OSENon
La
Maison à Energie Minimum
Cette étude décrit une installation d’eau chaude sanitaire
domestique par chauffe-eau électrique à
accumulation - auto-construction -, alimenté directement par un panneau photovoltaïque sans
aucune électronique ; cette installation fonctionne depuis plus d’un an,
et donne toute satisfaction (quand il y
a du soleil, bien sûr).
La spécificité recherchée de cette installation est sa simplicité de
conception et l’absence de maintenance
en vue de garantir la rentabilité de
l’investissement ; en effet, le courant électrique produit -courant continu 30
V- est directement injecté dans la résistance d’un chauffe-eau électrique qui sert d’accumulateur d’énergie ;
aucune électronique - ni batterie, ni régulateur de tension, ni onduleur - ne
sont utilisés. L’installation est simplement résistive (effet Joule) et purement statique (aucune pièce en mouvement
donc aucune usure ni entretien). (Voir aussi
chapitre 5 Statique / Dynamique)
Ceci est un impératif pour des questions de rentabilité : en effet, pour
une petite installation, le coût de l’électronique - même sans batteries- serait de près de 5 à 10 fois le
coût du capteur ! De plus
l’électronique étant soumise à entretien ou remplacement régulier, le
coût annihilerait la rentabilité qui est aussi un but essentiel de l’opération.
C’est une installation complémentaire
au réseau électrique existant,
qui diminue la facture
d’électricité ; cependant, on ne peut
pas la substituer au réseau national, car il y a d’autres usages que le purement résistif (production eau
chaude et/ou chauffage) tels l’éclairage ou les appareils ménagers et, bien
sûr, pour tous les usages en périodes sans soleil (80% du temps).
Le chauffage de l’eau sanitaire
est la meilleure solution, car elle est
aussi utilisée en période d’été où le soleil est le plus présent, ce qui permet
une bonne rentabilité toute l’année; aussi, le stockage dans le réservoir -chauffe-eau électrique
standardisé à coût très bas - permet de stocker l’énergie durant la nuit sans
aucune installation spécifique.
Ainsi on peut qualifier cette installation de « Photovoltaïque Résistif à
Accumulation ».
Pour la réalisation d’une telle installation, la connaissance de la loi d’Ohm a été nécessaire ; aussi, les règles de
sécurité et d’installations électriques sont
strictement appliquées.
Il est à remarquer que le photovoltaïque sera utilisé toute l’année car il
présente les avantages suivants :
-
Pas de fluide(s) en extérieur donc pas de pas de risque de gel
-
Installation simple et fiable (surtout si installé au sol)
-
Meilleur rendement par température froide (en hiver)
La production moyenne sur l’année n’est
ainsi pas trop variable car, en hiver,
on a une puissance plus forte mais une durée d’ensoleillement moindre, alors qu’en été c’est le
contraire : la puissance plus faible mais
la durée plus longue.
On utilise, pour ce document, les
définitions suivantes :
-
Stéatite : résistance électrique indépendante du chauffe-eau qui est
hors contact avec l’eau (pouvant être
remplacée sans vidange du réservoir)
-
kWh : unité énergie correspondant à la consommation d’un appareil
électrique de puissance un kW durant une
heure ; pour les calculs économiques nous considèrerons un coût de 15
centimes TTC / kWh (soit environ le tarif régulé domestique de base hors abonnement).
Le panneau photovoltaïque utilisé
est un équipement tout à fait
standard qui produit un
courant électrique à partir du
soleil ; sous notre latitude - 47°Nord-
il produit donc environ 1800 heures par an ; à raison d’un
rendement de 15.6% et d’un
ensoleillement de 1000 W/m2, on récupère
pour un panneau de 1,60 m2 orienté plein Sud (polycristallin standard 60
cellules 1640 x 990 mm) :
-
Puissance du panneau : 1000 W/m2 x 0.156% x 1.60m2 = 250 W soit 0.25 kW
-
Energie annuelle récupérée : 0.22 kW x 1800 h x 0.70 = 277 kWh (en
supposant 70% de la puissance moyenne, soit 1260 kWh/kWc).
-
Production annuelle = 277 kWh x 0.15 €/kWh = 42 € (par panneau)
Un panneau coûtant 100 € il faut donc
un peu plus de 2 ans pour l’amortir. La rentabilité est donc assez
facile, si on considère seulement le panneau. Bien entendu, si on utilise des
batteries, onduleurs et autres composants (environ 1000 €) c’est très différent, la rentabilité est exclue
dès le démarrage de l’installation, mais
de plus, la durée de vie de l’électronique
accroîtra encore la problématique.
Il est donc impératif de s’en tenir à ce type de solution si on veut garantir la rentabilité
de l’investissement, pour toutes les solutions non subventionnées.
Ce faisant, une telle petite installation totalement statique garantira, pour une durée de vie de l’ordre
de 25 années, une bonne rentabilité (10
fois le prix du panneau récupéré sur 25 ans). C’est donc une bonne affaire et on participe aussi à la protection
de l’environnement en produisant de l’énergie sans émettre aucune pollution.
Il est à noter que l’électricité étant hautement taxée (environ 70 % de
taxes diverses, voir chapitre 9 Taxes sur électricité), les taxes sont, en
quelque sorte, une aide à la rentabilité de cette installation d’autoproduction. Sans taxes en
effet, le kWh serait à 0,09 €/kWh et il
produirait donc 277x 0.09 = 25€ / an au lieu de 42 €.
Note :
1) si on considère le prix du
chauffe-eau (200 € pour 50L) pour le
calcul de la rentabilité, cela a, bien sûr, un impact notable, mais il
serait discutable de le faire car on
peut considérer le chauffe-eau comme faisant partie de l’installation sanitaire
(et donc n’étant pas directement un surcoût lié au solaire).
2) le prix du kWh 0,15€ est le prix
actuel et il devrait en toute
rigueur être actualisé sur la période d’étude de 25 années.
3) 1800 h de soleil par an c’est en moyenne 4,9 h/ jour ou 34,5 h /
semaine.
Pour une installation optimisée le panneau est monté comme suit :
-
Plein Sud
-
Sans aucune ombre sur le panneau (toute la journée)
-
Incliné entre 15° dans un premier
temps (35° étant l’optimum annuel à priori) optimisé pour l’hiver seul.
L’absence d’ombre pour 100 % du panneau est absolument indispensable car le
panneau étant composé de cellules en série, il suffit d’une dans l’ombre pour
bloquer la production de toute la série.
Une pose au sol a été préférée car elle permet le raccordement et le
nettoyage du panneau plus aisément.
Le chauffe-eau est totalement standard mais sa résistance est du type stéatite afin de pouvoir la
modifier pour l’adopter à la tension du panneau soit 30 V.
La capacité est de 50 L pour un panneau de 220 W (220W
au point choisi) afin de pouvoir bénéficier du pouvoir
d’accumulation ; pour une journée pleinement ensoleillée la production
d’eau à 45 °C à partir d’eau à 15 °C (été) sera en effet de :
0.220 x 3600 / 4.180 x (45-15) = 6.32 l/h ; donc il faudra 7,9 h de
chauffe pour un ballon de 50 L ; si le thermostat est réglé à 65°C on
pourra stocker toute l’énergie durant 13,2 h d’ensoleillement, ce qui
correspond à peu près, au maximum d’une pleine journée d’été.
En moyenne le soleil c’est 4,9 h / jour (1800 h / 365) soit une production de 31 l /
jour d’eau entièrement gratuite ; par semaine, c’est 217 litres.
Note : un chauffe-eau à
accumulation de 50 L chargé à 65°C est
équivalent à une batterie de stockage
solaire de 241 Ah en 12 V (2900 Wh).
Le chauffe-eau est installé au plus près des appareils desservis (voir aussi chapitre 3 Chauffe-eau) ; il
pourrait être indépendant hydrauliquement ou, en complément -en série en amont - avec un autre système
production eau chaude (chaudière ou autre chauffe-eau).
L’installation est strictement séparée du réseau EDF 230 V et comprend principalement
(pour un panneau 30V- 250W maxi- voir Annexe P1 Photos) :
-
Un sectionneur général 2 pôles coupure 20A mini
-
Un disjoncteur 16A maxi 2 pôles
coupure 20A mini
-
Le thermostat double (régulation et sécurité) fourni avec le chauffe-eau dont
le pouvoir de coupure devra être
suffisant pour le panneau.
-
Un voltmètre numérique de tableau
permettant de vérifier les conditions de fonctionnement ; une résistance
(1000 Ohm) est installée sur l’alimentation pour éviter la surtension (car
tension à vide du panneau 36 V) et, le
voltmètre est du type alimentation 4/30 V ; de plus cette résistance évite
le clignotement de l’affichage à basse tension (moins de 14V).
La section des fils est de 1.5 mm2
minimum (cuivre) pour un panneau unique
de 250W et une distance panneau / chauffe-eau inférieure à 5 m.
Pour toute installation il y a lieu
de vérifier et respecter les règles de sécurité et spécialement pour toute installation
différente - multi-panneaux et/ou de tension ou puissance supérieure(s) - et compléter par les
éventuels équipements complémentaires (protection différentielle, mise à la terre,
dispositifs de coupures…etc.) en fonction du type de montage (montage parallèle
ou série).Voir aussi référence n°4
ci-dessous.
C’est le seul point spécifique de l’installation, puisque il faut refaire
une résistance basse tension adaptée au
panneau solaire qui ne se trouve pas dans le commerce ; elle est réalisée
avec du fil inox (0,5 mm2 en section courante, 2 mm2 pour raccordement aux bornes) et de longueur telle que la
résistance corresponde à la puissance requise.
Les lois de l’électricité suivantes sont nécessaires :
-
Loi d ’Ohm U = R.I (U : tension
en Volt, R : résistance en Ohm, I : intensité en A)
-
P = U. I = R. I^2 (P : puissance en W)
-
R = r .L / S (r : résistivité
en Ohm/mm2/m, L : longueur en m, S : section en mm2)
Ces trois lois sont appliquées
suivant l’ordre suivant (voir annexe P2 détermination résistance) :
1.
A partir de la caractéristique du panneau (annexe P3) on détermine au point
de fonctionnement choisi (proche maxi puissance) la puissance par lecture
de la tension et l’intensité (P = U.I)
2.
Connaissant P, U et I o n déduit R (R= P / I^2)
3.
Connaissant R on choisit le diamètre
et la longueur du fil
L’exemple en annexe P2 considère la
résistivité (r) à la température de fonctionnement évaluée à 430 °C environ (à admettre,
calculs flux radiatifs), ce qui est un paramètre important car la résistance
est très sensible à la température pour les inox courants.
Vous remarquerez que pour la résistance – l’élément capital de
l’installation - il faudra environ 3 grammes
de fil inox, même à 20 € le kg, ce n’est pas ruineux.
Nota important : le raccordement aux bornes est fait en section 2 mm2 mini (ceci pour éviter tout
échauffement au niveau des bornes de raccordement).
Il est certain que la technologie
photovoltaïque fera des progrès dans l’avenir et on peut espérer, à surface
égale, des rendements bien supérieurs ; donc une installation de 1.6 m2
aujourd’hui, sera très facilement transformable en une installation plus
puissante et donc plus rentable dans l’avenir (remplacement du panneau au bout
de 25 ans en principe).
Un progrès très important serait la mise au point de panneaux fonctionnant
de façon correcte à la lumière du jour
même sans soleil, car, bien
entendu, la période de non ensoleillement représente 79 % du temps total (1800
h de soleil par année de 8760 h), ou
60% de la journée ; on multiplierait par 2,5 la production électrique avec
une même installation ; il n’y a donc qu’à attendre et croire dans le
progrès technique ….
Une façon aussi d’améliorer la production serait de prévoir un support orientable
pour suivre la course du soleil (sun tracker), la réflexion est en cours.
Le choix du point de fonctionnement à puissance max- par la fixation de la
valeur de la résistance -peut aussi être optimisé afin d’augmenter la
récupération d’énergie annuelle.
Il est peu probable aussi que le
niveau de taxes sur l’électricité baisse -du fait des coûts du traitement des
déchets nucléaires sur des milliers voire des millions d’années??- et donc, cela devrait favoriser
l’autoproduction dans l’avenir.
Les coûts de maintenance sont le plus souvent sous-estimés, aussi les systèmes sans
maintenance, telle cette installation purement résistive, aura un intérêt accru dans l’avenir.
Cette installation s’inscrit aussi dans le «produire et consommer local»
qui est en plein développement pour ce qui est de l’alimentation du
moins ; car, bien sûr, si on peut produire localement une partie de son
électricité, la stocker la nuit et la consommer le jour, n’est-ce pas le
circuit le plus logique , le plus court et le plus écologique ?.
En guise de conclusion, cette auto-construction est surtout un très bon moyen d’apprendre à
maitriser une installation simple de production d’électricité ; on
peut la faire visiter et
l’expliquer à ses proches, voire
envisager d’écrire un livre « l’électricité sans déchets expliquée à mes
enfants ».
Elle produira aussi durant 20 à
30 années, non seulement un petit pécule tous les ans - sans avoir
besoin de subventions payées finalement par les contribuables -
mais surtout elle produit des kilowattheures sans générer aucun déchet légué aux
générations futures…..
Annexe P1 : Photos
Annexe P2 : Détermination de la
résistance
Annexe P3 : Courbe caractéristique
panneau (point fonctionnement)
Quelques liens complémentaires à titre d’information
1-Estimation production : http://www.photovoltaique.info/Estimer-la-production.html
2- Estimation production et rentabilité : http://ines.solaire.free.fr/pvreseau_1.php
3-Data solaire : https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=fr (c’est Google maps + orientation soleil partout sur la planète ; rentrer son adresse dans menu « utilisateur »)
4-Securite-Ademe:https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/3270-maitriser-le-risque-lie-aux-installations-photovoltaiques.html