Solaire thermique : la chaleur écologique

Le principe du solaire thermique : capturer la chaleur du soleil

Au cœur du solaire thermique se trouve une idée simple : utiliser la chaleur émise par le soleil pour produire et de l’eau chaude sanitaire et du chauffage. Ce principe, qui utilise cette énergie gratuite, est le même que celui d'une douche solaire de camping : la poche en plastique noire joue le rôle de réservoir d'eau et de capteur solaire. Le robinet et le flexible jouent le rôle de circuit hydraulique et le pommeau de douche permet l’utilisation de l’eau chaude sanitaire.

Les systèmes solaires thermiques sont composés de capteurs solaires, dont le rôle est de capturer le rayonnement du soleil et de la convertir en chaleur. Ces capteurs sont élaborés de manière à maximiser l'absorption solaire et à minimiser les pertes de chaleur.

Les capteurs solaires sont conçus en fonction de deux principaux types de technologies : les capteurs plans et les capteurs à tubes sous vide. Les capteurs plans, souvent utilisés pour chauffer l'eau, sont composés d'un ensemble de tuyaux soudés sur plaque noire absorbant la chaleur, recouverts d'une plaque de verre pour minimiser les pertes de chaleur. Les capteurs à tubes sous vide, quant à eux, sont constitués de tubes en verre sous vide, chaque tube contenant un absorbeur pour convertir la lumière en chaleur.

Le fonctionnement du solaire thermique

Le mécanisme de base derrière la conversion de la lumière solaire en chaleur repose sur le principe de l'absorption sélective. Les matériaux utilisés dans les capteurs solaires ont la capacité d'absorber les rayons lumineux tout en transformant cette énergie en chaleur. Cela se produit grâce à l'effet photothermique, où les photons de lumière solaire excitent les électrons dans les atomes du matériau absorbant, ce qui élève la température du fluide caloporteur à l'intérieur des capteurs.

Le panneau solaire thermique capte la chaleur grâce à un absorbeur de couleur foncé (ici : feuille d’aluminium), l’absorbeur transfère cette chaleur au collecteur (ici : des tubes de cuivre) dans lequel circule le fluide à chauffer. Pour améliorer les performances du panneau, l’absorbeur est placé sous une vitre, cela permet d’atteindre des températures élevées même si la température extérieure est négative. 
A l’arrière du collecteur se trouve un isolant (ici : laine minérale de 4 cm).

Le fluide caloporteur, souvent composé d'eau mélangée à des additifs pour lutter contre le gel comme dans un radiateur de voiture, circule à travers les capteurs solaires. À mesure que le fluide traverse les capteurs, il absorbe la chaleur générée par la conversion de l'énergie solaire. Cette chaleur est ensuite acheminée vers un échangeur ou vers la maison pour valoriser au mieux cette énergie gratuite. Là, elle peut être utilisée pour répondre à divers besoins énergétiques.

Chauffe-eau solaire, chauffage solaire, les applications pratiques

L'une des caractéristiques les plus attrayantes du solaire thermique réside dans sa polyvalence. Il peut être utilisé pour une gamme diversifiée d'applications, allant du chauffage résidentiel à l'industrie lourde.

• L’eau chaude solaire : Que ça soit pour une maison individuelle où pour des logements collectifs le solaire thermique permet de faire des économies d’énergie pour assurer la production d’eau chaude sanitaire et dans le cas des installations collective assurer le maintient en température du bouclage sanitaire. Ces installations sont dimensionnées en fonction du nombre de personne occupant le bâtiment.
• Le chauffage solaire : Dans le cas du chauffage solaire la chaleur collectée est injectée dans les radiateurs ou dans les planchers chauffant pour assurer une température confortable dans le bâtiment. Le dimensionnement de l’installation est adapté à la taille du bâtiment
• Le chauffage solaire de piscines : Les piscines peuvent également bénéficier du solaire thermique pour chauffer l'eau. Les capteurs solaires sont reliés au système de circulation de l'eau de la piscine, ce qui permet de maintenir une température agréable pour la baignade. Cela évite ainsi d’avoir recours à une énergie électrique ou fossile en été alors que la chaleur solaire est pleinement disponible sur cette saison.
• Applications industrielles : Les industries ont également saisi l'opportunité d'intégrer le solaire thermique dans leurs processus. Cela est possible dès qu’il y a un besoin en chaleur basse température c’est-à-dire inférieur à 100°C, ce qui est souvent le cas dans l’industrie agroalimentaire par exemple, le solaire thermique peut être utilisé pour chauffer l'eau nécessaire aux processus de production, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles.
• Chauffage de bâtiments : Certains bâtiments commerciaux et résidentiels intègrent des systèmes de chauffage au sol alimentés par le solaire thermique. Cette méthode de chauffage offre un confort uniforme en diffusant la chaleur à travers le sol, créant ainsi un environnement intérieur agréable.

Un peu de vocabulaire :
CESI (Chauffe-Eau Solaire Individuel) / CESC (Chauffe-Eau Solaire Collectif) / SSC (Système Solaire Combiné, incluant la production de chauffage et l’eau chaude solaire).

L'importance du stockage d'énergie

L'un des défis majeurs auxquels le solaire thermique est confronté concerne le stockage de la chaleur pour une utilisation ultérieure. La disponibilité de la chaleur solaire dépend de la présence du soleil, ce qui signifie que la chaleur doit être stockée pour être utilisée pendant les périodes où le soleil n'est pas présent, comme la nuit ou les jours nuageux.

Pour relever ce défi, différentes méthodes de stockage d'énergie sont utilisées. L'une des approches consiste à utiliser des réservoirs de stockage de chaleur, où la chaleur excédentaire est stockée sous forme d'eau chaude. Cette eau chaude peut ensuite être utilisée lorsque les capteurs solaires ne sont pas en fonction. D'autres méthodes comprennent l'utilisation de matériaux à changement de phase, qui stockent et libèrent la chaleur à des températures spécifiques, et les systèmes de stockage à haute température qui conservent la chaleur à des niveaux élevés pour une utilisation industrielle. On peut aussi se servir de l’inertie du bâti (qui représente une masse importante - une maison par exemple) pour le "charger" sans contrainte de place supplémentaire pour ce stockage.

Le solaire thermique : une énergie propre et économique

Le solaire thermique présente une multitude d'avantages, tant sur le plan environnemental qu'économique.

• Impact environnemental réduit : L'utilisation du solaire thermique réduit considérablement les émissions de gaz à effet de serre, contribuant ainsi à la lutte contre le changement climatique. En remplaçant les sources d'énergie par le solaire thermique, on peut réduire drastiquement notre empreinte carbone tout en favorisant une transition vers une énergie plus propre.
• Coûts opérationnels réduits : Une fois les systèmes solaires thermiques installés, les coûts opérationnels et de maintenance sont relativement faibles. Les capteurs solaires nécessitent peu d'entretien et ont une durée de vie relativement longue, ce qui en fait une option économiquement viable à long terme.
• Indépendance énergétique : Le solaire thermique offre la possibilité d'une plus grande indépendance énergétique. Les propriétaires de bâtiments résidentiels et commerciaux peuvent réduire leur dépendance aux fournisseurs d'énergie traditionnels en produisant leur propre chaleur à partir du soleil.

Une installation solaire thermique vient substituer une énergie souvent très carbonée jusqu’à 324 gCO2e/kWh. De plus, l’énergie utilisée pour le chauffage et l’eau chaude représente les ¾ des consommations d’énergie résidentielle. C’est donc le plus gros potentiel de décarbonation lors de la rénovation d’une maison.

Source : Ademe et Carbone 4 (2018)

Solaire thermique, une solution d'avenir

Le solaire thermique continue d'évoluer avec l'avancement des technologies et des innovations. Les chercheurs travaillent sur des matériaux plus performants et des systèmes de stockage d'énergie plus efficaces, ce qui pourrait renforcer davantage la viabilité du solaire thermique en tant que source d'énergie à part entière.

Alors que la transition vers des sources d'énergie propres devient de plus en plus cruciale, le solaire thermique émerge comme une solution prometteuse pour répondre à nos besoins énergétiques tout en préservant notre environnement. Avec sa polyvalence, sa faible empreinte carbone et son potentiel à réduire les coûts énergétiques, le solaire thermique se présente comme un élément clé de notre avenir énergétique durable.

En conclusion, le solaire thermique incarne l'esprit de l'innovation et de la durabilité dans notre quête énergétique. En convertissant les rayons du soleil en une source de chaleur utile, cette technologie offre une alternative propre et renouvelable aux sources d'énergie traditionnelles. Avec ses applications variées et ses avantages considérables sur les plans environnemental et économique, le solaire thermique s'impose comme une solution lumineuse pour un avenir énergétique plus propre, plus brillant et durable.

(Merci à Yvan PENEAU, responsable secteur Bretagne Pays-de-Loire de notre partenaire Solisart pour la relecture et les corrections.
Merci également à Jean-Marc DUPRAZ de la société Solaricimes pour sa magnifique photo de chantier).