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RECHERCHE I Energie

 

Produire de l’énergie à partir du soleil et de la glace

 

La Haute Ecole spécialisée de Suisse orientale a étudié les systèmes dits de glace solaire en vue d’une utilisation dans les immeubles d’habitation.

  

 BENEDIKT VOGEL (OFEN)

Le transfert de la chaleur estivale en hiver est un enjeu central pour l’approvisionnement en énergie renouvelable. Et dans ce cadre, le principe de la glace solaire constitue une technologie prometteuse. Le principe? Des collecteurs solaires régénèrent la glace formée par une pompe à chaleur de chauffage. Avec cette approche, le rendement énergétique des collecteurs est nettement plus élevé que celui des installations solaires traditionnelles, en été comme en hiver. Une équipe de chercheurs de la Haute Ecole spécialisée de Suisse orientale (OST) a étudié l’efficacité des systèmes de glace solaire et développé la base d’un outil de dimensionnement en ligne pour permettre aux maîtres d’œuvre d’estimer si l’intégration d’un système de glace solaire est judicieuse.

En deux décennies, les pompes à chaleur sont devenues le système de chauffage le plus apprécié en Suisse. Elles fournissent du chauffage et de l’eau chaude avec un minimum d’énergie électrique, en exploitant la chaleur de l’air ambiant, de la terre ou de collecteurs solaires. Depuis quelques années, des systèmes incluant une pompe à chaleur et un collecteur solaire sont dotés d’un accumulateur de glace en vue d’augmenter l’efficacité globale. Un accumulateur de glace n’est autre qu’un conteneur en béton rempli d’eau dans lequel une importante quantité de chaleur peut être stockée en cas de besoin.

L’utilisation de cette technologie dans des maisons individuelles est toutefois relativement coûteuse. «Nous voyons le potentiel concret de ce système de production de chaleur dans les immeubles. Dans leur cas, la construction d’un accumulateur de glace solaire est rentable», affirme le Dr Daniel Carbonell, responsable Systèmes thermiques et modélisation à l’Institut de technique solaire de l’OST. Avec une équipe de chercheurs, l’expert en énergie solaire a étudié la performance du système dans des immeubles dans le cadre d’un projet de recherche nommé «Big Ice», soutenu par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN).

 

UN LOGICIEL POUR ÉVALUER LA FAISABILITÉ

Les résultats de l’étude constituent une base précieuse pour le développement d’un logiciel destiné aux maîtres d’ouvrage. Cet outil leur permettra à l’avenir, avec leurs planificateurs, d’évaluer rapidement si un système de glace solaire est rationnel dans une nouvelle construction ou dans le cadre d’une rénovation.

Les données d’entrée utilisées par le logiciel sont en premier lieu les besoins annuels en chaleur du bâtiment et le rayonnement solaire sur l’emplacement de la construction. «L’intégration des données météorologiques annuelles et des besoins en chauffage permet de prédire l’efficacité avec une précision de 10%», stipule le rapport final du projet Big Ice.

 

3600 SIMULATIONS

Pour établir cette «formule accumulateur de glace», les chercheurs de l’OST ont étudié les facteurs qui influencent l’efficacité des systèmes de glace solaire. L’étude s’est concentrée sur deux maisons de six familles (bâtiment neuf avec des besoins en chauffage et en eau chaude d’environ 30kWh/m2, bâtiment existant rénové avec 100kWh/m2 à Zurich) et deux types d’utilisateurs (comportement idéal d’un point de vue énergétique ou comportement réellement observé). Cette étude a permis de déduire quatre profils de besoins en chaleur. En même temps, les données météorologiques de huit villes suisses pour une année chaude, une année froide et une année moyenne ont été utilisées. A l’aide du logiciel TRNSYS, un total de 3600 simulations ont été effectuées, chacune d’entre elles calculant l’efficacité et les besoins en électricité avec lesquels les besoins en chaleur respectifs pourraient être couverts avec un système de glace solaire.

L’enseignement majeur de ces simulations? Dans toutes les constellations étudiées, le système est en mesure de couvrir les besoins en chaleur. En cas de températures plus basses, l’efficacité peut baisser jusqu’à 25% et, comme avec les chauffages traditionnels, les dépenses énergétiques augmentent en conséquence. Ce problème pourrait être évité grâce à un accumulateur plus grand, mais les auteurs du projet Big Ice déconseillent de concevoir des systèmes surdimensionnés, peu justifiables d’un point de vue économique.

 

PAS SYSTÉMATIQUEMENT PLUS CHER

Le système de glace solaire se compose d’une pompe à chaleur, d’un champ de collecteurs et d’un collecteur de glace. Il est ainsi plus complexe et plus cher qu’une pompe à chaleur géothermique. Selon les calculs de l’OST, les coûts de production de chaleur représentent entre 17 et 24ct./kWh pour un bâtiment rénové, et de 19 à 34ct./kWh pour une nouvelle construction. «Dans certains cas, le système de glace solaire est compétitif avec un système de pompe à chaleur géothermique, mais dans la plupart des cas, ce dernier est moins cher sans régénération du sol. Toutefois, si une régénération doit être ajoutée au système de pompe à chaleur géothermique, la glace solaire sera probablement la solution la plus économique», constate le rapport final du projet Big Ice.

L’avantage du système, c’est qu’il peut être utilisé pour le refroidissement en été. Pour ce faire, la fonte de l’accumulateur est stoppée au printemps afin de conserver le froid restant dans l’accumulateur de glace: «Cette option de free-cooling passive n’entraîne pas d’augmentation des besoins en électricité dans une région à faibles besoins en refroidissement, comme Genève», indique le rapport final. Dans une région présentant des besoins en refroidissement plus élevés, comme le Tessin, par exemple, il est possible de prévoir une capacité de refroidissement supplémentaire: l’eau chaude n’est alors pas fournie par les capteurs, mais par la pompe à chaleur qui refroidit l’accumulateur de glace. Le recours à l’accumulateur de glace à des fins de refroidissement a toutefois ses limites: un bâtiment avec des besoins en refroidissement élevés, tel qu’un bâtiment administratif, nécessiterait un accumulateur trop volumineux.

 

Le rapport final du projet de recherche «Big Ice – Assessment of solar-ice systems for multi-family buildings» est disponible sur ici.

Recommandations pour la pose de systèmes solaire-glace

 

Les chercheurs et chercheuses impliqués dans le projet Big Ice ont utilisé leurs découvertes pour établir des recommandations destinées aux planificateurs. Les voici en résumé.

  1. Pour être exploité de manière économique, l’accumulateur de glace devrait avoir un volume de 0,32m3lat/MWh à 0,48m3lat/MWh. Le champ de collecteurs correspondant devrait avoir une taille de 1,5m2/MWh à 2,5m2/MWh.
  2. La taille de l’accumulateur de glace et la surface des collecteurs doivent être basées sur les besoins hivernaux en chaleur.
  3. Pour éviter un surdimensionnement, le système ne doit pas être conçu pour le pire des cas, mais pour des conditions météorologiques moyennes sur une plus longue période.
  4. L’utilisation directe de la chaleur solaire dans l’évaporateur de la pompe à chaleur est recommandée, sauf si des fluides différents sont utilisés dans le circuit du collecteur et dans celui de l’évaporateur.
  5. L’utilisation directe de la chaleur solaire dans le réservoir à eau chaude est recommandée si les collecteurs fournissent des températures élevées.
  6. En arrêtant la fonte de l’accumulateur de glace au printemps, l’énergie de refroidissement peut être utilisée en été. Il est ainsi possible d’augmenter l’efficacité globale du système d’accumulateur de glace de 2 à 5%.