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Comparaison entre les chauffe-eau thermiques et photovoltaïques - Par : Diane Le Roux, Daniel R. Rousse,

Comparaison entre les chauffe-eau thermiques et photovoltaïques


Diane Le Roux
Diane Le Roux est candidate à la maîtrise à l’ÉTS et au diplôme d’ingénieur mécanique à l’INSA Toulouse. Ses recherches portent sur l’énergie solaire.

Daniel R. Rousse
Daniel R. Rousse Profil de l'auteur(e)
Daniel R. Rousse est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’énergie durable et renouvelable, la métrologie énergétique, le transfert, la conservation, la conversion et la production de l’énergie.

Capteurs solaires photovoltaïques sur le toit d’une maison

L’image d’en-tête a été achetée sur Isock.com et est protégée par des droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

La chute importante des prix des capteurs solaires photovoltaïques (PV) permet d’envisager de nouvelles applications rentables selon le contexte géographique. Leur utilisation pour le chauffage de l’eau domestique peut-elle s’avérer rentable par rapport au chauffage solaire thermique ? La modélisation et la simulation numérique des différents systèmes ont permis de comparer leur rendement économique sur 20 et 40 ans. Le chauffe-eau PV s’avère très avantageux pour les régions chaudes telles celles de Cuzco et de Marseille, et avantageux pour les communautés nordiques telles celles de Kuujjuaq et Kuujjuarapik. Pour Montréal et Saguenay, le système a une valeur actualisée nette sur 40 ans proche de zéro, soit un équilibre économique en raison du très bas coût de l’hydroélectricité utilisée au Québec. Mots-clés : Chauffe-eau, solaire, thermique, photovoltaïque, rendement économique

Introduction

Les systèmes de chauffage solaire thermique (ST) sont des technologies matures et bien documentées (figure 1). Leur rendement est élevé pour les régions du monde comportant de moyennes à fortes insolations. Cependant, leur durée de vie reste relativement faible, leurs coûts d’entretien et d’achat demeurent élevés. Le Laboratoire des technologies de l’énergie d’Hydro-Québec (HQ) conclut à leur non-rentabilité dans le contexte du grand réseau hydroélectrique québécois [1] : l’économie d’énergie mesurée atteint de 33 % à 38 %, alors que les économies annoncées devaient être de 50 % à 60 %. De plus, des limites d’exploitation inhérentes aux ST dans le climat plus froid sont rencontrées.

Réservoir d’eau chaude chauffé par énergie solaire thermique

Figure 1 Schéma de fonctionnement d’un système de chauffage solaire thermique classique

 

En parallèle, les panneaux PV peuvent conserver une efficacité de conversion presque constante pendant une quarantaine d’années, performent mieux au froid et requièrent peu d’entretien. La croissance exponentielle de la demande mondiale a entraîné une chute de prix d’environ 80 % des capteurs PV depuis 2010. Toutefois, la conversion électronique pour adapter l’électricité fluctuante produite au réseau de distribution électrique augmente le coût de cette filière. Une des avenues explorées pour rendre le chauffage photovoltaïque (SPV) plus économique est d’éliminer les équipements électroniques de conversion et d’utiliser directement l’électricité produite pour le chauffage de l’eau. Une étude préliminaire de la Chaire TERRE [2], réalisée près de Saguenay, démontre que le coût de l’énergie produite en auto-installation est équivalent à celui du réseau HQ (figure 2).

Chauffe-eau solaire photovoltaïque

Figure 2 Schéma de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire PV

Méthodologie

Ensemble de données

Dans ce contexte, le but de ce travail consiste à comparer la rentabilité économique du ST à celle du SPV sans équipements de régulation et de gestion de la puissance maximale. Les objectifs formels sont d’estimer la rentabilité du ST passif, du ST actif et du SPV pour six endroits choisis en fonction de leurs caractéristiques d’ensoleillement, leur approvisionnement actuel en énergie et le coût de leur énergie. L’énergie annuelle produite, l’investissement initial, le coût de revient de l’énergie et la période de retour sur investissement sont les paramètres qui doivent être déterminés.

 Principe du chauffe-eau solaire PV

Le SPV fonctionne conjointement avec l’électricité sur un réservoir domestique standard à trois éléments. L’élément central est directement relié aux panneaux PV, alors que les deux autres sont reliés au réseau, permettant de maintenir une température minimale de 55 °C et d’éviter la légionellose. L’élément central peut surchauffer l’eau jusqu’à 85 °C, ce qui permet de stocker un maximum d’énergie et de la restituer par la suite. Cette eau chaude est mélangée avec de l’eau froide avant d’être distribuée. Les SPV permettent de chauffer l’eau uniquement entre 60 et 85 °C (figure 2).

Résultats

La valeur actualisée nette (VAN) représente les gains ou pertes engendrées sur 20 ans pour chacun des systèmes de chauffage solaire, selon l’énergie de référence utilisée (figure 3). Les résultats démontrent que le SPV est le plus rentable, quel que soit le lieu considéré. Les plus gros écarts sont visibles dans les régions froides, car les ST perdent de leur efficacité technologique, ce qui est l’inverse pour les capteurs PV. Les régions chaudes voient l’écart se réduire entre le SPV et le ST. Dans ce cas, le ST est beaucoup moins onéreux, car la technique est plus répandue, le système est beaucoup moins complexe et le liquide caloporteur ne gèle pas en hiver, ce qui réduit les coûts de l’installation.

Valeur actualisée nette des chauffe-eau selon l’endroit

Figure 3 Valeur actualisée nette sur 20 ans des chauffe-eau en fonction des localités étudiées

 

Sachant que les SPV sont utilisables jusqu’à 40 ans, moyennant les remplacements du réservoir de stockage tous les 10 ans, le calcul des VAN sur 40 ans donne un plus grand aperçu du rendement des SPV. Pour les SPV, elles seraient de 2 à 3 fois plus grandes que sur 20 ans. Pour Montréal et Saguenay, elles seraient presque nulles (respectivement 5 $ et -800 $), soit un équilibre économique malgré le très bas coût de l’hydroélectricité au Québec.

Conclusion

La modélisation des systèmes de chauffage de l’eau chaude sanitaire (ECS) démontre que les SPV sont plus rentables que les ST. Dans les régions froides, la différence de rentabilité est plus prononcée, avec en moyenne des rentabilités 8 fois plus importantes pour les SPV. Dans les régions chaudes, les ST sont moins onéreux que dans les régions froides et sont soumis à moins de pertes énergétiques dues à des températures extrêmes et des entretiens moins poussés. Les écarts entre SPV et ST sont alors moins importants.

De manière générale, le prix de revient des SPV, incluant la part de l’énergie d’appoint, au kilowattheure varient de 0,059 $ à 0,135 $.

La demande mondiale augmentant pour les capteurs PV, la baisse des coûts devrait se poursuivre, et donc augmenter progressivement la rentabilité des SPV au fil des ans. Le dernier rapport de Bloomberg en 2018 indique que depuis 1976 les prix ont chuté de plus de 80 $USD/W à moins de 0,30 $USD/W. Les auteurs du rapport s’attendent à ce que « les prix des capteurs PV suivent le rythme de décroissance de 28,5 % qu’ils ont connu au cours des 40 dernières années » [3]. Il en découlera une compétitivité accrue au fil des ans du SPV en regard du ST et des énergies de référence, même au Québec où les tarifs d’électricité augmentent chaque année.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article de conférence suivant : Le Roux, D.; Bourbonnais, M.; Dèry, P. Rousse, D.R. 2019. « Modélisation et simulations technico-économiques comparatives du chauffage solaire de l’eau par des capteurs photovoltaïque et thermique ». XIVème Colloque International Franco-Québécois en énergie. Baie St-Paul, Canada.

Diane Le Roux

Profil de l'auteur(e)

Diane Le Roux est candidate à la maîtrise à l’ÉTS et au diplôme d’ingénieur mécanique à l’INSA Toulouse. Ses recherches portent sur l’énergie solaire.

Programme : Génie énergies renouvelables et efficacité énergétique 

Laboratoires de recherche : t3e - Groupe de recherche industrielle en technologies de l'énergie et en efficacité énergétique 

Profil de l'auteur(e)

Daniel R. Rousse

Profil de l'auteur(e)

Daniel R. Rousse est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’énergie durable et renouvelable, la métrologie énergétique, le transfert, la conservation, la conversion et la production de l’énergie.

Programme : Génie mécanique  Génie énergies renouvelables et efficacité énergétique 

Laboratoires de recherche : t3e - Groupe de recherche industrielle en technologies de l'énergie et en efficacité énergétique 

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