Produire du froid avec l’énergie solaire qui réchauffe la Terre. L’idée peut paraître saugrenue mais fonctionne bel et bien. Actu-Environnement fait le point sur cette technologie d’avenir qui pourrait remplacer avantageusement les systèmes de climatisation traditionnels très énergivores. Elle va d’ailleurs bientôt pouvoir bénéficier du fonds chaleur récemment créé.

Grâce au soleil, d’énormes quantités d’énergies atteignent la surface de la Terre après avoir parcouru une distance d’environ 150 millions de kilomètres. Avec une puissance moyenne d’environ 1.000 W/m2, cette énergie solaire est 10.000 fois supérieure à la demande énergétique globale de la population et ce pour les 5 milliards d’années à venir.

Cette source inépuisable à l’échelle humaine est toutefois inégalement répartie à l’échelle de la planète avec un maximum à l’équateur. Ces variations latitudinales se ressentent même en France : la région de Calais reçoit en moyenne environ 3 kWh/m2 par jour d’énergie solaire alors que Toulon en reçoit plus de 5,2 kWh/m2 et par jour avec des variations annuelles en fonction des saisons.

Au regard de ce potentiel, l’énergie solaire fait l’objet de toutes les attentions dans un contexte de hausse du coût des énergies fossiles et de lutte contre le changement climatique. Outre son abondance et sa gratuité, l’énergie solaire présente de nombreux avantages. Contrairement aux autres énergies de sources renouvelables, le solaire est exploitable sur l’ensemble de la surface du globe mais l’équipement de production doit être installé à proximité du lieu de consommation afin de minimiser les pertes. Ajoutons qu’il est totalement modulable puisque la taille des installations peut être facilement ajustée selon les besoins ou les moyens.

L’énergie solaire peut être utilisée pour produire de la lumière grâce à l’effet photovoltaïque. Les cellules solaires son capables de transformer l’énergie des photons de la lumière en un courant électrique continu.
La chaleur diffusée par le rayonnement solaire peut également être utilisée pour de nombreuses applications et à différents niveaux de température. À basse et moyenne température, l’énergie solaire est utilisée dans le bâtiment pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS), chauffer les locaux et l’eau des piscines. Ces utilisations sont regroupées sous l’appellation « solaire thermique ».

Ces utilisations simples sont désormais développées à grande échelle. En 2006, le parc de l’Union européenne en solaire thermique dépassait les 20 millions de m2 soit plus de 14 GWth tandis qu’en 2007, la puissance totale du parc photovoltaïque de l’UE a atteint 4.690 MWc.

D’autres utilisations en revanche font encore l’objet de recherche & développement. C’est le cas notamment de la climatisation solaire ou comment produire du froid grâce au soleil.

Principes généraux de climatisation

Utiliser l’énergie solaire pour produire du froid peut revêtir plusieurs aspects mais l’objectif final est toujours de limiter l’utilisation d’une climatisation classique réputée pour ses impacts négatifs sur l’environnement.

Un climatiseur traditionnel produit du froid en comprimant un fluide dit « frigorigène » ou « réfrigérant » qui a la capacité d’absorber de grosse quantité de chaleur (calories) lorsqu’il passe de sa phase liquide à sa phase gazeuse au niveau de l’évaporateur. Un climatiseur consomme par conséquent de l’électricité pour actionner le compresseur et du fluide frigorigène. En effet, bien qu’il soit en circuit fermé, les fuites de fluide ne sont pas rares.

Les impacts sur la consommation d’électricité et l’environnement sont donc loin d’être négligeables sachant que les fluides frigorigènes sont des gaz à effet de serre dont le pouvoir de réchauffement est beaucoup plus élevé que celui du CO2 : jusqu’à 2.000 fois et plus. Utiliser l’énergie solaire pour ces installations vise donc à limiter ces impacts.

Dans le cas de la climatisation solaire, l’énergie calorifique délivrée par le système solaire est utilisée par des machines de production de froid ou de traitement d’air pour produire de l’énergie frigorifique permettant d’assurer le rafraîchissement des locaux. Selon l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME), il faut parler plus précisément de « systèmes de conditionnement d’air des bâtiments assistés par le solaire ». Autrement dit, l’alimentation de l’installation repose sur un mix énergie solaire/énergie conventionnelle, la contribution solaire pouvant aller de quelques pourcent à 100 % théoriquement.
Lorsque l’installation fonctionne uniquement grâce à la ressource solaire, le système ne permet alors d’obtenir qu’une diminution de la température de l’air du local de quelques degrés par rapport à l’air extérieur: on parle alors de rafraîchissement. À l’inverse, une installation associant systèmes solaire et d’appoint permet de maintenir une ambiance thermique et hygrométrique constante dans les locaux, quelles que soient les conditions extérieures : on parle alors de climatisation, explique l’ADEME dans une note de synthèse.

Plusieurs configurations sont possibles sachant qu’il existe plusieurs manières de produire du froid.

1 : utiliser le solaire photovoltaïque pour assurer les besoins électriques du climatiseur à compression (climatiseur traditionnel),
2 : utiliser de l’énergie solaire thermique et la convertir en énergie mécanique couplée avec un climatiseur à compression.
3 : utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter une machine à froid dite à sorption (absorption ou adsorption)
4 : utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter un système de conditionnement d’air par
rafraîchissement évaporatif (DEC).

L’alimentation d’un groupe à compression classique par des panneaux photovoltaïques n’est pas envisageable actuellement, essentiellement pour des questions de coût des panneaux. Selon l’Institut national du Solaire (INES), dans quelques décennies, lorsque le prix de ces derniers aura suffisamment diminué, et que des groupes frigorifiques utilisant des fluides frigorigènes sans impacts sur l’effet de serre ou la couche d’ozone seront disponibles, il faudra se reposer la question.
Parmi les quatre voies possibles, les deux dernières ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche car elles sont les plus prometteuses. Aujourd’hui les technologies sont abouties. De nombreuses installations de démonstration ont été construites avant un développement à grande échelle.

Les systèmes fermés : les machines à sorption

Selon l’ADEME, l’état de l’art en matière de systèmes de rafraîchissement utilisant l’énergie solaire fait apparaître deux grandes familles : les systèmes dits « fermés » et les systèmes « ouverts ». Alors que les systèmes fermés produisent, grâce aux machines à sorption, de l’eau glacée qui est ensuite utilisée pour le refroidissement ou la déshumidification de l’air, les systèmes ouverts refroidissent directement l’air (système DEC).

Contrairement à la climatisation électrique traditionnelle qui produit du froid en comprimant un fluide, dans les machines à sorption, la compression mécanique est remplacée par une compression thermique. Ces systèmes utilisent également un fluide frigorigène et ses changements de phase (liquide/vapeur) mais provoquent ces changements grâce à un apport de chaleur. Le fluide frigorigène est dans ce cas de l’eau additionnée d’un second composant. Si ce dernier est un liquide, on parle alors d’absorbant et de machine à absorption, si c’est un solide poreux, on parle alors d’adsorbant et de machine à adsorption.

Dans les machines frigorifiques à absorption utilisées en climatisation, la substance absorbante est généralement le bromure de lithium (LiBr), le fluide réfrigérant, de l’eau. Le couple ammoniac/eau peut également être utilisé. Ce type de machine permet de refroidir de l’eau jusqu’à 7°C environ. La température de l’eau utilisée pour la décomposition de l’eau et de l’absorbant doit être comprise entre 80 et 120°C.

Pour les machines à adsorption, le gel de silicium fait le plus souvent office d’adsorbant. La machine est composée de deux compartiments.

L’eau chaude dont la température doit être comprise entre 65 à 80 °C permet au fluide réfrigérant de se vaporiser et de se séparer de l’adsorbant dans le premier compartiment avant de rentrer dans le cycle classique condenseur(condenser)/détenteur/évaporation (evaporator) et de s’adsorber dans le second compartiment. Au fur et à mesure, le premier compartiment se vide de fluide frigorigène tandis que le second se remplit. Il suffit ensuite d’inverser le phénomène et ainsi de suite.

Une machine frigorifique est énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie pour fournir une puissance frigorifique donnée. On évalue son efficacité par le calcul du coefficient de performance (COP) : rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance fournie au compresseur. Dans le cas d’une machine frigorifique traditionnelle, la puissance fournie est électrique. Le COP d’une telle machine peut atteindre la valeur de 3 voire plus. Dans le cas d’une machine frigorifique à absorption, le COP thermique tourne autour de 0,7 ; celui d’une machine à adsorption varie entre 0,5 et 0,6.

Ces machines à sorption sont déjà répandues dans le secteur industriel car certains process libèrent une chaleur importante dont il est possible de tirer une puissance frigorifique utile par ailleurs. Dans le secteur du bâtiment, l’idée est de coupler ces machines avec un cogénérateur ou des panneaux solaires. La chaleur nécessaire pour séparer les deux produits proviendrait par conséquent d’un cogénérateur ou de panneaux solaires thermiques. Le défi consiste désormais à réduire la taille et la puissance des machines pour pouvoir les intégrer dans le domaine du bâtiment.

À l’heure actuelle, les systèmes fermés représentent la majorité des installations existantes de rafraîchissement solaire, avec une part prépondérante pour les systèmes à absorption (60 % environ des installations).

Les systèmes ouverts : la dessication/évaporation

Les systèmes à dessiccation (DEC) sont des systèmes ouverts utilisant l’eau comme réfrigérant en contact direct avec l’air. Le terme « ouvert » signifie que le réfrigérant est évacué du système après qu’il a produit son effet refroidissant et qu’une nouvelle quantité de réfrigérant doit être injectée, le tout dans une boucle ouverte. Seule l’eau peut être utilisée comme réfrigérant puisqu’elle est en contact direct avec l’air ambiant.

La technique de climatisation par dessiccation/évaporation se base sur le principe que l’évaporation de vapeur d’eau dans l’air sec réduit sa température. Sous le climat européen, le taux d’humidité de l’air est généralement trop important et il faut d’abord déshumidifier l’air avant de le refroidir.

Le procédé de base est le suivant : l’air neuf provenant de l’extérieur, chaud et humide, traverse une roue à dessiccation où il est déshumidifié. Il est ensuite refroidi grâce à un échangeur thermique puis refroidi à nouveau grâce à un humidificateur qui permet d’ajuster le niveau d’humidité et de température souhaité avant d’être soufflé dans le local à refroidir.

En parallèle, l’air repris dans la pièce est humidifié pratiquement jusqu’au point de saturation pour bénéficier au maximum du potentiel de refroidissement dans l’échangeur thermique avant de ressortir.

La technique de climatisation par dessiccation/évaporation utilise par conséquent un organe de dessiccation qui peut être soit une roue contenant un matériau déshydratant solide (gel de silice par exemple) soit un lit dessicant liquide. Les matériaux dessicants doivent ensuite être régénérés par chauffage (45 à 70°C) afin d’être disponible à nouveau. La chaleur solaire est utile à cette étape.

Les systèmes ouverts constituent actuellement une part relativement faible des installations existantes : de l’ordre de 10 à 15 %.

Installation globale

De manière générale, les installations solaires de production de froid sont composées des éléments suivants : un champ de capteurs solaires et son circuit primaire, un échangeur et un circuit secondaire qui alimente la machine à froid, une machine à absorption ou à adsorption ou un système DEC et un système de régulation général.

Des ballons d’eau supplémentaires et des systèmes d’appoint en chaleur peuvent être installés pour servir de stockage et assurer la production de froid en dehors des périodes d’ensoleillement. Autant la climatisation solaire est une utilisation optimale de l’énergie solaire sur une base de temps annuelle, contrairement au chauffage solaire, puisque les besoins sont en phase avec la ressource solaire, autant ceci n’est pas vrai à l’échelle quotidienne. Les besoins peuvent être décalés par rapport à l’ensoleillement ou inexistant (locaux non occupés) et le ballon tampon permet de stocker l’énergie fournie par les capteurs pour l’utiliser le moment voulu, explique l’INES.

À l’instar d’un climatiseur traditionnel, les machines frigorifiques à absorption et adsorption rejettent de la chaleur qu’il faut évacuer. Les installations sont donc équipées d’une tour de refroidissement ou d’un système de stockage de chaleur par géothermie.

Installations déjà existantes

Aujourd’hui les technologies sont abouties. De nombreuses installations de démonstration ont été construites avant un développement à grande échelle. 90% d’entre elles sont installés en Europe : entre 300 et 400. Mais de nombreux sites ne fonctionnement plus à l’heure actuelle pour cause de défaillance liées à des défauts de conception ou de fiabilité globale. Au final, seule la moitié de ces installations sont encore en fonctionnement.

En France, on recense aujourd’hui un peu plus d’unedizaine d’installations. La plus ancienne a été mise en service en 1991 à Banyuls sur mer (66) dans une cave viticole. Pour refroidir les 15.000 m3 de sa cave de trois niveaux dont deux enterrés, le Groupement Interproducteur Collioure Banyls (GICB) a choisi de faire appel à la climatisation solaire. L’installation comporte donc 130 m² de capteurs solaires à tubes sous vide sur le toit, orientés sud-sud-ouest et d’une machine à absorption. Elle a subi quelques évolutions et améliorations techniques depuis sa mise en service et fonctionne généralement entre les mois de mai à septembre. Elle permet une économie d’énergie de près de 40 % sur la consommation annuelle du GICB.

Dans le cadre d’un projet européen, Solarclim 2000, deux nouvelles installations ont vu le jour en 2003. Elles mettent en oeuvre la même option technologique à savoir l’association capteurs solaires sous vide/machine à absorption.
L’une des deux climatise un immeuble de bureaux de la Direction Régionale de l’Environnement (DIREN) de Guadeloupe à Basse-Terre. La surface totale du bâtiment est d’environ 1.000m² mais seulement 570 m² sont rafraîchis par le système solaire, soit environ 36 bureaux. Le système de rafraîchissement est composé de 61 m² de tubes sous vide intégrés à la toiture et d’une machine à absorption de 35 kW de puissance nominale. En panne depuis plusieurs mois, l’installation va prochainement être remise en route.

Plus récemment d’autres installations ont été réalisées. La Maison des Energies à Chambéry (73) a installé en 2005 un système DEC (7 kWfd ) associé à 16 m2 capteurs plans vitrés. La société Givaudan a quant à elle mis en place sur son siège social situé à Argenteuil (95) une machine à absorption de 105 kW couplée à 298 m2 de capteurs à tubes sous vide et à une chaudière gaz.

La dernière installation en date est celle de l’Institut national de l’énergie solaire (INES) en mars 2009. Dans le cadre du programme européen Solera, les chercheurs du CEA Liten basés à l’INES à Chambéry viennent de mettre en place un démonstrateur de froid solaire d’une puissance nominale de 4,5 kW dans leurs locaux, où l’installation sera testée pendant deux ans.
La technologie choisie est là aussi la machine absorption couplée à un système solaire combiné. Tous les composants du système sont issus du commerce. Nous avons simplement modifié les réglages du SSC pour amener l’eau à la température souhaitée afin qu’il puisse coordonner les autres éléments du dispositif,indique François Boudehenn, chercheur au Liten. Pour cette installation il n’y a pas de tour aéroréfrigérante. La chaleur intermédiaire produite par le système est évacuée dans le sol à l’aide de sondes géothermiques.

Une installation va prochainement voir le jour en Guadeloupe au lycée HQE de Port-Louis. L’université de Bordeaux 1 s’apprête également à inaugurer une installation de 35 kW dans un nouveau bâtiment. Cette climatisation solaire aura la particularité d’être refroidie grâce à une eau de forage. Cette eau sera ensuite stockée dans une cuve avant d’être utilisé pour arroser les jardins pendant la nuit.

Avantages et inconvénients de la technique

L’intérêt du refroidissement solaire réside dans la simultanéité de la demande de froid et de l’ensoleillement.

Durant la dernière décennie, une demande de confort accrue et des températures élevées en été ont conduit à un fort développement de la climatisation dans les bâtiments tertiaires. Ce développement est responsable d’un fort pic de consommation électrique en été, le système de production et de transport d’électricité se rapprochant parfois de ses limites de capacité. Associés aux éventuelles fuites de fluides frigorigènes, ces pics de production électrique induisent une augmentation des émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Les systèmes de rafraîchissement solaires ont l’avantage de supprimer la plupart des nuisances d’une climatisation classique : la consommation d’électricité peut être jusqu’à 20 fois inférieure à celle d’un système classique à compression, les fluides frigorigènes employés sont inoffensifs puisqu’il s’agit d’eau et de solutions salines et la nuisance sonore du compresseur est supprimée. De plus, l’absence de compresseur mécanique évite les vibrations d’où le fait que ces machines demandent un entretien limité et présentent une grande longévité.

Il existe un gros potentiel de développement, essentiellement dans le secteur tertiaire (hôpitaux, bureaux, maisons de retraite,…). Cependant, les techniques de froid solaire sont encore au stade de la démonstration du fait de la complexité de la mise en œuvre, essentiellement au niveau de l’optimisation des composants et du système global, notamment en ce qui concerne la régulation.

De plus, les technologies existantes ne sont pas encore compétitives du point de vue économique comparées aux systèmes classiques utilisant l’électricité. Ceci est lié à la fois au coût d’investissement élevé du système solaire et des machines frigorifiques et au faible coût de l’électricité pour les systèmes classiques. Selon Daniel Mugnier du bureau d’étude Tecsol, ses installations sont encore 3 à 5 fois plus chères que les installations traditionnelles mais les prix devraient baisser assez rapidement d’ici 3 à 5 ans.

Des aspects réglementaires freinent également le développement à grande échelle de la climatisation solaire. Du fait d’un faible coefficient de performance (COP), ces machines rejettent beaucoup de chaleur. Il est possible de stocker cette chaleur sous forme géothermique mais le coût élevé des forages pousse à opter plutôt pour des tours aéroréfrigérantes. Or la réglementation contraignante liée au risque légionelle complique la situation.

Améliorations attendues et perspectives de la filière

La climatisation solaire devrait connaître un renouveau prochainement. Les installations de démonstration vont en effet être intégrées dans le programme d’aide du Fonds chaleur dans un système d’encadrement spécial. Géré par l’ADEME, ce fonds doit permettre de développer la chaleur renouvelable grâce à un budget conséquent sur 3 ans. Les aides pourraient représenter jusqu’à 60 voire 80% maximum de l’investissement mais un niveau de qualité élevé sera exigé en contrepartie (productivité solaire et efficacité électrique minimum), explique Daniel Mugnier de Tecsol. L’ensemble de ces modalités sera présenté jeudi 11 juin 2009 à l’occasion de la Conférence internationale DERBI.

Ce programme aura pour but de faire émerger la technologie via la démonstration. Il privilégiera des installations performantes et fonctionnant à l’année ce qui sous-entend qu’elles devront être réversibles et assurer une partie des besoins de chauffage en hiver et de climatisation en été. L’avenir de la climatisation solaire réside dans le couplage chauffage/ climatisation, confirme Daniel Mugnier.

Le déploiement d’installations de démonstration permettra de finaliser la technologie. Des pistes d’amélioration résident en effet dans la maîtrise de la régulation des systèmes. La problématique des tours aéroréfrigérantes doit également être réglée surtout pour les petites installations. Pour les grands projets d’une puissance de plus de 100 kW, les tours de refroidissement ne posent pas de soucis puisque le coût de leur maintenance peut être pris en compte dans le budget de départ, explique Daniel Mugnier.

En revanche pour les plus petites installations, d’autres voies sont possibles pour dissiper la chaleur. Des refroidisseurs « sans eau » appelés « dry coolers » suscitent beaucoup d’espoir bien qu’ils soient moins efficaces que les tours classiques et consommateurs d’électricité. Le bureau d’étude Tecsol tente de son côté de développer des systèmes similaires intégrant une aspersion d’eau minime mais suffisante pour augmenter l’efficacité de ces aérorefroidisseurs. Ces systèmes doivent désormais recevoir l’aval de l’administration française pour ne pas être considéré comme une tour de refroidissement.

Un développement intimement lié à une réduction des besoins de climatisation

La climatisation solaire ne prendra réellement de l’ampleur que lorsque les besoins en climatisation seront fortement réduits. Autrement dit lorsque les bâtiments seront conçus pour assurer un confort d’été satisfaisant. Les techniques passives de maîtrise des températures sont aujourd’hui largement sous-utilisées dans les bâtiments tertiaires, et des erreurs de conception des bâtiments conduisent souvent à des surchauffes très inconfortables pour les occupants. L’attitude la plus fréquente consiste à compenser ces erreurs de conception par une climatisation classique.

Les techniques passives de maîtrise des températures visent à minimiser les apports de chaleur internes et externes et évacuer les apports de chaleur. Pour cela, il faut optimiser les apports internes, l’orientation du bâtiment et des ouvertures, les espaces extérieurs, les protections solaires, l’isolation, l’inertie thermique et la ventilation.