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Photovoltaïque ou thermique, le solaire affiche une technologie de pointe

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Photovoltaïque ou thermique, le solaire affiche une technologie de pointe

Difficile d’estimer le temps qu’il faudra pour atteindre un prix compétitif du kWh par rapport à une énergie « conventionnelle ».

© (Doc. Clipsol.)

Production d’eau chaude, chauffage, climatisation ou production d’électricité… l’efficacité des capteurs solaires n’est plus à prouver. Des systèmes techniquement fiables qui s’intègrent de plus en plus à l’enveloppe du bâtiment.

Lutte contre les gaz à effet de serre oblige, la France s’intéresse de nouveau à l’énergie solaire. Notre pays qui fut l’un des pionniers dans ce domaine (Four solaire d’Odeillo) est aujourd’hui derrière certains de ses voisins européens. Alors que l’Allemagne, moins ensoleillée, annonce 10 millions de m2 posés pour 2010 (950 000 m2 en 2001), nous avons prévu d’installer 200 000 m2 de capteurs, sur la période 1999-2006 ! Sans qu’aucune remise en cause du nucléaire ne soit pensable avant longtemps, il semble que les mentalités changent progressivement et que l’idée d’une diversification énergétique mûrisse. Les objectifs fixés par la Communauté européenne – 21 % d’électricité d’origine renouvelable d’ici à 2010, contre 15 % aujourd’hui – devraient également encourager son développement. La recherche en la matière est incontestablement dynamique, la technologie fiable et les acteurs de la construction commencent à lui trouver des qualités, y compris en terme de rentabilité. Intégrés en façade ou en toiture, les panneaux solaires, photovoltaïques ou thermiques, deviennent même des éléments décoratifs, au même titre que les fenêtres de toits ou modénatures. En résumé, le solaire existe et apporte une réponse pertinente aux maîtres d’ouvrage et maîtres d’œuvre, pour peu qu’ils se l’approprient. Le seul inconvénient de ces systèmes réside dans leur coût relativement élevé du fait de l’absence de très grandes séries. Ces systèmes ne sauraient donc se développer actuellement sans aides telles que subventions et crédits d’impôts (voir encadré).

Une absence de pollution directe ou indirecte

Deux technologies évoluent en parallèle : le solaire thermique pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire et le solaire photovoltaïque pour la production d’électricité. Ces deux technologies sont de conception totalement différente. Dans la première, un fluide caloporteur (eau glycolée) s’échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un ­vitrage, puis transfère sa chaleur à l’eau sanitaire d’un ballon de chauffe, via un échangeur. Dans la seconde, des cellules dites photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil lorsqu’elles sont éclairées.

Le principe de cette énergie est, en effet, très simple : le matériau photovoltaïque transforme directement la lumière du soleil en électricité. Lorsque les cellules sont éclairées, elles produisent chacune 0,5 v. Le courant délivré ou obtenu dépend de la surface de la cellule et de l’ensoleillement. L’électricité produite sous forme continue est alors :

*soit stockée dans une batterie d’accumulateur puis délivrée en courant continu ou alternatif, voire les deux simultanément, via un onduleur. Une solution qui est mise en œuvre dans les sites ­isolés.

*soit connectée au réseau du fournisseur d’électricité et c’est le cas de figure le plus courant.

Ces avantages du photovoltaïque sont connus : absence de pollution directe ou indirecte, maintenance et réparation réduites, exploitation possible partout où la lumière est disponible et totalement modulable, taille des installations ajustable au gré des besoins. Atout supplémentaire : l’équipement de production est quasiment toujours installé à proximité du lieu de consommation, évitant ainsi les pertes de ligne. Lesquelles peuvent atteindre jusqu’à 15 % sur les grands réseaux électriques lorsque les lieux de production sont éloignés de plusieurs centaines de kilomètres des lieux de consommation.

Trois technologies de capteurs

Aujourd’hui, la quasi-totalité des cellules photovoltaïques utilisées dans le bâtiment sont constituées d’un matériau semi-conducteur, le silicium cristallin ou, plus rarement, le silicium amorphe. Par insertion d’atomes dits « dopants », une partie du silicium est chargée positivement, l’autre négativement. Sous l’effet des photons du rayonnement solaire, un mouvement de charge se crée pour donner de l’électricité. Trois technologies de capteurs se partagent le marché : monocristallin, polycristallin et couche mince. Les plus courants sont les modules mono et polycristallins. Ils se différencient par leur couleur, leur rendement et leur coût : les premiers, d’un bleu marine proche du noir, bénéficient d’un rendement supérieur à 16 % ; les seconds, de couleur bleu ciel, moins chers à la production, ont un rendement moyen de 14 %. Schématiquement, dans ces systèmes, le matériau photovoltaïque est disposé en cellules minces et plates découpées dans un lingot de silicium, puis connecté en série.

Quant aux capteurs à couche mince, ils bénéficient d’une fine couche uniforme, obtenue par projection de matériaux réduits en poudre sur le verre. Face à la pénurie de silicium, ces systèmes, aujourd’hui marginaux, pourraient se développer. En effet, cette technologie présente l’avantage de ne générer aucun déchet puisqu’il n’y a pas de découpage du silicium. Moins performants pour le moment, ils requièrent des superficies plus importantes. Pour cette raison, ils sont plutôt réservés à des bâtiments industriels ou au tertiaire. Des recherches sont en cours pour développer d’autres types de technologies : silicium amorphe, nouvelle génération de couche mince…

Intégration des panneaux dans l’enveloppe

Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires (0,5 à 3 m2) de quelques ­millimètres d’épaisseur, avec cadre aluminium ou non. Les cellules sont protégées par un verre trempé, protection contre la casse oblige. Cette génération de produits est concurrencée depuis quelques années par des systèmes plus élaborés, tels qu’ardoises, éléments de façades, tuiles intégrées à des modules photovoltaïques ou encore vitrages ou nappes d’étanchéité intégrant des cellules photovoltaïques. Ces technologies assurent une plus grande intégration des panneaux dans l’enveloppe du bâtiment et sont beaucoup plus esthétiques. En outre, certains sont beaucoup plus simples à mettre en œuvre, comme les tuiles photovoltaïques.

L’objectif d’un toit solaire ou d’une « centrale solaire » dans l’habitat individuel n’est pas forcément de couvrir la totalité des besoins en électricité. Dans la majorité des cas, elle permet d’en couvrir au moins 40 % (hors chauffage). L’unité photovoltaïque de base mise en œuvre a généralement une puissance de 1 kWc (1). Elle correspond à l’association optimale des panneaux et d’un onduleur, soit une surface de capteurs de l’ordre de 10 m2. La production énergétique, suivant la région où elle est installée, est de 1 000 kWh/an. Il est évidemment possible de coupler plusieurs systèmes identiques de 1 kWc pour constituer des centrales de 2 à 5kWc. Aujourd’hui, la taille la plus courante des centrales photovoltaïques installées est de l’ordre de 2,2 kWc, soit une surface de 20 à 25 m2 de capteurs suivant les régions.

Cinq modes de pose pour les panneaux

Suivant les technologies et les choix du maître d’ouvrage, plusieurs modes de pose sont possibles pour les panneaux :

* toiture-terrasse : les panneaux sont placés sur des supports leur conférant une orientation et une inclinaison optimales, tout en veillant à ce que les rangées de panneaux ne se fassent pas d’ombres les unes par rapport aux autres. Cette technique peut parfois poser des problèmes pour la préservation de l’étanchéité de la toiture. Si les percements sont impossibles, les panneaux sont fixés sur les parties verticales (acrotères, façade…).

* Par-dessus la toiture, dite pose surimposée, et à ce jour la plus fréquente. Les capteurs sont placés par-dessus la couverture existante. Il est nécessaire de prévoir un espace entre la toiture et les capteurs pour assurer une ventilation naturelle (écartement de 5 à 10 cm). Les panneaux sont fixés aux chevrons à l’aide de pattes inox qui se glissent sous les tuiles.

* En couverture intégrée : c’est le mieux du point de vue esthétique, mais c’est aussi le plus onéreux (jusqu’à 25 %). ­Cependant, l’arrivée sur le marché de produits comme les tuiles, ardoises ou panneaux de zinc photovoltaïque rendent beaucoup plus facile l’intégration dans la couverture et devrait générer une baisse des prix. À ­vérifier lors de la pose : l’étanchéité des jonctions entre panneaux et de la reprise entre panneaux et couverture.

* Intégration en façade : réservé à des bâtiments du secteur tertiaire ou à l’industrie, ce mode de pose est encore rare. Dans ces systèmes, les capteurs s’insèrent ­totalement dans la façade. Il existe des variantes lorsqu’ils sont placés sur la façade en brise-soleil. Cette solution n’est pas la plus performante, la perte de rendement étant de plus de 30 % par rapport à l’inclinaison idéale.

* Pose sur structure indépendante : à mettre en œuvre lorsqu’il n’y a pas d’autres possibilités. Attention aux problèmes esthétiques, de vandalisme ou aux risques de chocs.

L’absorbeur, la pièce maîtresse

Dans la technologie du solaire thermique – destinée à la production de chaleur pour l’eau chaude sanitaire, le chauffage des piscines jusqu’à la climatisation – il ne s’agit plus de produire de l’électricité mais de la chaleur. Cette dernière est récupérée grâce à un fluide caloporteur, qui s’échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement infrarouge de l’absorbeur en utilisant l’effet de serre. Ce vitrage permet, en outre, de limiter les échanges de chaleur avec l’atmosphère. Le capteur sera d’autant plus performant que le revêtement de l’absorbeur aura un coefficient d’absorption élevé et un coefficient d’émission faible. Les matériaux qui présentent ces caractéristiques sont dits « sélectifs ». On améliore également les performances du capteur en isolant la face arrière du module. Comme pour le photovoltaïque, les fabricants proposent désormais des capteurs à même de remplir la fonction de toit couvrant pour une meilleure intégration architecturale, de même que ceux reprenant l’esthétique des fenêtres de toit.

Les deux types de capteurs les plus répandus sont les plans et les tubulaires. Les premiers sont constitués d’une grille en tubes de cuivre soudés sur une feuille en tôle de cuivre, recouverte d’un revêtement sélectif, d’un coffre dont les côtés sont généralement en profilé d’aluminium, d’un fond en tôle d’aluminium, isolé par des panneaux de laine minérale, et d’une couverture transparente en verre de sécurité. Ils sont généralement raccordés au réseau à l’aide de flexibles inox. Des systèmes qui, pour la plupart, sont soumis à la procédure de l’Avis technique.

Les capteurs tubulaires sont composés de tubes sous vide, entièrement en verre, reliés entre eux et généralement constitués d’un tube de protection, dont l’intérieur est métallisé (couche réfléchissante d’argent pur) et d’un absorbeur. Le faible poids des tubes permet d’avoir des matériels compacts et maniables, faciles à monter et à transporter. Dans ces systèmes, le rendement optique du capteur est meilleur en cas de rayonnement solaire oblique que perpendiculaire. Tubulaire ou plan, l’absorbeur est la pièce maîtresse du capteur. C’est lui, et plus particulièrement son revêtement, qui apporte la performance et la résistance.

Dans le cas le plus courant d’un chauffe-eau solaire et de plancher solaire, on procède à un compromis entre besoins d’été et d’hiver pour calculer la surface de capteurs solaires. Une installation peut, en effet, fournir une part importante des besoins en hiver, mais s’avérer complètement surdimensionnée pour la production d’ECS (eau chaude solaire) durant l’été. Il est donc important de réduire l’écart des besoins entre les différentes ­saisons.

Réflexion sur les consommations d’énergie

Cela implique une bonne conception du bâtiment, notamment en matière d’isolation, et la recherche de débouchés pour la chaleur produite par fort ensoleillement. En général, les installations sont prévues pour couvrir 30 à 70 % des besoins annuels en chauffage et en ECS. La surface des capteurs est calculée pour que leur productivité soit de l’ordre de 350 à 400 kWh/an/m2. Soit une moyenne de 15 m2 pour une maison disposant d’un plancher basse température de 100 m2.

La mise en place de tels systèmes va de pair avec une réflexion sur les consommations d’énergie. Ainsi, les ampoules basse consommation ou des appareils électroménagers à haute performance sont recommandés pour les constructions équipées de toits solaires.

De fait, les promoteurs de l’énergie solaire considèrent que ce type de toit est plus un élément de maîtrise de l’énergie (qualitatif) qu’un outil de production électrique (quantitatif). L’expérience montre que les maisons équipées de toits solaires consomment, en général, moins que la moyenne française. Il en est de même pour la conception architecturale des constructions dotées de planchers solaires, qui s’apparentent pour la plupart à des constructions dites bioclimatiques ou solaires passives.

Fabricant/ marqueSLNom du produitType de capteurMode de montage/ destinationType de cellulePuissance du module Wc (*)Longueur (en mm)Largeur (en mm)Épaisseur (en mm)Poids (en kg)
Apex BP Solar523Solar Energizer SE - HR/SE - HR 2000PanneauSur toiture inclinée, terrasseSilicium monocristallinPuissance maximale 1 020/2 040HR 1000 : 2 584 HR 2000 : 5 068/2 534HR 1000 : 3 380HR 2000 : 3 380/ 6760NCNC
Buderus524Logasol PVKit solaire pour fonctionnement en parallèle au réseau :capteurs et supports de fixationSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasseSilicium polycristallin260 (± 5)2 1181 135112Env. 45
525Logasol Aléo PV 150 SIdemIdemSilicium polycristallin150 (± 3)1 6008005019
526Logasol Aléo PV 150 MIdemIdemSilicium polycristallin155 (± 3)1 6008005019
Imerys527Tuile photovoltaïqueKit de 20 tuiles (10 m2) solairesIntégré tuile terre cuite plateNC50 soit 1 pour le kit0,5 m2, soit 5 tuiles. Le kit de 20 tuiles solaires représente 10 m2 de couverture. Pureau moyen 355 à 370NC
MCT Paris528PV - TVVerre semi-transparent photovoltaïqueFenêtres, brise-soleil, vérandas, verrières ou façades vitréesSilicium amorphe38 W/m2950980105/135NC
Rheinzink529PV solaireBac zinc intégrant des panneaux solairesIntégré couverture zinc joint deboutSilicium amorphe64Bac l x h : 430 x 4 000Modules photovoltaïques l x h : 394 x 2 84810,20 kg/m2
530Quick Step PV SolaireBac zinc équipé de panneaux photovoltaïques collésIntégré couverture zinc. Possibilité de pose cintréeNCNCBac l x L : 365 x 2 000NC
Roto Franck531Roto Solar photovoltaïquePanneau / châssis fenêtre de toitIntégréSilicium polycristallin3381 4001 960/236015048
Saint-Gobain Glass532ProsolVitrage composé de deux feuilles de verre durci renfermant des cellules solaires assemblées par une résine transparenteFenêtres, brise-soleil, vérandas, verrières ou façades vitrées.Silicium monocristallin/ polycristallinNC2 0003 2104/5/6/8/10 et 112NC
Total Energie533PW 750/ 1000PanneauSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasseSilicium multicristallin75/100556/6731 237/1 335457,8/10,5
534PWX 100/200/ 400/500PanneauIdem précédantSilicium multicristallin12 à 52582/720/ 1 042262/370/ 462393,4/5,2/9, 2
Viessmann535Vitovolt 200PanneauSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasseSilicium polycristallin161 (± 5)1 5948104212,7
3T France536Evalon SolarMembrane synthétique intégrant des capteurs photovoltaïques protégés par un film en polymère fluoré autonettoyant. Sous-face en feutre polyester. Etanchéité de toitures inclinées ou courbes. Sur support acier, bois ou béton cellulaire.641 050/1 5553 360/ 6 0004,63,4 à 4 kg/m2
Tableaux non-exhaustifs réalisés en fonction des réponses des fabricants.
Fabricant/ marqueSLNom du produitCaractéristiquesMode de montage/ destinationSurface absorbeur (en m2)Contenance absorbeur (en l)Longueur (en mm)Largeur (en mm)Epaisseur (en mm)Poids
Buderus501Logasol SKSCapteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse2,2Vertical : 1,5Horizontal : 2Vertical : 2 115Horizontal : 1 135Vertical : 1 135Horizontal : 2 11511247
502Logasol SKNCapteur planIdem précédent2,2Vertical : 1,15Horizontal : 1,85Vertical : 2 115Horizontal : 1 135Vertical : 1 135Horizontal : 2 11511243
Clipsol503Clipsol TGDCapteur planIntégré assurant la fonction couverture bâtiment. Possibilité en façade, sur toiture-terrasse et au sol.NCNC1 000/1 20050011010/12
De Dietrich504Dietrisol pro 2,5Capteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse2,522,142 1521 2529854,5
505Dietrisol pro 2,3Capteur planIdem précédent2,141,552 0401 1409844,5
506Dietrisol pro CCapteur planIdem précédent/ spécial collectivités2,522,152 1521 2529857
507Dietrisol powerCapteur tubulaireSur toiture1,153,61 6847651019
Jacques Giordano508Capteurs C8 « S » sélectifsCapteur planSur toiture21,32 0001 0507535
509Capteur C8 « HI » sélectifsCapteur planIdem précédent21,32 0001 05095
Roth510Capteur plan F2Capteur planIdem précédent21,151 8801 1609538
511Capteur tubulaire ETC 16Capteur tubulaireSur toitureSurface brute : 1,29Surface d’entrée : 0,8083,21 68476510020
Rotex512Solaris V6Capteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse2,6NC1 3002 0009558
Roto Franck513Roto Solar thermiqueCapteur plan esthétique fenêtre de toitSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés)2,74 à 3,3NC1 4001 960/2 36015NC
Sbthermique514EnerSolCapteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse2,0151,951 0702 10010548
Schott515Schott ETC 16Capteur tubulaireSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés) et terrasse1,29NC7651 68410020
Schüco516Premium Schöcosol S / WCapteurs thermique et photovoltaïque associés et montés sur châssis aluminiumEn appui ou intégrés en toiture-terrasse ou en pente, sur auvent ou en façade2,52NCS : 1 252 W : 600 à 2 184S : 2152 W : 600 à 128493
Soglen517SG2Capteur tubulaireFaçade, toiture ou au solNCNC1 0001 99017052
Solaire Connexion518T-11 CPCCapteur tubulaireToiture, façade ou sol0,873NC1 8606254513
Velux519Capteur solaire VeluxCapteur plan esthétique fenêtre de toitIntégrés en toiture1,12/1,351 180/1 4001 140NCNC
Viessmann520Vitosol 100Capteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse2,5NCVertical : 2 385Horizontal : 1 138Vertical : 1 138Horizontal : 2 38510260
521Vitosol 200Capteur tubulaireSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse et façades1,2 à 3NC2 028741/1 450/2 15913823/45 /68
Weishaupt522Weishaupt WTS FCapteur planSur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse2,24NC/surface brute 2,55 m2NC48

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