillard, président du Syndicat de l'éclairage et directeur général France de Thorn. Une Led montée dans un appareil d'éclairage fournit aujourd'hui en moyenne 60 lm/W, contre 100 lm/W pour une lampe fluorescente de type T5 mais d'autres paramètres doivent être pris en compte pour que la comparaison soit juste.

« Aujourd'hui, une Led basique, blanche, de mauvaise qualité donnera une lumière. bleue avec un indice de rendu des couleurs très médiocre, poursuit Yves Robillard. D'où l'intérêt de structurer ce marché qui, comme tout secteur émergent avec une technologie en plein essor, risque de se développer anarchiquement, avec son corollaire de contre-référence et de produits de mauvaise qualité. Il est nécessaire de ne pas galvauder les Leds, surtout quand leur potentiel technologique laisse penser qu'elles constituent l'éclairage de l'avenir. » En France, le Syndicat de l'éclairage et l'Association française de l'éclairage participent à l'élaboration de la réglementation les concernant.

Éclairage fonctionnel en tertiaire avec des Leds

Depuis quelques mois, des solutions d'éclairage fonctionnel utilisant des Leds arrivent sur le marché. Depuis l'immeuble Générali des Champs-Elysées, équipé uniquement d'un éclairage à base de Leds, le marché de l'éclairage général de bureaux s'ouvre. Plusieurs marques proposent déjà des luminaires à base de Leds, tels que le Luxspace chez Philips, qui consomme 19 W avec une couleur de lumière de 3 000 K pour un blanc chaud ou de 4 000 K pour un blanc plus froid. La marque développe toute une gamme d'éclairage à base de Leds. Tout comme Thorn qui après avoir lancé le Base led en début d'année, proposera bien tôt le Cruz led. Un luminaire encastré gradable de 20 à 100 %, avec un indice de rendu des couleurs (IRC) supérieur à 94 et des températures de couleur de 2 700 °K ou de 3 500 °K.

Malgré son prix (30 e pour une Led, contre 1 e pour une ampoule incandescente et 8 e pour une fluocompacte), la Led est en train de supplanter toutes les solutions conventionnelles d'éclairage dans le bâtiment. Elle apporte des perspectives inédites aux architectes : le tube fluo qui conférait par sa forme linéaire une orientation à la construction est en passe d'être remplacé par les Leds et leur éclairage en forme de points. En extérieur, elles remplacent déjà les illuminations et le balisage où elles apportent la juste quantité de lumière plus concentrée et au bon endroit. La façon de mettre en valeur les façades au cours de la nuit a ainsi complètement changé. Si leur efficacité énergétique augmente d'environ 50 % tous les 18 mois, les limites résident dans la dissipation thermique. La taille d'une Led est tellement petite (1 mm2) qu'elle émet peu de chaleur. En revanche, il est nécessaire de prévoir environ 10 cm2 pour dissiper ces calories. La solution la plus fréquente consiste à utiliser de la fonte d'aluminium au design travaillé. Philips travaille avec un fabricant de polymère pour recourir à un matériau différent capable d'assurer la dissipation thermique, moins lourd et offrant davantage de coloris. Autre avantage : les Leds fonctionnent en très basse tension, avec 24 V continu, le semi-conducteur est donc parfaitement compatible avec l'électricité photovoltaïque. Si la technique mérite d'être perfectionnée, elle va dans le sens du couplage des énergies renouvelables et de l'efficacité énergétique.

Coupler ventilation et confort thermique

À plus long terme, soit d'ici 4 à 5 ans, on devrait voir arriver sur le marché les oleds, ou Leds organiques. Les oleds fonctionnent par le passage de l'électricité directement à travers une ou plusieurs couches de semi-conducteurs organiques. Ces couches sont prises en sandwich entre une source de charges électriques négatives d'aluminium et une source de charges électriques positives d'oxyde d'aluminium étain. L'ensemble des couches est attaché sur un substrat, qui peut être une feuille de verre ou n'importe quel matériau transparent. Lorsque le courant passe par la couche d'aluminium, il conduit à la source des charges positives à travers le film organique. Lorsqu'il passe par le film, celui-ci émet de la lumière. Des dalles de plafond, des cloisons etc. sont à l'étude dans les laboratoires. Ces nouveaux éléments ouvrent les possibilités créatives.

Avec une isolation et une étanchéité à l'air renforcée, les bâtiments conformes aux exigences de la RT 2012 auront besoin d'une ventilation performante. Si les économies de chauffage sont une priorité pour réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère, le confort d'été est également important. Le bâtiment basse consommation ne pourra pas se développer si les occupants imaginent que c'est inconfortable. Avec des bâtiments de plus en plus étanches, les constructions risquent d'être invivables l'été quand il sera nécessaire d'évacuer les calories. Des équipements qui dégagent peu de chaleur, tels que les Leds vont constituer une partie de la solution. Et la ventilation sera essentielle, non seulement pour le confort des occupants, mais aussi pour la qualité sanitaire de l'air intérieur et afin de préserver la pérennité du bâti.

En résidentiel neuf, Aldès propose déjà une solution de ventilation qui prend en compte économie d'énergie en hiver et confort d'été. La marque, qui a pris une participation majoritaire dans Airpac International, fabricant de pompes à chaleur, vient de lancer deux produits dans son activité baptisée « températion » : les systèmes de ventilation T Zen et T Flow sont capable d'assurer quatre fonctions : ventilation (avec maîtrise de la qualité de l'air), chauffage, rafraîchissement et production d'eau chaude sanitaire (ECS). Systèmes à double flux, les produits de la gamme T Zen 300 et 3 000 assurent ventilation, chauffage et rafraîchissement. Les systèmes T Zen 400 et 4 000 fournissent en plus de l'ECS. Les versions 3 000 et 4 000 intègrent un module de chauffage qui comprend des résistances électriques, capables de réguler le chauffage, pièce par pièce. « L'électricité sert seulement d'appoint. L'essentiel de la production est centralisée au niveau de la pompe à chaleur », précise François Chardon, responsable marketing métier produits chez Aldès. Le T Flow fonctionne en ventilation simple flux.

Sa version 100 intègre un ballon d'eau chaude thermodynamique qui récupère l'énergie de l'air et le modèle 200 est une VMC simple-flux qui utilise l'énergie sur l'air extrait pour produire de l'eau chaude sanitaire. Ces différentes versions devraient faciliter l'intégration de ces systèmes en rénovation, notamment en remplacement d'une VMC autoréglable. Si certaines références sont déjà lancées, l'intégralité de la gamme sera disponible au premier semestre 2010.

Pour la rénovation toujours en résidentiel, l'industriel présentera sa solution de ventilation pièce par pièce, couplée au changement des fenêtres. Il s'agit de produits qui ont été développés dans le cadre du projet Mitech (2). En rénovation, la tendance est de passer sur des VMC autoréglable lorsque l'installation est techniquement possible. Là où ce type de matériel est déjà en place, il est souvent assez simple de mettre en place une VMC hygro, voire d'opter pour un système double flux avec récupération de chaleur, afin d'allier qualité de l'air et économies d'énergie. Pour que les économies d'énergie soient réelles, il est nécessaire d'avoir un rendement important, de l'ordre de 90 % afin de compenser les pertes de charges sur les échangeurs et l'énergie consommée par les ventilateurs.

Réutiliser les eaux pluviales sur la parcelle

Proposer des produits capables à la fois d'assurer la ventilation, le chauffage, le rafraîchissement et l'ECS préfigure les appareils de demain. Les industriels travaillent de plus en plus au couplage des énergies, renouvelables ou non, pour apporter le confort à un moindre coût. Depuis plusieurs années, les pompes à chaleur peuvent s'installer en relève d'une chaudière existante. Elles assurent ainsi la fourniture de chauffage tout au long de l'hiver, sauf les jours les plus froids, où la chaudière prend le relais, limitant ainsi l'utilisation d'énergies fossiles.

Depuis peu, elles produisent de l'eau à haute température qui peut servir au préchauffage ou au chauffage de l'eau chaude sanitaire. Ces matériels s'améliorent afin d'afficher un coefficient de performance (COP) saisonnier plus élevé que le COP nominal de 3,3 nécessaire pour bénéficier du crédit d'impôt. À plus long terme, pour les constructions BBC ou à énergie positive, des puissances plus faibles suffiront pour répondre aux besoins réduits de bâtiments bien isolés. Moins puissants et plus petits, les matériels s'intégreront plus facilement. En été, les Pac réversibles pourront assurer un confort supplémentaire avec la climatisation. Grâce à la thermodynamique, le bénéfice de climatisation sera gratuit : les mêmes calories servant à climatiser l'ambiance et à chauffer l'eau.

Enfin, depuis la publication de l'arrêté du 21 août 2008 relatif à la récupération des eaux de pluie et à leur usage à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments, ces techniques se développent. En substance, le texte autorise la récupération d'eau sur des toitures non accessibles. Il précise les usages autorisés : lavage des sols, WC, arrosage des espaces verts et, à titre expérimental, utilisation en lave-linge. Pour la plupart des usages, la seule transformation à prendre en compte à l'échelle du bâtiment est de prévoir l'espace de la cuve. En général, il s'agit de fosses septiques en matériau plastique. « Comme cette cuve peut être complètement vide, il est nécessaire de vérifier sa tenue dans cette éventualité », souligne Abdel Lakel, chercheur au Cstb et spécialiste de l'épuration. Un problème qui ne se pose pas avec les cuves en béton. En revanche, l'utilisation d'EP pour le lave-linge nécessite un double réseau (eau potable, eau pluviale) et une filtration plus poussée que les accessoires de pré-traitement ou de rétention des matières grossières. Il peut s'agir d'un filtre à sable ou d'un filtre à UV.L'autre problématique concerne la gestion de l'eau au niveau de la parcelle. L'enjeu est d'éviter les à-coups hydrauliques sur le réseau de récupération. Les solutions consistent soit à infiltrer l'eau de pluie dans le sol, soit à la stocker au niveau de la parcelle pour ensuite la restituer lentement sur le réseau. Afin d'étudier l'eau à l'échelle de la parcelle, le Cstb vient de se doter d'un nouvel outil sur son site de Nantes avec l'Aquasim (voir encadré). Ce laboratoire à l'échelle 1 permettra d'analyser le cycle complet de l'eau de sa récupération à son rejet.

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