Le secteur allemand des centrales solaires thermiques
La production de chaleur à partir de l’énergie solaire utilise une technologie éprouvée depuis des décennies. De nombreux foyers, hôtels et hôpitaux sont équipés de capteurs solaires qui assurent de manière fiable la préparation d’eau chaude et l’appoint de chauffage. De plus, les premières installations de production de chaleur industrielle et de climatisation solaire sont déjà en service.
Le point sur cette technologie
Les capteurs solaires thermiques absorbent le rayonnement solaire et le transforment en chaleur qu’ils transmettent ensuite à un fluide caloporteur. Dans les installations à circulation forcée, le fluide caloporteur est pompé dans le ballon d’eau chaude via un système de conduites. Pour cela, une pompe de circulation est activée par le régulateur dès que la température du capteur solaire est supérieure à celle du ballon. La chaleur solaire est transmise au ballon de stockage grâce à un échangeur de chaleur. Une fois refroidi, le fluide retourne dans le capteur solaire où il est de nouveau chauffé. En hiver, le chauffage d’appoint est assuré par une source conventionnelle d’énergie: les installations les plus utilisées en Allemagne sont les chaudières gaz ou fioul, mais aussi, de plus en plus souvent, les chaudières à granulés de bois.
Dans les systèmes de thermosiphon, la chaleur est transportée par gravité dans le ballon qui doit donc toujours être installé plus haut que le capteur solaire. Surtout utilisés dans les pays méridionaux, ces systèmes ne nécessitent pas de pompe ni de régulation. Malgré la simplicité et fiabilité techniques de ces systèmes, on les utilise rarement pour de grandes surfaces de capteurs ou pour la production centralisée d’eau chaude.
Les absorbeurs en plastique non vitrés constituent la forme la plus simple de capteur solaire. L’eau y est pompée par des tuyaux ou des tapis noirs en plastique puis utilisée pour chauffer les piscines en plein air. De manière typique, ce procédé permet d’atteindre des températures entre 30 °C et 50 °C.
Les capteurs solaires plans sont le type de capteur le plus répandu en Europe. Ces capteurs se composent d’un boîtier métallique ou en bois dont la face inférieure et les côtés sont isolés thermiquement et dont la face supérieure est recouverte d’un revêtement en verre. A l’intérieur du capteur solaire, de petits tubes sont soudés sous l’absorbeur à revêtement sélectif. Ces tubes sont traversés par le fluide caloporteur qui circule entre le capteur solaire et le ballon d’eau chaude. Les capteurs solaires utilisés en Allemagne fonctionnent généralement dans une plage de température comprise entre 60 °C et 90 °C. Ils peuvent toutefois atteindre des températures nettement supérieures à 200 °C lorsqu’ils sont à l’arrêt.
Les capteurs à tubes sous vide se caractérisent par des taux de rendement supérieurs: l’intérieur des tubes de verre sous vide permet en effet de réduire considérablement les pertes de chaleur. Il existe plusieurs types de construction. Dans le premier type, les absorbeurs sont placés dans un tube sous vide. Dans le second, deux tubes de verre sous vide sont montés sur une tôle thermoconductrice. Un capteur solaire se compose de plusieurs tubes.
Les capteurs solaires à air sont un autre type de capteurs solaires plans dans lequel l’air, faisant fonction d’agent caloporteur, est chauffé puis utilisé pour le chauffage de salles et d’habitations ou pour la production d’eau chaude en cas d’installations équipées d’échangeurs de chaleur air/eau. L’air ainsi chauffé peut également être utilisé pour le séchage de produits agricoles.
Evolution du marché allemand
Environ 5 % des ménages allemands ont opté pour le solaire thermique et plus d’un million d’installations solaires thermiques sont d’ores et déjà installées sur des toitures allemandes. Fin 2006, la puissance solaire thermique installée en Allemagne atteignait 5.750 mégawatts environ. L’Association allemande de l’industrie solaire estime qu’au cours des cinq prochaines années, l’Allemagne investira plus de dix milliards d’euros dans la pose d’installations solaires utilisées pour la production de chaleur. Les PME et le secteur de l’artisanat profiteront dans une large mesure de cette évolution du marché. Les quelque 5.000 entreprises et artisans allemands opérant dans le secteur du solaire thermique emploient environ 20.000 personnes. En 2006, ces entreprises enregistraient un chiffre d’affaires de 1,2 milliard d’euros sur un marché dont le taux de croissance approchait 60 pour cent.
En Allemagne, on estime à 800 millions de mètres carrés les surfaces de toiture qui sont adaptées pour une exploitation solaire. Les façades et les grandes surfaces libres fournissent d’autres potentiels d’exploitation. A l’heure actuelle, ce marché est dominé par les petites installations solaires exploitées pour la production d’eau chaude sanitaire et l’appoint de chauffage dans les habitations privées, leur surface de capteurs se situe en général entre 6 et 15 mètres carrés. La technologie solaire utilisée dans les grandes installations posées, par exemple, sur les immeubles collectifs, les hôtels, les hôpitaux, les maisons de retraite ou les foyers, s’est énormément développée au cours des dernières années et aura une importance croissante à l’avenir. Le programme de démonstration «Solaire thermique 2000» a par ailleurs permis le montage de 10 installations solaires de chauffage de proximité avec une surface de capteurs de 3.000 mètres carrés et des ballons de stockage de chaleur saisonniers d’un volume d’eau allant jusqu’à 12.000 mètres cubes. Ce type de système permet de stocker jusqu’en hiver la chaleur solaire générée en été et de l’utiliser ensuite pour chauffer les habitations raccordées. Les installations dotées d’une surface de capteurs supérieure à 30 mètres carrés sont peu souvent réalisées bien que les pertes de chaleur réduites qui les caractérisent augmentent leur rentabilité. La faible exploitation de ce potentiel s’explique en partie par la durée d’amortissement de ces installations. Leur durée maximale d’amortissement de quatre ans est deux fois plus courte que celle des installations solaires sophistiquées. Un argument de poids est souvent ignoré: après une durée d’amortissement certes plus longue, les installations solaires de qualité fournissent de l’énergie presque gratuite pendant de nombreuses années.
Conditions générales
Du point de vue technique, les installations solaires thermiques sont arrivées à maturité, elles respectent l’environnement, protègent le climat et augmentent la sécurité d’approvisionnement énergétique en réduisant notre dépendance vis-à-vis des importations de pétrole et de gaz naturel. Par rapport aux prix actuels du pétrole et du gaz naturel, ces installations sont toutefois souvent plus coûteuses et bénéficient à ce titre d’une subvention du gouvernement fédéral allemand dans le cadre d’une initiative connue sous le nom de Programme d’incitation de marché.
Afin d’accélérer encore davantage l’expansion de ces installations sur
le marché, d’autres programmes systématiques d’incitation seront prochainement lancés.
Parallèlement aux petites installations décentralisées, de nouvelles opportunités sont fournies par les réseaux de chauffage de proximité qui peuvent être alimentés en chaleur solaire par de grands champs de capteurs.
L’Allemagne travaille activement sur ces projets qui utilisent parfois de grands ballons de stockage de chaleur saisonniers permettant de conserver jusqu’en hiver la chaleur générée en été.
Perspectives
A côté des aspects écologiques tels que la protection du climat et la réduction des émissions polluantes, les arguments économiques sont de plus en plus souvent évoqués en faveur d’une plus grande utilisation des installations solaires thermiques. En raison de la hausse constante des prix du pétrole et du gaz et de la dépendance croissante face aux importations de ces combustibles en provenance de régions en crise, l’intérêt économique accru suscité par le solaire thermique concernera, à l’avenir, non seulement la production d’eau chaude mais surtout son application comme appoint de chauffage. En Europe, les installations solaires thermiques feront alors partie intégrante des systèmes de chauffage de tous les bâtiments.
Une autre application très prometteuse est la climatisation solaire thermique qui utilise la chaleur générée par les capteurs solaires pour alimenter des machines frigorifiques à absorption. A l’heure actuelle, plus de 100 installations de ce type sont déjà utilisées avec succès en Europe. Plusieurs entreprises et instituts de recherche travaillent au développement de cette technologie afin de la rendre encore plus compacte, plus économique et opérationnelle pour les puissances plus petites.
