Chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captation de l'énergie solaire destiné à fournir partiellement ou totalement de l'Eau Chaude Sanitaire (ECS).

Ce type de chauffage permet habituellement de compléter les types de chauffage de l'eau exploitant d'autres sources énergétiques (électricité, énergies fossiles, biomasse, ...) dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant parfaitement renouvelable, ce remplacement permet de limiter efficacement les émissions de gaz à effet de serre ou la production de déchets nucléaires, raison pour laquelle l'installation de tels dispositifs est fortement encouragée par de nombreux États et collectivités via la fiscalité, des primes et/ou une obligation d'installation sur les nouvelles constructions.

Cela correspond au taux de couverture solaire, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et la consommation totale de l'installation. En Europe de l'Ouest, un chauffe-eau solaire permet de réaliser environ deux tiers (66 %) d'économie sur les besoins en eau chaude, qu'il s'agisse de maisons individuelles (chauffe-eau solaire individuel (CESI)) ou de structures collectives (chauffe-eau solaire collectif (CSC)). Dans les pays du sud méditerranéen, certains pays d'Asie, les Caraïbes, les chauffe-eau solaires sont habituels ; compte tenu d'un éclairement solaire plus régulier et plus intense, ainsi que d'une température ambiante plus élevée, l'équipement est beaucoup plus simple, fréquemment constitué d'un simple ballon en toiture, non isolé thermiquement, qui fait usage de capteur solaire en même temps que de réservoir d'eau chaude.

Il existe principalement trois types de panneaux solaires thermiques :

• les capteurs plans non-vitrés : de l'eau circule dans un absorbeur, généralement noir, ouvert à l'air.
• les capteurs plans vitrés : un fluide caloporteur circule dans un absorbeur, à l'intérieur d'un panneau vitré sur l'une de ses faces et isolé sur les autres.
• les collecteurs à tubes sous vide : un fluide caloporteur circule dans plusieurs tubes à double parois sous vide, qui leur garantissent une très bonne isolation thermique. Le vide étant le meilleur isolant connu, celui-ci procure un avantage indéniable en hiver ou sous des climats froids. Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer plus de 95% de l'énergie solaire.

Un chauffe-eau solaire est constitué de plusieurs organes :

• des panneaux solaires (ou capteurs solaires thermiques) qui captent l'énergie du rayonnement solaire en chauffant un fluide caloporteur (eau ou antigel) dans un circuit primaire. Ce dernier est chargé d'acheminer les calories récupérées jusqu'au circuit secondaire ;
• un réservoir d'eau chaude (ou ballon d'eau chaude) dans lequel un volume d'eau est chauffé par le liquide caloporteur à travers d'un échangeur thermique, souvent un serpentin de cuivre ;
• un dispositif de chauffage d'appoint peut être intégré au réservoir, sous forme d'une résistance électrique ou de liaison à une chaudière à gaz, au fioul ou au bois. Il est utile lorsque l'énergie solaire ne suffit pas aux besoins. L'appoint peut être évité avec une plus grande installation pour pallier les creux ou en adaptant la façon dont on utilise l'eau chaude.
• un vase d'expansion sur le circuit primaire, assure la sécurité du matériel, il permet de compenser la dilatation du fluide. Il prend la forme d'un petit réservoir métallique ; une soupape de sécurité est impérative dans un circuit fermé, dans le cas où elle ne serait pas intégrée à celui-ci. Un vase d'expansion à l'air libre (simple bidon en plastique) placé en point haut résout les problèmes de dilatation et de sécurité en cas de surchauffe (pas de vidange de fluide caloporteur).
• on adjoint un circulateur sur le circuit primaire, une pompe mue par un moteur électrique, lorsqu'il s'agit de matériel en « circulation forcée ».

Autrement si le réservoir est placé plus haut que le panneau solaire, il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe. La circulation de l'eau dans le circuit primaire se fait par thermosiphon si la température de sortie du panneau est assez élevée (par rapport à celle en entrée) pour vaincre les pertes de charges dans le système. L'avantage est que la circulation s'arrête pendant la nuit, gardant ainsi l'énergie accumulée dans le ballon pendant la journée.

• La moquette solaire consiste simplement en un tapis de couleur noire posé à plat dans lequel circule l'eau à chauffer, à travers des tuyaux ou rainures. Elle est généralement souple et amovible. On l'utilise quand le volume d'eau requise est faible ou une température basse suffit. Ça peut être efficace en été mais en hiver le rendement est insuffisant. Ce capteur simplifié à l'extrême est donc parfaitement adapté au réchauffage des piscines, ou des douches de camping. Un ballon d'eau noir dans un arbre fait également une bonne douche de camping.

• Le système à circulation par thermosiphon est le plus simple ; basé sur le principe selon lequel l'eau chaude, du fait de sa moindre densité a tendance à monter naturellement, il impose que le réservoir de stockage soit placé à un niveau supérieur par rapport aux capteurs.

Lorsque les capteurs sont exposés au soleil, il s'établit une circulation naturelle : le fluide caloporteur chaud monte vers le réservoir de stockage, cède ses calories avant de revenir dans le bas du capteur. La circulation se poursuit tant que l'eau contenue dans le capteur est plus chaude que l'eau dans le ballon.

Certains petits modèles commerciaux exploitent le système du thermosiphon : de type "monobloc" ou "compact", ils intègrent capteurs et ballon sur la même structure.

Avantages : prix, simplicité, facilité de raccordement.

Inconvénients : Dans le système monobloc, le ballon étant situé à l'extérieur comme les capteurs, subit plus de déperditions (risque de gel). De plus l'ensemble étant assez encombrant il est difficile de l'intégrer à l'habitat (critères esthétiques).

Pour ces raisons, ce système est très répandu dans les zones au climat chaud (Caraïbes, bassin méditerranéen, etc.), et sur toiture horizontale de type terrasse, ou en pose au sol.

Selon la disposition du bâtiment, il est possible de se prémunir des problèmes de gel (et d'esthétique) en montant le ballon à l'intérieur dans les combles (toujours plus haut que les capteurs pour une circulation par thermosiphon), avec les capteurs en bas de toiture ou sur un mur au sud.

Le grand avantage du thermosiphon est sa fiabilité, sa simplicité technique : pas de pompe, pas de clapet anti-retour, pas de sondes thermiques, ni de régulateur électronique. Le système fonctionne sans électricité, sans aucun autre apport d'énergie que l'énergie solaire (le "moteur" de la circulation du fluide caloporteur étant la différence de température entre le capteur et le ballon).

Par contre, sa réalisation "in situ" réclame du soin : hormis la contrainte des positions relatives des capteurs et du ballon, les diamètres de tuyau du circuit primaire doivent être un peu plus importants pour limiter au maximum les pertes de charge, doivent aussi ne pas être à contre-pente.

• Le système à circulation forcée est plus complexe, mais offre un meilleur rendement. Les températures du capteur et du ballon sont prises en compte par une régulation électronique qui commande la pompe de circulation du fluide caloporteur, celui-ci étant mis en circulation lorsque la température du capteur est supérieure à celle du ballon.

Par rapport au système à thermosiphon, le débit plus élevé du fluide caloporteur assure des températures plus basses dans tout le circuit primaire réduisant ainsi les pertes thermiques, améliorant ainsi le rendement.

Cette configuration offre plus de possibilités quant à l'emplacement du ballon, celui-ci ne devant plus être nécessairement placé au-dessus des capteurs, ce qui permet de s'adapter plus facilement aux contraintes du bâtiment. Le ballon est alors le plus souvent posé à l'emplacement du chauffe-eau électrique ou à côté de la chaudière existante pour faciliter l'appoint.

Le système de chauffage d'appoint est nécessaire pour pouvoir disposer d'eau chaude même pendant les périodes de faible ensoleillement. Il est possible de s'en passer, mais cela conduit à une installation plus importante, principalement d'un réservoir beaucoup plus gros, puisqu'il doit être capable de fournir de l'eau chaude durant des périodes grises. Un système de chauffage d'appoint, de type chaudière à gaz ou électrique, est une solution intéressante d'un point de vue économique.

Il existe alors trois possibilités pour placer ce chauffage d'appoint :

• directement en série à la sortie de l'accumulateur d'eau chaude. Celui-ci se déclenche alors de manière automatique lorsque l'eau en sortie de l'accumulateur est trop froide. Il faut une grande puissance instantanée pour chauffer l'eau au passage à la demande. Le gaz correspond au mieux à un tel fonctionnement. En effet, avec l'électricité, on arrive très vite à la limite imposée par l'abonnement (Système français de facturation) mais le principe à des avantages en terme de rendement si on place le chauffe-eau instantané au plus près de la consommation.
• avec un échangeur de chaleur secondaire dans l'accumulateur, afin de chauffer l'eau de celui-ci, ce qui évite un fonctionnement intermittent à chaque demande d'eau. Cette solution est cependant interdite dans certains pays (en Espagne par exemple), car elle nuit à l'efficacité de l'apport solaire (celui-ci étant d'autant plus important que l'eau dans le réservoir est froide). Un contrôleur intelligent (sonde) doté d'une minuterie serait souhaitable pour rendre le système autonome.
• avec un échangeur de chaleur placé dans un deuxième réservoir monté en série avec le premier et alimenté par ce premier. Cette manière de chauffer l'eau par le système d'appoint ne nuit pas à l'efficacité du système de chauffage solaire mais augmente les perditions depuis les surfaces plus importantes des réserves ce qui oblige à une légère augmentation de la surface de captage.

Un chauffe-eau solaire est un système technique sensible. Outre les raccordements techniques, la configuration et la mise en œuvre, l'exposition des panneaux doit être bien étudiée pour maximiser le rendement. L'orientation doit maximiser l'exposition au soleil, être vers le Sud (dans l'hémisphère Nord et inversement), au moins entre sud ouest et sud est. L'inclinaison est aussi importante au rendement. Bien que soumis aux contraintes du bâtiment (comme une intégration sur toiture), un placement en façade est optimal techniquement. Il permet l'optimisation de l'inclinaison pour l'hiver et d'éviter ainsi la surchauffe en été. Il faut aussi veiller à minimiser le masquage par des ombres d'objets voisins (bâtiments, arbres, collines). Chaque installation devra être étudiée au cas par cas selon les contraintes locales.

Règles et normes en France

Règles à respecter pour l'implantation de panneaux de chauffe-eau solaire en France:

• Pour des raisons de droit de l'urbanisme, une autorisation de l'architecte des Bâtiments de France peut être nécessaire en cas de construction dans un périmètre des bâtiments de France, de Plan de Sauvegarde et de Mise en Valeur (PSMV), de Site Classé, Zone Verte, Zone Classée Patrimoine Mondial ou autre Secteur sauvegardé.
• Également, pour raisons liées au droit de l'urbanisme, il faut déposer une Déclaration de Travaux au service du cadastre de la mairie de la commune où est située l'habitation.
• Pour des raisons liées au droit fiscal, cette fois-ci, faire attention de choisir un matériel homologué par l'ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) afin de pouvoir bénéficier du crédit d'impôt (50 % du prix du matériel hors taxe à l'exception des autres aides existantes) et de faire poser le matériel par un installateur agréé « qualisol » (charte professionnelle à cet égard) pour pouvoir bénéficier des autres abattements et subventions existants aux échelles régionales, départementales et locales.

Le temps de retour sur investissement dépend du rendement de l'installation (quantité d'énergie qu'il permet d'économiser) , le cout de l'énergie qui remplace, et du coût de l'investissement. Si on achete du materiel du commerce installé par un artisan, en l'absence de primes et autres avantages il faut parfois compter une vingtaine d'année pour ammortir le cout. Cette durée variant beaucoup suivant la zone géographique et l'ensoleillement. Mais si on tient compte du régime fiscal et des primes que cette installation permet d'obtenir dans certains états ou régions ce retour sur investissement peut être considérablement réduit.

Subventions et avantages fiscaux en France

Le matériel doit être homologué par l'ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) afin de pouvoir bénéficier du crédit d'impôt (50 % du prix du matériel hors taxe à l'exception des autres aides existantes) et de faire poser le matériel par un installateur agréé « qualisol » (charte professionnelle à cet égard) pour pouvoir bénéficier des autres abattements et subventions existants à l'échelle régionale, départementale et locale.

Les avantages fiscaux accordés par l'État en matière d'installation solaire sont nombreux :

• Crédit d'impôt

• Prime de la majorité des Conseils Régionaux en France est généralement de 700 euros (notamment Languedoc-Roussillon et même Nord-Pas-de-Calais)

• Prime de divers départements tels que le Vaucluse, les Alpes-de-Haute-Provence ou encore les Alpes-Maritimes (généralement 350 euros, voire plus dans certains cas)

• Aide exceptionnelle versée par certains regroupements communaux (la communauté d'agglomération du Pays d'Aix, ou la communauté d'agglomération Garlaban-Huveaune-Sainte-Baume par exemple : 350 euros)

• Les habitations de plus de deux ans bénéficient d'un régime de TVA à 5,5 % et ce sont les occupants du logement qui ont droit aux subventions et au crédit d'impôt même si ceux-ci sont simples locataires.

• Concernant les chauffe-eau solaires collectifs, les avantages financiers délivrés par les pouvoirs publics proviennent généralement des Régions et de l'ADEME et s'élèvent en moyenne à hauteur de 65 % du prix de l'installation.

Cependant l'apparition de ces subventions ont entraîné quelques problèmes :

• Il faut avancer l'argent car celles-ci ne sont généralement versées qu'après la fin des travaux et le payement ce qui peut poser bien évidemment des problèmes de trésorerie.
• Certains installateurs et fabricants de matériel en ont profité pour augmenter leur prix.
• Pour bénéficier de ces subventions sur le matériel il faut obligatoirement passer par un installateur agrée "qualisol", ceci en théorie pour que les subventions bénéficient à des installations de qualité, cependant la formation "qualisol" est de courte durée et aucune vérification postinstallation n'est effectuée par un organisme de contrôle, ce qui entraîne parfois des installations de mauvaise qualité comme par exemple des erreurs de dimensionnement entraînant l'utilisation d'un ballon sur-dimensionné par rapport à la surface de capteur (et dont l'appoint doit tourner), des erreurs de positionnement (installation plein est ou ouest) ou encore (très courant) de mauvaises inclinaisons, en effet les capteurs étant généralement monté en toiture, c'est l'inclinaison de celle-ci qui est utilisée, (en fonction de la latitude : 40 à 50° pour un chauffe eau produisant toute l'année, 60 à 70° pour un chauffe solaire devant produire en hiver et inter-saison)). La Suisse a misé sur une autre façon d'attribuer l'aide publique, en effet les installations sont certifiées après fabrication et après de courtes formations. Les particuliers peuvent ainsi le faire eux-mêmes et bénéficier tout de même des aides si leurs installations passent la certification.

La difficultés des démarches administratives, l'obligation de passer par un artisan pas toujours très bien qualifié malgré la formation, et les prix pratiqués ont conduit certaines personnes à le faire eux-mêmes en se passant des aides d'états. Le bilan économique est parfois intéressant en offrant en plus la possibilité d'être plus modulaire et d'étaler la construction et donc le financement sur plusieurs années (par exemple en augmentant progressivement la surface des coûteux capteurs jusqu'à la surface prévue au départ). Pour faciliter ceci une entraide importante a lieu chez les "autoconstructeurs" et des associations d'entraide se sont créées comme par exemple l'APPER qui organise des commandes groupées de matériel permettant une diminution importante des coût du matériel.

Pour les installations collectives de plus de 50 m², l'ADEME impose un suivi des installations solaires par un organisme indépendant afin d'assurer une garantie de résultats solaires (GRS).

Crédit d'impôt pour une installation de chauffe-eau solaire individuel (en France)

En France, il existe une aide financière de l'État pour l'installation d'un système de production d'énergie renouvelable tel que le chauffe-eau solaire. Cette aide est délivrée sous la forme d'un crédit d'impôt.

Si les aides territoriales sont généralement d'application immédiates concernant une installation solaire pour eau chaude sanitaire, le crédit d'impôt s'applique pour la déclaration sur le revenu de l'année suivante.

Il est également applicable pour les contribuables qui ne sont pas imposables, dans ce cas ils perçoivent un chèque correspondant à son montant directement à leur domicile.