Énergie solaire thermique

Définition de l’énergie solaire thermique

L’énergie solaire thermique se définit comme l’exploitation de la chaleur du rayonnement solaire. Cette transformation du soleil en énergie thermique se fait par le biais d’un dispositif spécifique, appelé capteur solaire thermique. Ce dernier collecte l’énergie solaire et la transmet à un fluide caloporteur. La chaleur obtenue peut être utilisée de façon directe, pour le chauffage des locaux ou la production d’eau chaude sanitaire, ou de manière indirecte pour produire de la vapeur d’eau servant à actionner des alternateurs.

Cette forme d’énergie est renouvelable, durable, respectueuse de l’environnement et peut être appliquée aussi bien à petite échelle (maisons, petites installations) qu’à grande échelle (centrales électriques). Contrairement à l’énergie solaire photovoltaïque qui transforme la lumière du soleil en électricité, l’énergie solaire thermique se concentre sur l’exploitation de la chaleur du soleil.

 En bref

• Exploitez la puissance du soleil. L’énergie solaire thermique utilise les rayons du soleil pour produire de la chaleur, idéale pour chauffer votre eau ou votre habitation grâce aux capteurs solaires thermiques.

  
  

• Comprenez le fonctionnement. Les capteurs absorbent l’énergie solaire et la transforment en chaleur, transférée ensuite à un fluide caloporteur qui circule dans votre système de chauffage ou de production d’eau chaude.

  
  

• Ne confondez pas. Contrairement au solaire photovoltaïque qui génère de l’électricité, le solaire thermique se concentre sur la production de chaleur. Le photovoltaïque utilise l’effet photoélectrique, tandis que le thermique repose sur l’effet de serre.

  
  

• Installation en étapes. De l’évaluation de votre site à la mise en service, chaque étape de l’installation d’un système solaire thermique est cruciale pour maximiser l’efficacité et garantir une performance optimale.

  
  

• Rentabilité et écologie. Réduisez vos factures d’énergie tout en contribuant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre avec des systèmes solaires thermiques durables et économiques, bénéficiant de diverses aides financières.

  
  

Quel est le principe de fonctionnement ?

Le fonctionnement de l’énergie solaire thermique repose sur le principe de la conversion du rayonnement solaire en énergie thermique.

Lorsque les rayons du soleil frappent le capteur solaire, ils sont absorbés par une surface de couleur sombre, l’absorbeur. Cette absorption crée de la chaleur.

Ce processus est également appelé effet de corps noir. La chaleur produite est ensuite piégée grâce à un phénomène connu sous le nom d’effet de serre.

Le fluide caloporteur, qui circule à travers le capteur, chauffe au contact de l’absorbeur. Ce fluide, généralement de l’eau ou un liquide antigel, transporte ensuite la chaleur vers le lieu d’utilisation ou le stocke pour une utilisation ultérieure.

Dans le cas des systèmes à concentration, comme les centrales solaires thermiques, des miroirs sont utilisés pour concentrer les rayons du soleil sur un point précis, générant ainsi des températures très élevées. La chaleur obtenue est utilisée pour produire de la vapeur d’eau qui actionne une turbine pour produire de l’électricité.

Quelle est la différence entre solaire photovoltaïque et solaire thermique ?

Les deux technologies solaires, photovoltaïque et thermique, ont pour point commun l’exploitation du rayonnement solaire, mais la manière dont elles le font diffère. L’énergie solaire photovoltaïque convertit directement l’énergie lumineuse en électricité, grâce à l’effet photoélectrique des cellules photovoltaïques.

D’un autre côté, l’énergie solaire thermique se concentre sur l’absorption de l’énergie calorifique du soleil. Le rayonnement solaire est capté par des capteurs qui le transforment en chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée soit directement pour le chauffage de l’eau ou des bâtiments, soit indirectement pour générer de l’électricité.

• Type d’énergie produite : photovoltaïque = électricité, thermique = chaleur.
• Utilisation de l’énergie : photovoltaïque = divers usages électriques, thermique = chauffage et production d’eau chaude.
• Effet utilisé : photovoltaïque = effet photoélectrique, thermique = effet de serre.

A quoi sert le panneau solaire?

Les panneaux solaires thermiques jouent un rôle essentiel dans le processus de conversion de l’énergie solaire en énergie thermique. Ces dispositifs sont conçus pour capter l’énergie solaire, la transformer en chaleur et la transmettre à un fluide caloporteur.

Leur fonctionnement est basé sur une série de cellules thermiques qui absorbent les rayons du soleil. Cette absorption produit de la chaleur transférée au fluide qui circule dans le panneau. L’énergie thermique récoltée peut ensuite être utilisée de plusieurs manières, notamment pour chauffer de l’eau ou des espaces.

Il existe deux types de systèmes solaires thermiques principaux :

• Le chauffe-eau solaire individuel (CESI) : utilisé principalement pour la production d’eau chaude sanitaire.
• Le système de chauffage solaire : utilisé pour le chauffage des bâtiments.

L’efficacité et la durabilité d’un système solaire thermique dépendent en grande partie de la qualité des panneaux solaires utilisés. C’est pourquoi il est crucial de bien choisir ses panneaux solaires thermiques lors de la mise en place d’une installation solaire thermique.

Capteur photovoltaïque versus capteur eau chaude

Le capteur photovoltaïque et le capteur d’eau chaude sont deux technologies clés dans l’utilisation de l’énergie solaire. Bien qu’ils exploitent tous deux le rayonnement solaire, leurs mécanismes de fonctionnement et leurs applications sont distincts.

• Le capteur photovoltaïque convertit directement la lumière du soleil en électricité. Ce processus est réalisé grâce à l’effet photovoltaïque où les photons de la lumière solaire heurtent une cellule semiconductrice et provoquent le déplacement des électrons, créant ainsi un courant électrique.

  
  

• Le capteur d’eau chaude, quant à lui, transforme l’énergie solaire en chaleur. L’énergie thermique recueillie par le capteur est utilisée pour chauffer un fluide, qui peut ensuite être utilisé pour chauffer de l’eau ou un espace intérieur.

  
  Il est essentiel de comprendre ces différences pour choisir la technologie qui correspond le mieux à vos besoins spécifiques en matière d’énergie solaire.

Fonctionnement d’un capteur eau chaude

Le fonctionnement d’un capteur d’eau chaude est assez simple. Il commence par l’absorption du rayonnement solaire par le capteur, généralement une surface métallique noire pour optimiser l’absorption. La chaleur produite est ensuite transmise à un fluide caloporteur, souvent de l’eau ou une solution antigel.

Ce fluide circule dans des tubes intégrés au capteur, se réchauffant au fur et à mesure. Une fois chauffé, le fluide est ensuite acheminé vers un système de stockage d’eau chaude, comme un ballon d’eau chaude, où la chaleur est transférée à l’eau grâce à un échangeur thermique.

Il est à noter que l’efficacité de ce processus peut être affectée par plusieurs facteurs, tels que l’orientation du capteur, son inclinaison, les conditions météorologiques et la température ambiante.

Étapes d’installation d’un système solaire thermique

Pour installer un système solaire thermique, plusieurs étapes sont à suivre :

1. Évaluation du site : Il faut d’abord analyser l’emplacement où le système sera installé, en prenant en compte l’ensoleillement, la surface disponible et la pente du toit.

   
   

2. Dimensionnement du système : Cette étape consiste à déterminer la taille et le nombre de panneaux nécessaires en fonction de vos besoins en chaleur et de la surface disponible.

   
   

3. Étude de faisabilité : Celle-ci permet de vérifier la compatibilité du système avec votre habitation et le réseau de chauffage existant.

   
   

4. Obtention des permis : Avant toute installation, il faut obtenir les autorisations nécessaires auprès des autorités locales.

   
   

5. Installation des capteurs : Les panneaux solaires thermiques sont ensuite installés sur le toit ou au sol.

   
   

6. Raccordement au ballon et/ou au chauffage centralisé : Les capteurs sont reliés à votre système de chauffage ou à un ballon de stockage par le biais de tuyaux transportant le fluide caloporteur.

   
   

7. Mise en service : Une fois l’installation terminée, le système est mis en marche et commence à produire de la chaleur.

Chaque étape est cruciale et nécessite une attention particulière pour garantir un fonctionnement optimal du système.

Quel prix d’une installation solaire thermique ?

Le coût d’une installation solaire thermique peut varier en fonction de plusieurs facteurs tels que la taille de l’installation, le type de système choisi et les spécificités de votre logement. En général, le prix d’un panneau solaire thermique se situe entre 400 et 1700€ par m². Pour une installation complète, notamment pour un chauffe-eau solaire individuel, vous pouvez prévoir un budget compris entre 6000 et 8000€, matériel et pose inclus.

Il est important de noter que :

• Ces coûts sont des estimations et peuvent varier en fonction des spécificités de chaque projet
• Des aides financières peuvent être disponibles pour réduire le coût de votre installation. Par exemple, MaPrimeRénov’, des crédits d’impôts ou encore des subventions locales peuvent être obtenus sous certaines conditions.
• Le retour sur investissement peut être rapide grâce aux économies réalisées sur vos factures d’énergie.

Quels sont les inconvénients des panneaux photovoltaïques comparés à la thermie ?

Bien que les panneaux photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité, ils présentent certaines limites par rapport à l’énergie solaire thermique :

• Rendement variable : La performance des panneaux photovoltaïques dépend fortement des conditions météorologiques. Leur rendement diminue en hiver ou lors de journées nuageuses.

  
  

• Investissement initial : Le coût d’achat et d’installation des panneaux photovoltaïques est généralement plus élevé que celui des systèmes thermiques.

  
  

• Production d’énergie intermittente : L’énergie produite par les panneaux photovoltaïques est intermittente en raison de la variabilité de l’ensoleillement. Cela nécessite souvent une solution de stockage de l’électricité, ce qui peut augmenter le coût global du système.

  
  

• Dépendance à l’orientation et à l’inclinaison : Pour optimiser leur rendement, les panneaux photovoltaïques doivent être correctement orientés et inclinés, ce qui n’est pas toujours possible en fonction des contraintes du lieu d’installation.

Avantages économiques et environnementaux de l’énergie renouvelable

L’énergie solaire thermique présente de nombreux avantages tant sur le plan économique qu’environnemental.

Sur le plan économique :

• Réduction des factures d’énergie : L’énergie solaire thermique permet de réduire significativement les factures d’énergie. En effet, cette forme d’énergie utilise le soleil, une source d’énergie gratuite, pour chauffer l’eau ou l’air dans une habitation ou une installation.
• Rentabilité : malgré un investissement initial, l’énergie solaire thermique est rentable sur le long terme. Les économies réalisées sur les factures d’énergie permettent de rentabiliser l’investissement initial.

Sur le plan environnemental :

• Réduction des émissions de gaz à effet de serre : L’énergie solaire thermique contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, responsables du changement climatique.
• Énergie renouvelable : L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable, contrairement aux énergies fossiles qui sont limitées et dont l’exploitation a des impacts environnementaux négatifs.
• Pas de pollution : Contrairement à d’autres formes d’énergie, l’énergie solaire thermique ne produit pas de déchets ou de pollution atmosphérique.

 Inconvénients de l’énergie solaire thermique

Malgré ses nombreux avantages, l’énergie solaire thermique présente aussi des inconvénients. L’efficacité énergétique des installations solaires thermiques peut être inférieure à celle d’autres sources d’énergie, notamment en raison de leur dépendance aux conditions météorologiques. Par exemple, les performances peuvent être réduites en cas de faible ensoleillement ou durant les mois d’hiver.

• Coûts initiaux : l’achat et l’installation d’un système solaire thermique représentent un investissement initial conséquent, qui peut constituer un frein pour certains ménages.
• Maintenance : ces systèmes nécessitent un entretien régulier pour garantir leur bon fonctionnement et leur longévité, ce qui engendre des coûts additionnels.
• Limitations horaires : la production d’énergie est limitée aux heures d’ensoleillement, ce qui peut nécessiter de recourir à une autre source d’énergie en dehors de ces périodes.
• Impact environnemental de la fabrication : bien que l’énergie produite soit renouvelable, la fabrication des panneaux solaires thermiques peut avoir un impact environnemental notable.

Utilisation dans le chauffage domestique

L’énergie solaire thermique est de plus en plus utilisée dans le chauffage domestique. Cette technologie permet de convertir l’énergie du soleil en chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour chauffer l’eau ou l’air dans une habitation.

Des systèmes tels que le chauffe-eau solaire individuel (CESI) et le plancher chauffant solaire sont des exemples d’application de l’énergie solaire thermique dans le chauffage domestique. Ces systèmes sont composés de panneaux solaires thermiques qui absorbent le rayonnement solaire pour chauffer un fluide caloporteur.

Ce fluide est ensuite utilisé pour :

• Chauffer de l’eau dans le cas du CESI, réduisant ainsi le besoin en énergie pour produire de l’eau chaude sanitaire.
• Chauffer l’air dans le cas du plancher chauffant, assurant un chauffage confortable et économique.

L’utilisation de l’énergie solaire thermique pour le chauffage domestique présente plusieurs avantages :

• Réduction des factures d’énergie : en exploitant l’énergie solaire, gratuite et renouvelable, on peut réduire sa consommation d’énergie provenant des réseaux traditionnels.
• Respect de l’environnement : l’énergie solaire est une énergie propre qui ne produit pas de gaz à effet de serre lors de son utilisation. Cela rentre dans le plan d’action du gouvernement pour 2030 sur les gaz à effet de serre dans le résidentiel.
• Autonomie énergétique : avec un système solaire thermique, on peut produire une part significative de l’énergie nécessaire pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire, se rendant ainsi moins dépendant des fournisseurs d’énergie.

Application dans les centrales électriques

Les centrales électriques peuvent également tirer parti de l’énergie solaire thermique. Dans ce contexte, la chaleur solaire est utilisée pour produire de la vapeur d’eau sous pression. Cette vapeur est ensuite utilisée pour actionner une turbine couplée à un alternateur, produisant ainsi de l’électricité.

Il existe plusieurs types de centrales solaires thermiques :

• Les centrales à miroirs cylindro-paraboliques qui concentrent les rayons du soleil sur un fluide caloporteur pour le chauffer.
• Les centrales à tour où la chaleur solaire est concentrée en un seul point situé en haut d’une tour.
• Les concentrateurs paraboliques Dish-Stirling qui convertissent directement la chaleur en électricité grâce à un moteur Stirling.

Ces centrales peuvent exploiter divers cycles thermodynamiques pour le processus de transformation de la chaleur en électricité. Le cycle Rankine, par exemple, est couramment utilisé dans les centrales thermiques traditionnelles, tandis que le cycle Brayton est plus courant dans les centrales à gaz naturel.

Politiques et incitations gouvernementales

En France, les politiques gouvernementales favorisent le développement de l’énergie solaire thermique. Parmi les mesures prises, la plus marquante est l’augmentation de la prime à l’achat des systèmes de chauffage et de chauffe-eau solaires, on peut notamment citer l’exemple des chauffes-eaux thermodynamiques .

Des mesures incitatives pour favoriser l’usage du solaire thermique

• Le gouvernement a défini une stratégie claire visant à accroître la part de l’énergie solaire dans le mix énergétique national.
• Des subventions, des crédits d’impôt et des tarifs d’achat garantis ont été mis en place pour encourager l’adoption de l’énergie solaire comme l’éco-PTZ.
  

  Vous souhaitez en savoir plus ? Consultez notre guide sur les aides pour les panneaux solaires.

Des réglementations pour stimuler l’intégration du solaire

• Des réglementations ont été instaurées pour rendre obligatoire l’installation de panneaux solaires ou d’autres procédés de production d’énergies renouvelables sur les nouveaux bâtiments commerciaux et entrepôts de plus de 1000 mètres carrés.

Soutien à l’industrialisation de la filière solaire

• Pour soutenir l’industrialisation de la filière solaire en France, le gouvernement a annoncé différentes actions pour garantir des débouchés aux usines de panneaux solaires français dès 2025.

Les appareils de conversion

Les appareils de conversion jouent un rôle crucial dans la transformation de l’énergie solaire en chaleur. Ils incluent principalement les panneaux solaires thermiques et les collecteurs thermiques.

• Les panneaux solaires thermiques absorbent le rayonnement solaire et le transforment en chaleur. Ils sont généralement utilisés pour chauffer l’eau ou l’air dans les maisons ou les bâtiments.

  
  

• Les collecteurs thermiques, quant à eux, permettent une transformation directe du rayonnement solaire en chaleur. Ils sont couramment utilisés dans des applications telles que le chauffage domestique, les cuisines solaires ou la production de chaleur pour des processus industriels.

Ces appareils peuvent fonctionner de deux manières : avec concentration ou sans concentration du rayonnement solaire.

Calcul de la conversion d’énergie

Le calcul de la conversion de l’énergie solaire en énergie thermique est un élément clé pour comprendre l’efficacité d’un système solaire thermique. Le but est de déterminer la quantité d’énergie solaire qui peut être convertie en chaleur. Pour cela, plusieurs facteurs sont à prendre en compte :

• Rendement du panneau solaire : Il s’agit du rapport entre l’énergie thermique produite et l’énergie solaire reçue par le panneau. Ce rendement dépend de la technologie du panneau, de son orientation et de son inclinaison, ainsi que des conditions météorologiques.

• Efficacité du système de conversion : C’est le rapport entre l’énergie thermique utilisée et l’énergie thermique produite. Ce facteur prend en compte les pertes d’énergie lors de la conversion et du transport de l’énergie.

• Taux d’ensoleillement : Il s’agit de la quantité d’énergie solaire reçue par unité de surface pendant une période donnée. Ce taux varie en fonction de la localisation géographique, de la saison et de l’heure de la journée.

Ces facteurs peuvent être utilisés pour estimer l’énergie thermique produite par un système solaire thermique. Des logiciels de simulation peuvent aider à réaliser ce calcul en prenant en compte ces différents facteurs.

Innovations et tendances à venir dans le secteur solaire thermique

L’univers de l’énergie solaire thermique est en constante évolution, grâce à des innovations technologiques et des tendances émergentes.

Le stockage thermique s’annonce comme une tendance majeure. Ce concept permet de conserver l’énergie solaire sous forme de chaleur, pour une utilisation ultérieure. Les recherches se concentrent notamment sur les matériaux à changement de phase et le stockage à haute température.

On note aussi l’émergence de nouveaux matériaux pour les collecteurs solaires. Parmi eux, des polymères capables de résister à des températures élevées, offrant une alternative moins coûteuse aux métaux traditionnels.

Les systèmes hybrides, combinant le solaire thermique et le photovoltaïque, gagnent aussi en popularité. Ces solutions permettent de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur à partir du même panneau, optimisant ainsi l’utilisation de la surface disponible.

Enfin, le développement de technologies à concentration, permettant de focaliser le rayonnement solaire sur une petite surface pour obtenir des températures plus élevées, ouvre la voie à de nouvelles applications, notamment dans l’industrie.

Ces tendances et innovations sont susceptibles de transformer le paysage de l’énergie solaire thermique dans les années à venir, offrant de nouvelles possibilités pour une transition énergétique durable.