Nous suivre Les Cahiers Techniques du bâtiment

Photovoltaïque ou thermique, le solaire affiche une technologie de pointe

Sujets relatifs :

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/ marque SL Nom du produit Type de capteur Mode de montage/ destination Type de cellule Puissance du module Wc (*) Longueur (en mm) Largeur (en mm) Épaisseur (en mm) Poids (en kg)
Apex BP Solar 523 Solar Energizer SE - HR/SE - HR 2000 Panneau Sur toiture inclinée, terrasse Silicium monocristallin Puissance maximale 1 020/2 040 HR 1000 : 2 584 HR 2000 : 5 068/2 534 HR 1000 : 3 380HR 2000 : 3 380/ 6760 NC NC
Buderus 524 Logasol PV Kit solaire pour fonctionnement en parallèle au réseau :capteurs et supports de fixation Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse Silicium polycristallin 260 (± 5) 2 118 1 135 112 Env. 45
525 Logasol Aléo PV 150 S Idem Idem Silicium polycristallin 150 (± 3) 1 600 800 50 19
526 Logasol Aléo PV 150 M Idem Idem Silicium polycristallin 155 (± 3) 1 600 800 50 19
Imerys 527 Tuile photovoltaïque Kit de 20 tuiles (10 m2) solaires Intégré tuile terre cuite plate NC 50 soit 1 pour le kit 0,5 m2, soit 5 tuiles. Le kit de 20 tuiles solaires représente 10 m2 de couverture. Pureau moyen 355 à 370 NC
MCT Paris 528 PV - TV Verre semi-transparent photovoltaïque Fenêtres, brise-soleil, vérandas, verrières ou façades vitrées Silicium amorphe 38 W/m2 950 980 105/135 NC
Rheinzink 529 PV solaire Bac zinc intégrant des panneaux solaires Intégré couverture zinc joint debout Silicium amorphe 64 Bac l x h : 430 x 4 000Modules photovoltaïques l x h : 394 x 2 848 10,20 kg/m2
530 Quick Step PV Solaire Bac zinc équipé de panneaux photovoltaïques collés Intégré couverture zinc. Possibilité de pose cintrée NC NC Bac l x L : 365 x 2 000 NC
Roto Franck 531 Roto Solar photovoltaïque Panneau / châssis fenêtre de toit Intégré Silicium polycristallin 338 1 400 1 960/2360 150 48
Saint-Gobain Glass 532 Prosol Vitrage composé de deux feuilles de verre durci renfermant des cellules solaires assemblées par une résine transparente Fenêtres, brise-soleil, vérandas, verrières ou façades vitrées. Silicium monocristallin/ polycristallin NC 2 000 3 210 4/5/6/8/10 et 112 NC
Total Energie 533 PW 750/ 1000 Panneau Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse Silicium multicristallin 75/100 556/673 1 237/1 335 45 7,8/10,5
534 PWX 100/200/ 400/500 Panneau Idem précédant Silicium multicristallin 12 à 52 582/720/ 1 042 262/370/ 462 39 3,4/5,2/9, 2
Viessmann 535 Vitovolt 200 Panneau Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse Silicium polycristallin 161 (± 5) 1 594 810 42 12,7
3T France 536 Evalon Solar Membrane 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. 64 1 050/1 555 3 360/ 6 000 4,6 3,4 à 4 kg/m2
Tableaux non-exhaustifs réalisés en fonction des réponses des fabricants.
Fabricant/ marque SL Nom du produit Caractéristiques Mode de montage/ destination Surface absorbeur (en m2) Contenance absorbeur (en l) Longueur (en mm) Largeur (en mm) Epaisseur (en mm) Poids
Buderus 501 Logasol SKS Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse 2,2 Vertical : 1,5Horizontal : 2 Vertical : 2 115Horizontal : 1 135 Vertical : 1 135Horizontal : 2 115 112 47
502 Logasol SKN Capteur plan Idem précédent 2,2 Vertical : 1,15Horizontal : 1,85 Vertical : 2 115Horizontal : 1 135 Vertical : 1 135Horizontal : 2 115 112 43
Clipsol 503 Clipsol TGD Capteur plan Intégré assurant la fonction couverture bâtiment. Possibilité en façade, sur toiture-terrasse et au sol. NC NC 1 000/1 200 500 110 10/12
De Dietrich 504 Dietrisol pro 2,5 Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse 2,52 2,14 2 152 1 252 98 54,5
505 Dietrisol pro 2,3 Capteur plan Idem précédent 2,14 1,55 2 040 1 140 98 44,5
506 Dietrisol pro C Capteur plan Idem précédent/ spécial collectivités 2,52 2,15 2 152 1 252 98 57
507 Dietrisol power Capteur tubulaire Sur toiture 1,15 3,6 1 684 765 10 19
Jacques Giordano 508 Capteurs C8 « S » sélectifs Capteur plan Sur toiture 2 1,3 2 000 1 050 75 35
509 Capteur C8 « HI » sélectifs Capteur plan Idem précédent 2 1,3 2 000 1 050 95
Roth 510 Capteur plan F2 Capteur plan Idem précédent 2 1,15 1 880 1 160 95 38
511 Capteur tubulaire ETC 16 Capteur tubulaire Sur toiture Surface brute : 1,29Surface d’entrée : 0,808 3,2 1 684 765 100 20
Rotex 512 Solaris V6 Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse 2,6 NC 1 300 2 000 95 58
Roto Franck 513 Roto Solar thermique Capteur plan esthétique fenêtre de toit Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés) 2,74 à 3,3 NC 1 400 1 960/2 360 15 NC
Sbthermique 514 EnerSol Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse 2,015 1,95 1 070 2 100 105 48
Schott 515 Schott ETC 16 Capteur tubulaire Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés) et terrasse 1,29 NC 765 1 684 100 20
Schüco 516 Premium Schöcosol S / W Capteurs thermique et photovoltaïque associés et montés sur châssis aluminium En appui ou intégrés en toiture-terrasse ou en pente, sur auvent ou en façade 2,52 NC S : 1 252 W : 600 à 2 184 S : 2152 W : 600 à 1284 93
Soglen 517 SG2 Capteur tubulaire Façade, toiture ou au sol NC NC 1 000 1 990 170 52
Solaire Connexion 518 T-11 CPC Capteur tubulaire Toiture, façade ou sol 0,873 NC 1 860 625 45 13
Velux 519 Capteur solaire Velux Capteur plan esthétique fenêtre de toit Intégrés en toiture 1,12/1,35 1 180/1 400 1 140 NC NC
Viessmann 520 Vitosol 100 Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse 2,5 NC Vertical : 2 385Horizontal : 1 138 Vertical : 1 138Horizontal : 2 385 102 60
521 Vitosol 200 Capteur tubulaire Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), terrasse et façades 1,2 à 3 NC 2 028 741/1 450/2 159 138 23/45 /68
Weishaupt 522 Weishaupt WTS F Capteur plan Sur toiture inclinée (intégrés ou incorporés), sur terrasse 2,24 NC/surface brute 2,55 m2 NC 48

vous lisez un article des Cahiers Techniques du Bâtiment N°252

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2005 des Cahiers Techniques du Bâtiment

Bienvenue !

Vous êtes inscrit à la news hebdo Cahiers techniques du batiment

Nous vous recommandons

Parrot lance un drone thermique professionnel ultra compact

Parrot lance un drone thermique professionnel ultra compact

Le groupe français Parrot dévoile une solution tout-en-un de thermographie par drone, Anafi Thermal. Dédiée aux professionnels, elle comprend le drone, deux caméras embarquées et le software. Outre ses[…]

16/04/2019 | Produit
Planchers techniques (1/2) - Un invariant pour des usages en mutation

Enquête

Planchers techniques (1/2) - Un invariant pour des usages en mutation

Planchers techniques (2/2) - Dissimuler et supporter

Enquête

Planchers techniques (2/2) - Dissimuler et supporter

Chauffe-eau solaire (1/2) - Des atouts malgré un marché en baisse

Enquête

Chauffe-eau solaire (1/2) - Des atouts malgré un marché en baisse

Plus d'articles