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Le thermique et le photovoltaïque fusionnent

JULIE NICOLAS |  le 17/05/2013  |  SantéEnergieTechniqueBâtimentEnvironnement

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SOLAIRE -

Equipements d’avenir pour les bâtiments à énergie positive, les modules solaires cumulent les fonctions thermiques et photovoltaïques. Souvent encore en laboratoire, ces dispositifs affichent des performances prometteuses.

La technologie des panneaux solaires hybrides, c’est-à-dire capables de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur, intéresse les professionnels du bâtiment depuis longtemps. Les premiers travaux sur le sujet ont commencé il y a dix ans. « A l’époque, le collage d’un échangeur de chaleur sur un module photovoltaïque a montré ses limites », se souvient Daniel Mugnier, ingénieur R & D chez Tecsol. La difficulté est bien de parvenir à combiner deux fonctions a priori incompatibles puisque, pour jouer leur rôle, les panneaux photovoltaïques doivent rester à des températures assez basses. A l’inverse, les modules thermiques ont besoin de hautes températures. « C’est la raison pour laquelle cette technologie n’est pas à l’ordre du jour chez nous », ajoute Michael Beckmann, responsable des produits solaires chez Viessmann. Outre les facteurs physiques, l’industriel se pose la question du profil des clients susceptibles d’installer ces panneaux hybrides, plus souvent appelés PV-T.

Pour autant, différentes technologies de capteurs solaires de cogénération font l’objet de travaux de recherches et développement ou sont parfois même déjà disponibles sur le marché. Tecsol envisage d’ailleurs de participer au développement de produits avec la start-up DualSun (lire l’encadré p. 33). La pertinence des modules PV-T s’apprécie aussi à l’aune de la future RT 2020, qui devrait voir l’avènement des bâtiments à énergie positive (Bépos). Dans ce contexte, convertir la majeure partie de l’énergie lumineuse en chaleur, tandis que les rendements photovoltaïques culminent au mieux à 20 % semble pertinent. « C’est d’autant plus vrai en milieu urbain, où les surfaces de toitures sont restreintes », souligne Christophe Ménézo, titulaire de la Chaire INSA/EDF et coordinateur du projet Phototherm (lire l’encadré p. 31) pour le Centre de thermique de Lyon (Cethil). Le chercheur envisage déjà, à travers des simulations thermiques dynamiques, de réaliser de la trigénération : « Avec la montée en température, nous pourrions produire à la fois de l’électricité, de l’eau chaude sanitaire (ECS) et du froid solaire, via une machine à absorption, soit les trois besoins du bâtiment. »

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PHOTO - 721037.BR.jpg - © Vincent Colin/ADEME
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PHOTO - 721039.BR.jpg - © photos EDF
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PHOTO - 721036.BR.jpg - © Valery Joncheray
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PHOTO - 721035.BR.jpg - © SYSTOVI
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PHOTO - 721034.BR.jpg - © documents SYSTOVI
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PHOTO - 721029.BR.jpg - © DUALSUN

L' expert - « Beaucoup de recherches sont encore nécessaires »

« L’Ademe encourage la recherche sur les systèmes solaires qui permettent la cogénération de chaleur et d’électricité. Ces capteurs hybrides représentent un enjeu important dans le cadre des bâtiments à énergie positive, qui produisent davantage d’énergie qu’ils n’en consomment. L’objectif est d’optimiser le système de couverture photovoltaïque en toiture pour valoriser la chaleur produite, soit en préchauffage, soit directement. Tout dépend du but poursuivi. Il existe différentes technologies de capteurs hybrides, qui utilisent l’air ou l’eau comme vecteur. A chaque fois, les contraintes varient en fonction des usages (chauffage, préchauffage, ECS…). Nous travaillons sur ces questions, notamment avec le Centre de thermique de Lyon et EDF R & D, en coopération avec le Fraunhofer ISE, institut allemand leader sur l’énergie solaire en Europe. Pour l’instant, peu de produits ont abouti commercialement, car nous sommes confrontés à la question de leur durabilité. Si les capteurs PV-T affichent des performances prometteuses dans les conditions contrôlées en laboratoire, une fois soumis à l’encrassement, aux écarts de température, à des puisages réels, etc., il peut y avoir des éléments qui résistent moins bien que prévu. Vraisemblablement, beaucoup de recherches et développements sont encore nécessaires pour aboutir à des systèmes intégrés au cadre bâti, dont les deux fonctions seront garanties à long terme. »

Phototherm - Production directe d’eau chaude sanitaire

Depuis juillet 2012, des prototypes de panneaux solaires hybrides, issus d’un travail de thèse réalisé en collaboration entre le Fraunhofer ISE à Freiburg (Allemagne), EDF R & D et le Centre de thermique de Lyon (Cethil), sont testés sur le Bestlab, une maison instrumentée sur le site de Moret-sur-Loing (Seine-et-Marne). Ces panneaux présentent une couverture vitrée comparable à celle d’un capteur solaire thermique et séparée des cellules photovoltaïques par une lame d’air. « Nous prenons ainsi le contre-pied de ce qui se fait habituellement en composants hybrides plans », explique Christophe Ménézo, titulaire de la chaire INSA/EDF et coordinateur du projet pour le Cethil. « Le capteur est couvert d’un vitrage afin de créer un effet de serre et atteindre 90 °C de température d’eau pour produire directement de l’eau chaude sanitaire (ECS). » La difficulté est de faire travailler ensemble deux fonctions a priori incompatibles, puisque les rendements du photovoltaïque sont dégradés par la chaleur. Pour résoudre ce paradoxe, les panneaux utilisent un échangeur en aluminium sur lequel a été préalablement réalisé un réseau de tubes de forme fractale. « Ce dessin assure une homogénéité de température sur le capteur, afin d’éviter les points chauds dégradant la performance des cellules monocristallines montées en série », précise Christophe Ménézo. Autre spécificité, les cellules sont encapsulées directement sur l’échangeur grâce à un polymère thermodurcissable, ce qui améliore le transfert de calories entre les fonctions. L’objectif est de fonctionner avec les mêmes températures qu’un capteur thermique classique, sans dégrader les performances du photovoltaïque. La stagnation d’eau dans les capteurs représente alors le principal risque : elle peut atteindre 140 °C. « Les solutions explorées résident dans les revêtements de surface aux propriétés d’émission variables en fonction de la température. Ces smart coatings émettent par rayonnement quand la température atteint 90 °C. Une autre piste serait de ventiler mécaniquement la lame d’air. »

Systovi - L’air comme vecteur thermique

Implantée à Saint-Herblain (Loire-Atlantique) depuis 2008, Systovi vient d’obtenir un Avis technique pour son système de panneaux PV-T à vecteur air. Baptisé R-Volt, le dispositif utilise une lame d’air de 3 cm en sous-face des panneaux photovoltaïques. « Grâce à la parfaite étanchéité des panneaux à l’eau et à l’air, nous créons un effet cheminée sur chaque colonne installée en toiture », explique Mohamed Benabdelkarim, directeur technique de Systovi. « Quand la température de l’air est supérieure de 2 °C à celle de consigne, celui-ci est aspiré en partie haute, filtré, puis insufflé dans le bâtiment via des gaines de soufflages en aluminium », poursuit-il. Des ventilateurs de petite puissance couplés à des variations d’épaisseur de la lame d’air permettent de brasser l’air sous les panneaux et d’augmenter la surface d’échange. « Ce dispositif peu consommateur d’énergie permet de récupérer 30 à 35 % du flux lumineux sous forme de chaleur, tout en améliorant les rendements photovoltaïques », précise le directeur technique. Sur les 15 chantiers instrumentés, le delta de températures s’élève, en hiver, à 15 °C.

En été, l’utilisation de l’air évite tous les problèmes liés à la stagnation d’eau. L’air chaud est simplement évacué via une chatière, tandis que la ventilation continue à refroidir les panneaux photovoltaïques. La température sous les panneaux n’excède pas 45 °C. Autre atout, l’effet radiatif nocturne des panneaux favorise la décharge thermique de la construction, grâce au sky cooling.Environ 450 installations ont été réalisées avec les systèmes de l’industriel. Si la plupart concernent le résidentiel individuel, le petit collectif est également concerné. En mars 2012, le système R-Volt a été installé dans un immeuble du bailleur social le Foyer d’Armor, à Lorient (Morbihan). Les logements ont atteint le niveau BBC rénovation et le gain représente 150 kWh/m².an. « Les locataires ont retrouvé du confort par rapport aux convecteurs utilisés a minima », se félicite le directeur technique.

Dualsun - Basse température grâce à la PAC

Les panneaux hybrides thermiques et photovoltaïques de la marque DualSun sont en cours d’installation sur la toiture d’un immeuble du bailleur social Sogima, à Marseille (Bouches-du-Rhône). « Ce maître d’ouvrage devait remplacer le système de production d’eau chaude sanitaire (ECS) en fin de vie et souhaitait une solution utilisant les énergies renouvelables pour ces 75 logements », explique Jérôme Mouterde, fondateur de la start-up DualSun. La toiture étant occupée par des édicules d’ascenseur ou à l’ombre, seuls 40 % de la superficie ont pu être couverts de 89 m² de panneaux, d’où l’intérêt de la cogénération. Particularité du système DualSun, l’échangeur thermique est constitué de deux plaques d’acier inoxydable qui forment une nappe d’eau sur laquelle sont fixées les cellules photovoltaïques. Deux brevets ont été déposés : l’un sur la nappe d’eau et l’autre sur le système de fixation des cellules. L’ensemble est industrialisé afin de garantir sa pérennité en toiture.

L’installation se déroule en deux temps : l’électricien intervient en premier et pose les panneaux en toiture comme des systèmes photovoltaïques classiques. « Côté thermique, nous avons développé des coupleurs rapides pour clipper les panneaux entre eux facilement », précise Jérôme Mouterde. Dans un deuxième temps, le chauffagiste, qui installe les pompes à chaleur dans les locaux techniques, réalise les raccords des panneaux en toiture. La particularité du système est de fonctionner à basse température. Le régime de température du réseau d’eau glycolée est de 20 °C/35 °C. Ces calories sont récupérées par les PAC pour alimenter les ballons d’ECS en eau à 65 °C. Selon les études préalables, 70 % des besoins en ECS devraient être couverts par les panneaux solaires, dont la production est estimée à 114 660 kWh/an. Parallèlement, le rendement du photovoltaïque devrait être augmenté de 10 % grâce au refroidissement pour atteindre 21 560 kWh/an. L’électricité sera consommée sur place dans les parties communes.

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