Binôme : "Chauffage de l'eau santitaire et chauffage des batiments"

Pardo  Pierre
Casamayou-Boucau Yannick


Introduction

Utilisation de l’énergie solaire et de la géothermie pour chauffer respectivement l’eau sanitaire et les bâtiments de l’éco-quartier « La Rougère »


Contrairement à ce qui a été développé dans notre cahier des charges de binôme, nous avons abandonné l’idée de développer  l’utilisation de panneaux solaires photovoltaïques pour alimenter l’éco-quartier en électricité. En effet, nous voulions dimensionner une installation de panneaux et y associer un bilan carbone que nous aurions réalisé, mais comme nous l’a très bien fait remarquer M. DEBENEST, le dimensionnement dont il est question aurait consisté en un simple produit en croix et il existe une multitude de bilans carbone sur internet réalisés de manière aussi complexe que souhaité. Le travail que nous aurions réalisé ne nous aurait pas apporté grand chose finalement, en plus d’être peu conséquent pour un binôme.

Nous avons donc complètement revu nos objectifs de travail, et la partie énergie photovoltaïque a été laissée entre les mains du binôme s’occupant de l’énergie éolienne, ce qui nous semble logique compte tenu du fait que leur but est de produire de l’électricité propre et que dans ce cas, le couplage peut être intéressant. De notre côté, nous nous sommes intéressés à la partie thermique qui n’avait pas été envisagée jusque là dans l’étude de l’éco-quartier. Par  « partie thermique », nous entendons l’étude du chauffage de l’eau sanitaire par énergie solaire, et l’étude du chauffage des maisons par géothermie. Ces deux aspects sont découplés, et seront bien sûr développés beaucoup plus en profondeur dans la suite de notre projet.

Pourquoi s’être intéressé  à ces deux types d’énergie ?

L’énergie solaire est assez valorisable en auvergne, car comme on a pu le relever sur le site de l’ADEME, l’ensoleillement est assez conséquent dans cette région [1].

On voit donc sur cette carte que l’on se situe dans une zone où l’irradiation n’est pas mauvaise, puisqu’elle est de l’ordre de 3,8 à 4 kWh.m-2.j-1. On se situe donc plutôt dans les zones françaises favorables à l’utilisation de l’énergie solaire, même si le Sud reste plus intéressant de manière générale. Il y a aussi un phénomène à prendre en compte que l’on a pu constater lors de la visite sur site, à savoir que le village de Champeix est entouré par des Montagnes qui jouent un rôle de barrières et empêchent les nuages de venir s’installer au dessus du village. C’est ce que l’on appelle l’effet fenêtre, et il permet d’avoir un ensoleillement un peu supérieur par rapport à la moyenne de la région Auvergne. On aurait donc tendance à prendre plutôt une irradiation de 4 kWh.m-2.j-1 que de 3,8, et toutes ces conditions favorables font que l’on a choisi de s’intéresser au solaire thermique. La région possède un potentiel indéniable.

La géothermie est aussi une énergie intéressante, à laquelle on a voulu s’intéresser pour chauffer les habitations de l’éco-quartier. En effet, le concept même de la géothermie est d’exploiter l’énergie de la Terre afin de la convertir en chaleur, et la région Auvergne semble posséder  un bon potentiel dans ce domaine comme il est décrit dans le numéro 12 du magazine Georama publié par le BRGM [2]. Une étude menée en collaboration entre le BRGM et l’ADEME vise à faire l’inventaire, la compilation et l’interprétation de toutes les données « géo-scientifiques »  portant sur les Limagnes d’Auvergne, dont fait partie Champeix [3] :

Les Limagnes sont en fait des fossés d’effondrement remplis de sédiments,   qui datent en général de l’oligocène et qui ont la propriété de piéger les fluides. Notre visite du village nous a notamment permis de constater qu’effectivement le terrain est principalement constitué d’argiles (couleur rouge particulière) sur une profondeur d’au moins 3 mètres, et qu’il s’agit plutôt d’argile humide. Les Limagnes possèdent entre autre un fort gradient thermique, et A.Gender dans le magazine Georama [2], parle « d’une température de 100°C à 1500 mètres, soit presque le double de la moyenne des bassins sédimentaires ». Les Limagnes semblent donc être des régions à fort potentiel géothermique et c’est aspect qui nous a principalement motivés dans le choix de la géothermie. On sait aussi, pour avoir appelé plusieurs compagnies de forage notamment SOFATH qui tient un chantier juste à côté de l’éco-quartier, que la géothermie se pratique couramment en Auvergne pour des particuliers. Notre choix s’est donc définitivement posé sur la géothermie.

Le principe de ces deux énergies

Le chauffage de l’eau sanitaire par énergie solaire peut être résumé en 6 étapes [4] :

1.      

Le captage de l’énergie solaire par les panneaux solaires thermiques. C’est une étape primordiale, car l’ensoleillement doit être suffisant et assez puissant dans la région considérée pour permettre de chauffer une eau à au moins 50°C, avec au moins 30% d’énergie de chauffage d’origine solaire…Sinon on ne voit pas trop l’intérêt de cette technique. Dans cette partie, les rayons solaires vont traverser la surface vitrée des panneaux solaires thermiques, et l’effet de serre engendré associé à l’énergie solaire incidente permet de chauffer le fluide caloporteur qui circule via les panneaux. D’ailleurs on peut trouver plusieurs types de panneaux, à savoir les panneaux plats vitrés ou non-vitrés et les panneaux à tubes sous vide dont on expliquera l’intérêt plus tard.

2.      

Le Transport du fluide caloporteur, qui s’effectue par une tuyauterie étanche et calorifugée permettant d’éviter au maximum les pertes thermiques. Bien sûr, plus la tuyauterie est courte, et plus on évitera les pertes thermiques pour un calorifugeage équivalent.

3.      

Le liquide arrive ensuite au niveau de l’échangeur de chaleur (serpentin), et le fluide qui circule en boucle fermée va pouvoir céder ses calories à l’eau chaude sanitaire qui va alors se réchauffer.

4.      

Ensuite cette eau chaude va être stockée dans un ballon solaire. C’est une cuve, généralement en inox et qui est calorifugée par de la laine de roche ou  par une mousse de polyuréthane injecté, afin de limiter les pertes thermiques lors du stockage.

5.      

Il faut ensuite faire circuler le fluide caloporteur et on peut distinguer 2 cas : le système thermosiphon et le système à circulation forcée.

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Dans le cas du système thermosiphon, l’eau contenue dans le capteur s’échauffe sous l’effet du rayonnement solaire et va s’élever naturellement vers le ballon situé plus haut que les panneaux. De l’eau froide en provenance du ballon va alors venir réalimenter le circuit du panneau solaire et va se réchauffer au contact des rayons solaires. Il n’y a plus de fluide caloporteur spécifique comme de l’eau glycolée, mais il s’agit seulement d’eau donc il y a bien sûr un risque de gel l’hiver.

·        

Dans le cas du système à circulation forcée, le ballon de stockage est en général situé sous les panneaux et c’est une petite pompe électrique qui va assurer la circulation du fluide caloporteur uniquement quand sa température sera supérieure à celle de l’eau sanitaire contenue dans le ballon. Il y a pour cela une sonde qui mesure la température du fluide et la température de l’eau, et le système de régulation va contrôler la mise en marche de la pompe en fonction de cet écart de température.

6.      

A toutes ces étapes, il faut aussi ajouter le fait que dans quasiment toutes les régions françaises, l’ensoleillement et les conditions climatiques ne permettront pas au chauffage solaire de fournir l’indépendance énergétique l’hiver. Il y a donc un système d’appoint à mettre en place, et ce système peut être de différente nature. On peut ainsi trouver de l’appoint électrique qui consiste à placer une résistance électrique dans le tiers supérieur du ballon, et qui va chauffer l’eau à la place du système solaire s’il y a besoin. On peut trouver aussi un appoint hydraulique, mais qui est surtout utile si le chauffage de la maison est assuré par une chaudière. Il suffira de raccorder cette chaudière à un échangeur noyé, disposé dans la partie supérieure du ballon et qui pourra ainsi combler les besoins énergétiques. La solution de l’appoint mixte (électrique et hydraulique) existe aussi.

Un schéma proposé par l’ADEME résume finalement assez bien à quoi peut ressembler une installation classique de chauffage solaire individuel [5]:

Le principe de la géothermie est assez simple puisqu’il s’agit d’exploiter l’énergie de la Terre pour la convertir en chaleur, et ainsi pouvoir chauffer une maison dans notre cas. Cependant, la richesse géologique française fait que les gisements géothermiques sont de nature diverse en France et on peut dissocier ainsi 2 grands types de gisements géothermiques [6] :

1.      

Les gisements en zones géologiquement stables ou calmes :

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La géothermie très basse énergie exploite les nappes aquifères peu profondes, c’est à dire situées à moins de 100m de profondeur, et dont la température varie entre 10 et 30°C.

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La géothermie basse énergie se trouve généralement dans les grands bassins sédimentaires français (aquitain et parisien) qui possèdent des aquifères à profondeurs plus importante que précédemment. En général, le fluide géothermal est compris entre 1000 et 2000 m et sa température varie entre 50 et 100°C.

 

2.      

Les gisements en zones géologiquement actives (concerne surtout les DOM) :

·        

 La géothermie de moyenne énergie, comme celle de haute énergie, se situe dans des régions à volcanisme relativement récent voire actuel, et le fluide géothermal est particulièrement chaud grâce à l’intrusion de magma à de faibles profondeurs (jusqu’à -5 km). On peut ainsi trouver de l’eau chaude dont la température varie entre 90 et 150°C pour des profondeurs allant de 500 à 1500m.

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La géothermie de haute énergie exploite par contre un fluide dont la température peut aller de 220°C à 350°C, et il s’agit de vapeur sèche ou vapeur humide.

Dans tous les cas, la géothermie peut être exploitée pour produire soit de la chaleur, soit de l’électricité ! On associe plutôt les gisements de basse énergie et de très basse énergie à la production de chaleur, et les gisements de moyenne à haute énergie pour la production d’électricité.

Là encore le BRGM propose un schéma très bien fait, qui récapitule les différents types de gisements rencontrés [7] :

Le village de Champeix se situe dans les Limagnes d’Allier, qui est un bassin sédimentaire un peu particulier si on le compare au bassin Aquitain ou Parisien. Mais si on se réfère aux différents gisements décrits précédemment, le village se situerait plutôt sur un gisement de basse voire très basse énergie et la technologie que l’on a choisi d’utiliser pour exploiter la chaleur de la Terre et permettre le chauffage des bâtiments est la pompe à chaleur, dont on expliquera le choix et le fonctionnement plus tard.

Le marché actuel en France

Juste à titre indicatif, voici quelques chiffres qui indiquent la place de la pompe à chaleur et du chauffage solaire thermique sur le marché français [8] :

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Pour la pompe à chaleur (PAC) , le marché français qui ne comptait que 1500 installations par an avant 1997, a connu un vrai essor avec la mise en place de l’offre « Vivrelec » par EDF qui a permis de faire passer le nombre d’installations à 17300 en 1994 (hors système Air/Air auquel on ne va pas s’intéresser d’ailleurs). L’état qui a mis en place le crédit d’impôt d’abord fixé à 40% en 2005 puis rehaussé à 50% en 2006, a permis aussi d’accélérer le marché a tel point que la France se trouve être aujourd’hui le second marché des pompes à chaleur, juste derrière la Suède.


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Pour le chauffage solaire de l’eau sanitaire, si on se réfère au magazine Systèmes solaires, le journal des énergies renouvelables, les chiffres sont très clairs :

 

La France se porte donc très bien, puisqu’elle se situe juste derrière l’Allemagne en terme de surface totale de panneaux solaires thermiques installés, que ce soit en 2006 ou 2007. On peut aussi constater qu’à la différence de l’Allemagne qui a vu son marché baisser de 6,9% entre 2006 et 2007, le marché français lui a augmenté et on est passé de 301 000m² de panneaux installés en 2006 à 329 000m² en 2007. La marché français se porte donc très bien, d’autant plus que le Grenelle devrait permettre à 900 000 logements de s’équiper d’ici à 2012 pour atteindre l’objectif de 4,2 millions de logements équipés en 2020.

 

L’importance du marché français, que ce soit pour la PAC ou pour le solaire thermique, est une autre des raisons qui nous a poussé à étudier ces deux types d’énergie, en plus du fait que l’Auvergne et principalement le Puy-de-Dôme possède un indéniable potentiel pour ces deux types d’énergie. L’Etat encourage aussi l’utilisation de ces énergies avec la mise en place de crédits d’impôt, et nous avons pensé qu’en plus d’être propres et efficaces, ces énergies peuvent tout à fait être rentables à court terme pour leurs utilisateurs.

La Bibliographie:


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[1]  A.Joffre, Energie solaire thermique dans le bâtiment. Chauffe-eau solaires, Techniques de l’ingénieur, p.4.

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[2] Magazine Géorama, le journal d’information du BRGM, n°12 datant de juin 2004, p 4.
http://www.brgm.fr/brgm/geothermie/fichiers/georama12.pdf

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[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Limagne
http://www.geoportail.fr/visu2D.do?ter=metropole

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[4] ADEME, le chauffage solaire individuel, p 4,5.
http://www.ademe.fr/Particuliers/Fiches/pdf/CESI.pdf

[4] A.Joffre, Energie solaire thermique dans le bâtiment. Chauffe-eau solaires, Techniques de l’ingénieur, p.10,11.

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[5] ADEME, le chauffage solaire individuel

 http://www.ademe.fr/Particuliers/Fiches/cesi/rub2.htm

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[6] P.Laplaige & J.Lemale, Energie géothermique, Techniques de l’ingénieur, p.5,6.

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[7] http://www.brgm.fr/brgm/geothermie/images/illus_1.pdf

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[8] AFPAC association française pour les pompes à chaleur
http://www.afpac.org/marche-pac.php
[8] Magazine SYSTEMES SOLAIRES le journal des énergies renouvelables, n°187, datant de 2008.