A partir d'1kWh d'électricité, exploiter 4kWh supplémentaires issus de sources d'énergie renouvelable, SolarEis

A partir d'1kWh d'électricité, exploiter 4kWh supplémentaires issus de sources d'énergie renouvelable, SolarEis

Comment chauffer et refroidir avec la force de la nature. Tel est le concept de SolarEis de l’entreprise allemande Isocal permettant à partir d'1kWh d'électricité, d'exploiter 4kWh supplémentaires issus de sources d'énergie renouvelable.

Il combine 5 sources d'énergie renouvelable garantissant une efficacité optimale pendant toute l'année. Alors que pendant la période de chauffage les émissions de CO2 sont très faibles, elles deviennent quasiment nulles pendant la période de refroidissement. SolarEis stocke la chaleur à basse température. Les pertes thermiques sont ainsi nulles et le système particulièrement économique. Les coûts de chauffage sont réduits de 50%, les coûts de refroidissement de 99%. Aucun forage n'est nécessaire. SolarEis peut ainsi être installé de partout.

5 sources d’énergie inépuisable :

Une PAC puise de la chaleur à une source primaire basse température (ex: 10°C) et la libère à un niveau de température supérieur (ex: 35°C) exploitable pour le chauffage. Pour cela elle consomme une énergie primaire, payante, le plus souvent de l'électricité.
La quantité d'énergie primaire consommée est directement liée à l'écart de température entre la source de chaleur et la température de chauffage. Lorsque cet écart augmente de 1°C, les performances de la PAC sont alors dégradées de 2,5%. Le choix de cette source de chaleur est par conséquent primordial.
Le système SolarEis exploite cinq sources d'énergie pour faire toujours fonctionner la PAC avec le meilleur rendement possible.

Le soleil

Le rayonnement solaire est un gros contributeur pour le fonctionnement du système SolarEis. C'est une énergie disponible en très grande quantité y compris pendant l'hiver.
A chaque fois que l'ensolleillement le permet, le système SolarEis capte la chaleur issue du rayonnement pour la transmettre directement à la PAC ou pour la stocker dans le réservoir. Capteurs thermiques hybrides Solaire/air. Il s'agit de capteurs thermiques, hybrides, basse température.
Leur fonction est de capter de la chaleur (c'est à dire réchauffer le fluide caloporteur qui les traverse).
> Ils sont dits hybrides parce qu'ils captent, en plus du rayonnement solaire, la chaleur de l'air extérieur.
> Ils sont dits basse température, parce qu'ils fournissent une chaleur "basse température" qui est stockée dans le réservoir ou bien directement utilisée par la pompe à chaleur.

L'air

SolarEis peut capter la chaleur de l'air ambiant pour la transmettre directement à la PAC ou pour la stocker dans le réservoir. Les capteurs thermiques "hybrides" solaire/air, sont capables de capter de la chaleur sur l'air si tôt que sa température est supérieure de 1°C à la température du réservoir. Cela peut être notamment le cas par temps couvert et même pendant la nuit.

La terre

La terre qui entoure le réservoir SolarEis assure une fonction capitale dans le fonctionnement du système. Grâce à sa température quasiment constante pendant toute l'année, comprise entre 8 et 10°C, elle protège le réservoir des rigueurs de l'hiver et contribue même à sa régénération en le réchauffant pendant l'hiver.

L'eau

L'eau est le vecteur de stockage de l'énergie le plus économique et le plus écologique qui soit. L'eau contenue dans le réservoir souterrain stocke l'énergie sous forme sensible et latente à un niveau de température qui ne descend jamais en dessous de 0°C (cf. "Energie latente"). Ainsi, il peut faire -20°C dehors, la PAC a à disposition une source de chaleur exploitable à 0°C ou plus et cela aussi longtemps que de l'eau, sous forme liquide, reste à disposition dans le réservoir.

La glace

La PAC puise de la chaleur en hiver à l'eau du réservoir pour assurer les besoins de chauffage et provoque de ce fait la formation de glace. Lorsque SolarEis doit aussi couvrir les besoins de refroidissement en été, il contrôle les apports de chaleur dans le réservoir à mi-saison de façon à conserver dans le réservoir un maximum de glace. Cette glace sera utilisée pour assurer un refroidissement gratuit et parfaitement écologique en été (seul un petit circulateur est nécessaire en été pour distribuer l'eau glacée vers les émetteurs).

Chaleur latente de cristallisation

Alors qu'il faut fournir de la chaleur à de la glace pour la faire fondre, il faut au contraire soutirer de la chaleur à l'eau liquide pour la faire passer à l'état de glace.

Cette énergie mise en oeuvre est appelée la chaleur latente de cristallisation.

SolarEis met à profit deux caractéristiques fondamentales de ce phénomène naturel :

- Le changement d'état se fait à température constante

- La quantité d'énergie libérée est très importante
Lorsque l'eau du réservoir est refroidie par la PAC (qui vient y puiser de la chaleur), sa température diminue progressivement jusqu'à atteindre 0°C. Au-delà, lorsque la PAC continue de puiser de la chaleur, l'eau libère peu à peu sa chaleur latente de cristallisation en se transformant en glace.
Cette réaction se déroule à la température constante de 0°C. Il y a toujours échange de chaleur du réservoir vers la PAC, mais la température ne baisse plus dans le réservoir.
Ainsi, il peut faire -20°C à l'extérieur, la PAC a toujours à sa disposition une source de chaleur à 0°C minimum, lui garantissant un rendement minimum tout au long de l'année.

La quantité d'énergie que libère un litre d'eau liquide en passant à l'état de glace est la même que l'énergie libèrée par un litre d'eau pour passer de 80°C à 0°C. SolarEis peut ainsi stocker beaucoup d'énergie dans un faible volume.
Le stockage de chaleur se fait de plus à basse température, il peut donc s'effectuer dans un réservoir souterrain sans nécessité d'isolation.

Le réservoir SolarEis constitue une grosse réserve de chaleur utilisable par la PAC pour couvrir les besoins de chauffage et d'ECS.
Cette chaleur n'est utilisée par la PAC que pendant les périodes de grand froid, lorsque les capteurs thermiques ne représentent plus une alternative rentable.
Le réservoir a la particularité de garantir à la PAC une température de puisage minimum de 0°C, complètement indépendante des conditions climatiques extérieures (cf. Energie latente). La PAC ne subit aucune chute de performance et ne consomme pas plus d'électricité, même lorsque les températures extérieures sont extrêmement basses.

Il s'agit d'un réservoir béton enterré. Dans ce réservoir sont placés deux échangeurs de chaleur immergés dans un grand volume d'eau.
> L'un des échangeurs permet d'amener de la chaleur dans le réservoir (il est raccordé aux capteurs thermiques et éventuellement à d'autres sources de chaleur disponibles)
> L'autre échangeur permet de puiser de la chaleur dans le réservoir (il est raccordé à l'évaporateur de la PAC)

Comment fonctionne une PAC ?

Elle puise de la chaleur à une source de chaleur primaire et la restitue à une source secondaire.
La source primaire est une source de chaleur à basse température, disponible en grande quantité, idéalement gratuite, naturelle et renouvelable.
La source secondaire est généralement le circuit de chauffage (eau chaude) qui alimente en chaleur les différentes pièces à chauffer.
Principe de fonctionnement :
L'énergie est puisée à la source froide en amenant un fluide frigorifique à s'évaporer. Ce fluide absorbe de la chaleur pour passer à l'état gazeux. Le gaz obtenu est comprimé, c'est à dire porté à une pression et une température supérieure à laquelle il va pouvoir se condenser au contact de la source chaude. Pour retourner à son niveau d'énergie initiale sous forme liquide, le gaz va d'abord se refroidir puis libérer la quantité d'énergie qu'il avait absorbée pour s'évaporer.
C'est le compresseur qui consomme de l'électricité pour fournir au fluide frigorifique le travail mécanique qui l'amène de sa pression d'évaporation à sa pression de condensation.

Ainsi, le bilan énergétique d'une PAC s'écrit :
Energie puisée à la source froide + Energie électrique absorbée = Energie fournie au réseau de chauffage

Le COP (coefficient de performance) est définit comme le rapport de la puissance de chauffe et de la puissance électrique consommée. Il caractérise l'efficacité d'un système.
Sa valeur est liée au travail mécanique que doit fournir le compresseur, c'est à dire à la différence de température entre la source froide et la source chaude.
Plus cet écart est important et plus le compresseur va consommer de courant (on parle environ de 2,5% de consommation supplémentaire pour chaque degré supplémentaire) d'où la nécessité d'avoir une source de chaleur à la température la plus haute possible tout au long de l'hiver.

Les différentes pompes à chaleur présentes sur le marché n'utilisent qu'une seule source de chaleur et ne répondent pas toujours à cette attente :

• L'aérothermie : la source froide est l'air extérieur - les performances dépendent des températures extérieures et sont très dégradées par grand froid.
• La géothermie : la source froide est le sol - les performances sont plus constantes, mais la solution n'est pas facile à mettre en oeuvre.
• Le captage sur nappe phréatique : la source froide est l'eau des nappes phréatiques - les performances sont constantes mais la technique représente un réel danger pour l'environnement.

Quel type de machine choisir ? Compression ou absorption ?

Machine à compression.
Le travail mécanique, pour passer le gaz de la pression BP à la pression HP, est fourni par le compresseur. Ce dernier utilise généralement un moteur électrique (des moteurs gaz existent pour des machines de forte puissance)
Le COP, définit comme le rapport entre la puissance chaude restituée et la puissance électrique absorbée, est compris entre 3 et 6 (suivant les caractéristiques de la machine et les régimes de fonctionnement). Pour un COP de 4 cela signifie que lorsque 4 kWh de chaud sont fournis par la PAC, 1 kWh électrique a été consommé et 3 kWh ont été puisés dans le réservoir.

Machine à absorption.
Le travail mécanique, pour passer le gaz de la pression BP à la pression HP, est fourni par l'ensemble absorbeur/échangeur/générateur. Une source de chaleur est utilisée (le plus souvent la combustion de gaz)
Le COP, définit comme le rapport entre la puissance chaude restituée et la puissance chaude fournit au générateur est beaucoup plus faible, compris entre 1 et 1,8 (suivant les caractéristiques de la machine et les régimes de fonctionnement). Pour un COP de 1,33 cela signifie que lorsque 4 kWh de chaud sont fournis par la PAC, 3 kWh de chaleur ont été nécessaire au générateur et 1 kWh ont été puisés dans le réservoir.

Si les COP sont très différents entre ces 2 types de machines, les coûts d'exploitation ne sont cependant pas si différents. En effet le coût du kWh de gaz est beaucoup plus faible que celui du kWh électrique.
Le bilan carbone n'est pas facile à comparer, il varie suivant le mode de production du kWh électrique.

Le choix du type de machine à une grande importance pour le dimensionnement du réservoir. Le réservoir sera toujours beaucoup plus petit avec une machine à absorption.

Une machine à absorption couplée au système SolarEis peut être très interesante en été lorsqu'il faut refroidir. En effet la source de chaleur qui alimente le générateur peut être les panneaux solaires qui servent au chauffage et à la régénération en hiver. L'appoint pouvant être assuré par une chaudière lorsque l'ensoleillement n'est pas suffisant.
On a alors un refroidissement gratuit et des émissions de CO2 nulles pendant une partie de l'été.