Le chauffage
solaire de l’air est une technologie solaire thermale. Son objectif est de
capturer l’énergie solaire à l’aide d’un matériau absorbant et de s’en servir
pour chauffer l’air d’un bâtiment. Il s’agit d’une énergie renouvelable, et est
d’ailleurs reconnue comme la plus rentable de toute la famille des énergies
solaires. Elle est également avantageuse pour l’utilisateur car ses émissions
de CO2 et de composés toxiques sont nulles.
Le chauffage solaire de l’air ne
se limite pour l’instant qu’au chauffage de confort, qu’il s’agisse aussi bien
d’habitation de particuliers, de bâtiments industriels ou encore de locaux
d’entreprises. La technologie actuelle ne peut pas encore répondre aux besoins
énergétiques thermaux d’industries dont les activités nécessitent l’utilisation
de très hautes températures ( au-dessus de 250°C ). Pourtant, cette technologie
intéresse très fortement les industries de fonderie, par exemple, en raison de
la réduction des coûts d’exploitation dont elle pourrait les faire bénéficier.
Mécanismes
Les matériaux
absorbants utilisés par les installations de chauffage solaire de l’air sont
généralement placés sur la face sud des bâtiments, afin de profiter d’une
exposition maximale au soleil. L’énergie solaire est alors absorbée par le
matériau collecteur choisi et le chauffe. Lorsque suffisamment de chaleur a été
recueillie et qu’il y a demande de chauffage par l’utilisateur, un ventilateur
est activé. La chaleur est alors redistribuée via un système de ventilation
traditionnel, qui sert également à expulser l’air froid présent dans le
bâtiment.
Source
image : www.solarwall.com
Le schéma ci-dessus montre clairement qu’au moins une partie de la
chaleur émise ne peut pas être perdue, du moins pour le produit de la société
SolarWall qui ici sert d’exemple, puisque le mur sur lequel est placé la plaque
absorbant les radiations solaires empêche toute sortie de chaleur.
L’air froid entre par le bas de la plaque absorbante. Cette partie n’est
pas hermétique, et laisse donc l’air entrer afin de le pré-chauffer. Ce n’est
pas le cas de la partie supérieure de la plaque, dont le rôle est de ne pas
laisser l’air s’échapper. Cette partie est vernie, ou vitrée. C’est à ce niveau
là que l’air est chauffé de façon plus importante, avant de remonter et de
s’infiltrer dans le système de ventilation.
Plusieurs options existent quant
aux matériaux à utiliser afin de constituer la plaque absorbante qui sert de
base au système de chauffage. Le plus utilisé est le fer. Cependant, des
variations dans sa porosité sont observables. Plus le matériau choisi, qu’il
s’agisse du fer ou non, est poreux, moins la rétention de chaleur par la plaque
sera efficace. Ainsi, les matériaux les moins poreux seront privilégiés pour le
chauffage de petits volumes, tandis que ceux plus compacts et plus poreux
constitueront un meilleur choix pour chauffer des volumes plus importants. Plus
les porosités sont importantes en nombre, plus la plaque se révèle absorbante.
Plus le matériau choisi est compact, plus il retient la chaleur.
Grands acteurs institutionnels
européens.
La Plateforme Européenne
d’Energie Solaire Thermale ( European Solar Thermal Technology Plateform –
ESTTP ) a publié récemment sa vision pour 2030 regardant l’énergie solaire
thermale, en l’accompagnant notamment une feuille de route et un agenda de
recherches. Cette plateforme est issue de la Fédération Européenne de
l’Industrie Solaire Thermale ( European Solar Thermal Industry Federation –
ESTIF ) et de l’Agence Européenne des Centres de Recherche sur l’Energie
Renouvelable ( European Renewable Energy Research Centres Agency – EUREC Agency
).Toutes dépendent directement de l’Union Européenne La conclusion générale de
ces publications est que, d’ici 2030, l’énergie solaire thermale pourra, et
devra, être capable de répondre à 50% des besoins en termes de chaleur de
l’Union Européenne. Afin de réaliser cet objectif, l’ESTTP encourage les
recherches sur de nouveaux matériaux afin d’améliore la performance générale de
la technologie solaire thermale en général, et tient donc compte du chauffage
solaire de l’air, notamment en ce qui concerne les matériaux absorbeurs ( dits
« solar collectors » ). Elle considère également qu’il est de prime
importance de développer des solutions de stockage de l’énergie obtenue, afin
d’en limiter le gaspillage de façon plus efficiente.
Domaines d’application
Les
systèmes de chauffage solaire de l’air pourraient constituer une technologie
d’avenir en ce qui concerne les régions dont le climat est froid et dont la
dépendance aux énergies fossiles est importante. En effet, il s’agit là d’une
technologie permettant de réduire la consommation énergétique des bâtiments
l’utilisant, dont les coûts d’utilisation et de maintenance sont réduits et
dépendant d’une énergie renouvelable ne générant pas de coûts d’extraction.
C’est la raison pour laquelle le marché chinois semble prêt à s’ouvrir à ce
produit. En effet, la Chine a tout d’abord grand besoin de trouver une solution
durable et propre à la pollution extrême de l’air dont ses grandes villes
souffrent. Elle a également intérêt à réduire sa dépendance aux énergies
fossiles, dont elle ne contrôle pas forcément les cours. Enfin, développer ses
régions rurales, par exemple celles plus froides du nord de son territoire, en
répondant aux besoins des populations concernées, notamment en termes de
chauffage.
Plus généralement, les systèmes
de chauffage solaire de l’air peuvent être installés sur tout type de bâtiment,
car ils ont la capacité de répondre indifféremment à leurs besoins. En effet,
cette technologie peut être employée aussi bien pour chauffer de petits
volumes, comme des habitations de particuliers, comme de plus grands, tels que
les locaux d’entreprises ou encore les hangars. Toutefois, elle paraît pour le
moment peu adaptée au chauffage de lieux plus grands, tels que certaines serres
de l’industrie agro-alimentaire ou les lieux publics tels que les gares ou les
aéroports. En effet, plus la surface à chauffer est importante, plus les
capacités de chauffage sont limitées.
Améliorations possibles
Les systèmes de chauffage
solaire de l’air pourraient être encore plus efficients en termes de production
d’énergie propre s’ils étaient couplés à des mesures de réduction des pertes
énergétiques. En effet, les bâtiments non isolés tendent à perdre plus
facilement la chaleur produite par les systèmes de chauffage, et sont donc plus
énergivores. Il s’agirait alors d’accompagner les installations de chauffage de
l’air d’une isolation suffisante, de façon à ce que les économies d’énergies
soient encore plus importantes.
Il est apparu lors de simulations que l’efficacité des systèmes de
chauffage solaire de l’air dépendait fortement de la variation des vents. En
effet, plus la vélocité de l’air pénétrant dans le système est importante,
moins la technologie est efficace. Son pouvoir chauffant se trouve réduit par des
arrivées d’air trop importantes, car la chaleur disponible n’augmente pas alors
que c’est le cas du volume à chauffer.
Il serait alors judicieux de mettre au point un système de régulation de
vitesse d’entrée de l’air dans le conduit de ventilation, afin de non seulement
limiter la sollicitation du ventilateur, mais également d’améliorer les
rendements énergétiques de la technologie en permettant aux radiations solaires
de déployer tout leur pouvoir. Ainsi, une réduction des coûts d’utilisation permettrait
de la rendre encore plus attractive.
L’angle d’installation de la plaque de
matériau absorbant est également important. En effet, la plupart des
installations sont verticales, or cela ne serait pas la configuration optimale
pour ce système. Une étude aurait prouvé que l’efficience du phénomène
d’absorption augmenterait de 10% si l’angle d’inclinaison est de 65°.
Si,
comme nous l’avons vu précédemment, les technologies solaires thermales en
général sont pour l’instant incapables de chauffer à plus de 250°C, il ne
s’agit pas là, a priori, d’une
amélioration concernant le chauffage solaire de l’air. Pourtant, il s’avère que
l’industrie agro-alimentaire pourrait être intéressée par un développement dans
ce sens de la technologie que nous étudions. Il s’agirait donc d’augmenter le
pouvoir chauffant des installations actuelles, afin de pouvoir chauffer plus
efficacement de grands espaces, tels que les serres.
Sources:
Documents.
-
European
Solar Thermal Technology Platform ( ESTTP ),
Solar Heating and Cooling for a sustainable Energy Future in Europe, 2007,
121 pages.
Articles.
-
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Liwin, BAI Hua, “Study of the application potential of Solarwall system in
Northern China”, Asia-Pacific Power and
Energy Engineering Conference (APPEEC), 2009, pp.1-4.
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Conference on Materials for Renewable Energy and Environment (ICMREE),
2013, Vol.2, pp.454-457.
Sitographie.
-
Site officiel de la société O’Thermie : www.othermie.fr (Consulté le 14/12/2014).
-
Site officiel de la société Solarwall : www.solarwall.com (Consulté le 14/12/2014).
