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Atiane energy 24 rue de la Pignatière – 06390 CONTES
Tel. 09 81 23 48 32 - [email protected] www.atiane-energy.com
SARL au capital de 9 000 Euros – Siret 521 916 759 00033
ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION
DES ENTREPRISES
Version destinée à la publication expurgée des études de cas pour raisons de
confidentialité
2 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Suivi des versions
Version Rédacteurs Date Suivi
1.0 Mohamed ZEROUG
Frédérick. FONTAINE 04/03/14
Publication étude
complète
1.1 Mohamed ZEROUG
Frédérick. FONTAINE 25/08/14
Version expurgée des
études de cas
Nous contacter :
Agence de NICE
[email protected] – 06 62 78 39 38
Agence de Montpellier
[email protected] – 06 11 09 79 60
3 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Contenu Rappel du besoin ..................................................................................................................................... 5
Synthèse .................................................................................................................................................. 6
Introduction ............................................................................................................................................. 9
1 Description des technologies de captage solaire .......................................................................... 10
1.1 Généralité sur les capteurs .................................................................................................... 10
1.2 Famille des capteurs stationnaires ........................................................................................ 10
1.2.1 Courbes de rendements ................................................................................................ 10
1.2.2 Capteur non vitré .......................................................................................................... 11
1.2.3 Capteur plan .................................................................................................................. 12
1.2.4 Capteur sous vide .......................................................................................................... 13
1.3 Famille des capteurs à concentration ................................................................................... 14
1.3.1 Courbes de rendement .................................................................................................. 14
1.3.2 Concentrateur de Fresnel .............................................................................................. 16
1.3.3 Capteur cylindro-parabolique ....................................................................................... 17
1.3.4 Capteur solaire parabolique .......................................................................................... 18
1.3.5 Tour solaire .................................................................................................................... 19
1.4 Synthèse sur les technologies de captage ............................................................................. 20
2 Les technologies pour les usages hors ECS des entreprises .......................................................... 21
2.1 Les usages appropriés : ......................................................................................................... 21
2.2 Chauffage d’eau basse température (T<30°C) ...................................................................... 21
2.3 Climatisation / chauffage ...................................................................................................... 22
2.3.1 Les machines à sorption ................................................................................................ 22
2.3.2 Les systèmes à dessiccation .......................................................................................... 25
2.3.3 Comparatif technologique ............................................................................................. 27
2.3.4 Une entreprise dans les Alpes-Maritimes sur les systèmes à absorption– HELIOCLIM 27
2.4 Process industriels ................................................................................................................. 30
2.4.1 Technologies .................................................................................................................. 31
2.4.2 Comparatif technologique ............................................................................................. 33
2.4.3 Une entreprise dans les Alpes-Maritimes – SAED (VIESSMANN) .................................. 35
2.5 Synthèse sur les technologies pour les usages...................................................................... 37
3 Benchmark ..................................................................................................................................... 38
3.1 Benchmark international ....................................................................................................... 38
3.2 Benchmark d’opérations ....................................................................................................... 40
4 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
3.2.1 Capteurs non vitrés ....................................................................................................... 40
3.2.2 Climatisation / chauffage solaire ................................................................................... 40
3.2.3 Process industriels ......................................................................................................... 42
3.2.4 Retour d’expériences d’entreprises .............................................................................. 44
3.3 Synthèse sur le benchmark international ............................................................................. 45
4 Identification du potentiel de développement dans les Alpes Maritimes .................................... 46
4.1 Identification du potentiel lié aux process industriels .......................................................... 46
4.1.1 Les secteurs industriels prometteurs : .......................................................................... 46
4.1.2 Identification des couples solution/marché .................................................................. 49
4.2 Identification du potentiel lié au secteur tertiaire ................................................................ 49
4.2.1 Les secteurs tertiaires prometteurs .............................................................................. 49
4.2.2 Identification des couples solution/marché .................................................................. 50
4.3 Les leviers .............................................................................................................................. 50
4.3.1 Les aides financières ...................................................................................................... 50
4.3.2 Les montages avec tiers investisseurs (ESCO) ............................................................... 50
4.3.3 Les leviers socio-environnementaux ............................................................................. 51
4.4 Synthèse sur le potentiel de développement dans les Alpes-Maritimes .............................. 52
5 Etudes de cas ................................................................................................................................. 53
5.1 CONFIDENTIEL ....................................................................................................................... 53
5.2 CONFIDENTIEL ....................................................................................................................... 53
5.3 CONFIDENTIEL ....................................................................................................................... 53
5.4 CONFIDENTIEL ....................................................................................................................... 53
5.5 CONFIDENTIEL ....................................................................................................................... 53
5.6 Synthèse des études de cas ................................................................................................... 53
Remerciements ..................................................................................................................................... 55
TABLE DES ILLUSTRATIONS .................................................................................................................... 56
Références bibliographiques ................................................................................................................. 57
Annexe -Exemples d’installations solaires pour process industriels dans les monde .......................... 58
5 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Rappel du besoin
La Côte d’Azur est dans une situation de précarité de son approvisionnement électrique. La
population et les entreprises ont été privées d’électricité lors des blackouts survenus depuis 2008.
Dans ce contexte, le Conseil Général des Alpes-Maritimes a mis en place une coordination pour
l’élaboration d’un programme d’actions en faveur de la réduction des consommations énergétiques
et du développement des énergies renouvelables et locales. En synergie avec ce programme, la CCI
Nice Côte d’Azur a élaboré son propre plan d’actions visant plus spécifiquement les entreprises des
Alpes-Maritimes.
Constatant que les entreprises représentent plus de 50% de la consommation d’électricité du
département, il a été convenu de mettre en place une étude visant à évaluer la faisabilité
économique, technique et environnementale de l’utilisation de technologies solaires pour alimenter
en chaleur les entreprises du département des Alpes-Maritimes.
Afin d’apporter des réponses à ces interrogations et des éléments de connaissance et de
compréhension, la présente étude est construite autour de deux volets :
Volet 1 : Introduction sur les technologies et solutions de solaires thermique à destination
des entreprises, hors ECS solaire, actuellement disponibles sur le marché;
Volet 2 : Etude technico-économique-environnementale de plusieurs projets retenus. Seule
la synthèse de ce dernier volet est présenté dans le présent rapport pour des raisons de
respect de notre engagement de confidentialité avec les entreprises auditées
6 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Synthèse
Cette étude a porté sur la faisabilité de développement du solaire thermique dans les entreprises
pour des usages autres que la production d’eau chaude sanitaire.
Ces autres usages sont le chauffage, la climatisation et les besoins de chaleur liés aux process.
Au préalable ont été identifiées les différentes technologies de capteurs puis les solutions techniques
intégrées permettant de répondre aux différents usages.
On distingue 3 grandes familles de capteurs regroupant chacune différentes typologies :
- Les capteurs stationnaires : plans non vitrés, plans vitrés, à tubes sou vide
- Les concentrateurs à 1 axe de rotation : cylindro-paraboliques, miroirs de Fresnel
- Les concentrateurs à 2 axes de rotation : paraboliques, tours solaire
Les capteurs plans vitrés et à tubes représentent 80% du marché et produisent de la chaleur jusqu’à
100°C pour les vitrés et 150°C pour les tubes. Ces capteurs sont aisés à mettre en œuvre et leur
maintenance réduite.
Les systèmes à concentration sont constitués d’un ou plusieurs miroirs montés sur hélisotats qui leur
permettent de suivre la course du soleil. Les rayons du soleil sont concentrés sur un caloduque, ce
qui permet d’atteindre des températures jusqu’à 400°C pour les systèmes à 1 axe et 2000 °C pour les
tours solaires.
Ces dernières sont dédiées à la production d’électricité et ne sont pas pertinentes pour des besoins
de chaleur industrielle.
Chaque technologie de captage répond à un ou plusieurs usages :
- Les capteurs plans non vitrés sont dédiés à des besoins « basse température » comme le
chauffage de piscine
- Les capteurs plans ou à tubes sont destinés principalement aux process industriels jusqu’à
150°C ou à la climatisation solaire
- Les concentrateurs sont destinés aux process industriels entre 150 °C et 400°C ou à la
climatisation solaire
Mais une technologie de captage peut également répondre à un usage demandant des températures
supérieures à celles qu’elle est en capacité de produire. Dans ce cas le solaire thermique ne viendra
pas répondre au besoin complet mais, injecté sur l’entrée « eau froide » d’une génération utilisant
une énergie fossile ou une autre énergie renouvelable, permettra d’en améliorer l’efficacité
énergétique.
Dans tous les cas, une installation solaire thermique nécessite un appoint permettant de répondre
aux besoins lorsque l’ensoleillement est insuffisant.
7 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Dans le cas particulier de la « climatisation solaire », la production solaire ne répond évidemment pas
seul aux besoins mais la chaleur est en fait utilisé pour la production de froid à travers un système
spécifique. Il existe deux technologies :
- La technologie à sorption dans lequel la compression mécanique d’une pompe à chaleur a
été remplacée par une compression thermique.
- La technologie à dessication, basée sur un cycle de séchage/humidification de l’air entrant
en utilisant une source de chaleur et l’air extrait.
Les systèmes à absorption sont employés pour des gammes de puissance moyennes (d’une centaine
de kW à plusieurs MW) alors que le système à dessication est avant tout destiné aux grosses
installations de plusieurs MW.
En terme d’investissements, le prix moyen d’un capteur plan est de 400 €/m2, un capteur à tubes de
800 €/m2. Les technologies à concentration ne disposant que d’un marché de niche et proposées
uniquement par quelques sociétés ont des coûts d’investissement bien plus élevés et sont donc à
envisager quand les solutions stationnaires ne peuvent être employées (soit pour des problèmes de
disponibilité de surface ou des besoins de température dépassant les 150°C).
Les subventions accordées par les pouvoirs publiques, notamment celles de l’Ademe au travers du
fond chaleur ou du dispositif « Nouvelle Technologie Emergente » , permettent d’alléger
considérablement les coûts les installations solaire thermiques. 50 à 80% des frais peuvent être ainsi
couverts mais sous condition d’un certain nombre de critères d’éligibilité dont l’atteinte est
conditionnée par une étude de faisabilité préalable.
Les coûts du kWh solaire (rapport entre les coûts d’investissements subvention déduite et l’énergie
produite sur 20 ans) sont étroitement liés à la zone d’implantation et à la gamme de températures.
En France, le prix moyen d’un système constitué de capteurs plans vitrés pour des températures de
60°C est de 7,5 c€/kWh, ce qui rend le solaire thermique moins onéreux que le fioul, le propane et
l’électricité et au même niveau que le gaz naturel aux tarifs 2013 et en s’affranchissant des variations
de tarifs qui peuvent lourdement peser sur la trésorerie des entreprises.
Pour une piscine extérieure avec moquette solaire dont le bassin est chauffé l’été, le prix de revient
est de 2,5 c€/kWh, largement en-deçà de toute autre énergie. La compétitivité de cette solution est
telle qu’elle n’est même plus subventionnée !
Les temps de retour sur investissement sont en général de 7 à 8 ans.
Le benchmark a permis de déterminer les secteurs industriels les plus demandeurs en chaleur basse
et moyenne température (jusqu’à 400°C ) : la chimie, l’agro-alimentaire et le papier. Une étude sur la
base NAF fournie par la CCI a permis de déterminer 60 entreprises de plus de 20 salariés répondant à
ces critères.
Il a été conduit des études de faisabilité sur 5 entreprises volontaires :
- « société 1 », secteur agro-alimentaire, pour la torréfaction du café à 200°C
- « société 2 », secteur parcs de loisirs, pour le chauffage de bassins entre 23 et 25°C
8 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
- « société 3 », secteur hôtelier, pour différents usages : lavage et séchage de linges entre 80
et 100°C, chauffage de piscine à 27°C, Spa (couplé à l’ECS pour les chambres) entre 50 et
80°C
- « société 4 », secteur agricole, pour le chauffage basse température « 30°C » d’une serre
agricole de 418m²
- « société 5 », industrie pharmaceutique, pour la stérilisation à 120°C et la climatisation de
certains bâtiments
Les conclusions sont les suivantes :
- Chaque projet nécessite une approche spécifique (tant au niveau du choix de la technologie
de captage, du système de pose que de l’intégration dans le système existant).
- Une solution solaire thermique ne peut s’envisager sans une recherche globale d’économie
d’énergie passant au préalable par une optimisation de l’efficacité énergétique de l’existant.
- L’optimum économique est atteint quand les besoins thermiques suivent la production
solaire ; il est dans tous les cas indispensable d’avoir des besoins estivaux. Ainsi, dans le cas
de Marineland, les temps de retour sont de de 13 ans avec un coût du kWh de plus de 8
c€/kWh du fait de l’absence d’utilisation du solaire l’été.
- Pour l’INRA, même si le temps de retour reste inférieur à 10 ans, l’utilisation du système
solaire quasi-exclusivement durant l’automne et le printemps entraîne un prix de revient
solaire de l’ordre de 20 c€/kWh.
- Hormis Marineland et l’INRA, les solutions étudiées pour les autres entreprises offrent des
temps de retour, suvention déduite, de 7 à 9 ans et un prix de revient solaire hors subvention
entre 4 et 5 c€/kWh, coût inférieur à la moyenne française du fait du fort niveau
d’ensoleillement de la région.
9 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Introduction
Le solaire thermique est largement exploité dans le monde, essentiellement pour des besoins d’eau
chaude sanitaire, éventuellement combinées à du chauffage. En revanche son utilisation pour la
climatisation et les process industriels reste marginale, à la différence de ce qui se fait en Asie et
Moyen-Orient où 10% de la production solaire thermique est utilisée dans les process industriels.
En effet les zones les plus favorables à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée (technologies de
solaire thermodynamique) sont celles où l'ensoleillement direct est supérieur à 1900 kWh/m2/an, ce
qui permet d’envisager l’utilisation du solaire thermique non pour des usages de chaleur mais pour la
production d’électricité.
Cet usage spécifique pour la production d’électricité n’est pas étudié dans la présente étude car il ne
s’adresse pas aux entreprises mais un projet de ce type devrait être porté par une collectivité ou un
producteur d’électricité.
Figure 1 - Usages du solaire thermique dans le monde pour les installations récentes (source : « Suitable solar thermal collectors for large scale industrial applications » IREC -2012)
La présente étude s’attachera donc à étudier le potentiel et les leviers de développement du solaire
thermique hors ECS dans l’entreprise, à savoir :
- Climatisation/Chauffage
- Chauffage de bassins/piscines
- Process industriel
10 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
1 Description des technologies de captage solaire
1.1 Généralité sur les capteurs Quelques soit la technologie utilisée, la récupération de l’énergie thermique solaire impose à
l’ensemble de celles-ci de s’équiper de capteurs solaires thermiques. Aujourd’hui, les technologies de
captation solaire se rangent dans une des sept familles suivantes.
Tableau 1 - Familles de capteur solaire thermiques (source IEA task 33)
1.2 Famille des capteurs stationnaires
1.2.1 Courbes de rendements
La courbe de rendement d'un capteur est définie par l'équation suivante :
n = n0 - a1 × ((Tm - Text) / G) - a2 x G × ((Tm - Text) / G)²,
n0 le coefficient de conversion optique du capteur (en % ) ;
a1 le coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (en W/m².K) ;
a2 le coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (en W/m².K²) ;
Axe de rotation Type de capteur Type d'absorbeur Concentration Range de température (°C) Photo
Capteur non vitré Plat Non 0-20
Capteur plan Plat Non 30-100
Capteur
à tube sous videPlat Non 50-130
Capteur
linéaire de FresnelTubulaire Oui 60-400
Capteur
cylindro-paraboliqueTubilaire Oui 100-450
Capteur
solaire paraboliquePoint Oui 100-500
Champ d'héliostats Point Oui 150-2000
1 axe
2 axes
Stationnaire
11 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Tm la température moyenne du capteur (en °C) ;
Text la température extérieure (en °C) ;
G l'irradiation solaire (en W/m²).
Le graphique ci-dessous nous indique les rendements moyens des capteurs solaires thermiques
stationnaires :
Figure 2 - Tableau de rendement moyen des capteurs solaires thermiques stationnaires
1.2.2 Capteur non vitré
Pour des applications à basse température, le capteur simplifié sans vitrage et sans isolation est très
satisfaisant. N’étant pas équipé d'une isolation, il ne peut fonctionner à haute température. Il est
donc recommandé lorsque sont recherchées des températures de services inférieurs à 30°C, et de ce
fait particulièrement adapté au chauffage des piscines.
D’autres applications moins courantes ont cependant recours à ce type de capteur : préchauffage
d'air neuf, séchage de plantes ou de fourrage.
La production d’une eau à température proche de la température ambiante se traduit par de faibles
pertes thermiques et un bon rendement qui permettent d’éviter la protection par un vitrage.
L'absorbeur peut être métallique ou en matière synthétique (on parle alors de « moquette solaire »)
La moquette solaire se présente sous la forme d'un faisceau de tubes juxtaposés, en caoutchouc
synthétique, résistant au rayonnement ultra-violet et aux fortes variations de température.
Les capteurs non vitrés sélectifs utilisent un absorbeur métallique. Ces capteurs permettent
d'atteindre des températures un peu plus élevées que les capteurs moquettes et de fonctionner
également en dehors de la période estivale.
12 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 3 - Descriptif d’un capteur non vitré
Avantages de cette technologie :
- Coût faible (environ 100 €/m2)
- Facilité de mise en œuvre
- Excellents rendements pour des températures proches de l’air extérieur
- Ne craint pas la surchauffe
- Aucune maintenance
- Intégration aisée sur toiture légère (type bac acier)
Inconvénients de cette technologie :
- Peu adaptés lorsque le besoin n’est pas en phase avec la ressource ou lorsque les
températures des applications sont trop élevés
1.2.3 Capteur plan
Le capteur plan est un caisson isolé porteur en avant d'une surface vitrée. L'intérieur du caisson
comprend l'absorbeur de chaleur. Cet absorbeur, de surface presque égale à la surface vitrée, est
constitué d'une âme métallique pourvue d'un revêtement sombre qui maximise l'absorption du
rayonnement solaire. La restitution de l'énergie captée se fait par passage d'un liquide caloporteur
au contact de la surface métallique.
Figure 4 - Descriptif d’un capteur plan
13 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Avantages de cette technologie :
- Bon compromis coût/rendement
Inconvénients de cette technologie :
- Risque de surchauffe en été (mais possibilité de mise en place d’un système auto-
vidangeable)
- Intégration sur toiture peut nécessiter une étude de structure
1.2.4 Capteur sous vide
Le capteur sous vide est constitué d’une série de tubes de verre sous vide à l’intérieur desquels se
trouve un absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l’énergie solaire et la transfère au fluide
caloporteur. Grâce aux propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur sont faibles. Ainsi, on
peut obtenir des gains de température de 100°C et plus.
Figure 5 -Descriptif d’un capteur à tube sous vide
Un tube devient inutile s'il n'est pas totalement hermétique ; si celui-ci ne l’est plus, il faut le changer
pour préserver la performance de l'ensemble du capteur. Afin de visualiser cette éventualité, les
tubes sont munis d'un témoin en baryum*, qui dépose d’une couche métallisée sur l'intérieur du
tube disposée lors de la fabrication. Cette couche argentée de baryum devient blanche au contact
avec l'air et ainsi sert de témoin à la perte de vide.
14 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Avantages de cette technologie :
- Bonne productivité solaire pour des surfaces de toiture réduites (rendement de 30%
supérieur aux capteurs plans)
- Technologie adaptée pour la climatisation solaire par absorption (qui nécessite des
températures de plus de 80°C)
Inconvénients de cette technologie :
- Coût (700 €/m2)
1.3 Famille des capteurs à concentration
1.3.1 Courbes de rendement
La courbe de rendement d'un capteur est définie par l'équation suivante :
ƞ=F*(τα)*R*C-(F*UL*(Tm-Ta)/G)
Avec
F le facteur d’efficacité du capteur (énergie absorbée/énergie transmise) ;
(τα) le facteur de transmittivité-absorptivité du tube absorbeur (quantité de rayonnement
absorbée par le tube / quantité de rayonnement incidente sur le verre);
R le coefficient de réflexion des miroirs ;
C le facteur de concentration ;
UL le coefficient d'échange entre le récepteur et ambiance (W/m²K);
Tm la température moyenne du fluide
Ta la température extérieure
G l'irradiation solaire (en W/m²).
La courbe de rendement est la suivante :
15 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 6 - Courbe de rendement d'un capteur cylindro-parabolique (récepteur sous vide)
Il est à noter que le rendement ne diminue que de 1,5% (respectivement 7,5%) entre 0 et 200°C
(respectivement entre 0 et 400°C), ce qui en fait une technologie appropriée pour des besoins à
haute température.
Les technologies à concentration sont montées sur héliostats qui suivent la course du soleil.
Elles peuvent avoir 1 ou 2 degrés de liberté (soit une mobilité autour de 1 ou 2 axes). Au regard de
l’importance du facteur de concentration, elles sont adaptées aux zones à fort ensoleillement. Les
plus propices sont précisées sur la Figure 7.
Figure 7 - Zones d'installations possibles de technologies solaires à concentration
16 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
1.3.2 Concentrateur de Fresnel
Le principe d’un concentrateur de Fresnel réside dans ses miroirs plans. Chacun de ces miroirs,
monté sur héliostat, peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en
permanence les rayons solaires vers un tube absorbeur fixe placé au-dessus du champ de miroir.
Un fluide caloporteur est chauffé jusqu’à 500° en circulant dans ce tube horizontal. Cette énergie est
transférée, via un échangeur, à un circuit d’eau qui est vaporisée.
Cette technologie peut produire de la vapeur surchauffée qui, via un groupe turbo-alternateur, peut
produire de l’électricité. On peut également, et c’est le cas qui nous intéresse, utiliser cette vapeur
directement pour des procédés industriels.
Avantages de cette technologie :
- Les miroirs plats, pour la même gamme de température, sont bien meilleurs marché que les
miroirs cylindro-paraboliques et présentent une moins grande prise au vent.
- Maintenance aisée (nettoyage à l’eau par un robot adapté)
- Pas de vide à l’intérieur du tube récepteur, ce qui facilité sa durabilité
Inconvénients de cette technologie :
- Des performances optiques inférieures de 30% par rapport aux cylindro-paraboliques
Figure 8 – Principe de fonction d’un concentrateur de Fresnel
En région PACA, la CNIM a développé des centrales utilisant cette technologie mais avec une
spécificité : l’eau est vaporisée directement dans le collecteur en évitant la perte de rendement
qu’impliquerait un échangeur. Il s’agit d’un système à ébullition directe.
Ce système nécessite un bon système d’équilibrage du fait de ce flux diphasique générant des
différences de débits et pressions qui doivent être compensées
17 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
La centrale CNIM est uniquement installable au sol mais il existe des centrales de petite taille
installables sur des toitures de bâtiments, tel celui présenté en Figure 7. Ce modèle développé par la
société allemande PSE AG est installé sur un système d’intégration pouvant se fixer en surimposition
de sur toiture légère (type bacs aciers ou fibro-ciments).
Figure 9 - Concentrateur de Fresnel sur toiture (source: PSE AG)
1.3.3 Capteur cylindro-parabolique
Il s’agit de la technologie la plus ancienne et la plus éprouvée des technologies solaire à
concentration, les premiers prototypes datant des années 80.
L’énergie thermique reçue au collecteur est absorbée par un tuyau métallique à l’intérieur d’un tube
en verre sous vide permettant de limiter les pertes. Le fluide caloporteur est chauffé à une
température d’environ 400°C. Comme les concentrateurs de Fresnel, le collecteur suit la course du
soleil. Le facteur de concentration est d’environ 80 (l’énergie solaire reçue est concentrée 80 fois).
Figure 10 - Concentrateur cylindro-parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de Liège)
Avantages de cette technologie :
- Facteur de concentration élevé (70 à 80)
- Maintenance aisée (nettoyage à l’eau par un robot adapté)
Inconvénients de cette technologie :
18 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
- Un coût plus élevé que les concentrateurs de Fresnel du fait de la difficulté de la création de
la forme parabolique du miroir.
- Prise au vent
Dans les Alpes-Maritimes, la société HELIOCLIM utilise cette technologie dans un système de
climatisation solaire (cf chapitre 2.3.4).
1.3.4 Capteur solaire parabolique
Les capteurs paraboliques fonctionnent d'une manière autonome. Ils suivent le soleil sur 2 axes afin
de concentrer le rayonnement solaire sur le foyer de la parabole réfléchissante. Le rapport de
concentration est souvent supérieur à 2000 avec une température de 750°C.
De toutes les technologies solaires, les capteurs paraboliques ont démontré les meilleurs
rendements solaire-électricité (29.4%).
Figure 11- Capteur parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de Liège)
Avantages de cette technologie :
- Facteur de concentration élevé
- Modularité et possibilité d’hybridation avec un système de combustion traditionnel
Inconvénients de cette technologie :
- Fiabilité encore à améliorer
- Coût élevés
Cette technologie est dédiée à la production d’électricité pour des endroits isolés non raccordés au
réseau électrique. Son utilisation n’est pas appropriée à un usage industriel.
19 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
1.3.5 Tour solaire
Ce type de centrale est constitué d’un champ de miroirs concentrant la chaleur en un point unique :
une chaudière située en haut d’une tour.
Chaque miroir est équipé d’un héliostat qui suit la course du soleil et bouge suivant deux axes.
Figure 12- Concentrateur cylindro-parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de Liège)
Avantages de cette technologie :
- Températures atteintes très élevées (800 à 1000°C)
- Facteur de concentration de 5 à 15 fois plus élevés que les capteurs cylindro-paraboliques
- Rendement très élevé car la surface d’exposition étant limitée, les pertes sont réduites
Inconvénients de cette technologie :
- Coût élevé
- Forte emprise foncière
Cette technologie est clairement plus appropriée pour la production d’électricité et la surface au sol
nécessaire n’est pas appropriée à un usage industriel.
20 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
1.4 Synthèse sur les technologies de captage
Il existe 3 grandes familles de capteurs :
- Les capteurs stationnaires
- Les capteurs pivotant sur 1 axe
- Les capteurs pivotant sur 2 axes.
Parmi les capteurs stationnaires, le capteur plan est le plus connu, notamment au travers de son
usage largement répandu pour la production d’eau chaude sanitaire. Il est utilisé pour des
températures inférieures à 70°C.
Au-delà et jusqu’à 150°C, on privilégiera les capteurs à tubes sous vides.
Il existe également des capteurs non vitrés permettant de répondre à des besoins à basse
température (< 30°C).
Les technologies pivotantes sont constituées d’un miroir ou d’un ensemble de miroirs
concentrant la lumière du soleil sur un absorbeur. Les technologies permettant de produire de la
vapeur sont utilisées notamment pour la production d’électricité.
Les technologies à un axe permettant d’atteindre des températures jusqu’à 400°C sont les seules
adaptées à des besoins de chaleur. Deux sociétés de la région PACA construisent et
commercialisent ce type de solutions : CNIM à La Seyne/Mer avec une solution basés sur un
concentrateur à miroirs de Fresnel, Helioclim à Sophia-Antipolis avec une solution de capteur
cylindro-parabolique.
21 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
2 Les technologies pour les usages hors ECS des entreprises
2.1 Les usages appropriés :
Les systèmes solaires sont appropriés à de nombreux usages ayant des besoins de chaleur.
Usage Technologies Cibles
Chauffage bassin Capteurs non vitrés, capteurs plans
Piscines, parcs aquatiques, parcs animaliers
Chauffage Capteurs plans ou sous-vide
Industries/Bureaux/Surfaces commerciales
Cimatisation Capteurs plans/sous-vide/à concentration
Industries/Bureaux/Surfaces commerciales
Process industriels
Capteurs plans/sous-vide/à concentration
Industries
L’usage du solaire thermique en substitution partielle d’une énergie fossile (le taux de couverture
n’est en jamais de 100%) ou en hybridation avec une autre énergie renouvelable (géothermie, bois)
est particulièrement approprié dans les régions méditerranéennes. Comme vu précédemment de
nombreuses technologies existent, à différents stades maturité et gamme de coûts.
Il existe toutefois quelques conditions élémentaires à vérifier pour une entreprise qui souhaite
étudier la faisabilité d’une installation solaire thermique:
- Des besoins en phase avec la production solaire (et notamment l’été)
- Une surface disponible pour l’implantation de capteurs (au sol ou en toiture)
- Des non-oppositions réglementaires à l’installation de capteurs (cf plans locaux d’urbanisme
des communes)
Il est de plus conseillé d’intégrer dans la réflexion une composante portant sur ’efficacité énergétique
de son bâtiment ou de son process.
Cette réflexion doit être conduite en parallèle d’une installation de solaire sur le principe que
l’énergie la moins chère est avant tout celle qui n’est pas consommée.
2.2 Chauffage d’eau basse température (T<30°C)
L’application la plus communément utilisée de la moquette solaire est le chauffage solaire de
piscines en plein air. C’est la plus simple des applications solaires. Raccordée à une pompe à chaleur
la moquette solaire peut être utilisé pour des besoins à plus haute température tel que les besoins
en eau chaude sanitaire tel que les systèmes : Solar Pump (Giordano) / Solaire Pac (Héliopac).
22 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
En effet, comme le montre le schéma ci-contre, l’eau
de la piscine est directement aspirée via une pompe
vers les capteurs solaires souples. L’eau se chauffe et
retourne dans la piscine.
Cette utilisation du solaire thermique peu onéreuse
permet d’utiliser les piscines extérieures sur une
période plus longue de l’année.
En règle générale, la surface de capteur doit être
égale à 25 % de la surface de la piscine pour notre
région.
Figure 13- Schéma de principe installation moquette solaire pour piscine
2.3 Climatisation / chauffage
Les systèmes de climatisation utilisant l’énergie solaire thermique fonctionnent de la manière
suivante :
L'énergie calorifique délivrée par les capteurs solaires 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.
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 appoint permet de maintenir une ambiance thermique et hygrométrique constante dans les
locaux, quelles que soient les conditions extérieures : on parle alors de climatisation.
Plusieurs configurations sont possibles sachant qu’il existe plusieurs manières de produire du froid :
- Utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter une machine à froid dite à sorption (absorption
ou adsorption).
- Utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter un système de conditionnement d'air par
rafraîchissement évaporatif (dessiccation).
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 à dessiccation : DEC).
2.3.1 Les machines à sorption
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
23 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
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.
Schéma de fonctionnement d’une machine à absorption :
Figure 14- Schéma de principe machine à absorption (source: task AIE 33)
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 comme précisé sur le schéma de principe de la figure 3.
24 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 15- Schéma de principe machine à adsorption (source : Rhônalpénergie Environnement)
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/détenteur/évaporation 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 à absorption, le COP thermique tourne autour
de 0,7 ; celui d'une machine à adsorption varie entre 0,5 et 0,6.
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).
Tour de refroidissement :
Une tour de refroidissement humide doit être installée avec les
groupes de froid à sorption dans la majorité des cas.
Les deux technologies peuvent présenter un risque de
développement de la légionnelles si l’installation ne bénéficie pas
d’un plan de maintenance régulier et sérieux.
Cet aspect n’est cependant pas spécifique au rafraîchissement
solaire et des règles standards de sécurité et de maintenance
permettent d’éviter ce risque.
25 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
2.3.2 Les systèmes à dessiccation
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.
Figure 16- Schéma de principe machine à dessiccation (source : INES)
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.
Une conception particulière du système à dessiccation est nécessaire dans le cas de conditions
extérieures extrêmes, par exemple dans les régions côtières méditerranéennes. Etant donné le taux
d’humidité élevé, une configuration standard ne permet pas de le réduire suffisamment pour utiliser
ensuite le rafraichissement évaporatif. Des configurations plus complexes de la centrale de
traitement d’air, utilisant par exemple une autre roue enthalpique, ou un groupe de froid
complémentaire doivent être utilisées.
Intérieur
Extérieur
Apport de chaleur
26 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 17 - Mode fonctionnement en été
Figure 18 - Mode de fonctionnement en hiver
27 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
2.3.3 Comparatif technologique
Sur les 269 installations en fonctionnement recensées durant les travaux de la tâche 33 de l’AIE, la
technologie de refroidisseurs alimentés en chaleur la plus utilisé est basé sur le principe d'absorption
(>60%) alors que les systèmes à dessiccation ne sont utilisés que dans les grandes applications.
Tableau 2 - Les technologies de climatisation solaire (source : Rhône-alpénergie-Environnement)
2.3.4 Une entreprise dans les Alpes-Maritimes sur les systèmes à absorption–
HELIOCLIM
La société Helioclim située sur la commune de Mandelieu est une jeune entreprise créée en 2011.
Elle propose une solution de climatisation solaire réversible basée sur une machine à absorption et
intégrant une solution interne de stockage chimique de l’énergie.
28 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 19 – Schéma de principe de la solution Hélioclim (source – HELIOCLIM)
Données techniques :
Des panneaux solaires thermiques à concentration génèrent un fluide à haute température (150 à 200 °C) qui alimente une machine à absorption. Cette machine produit du chaud (jusqu'à 65°C) en mode pompe à chaleur et du froid (de 7°C pour la clim à - 30°C pour des applications de réfrigération) Le froid et le chaud sont générés simultanément. Il faut donc privilégier tant que possible leur valorisation.
Figure 20 – Synoptique d’une machine à absorption (source - HELIOCLIM)
Le système comporte un dispositif d'énergie de relève permettant de compléter l'énergie solaire dans le cas où celle-ci est insuffisante ou non disponible. Cette énergie de relève est thermique : gaz, fuel, bois énergie, ou toute autre énergie thermique.
Il est à noter que le système fonctionnant en énergie de relève est particulièrement intéressant en mode chauffage, puisque le rendement dans ce cas est de 160 % sur PCI.
Il est à noter que pour des applications industrielles nécessitant des hautes températures, la chaleur issue des panneaux solaires peut être utilisée directement (température dans la version standard des panneaux comprise entre 80 et 200 °C) Dans ce cas le rendement est de l'ordre de 65 % à 180°C (650 W/m² pour un ensoleillement direct de 1kW/m²).
29 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Données économiques :
o investissement
L’investissement est de 1600 €/kW froid installé (phase de développement pré-industriel) et l’objectif de prix est de 800€/kW froid en phase industrielle.
o Maintenance
Pas de retour d'expérience sur les coûts de maintenance. Concernant les capteurs, quelques lavages
annuels sont suffisants et la surface en verre n'est pas sensible aux agressions atmosphériques, par
contre les capteurs ont un axe de rotation pour suivre le soleil ce qui implique un surcoût de
maintenance par rapport à une solution fixe. L'ensemble des données sont télétransmises de façon à
vérifier à distance le fonctionnement correct du système.
Retour d’expérience
Un système échelle réduite (10 kW froid) est en fonctionnement dans les locaux d'Hélioclim à
Mandelieu. Cette installation est en cours de caractérisation, et répond aux attentes de performance
tant pour la partie captation, que pour la partie génération de froid.
Opportunité
Helioclim travaille actuellement sur un projet cofinancé par l'ADEME dans le cadre des
investissements d'avenir. Ils ont créé le consortium SCRIB, comprenant 3 entreprises et un
laboratoire de recherche public. Ce consortium vise à étudier et à réaliser un démonstrateur de
recherche et un démonstrateur à l’échelle 1 (150 à 1000 kW froid) durant l’année 2014.
Contact : Charles Daniel, co-fondateur et responsable commercial [email protected]
2.3.4.1 Une entreprise dans les Alpes-Maritimes sur les systèmes à dessication–CEDRE
La société CEDRE, située à Sophia-Antipolis,propose une centrale de traitement d’air basé sur le
principe de climatisation et chauffage par dessication.
Données techniques :
Le cycle de fonctionnement en mode de climatisation est le suivant :
Air soufflé
o 1-2: Sécher l'air (env. 5 g/kg) avec une roue de déshumidification
o 2-3: Pré refroidir l'air avec un système de récupération
o 3-4: Refroidir l'air jusqu'à la température souhaitée par humidification adiabatique
dans un laveur (ici abaissement d'env. 12°C)
Air de régénération
o 5-6: Refroidir l'air dans un laveur (air repris ou dans certain cas: air neuf)
30 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
o 6-7: Préchauffer l'air avec le système de récupération utilisé pour refroidir l'air neuf
(2-3)
o 7-8: Porter l'air de régénération à une température de 70°C environ en utilisant une
source de chaleur disponible (revalorisation), en l’occurrence dans notre cas d’étude
du solaire thermique
o 8-9: Utiliser cet air chaud pour sécher l'air neuf à travers la roue de déshumidification
(1-2)
Figure 21 - Cycle de refroidissement par système à dessication
Ce système peut être également utilisé comme humidificateur/déshumidificateur.
2.4 Process industriels
L'utilisation de l'énergie solaire thermique dans le secteur industriel est actuellement insignifiante
par rapport à d'autres applications. Seulement environ 200 centrales thermiques solaires sont
installées dans le monde sur des sites industriels avec une capacité installée totale de 42 MWth
(60.000 m2) et cela même si cette application a un potentiel technique et commercial énorme. La
demande de chaleur industrielle comprenant les process, le chauffage des locaux, et les besoin en
eau chaude compte pour 75% de la consommation finale d'énergie de l'industrie.
Une grande partie de la demande de chaleur en dessous de 100 ° C peuvent être théoriquement
atteint avec les systèmes thermiques solaires utilisant les technologies éprouvées actuelles.
31 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 22 – Répartition de la demande en température dans l’industrie (source : Task 33 AIE)
2.4.1 Technologies
Les systèmes utilisés pour des process industriels sont similaires à ceux utilisés pour la production
d’eau chaude sanitaire. Ils ont donc le mérite d’être assez simple à mettre en œuvre.
Ils sont constitués :
- D’une surface de captage
- D’un volume de stockage
- D’un appoint
Hormis les échelles de température qui peuvent être bien plus élevées et qui peuvent nécessiter des
précautions en termes de choix des matériaux et de dimensionnement hydraulique, le schéma de
fonctionnement de principe est assez simple.
Figure 23 – Schéma fonctionnel d’un process industriel utilisant le solaire thermique (source : Frauhofer ISE)
Les process adaptés au solaire thermique et les secteurs industriels associés sont précisés dans le
tableau ci-dessous. Les croix précisent les secteurs et usages les plus appropriés à la production de
chaleur par solaire thermique.
32 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Tableau 3 : Les couples process/usages appropriés à des installations solaire thermique
Pour les industriels utilisant plusieurs process reliés à un réseau de chaleur centralisé, deux
intégrations du solaire thermique peuvent être considéré :
- L’intégration en « supply » level
- L’intégration en « process level »
Figure 24 – Distinction entre « supply level » et « process level » (source : Incosol 2012)
L’intégration en « supply level » consiste à venir greffer le solaire sur le réseau de chaleur interne
centralisé, afin de venir chauffer le fluide caloporteur ensuite distribué vers les process
consommateurs de chaleur. En général ce fluide caloporteur circule en boucle fermée, et c’est un
échangeur de chaleur à l’entrée de chaque process qui va permettre le transfert des calories. Ce type
de schéma de production et distribution de chaleur permet d’intégrer du solaire de manière peu
intrusive (en termes de travaux et d’opération) pour l’utilisateur.
Dans ce cas, un point d’intégration solaire à privilégier se situe au niveau du fluide caloporteur qui
revient « froid » vers la chaudière. L’introduction d’un échangeur va permettre de préchauffer, grâce
à l’eau chaude solaire, le fluide avant son passage dans la chaudière traditionnelle, qui finira le travail
Secteurs industriels
Process Industriel
Alim
entaire
Textile
maté
riaux d
e
con
structio
n
galvan
isation
électrolytiqu
e
chim
ie fin
e
Ph
armaceu
tiqu
e
Bio
chim
e
Service
pap
ier
Equ
ipem
ent
Au
tom
obile
Pein
ture
Bo
is et dérivé
s
Tann
age
Nétoyage ++ ++ + ++ + ++ ++ + ++ +
Séchage ++ ++ + + ++ ++ + + ++ ++ ++
Evaporation / Distillation ++ + ++
Pasteurisation ++ ++
Stérilisation ++ ++
Cuisson ++
Process généraux de chauffage + + + ++ + ++ ++ + +
Chaudières ++ ++ + + ++ + +
Chaleur des salles de production ++ ++ + + ++ + ++ ++ ++ ++
Climatisation par absorption ++ + ++ ++
33 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
de chauffe. En termes de travaux, la seule intervention qui peut ponctuellement perturber
l’utilisateur est l’ajout de cet échangeur sur la ligne du fluide caloporteur.
En termes d’opération, très peu d’impact sur l’utilisateur : le solaire va fournir ce qu’il peut en
chaleur, et la chaudière traditionnelle va compléter toute seule grâce à ses dispositifs de régulation
de la température en sortie. Absolument aucun impact sur les unités process qui, en aval,
consomment la chaleur.
L’intégration en « process level » consiste à venir intégrer une composante solaire directement au
niveau d’un (ou plusieurs) process consommateurs de chaleur. Ce type d’intégration nécessite
souvent de devoir aller s’immiscer en aval au cœur du process existant, afin par exemple d’y insérer
un échangeur de chaleur. Il s’agit donc d’une intervention plus intrusive que dans le cas du « supply
level ».
Globalement, il semble important de retenir que chaque site industriel a ses spécificités (en termes
de configuration et de mode de production et consommation de l’énergie), et que donc chaque
solution solaire thermique devra être dimensionnée sur mesure.
2.4.2 Comparatif technologique
Une étude1 conduite en 2012 par l’IREC (Catalonia Institute for Energy Research) a eu pour objectif
d’identifier les meilleures technologies solaires thermiques pour les process industriels.
Cette analyse s’est basée sur un échantillon de 25 capteurs différents installés sur différentes villes
espagnoles.
Afin de se baser sur un niveau d’irradiation équivalent aux Alpes-Maritimes, nous avons retenu
l’analyse concernant la ville de Barcelone.
Pour une installation optimale de 500m2 de capteurs, une température de process de 60°C, les
moyennes des résultats de cette étude sont les suivants
- Investissement : 500 €/m2 (soit 720 €/kWth)
- Productivité : 550 kWh/m2
- Coût énergétique : 11 c€/kWh (pour une période de 25 ans)
1 Suitable solar thermal collectors for large scale industrial application – IREC 2012
34 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 25 – Evolution des coûts des énergies (source : SOeS)
Le solaire thermique est donc compétitif en coût global devant des solutions au gaz propane et
électrique.
Dans les autres cas, le solaire thermique ne semble pas compétitif.
Toutefois les éventuelles subventions lors d’un investissement qui permettent de diminuer le coût du
kWh solaire couplées à des augmentations des coûts des énergies peuvent rendre le solaire
thermique rapidement compétitif devant le fioul, voire le gaz naturel.
Cela ne peut s’apprécier qu’au travers d’études de faisabilité au cas par cas.
Le tableau ci-dessous explicite les coûts par température de travail et technologie.
Technologie Coût du kWh solaire (c€/kWh)
60 °C 90 °C 150 °C
Capteur plan 2 - 14 5 - 47 > 57
Tube sous vide 5 - 12 7 - 15 10 - 42
Miroir de Fresnel 11 - 12 11 - 12 11 - 12
Cylindro-parabolique 11 - 17 12 - 18 13 - 21
Tableau 4 – Coût du kWh solaire en fonction de la température et du type de capteurs (source - Suitable solar thermal collectors for large scale industrial applications – IREC 2011)
Les solutions capteur plans et tubes sous vide étant les plus simples à mettre en œuvre et celles
nécessitant le moins de maintenance, ces technologies sont en général privilégiées jusqu’à :
- 90°C pour les capteurs plans
- 150 °C pour les capteurs à tube sous vide.
35 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Aussi ces capteurs permettent de répondre à la grande majorité des besoins en solaire thermique
comme l’explicite la figure ci-dessous.
Tableau 5 : Les échelles de température des process industriels (source : AIE task 33/Eclareon)
2.4.3 Une entreprise dans les Alpes-Maritimes – SAED (VIESSMANN)
La société SAED2 (Sophia Antipolis Energie Développement) implanté sur la technopôle de Sophia-
Antipolis propose un système basé sur des tubes sous vide permettant de couvrir des applications
industrielles couvrant un spectre de température large (60°C-130°C) et ayant des besoins importants
(500 kW à 50 MW)3.
Données économiques :
2 La société SAED a cessé ses activités fin 2013 et a été racheté par VIESSMANN qui a repris l’ensemble des
activités de SAED 3 Le ratio puissance/surface brute de captage est d’environ de 0,7 kWth/m
2 pour les technologies tubulaires et
planes
36 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Dans l’étude de l’IREC, la technologie de SAED est mise en avant comme étant celle présentant, pour
une température de 90°C :
- Les plus hautes productivités avec 1100 kWh/m2.an
- Un des meilleurs coûts du marché à moins de 6 c€/kWh,
Opportunité :
SAED n’a pas encore eu de débouchés dans les Alpes-Maritimes mais conduit actuellement une
étude pour l’utilisation du solaire thermique à haute température dans un réseau de chaleur d’un
éco-quartier en construction dans la ZAC Balmat- Gramont à proximité de Toulouse (ZAC). Avec une
production de 480 MWh/an pour une surface de 444 m2 installés en ombrières de parking,
l’installation couvrira 15% des besoins de chauffage et eau chaude sanitaire.
Contact : Yannick Goetz, ingénieur projet [email protected]
37 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
2.5 Synthèse sur les technologies pour les usages
Les capteurs solaires, associés éventuellement à d’autres technologies, permettent de répondre à
différents usages d’utilisation de la chaleur en phase liquide ou gazeuse.
Le solaire thermique pourra ainsi être utilisé dans des process industriels mais également pour les
besoins de chauffage et climatisation.
L’usage du solaire thermique sur le chauffage et la climatisation est encore peu répandu mais
présente le grand intérêt de pouvoir utiliser la production solaire toute l’année, notamment en été.
Il existe deux solutions de climatisation : la sorption ou la dessiccation. Un groupe à sorption est un
groupe froid dans lequel la compression mécanique a été remplacée par une compression
thermique. Le système à dessication est basé sur un cycle de séchage/humidification de l’air entrant
en utilisant une source de chaleur et l’air extrait. Le système à sorption est employé pour des
gammes de puissance moyennes (d’une centaine de kW à plusieurs MW) alors que le système à
dessication est avant tout destiné aux grosses unités.
Les installations solaires thermiques dans les process industriels sont similaires aux installations
destinées à la production d’eau chaude sanitaire, seuls les régimes de températures sont différents.
Le solaire peut intervenir soit de façon intrusive directement dans le process (« process level »), soit
sur le circuit d’eau chaude en amont des générateurs fournissant le besoin (« supply level »).
38 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
3 Benchmark
3.1 Benchmark international Ce benchmark est basé sur l’enquête internationale réalisée par l’agence internationale de l’énergie
au niveau de la tâche 49 de son programme de chaleur et refroidissement solaire. Cette tâche qui
durera jusqu’en décembre 2015 a pour objectif l’optimisation de l’intégration de systèmes solaires
thermiques au niveau des process industriels.
Durant cette enquête, 124 projets de solaire thermique dans l’industrie à travers le monde ont pu
être recensés. Ces projets couvrent la période 1992 – 2013.
Figure 26 : Répartition des installations solaires par régions du monde (source : AIE task 49)
Nous nous sommes focalisé sur les fiches d’installations situées en Europe avec un minimum
d’informations disponibles tel que l’investissement initial. Ce tri nous a mené à étudier 41
installations dont la répartition par types de capteurs est indiquée dans le graphique ci-dessous, il est
à noter que les capteurs plans représentent les 2/3 des installations étudiées. Nous n’avons pas pris
en compte dans notre rapport la technologie des capteurs à air4 pour des raisons de non adéquation
avec les principaux gisements d’économies d’énergie dans les Alpes Maritimes.
4 La technologie capteur à air est utilisée pour le préchauffage par systèmes de ventilation ou encore le
séchage, de certains produits agricoles.
39 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 27 : répartition par type de capteur
Le graphique ci-dessous représente la répartition des installations par secteur d’activité. Nous
pouvons constater que l’industrie agroalimentaire est la plus représentée ainsi que le secteur
« autres industries » représenté exclusivement par des installations de lavage de voitures.
Figure 28 : Répartition des installations par secteur d’activité
L’étude de l’ensemble des investissements au m² pour les technologies de capteurs thermiques les
plus utilisées, nous permet de calculer l’investissement moyen par type de capteurs (subventions
étroitement liées aux politiques de chaque pays non prises en compte):
- Investissement avec capteurs plan : 400 €/m²
- Investissement avec capteur à tube sous vide : 800 €/m²
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Métallurgie Chimie Produitmineral nonmétalliques
Industriealimentaire
Industrietextile
Autresindustries
Agriculture
No
mb
re d
'inst
alla
tio
n p
ar t
ype
de
cap
teu
r
Secteur d'activité des différentes installations étudiées
Capteur plan Capteur sous vide Capteur à air Capteur parabolique
40 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 29 : Investissement moyen au m² par type de capteur
3.2 Benchmark d’opérations Afin de pouvoir comparer les résultats économiques des différents systèmes, nous n’avons pas pris
en compte les potentielles subventions, celles-ci étant fortement variables d’une installation à une
autre.
3.2.1 Capteurs non vitrés
Ce benchmark sur les systèmes à moquette solaire c’est focalisé sur une de ses utilisations les plus
rependus et les plus efficace : le chauffage de piscine. Pour mener à bien ce benchmark nous nous
sommes basé en partie sur l’étude menée durant le projet SOLPOOL (http://www.solpool.info/) dont
le principal objectif est de démontrer aux propriétaires, exploitants et installateurs les avantages
économiques et écologiques de ces systèmes ainsi que l'effet d'image positive associée à leurs
utilisations.
Les calculs sont précisés sans subventions car les capteurs non vitrés ne sont plus subventionnables
par l’ADEME.
Tableau 6 : Retour d’expériences d’installations de chauffage solaire pour piscines
Malgré la dispersion de l’investissement au m² que nous pouvons observer au niveau dans exemples
ci-dessus. Nous pouvons constater que le coût global de ces installations (calculé sur 20 ans) reste
très attractifs pour atteindre une valeur moyenne de 2.5 c€/kWh.
La facilité de pose de ce système, ainsi que son prix de revient au kWh, font de ce couple moquette
solaire/chauffage piscine un couple à très fort potentiel.
3.2.2 Climatisation / chauffage solaire
De nombreuses références de climatisation solaire citées ci-dessous ont été sélectionnées via le
projet CLIMOSOL dont une version française détaillée se trouve sur le site Internet de
Localisation Dépt.Période
d'ouvertureInt / Ext
Cout de
l'installation (€)
Subvention
(€)
Surface
capteur (m²)
Invest. avec
subv. (€/m²)
Surface
piscine (m²)
Volume
(m3)€/m² kWh/m² c€/kWh
Lyon 69 toute l'année Amovible 240000 85000 850 182 1250 3750 182 341 4,20
Villerbanne 69 toute l'année 2 Ext / 1 Int 184500 34000 1110 136 136 342 3,11
Allemagne Hänigsen saisonale 2 Ext 140000 860 163 1450 2490 163 442 2,89
Allemagne Friedrich saisonale 3 Ext 30504 370 82 634 1550,72 82 429 1,51
Allemagne Munchen saisonale 2 Ext 46500 820 57 2133 3250 57 556 0,80
41 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Rhônalpénergie-Environnement (les projets retenus sont ceux avec le plus d’informations technico-
économique).
Tableau 7 : Retour d’expériences d’installations de climatisation/chauffage solaire dans les entreprises
(1) Coût du kWh pris sur une période de 25 ans
(2) Etant donnée les problèmes de maintenance élevée, nous avons pris une maintenance correspondant à 5% de
l'investissement
(3) Pour les installations dont nous ne connaissons pas le coût des opérations et maintenance nous avons pris une
valeur annuelle égale à 3% de l'investissement, valeur 3 fois supérieure à la valeur d'une installation ECS classique
du fait de la maintenance des machines froids et des tours réfrigérantes
Il est à noter au travers de ce tableau que les installations de climatisation solaire n’offrent aucune
rentabilité si elles sont destinées à ce seul usage.
Ainsi l’installation climatisation solaire sur le site CSTB à Sophia-Antipolis (3ème ligne du tableau ci-
dessus) présente un bilan économique négatif car le coût de l’entretien a dépassé les économies
d’énergie réalisées (CSTB - Carol Buscarlet, 2011). Cette installation était en effet trop petite (90 m2
de capteurs pour seulement 250 m2 de bureaux avec une demande en froid maximale de 15 kW)
pour de limiter la part des coûts fixes.
La plupart des systèmes étant réversibles, il est donc intéressant afin d’offrir des bons rendements
d’étudier des solutions solaire combinées chauffage/climatisation/ECS.
Une énergie d’appoint est dans tous les cas toujours nécessaire.
Localisation ActivitéMise en
serviceUsage Technologie Type capteur
Surface
captage
Puissance
machine froid
Stockage eau :
chaud / froid
Energie
substituée€/m² kWh/m² €/kWh(1)
France - IDF(3) Industrie
Parfum2005
Clim/ECS/
préchauffageAbsorption Capteur plan 450 m² 105 kW NC Gaz / Elec 1333 278 0,30
France - PO(3) Industrie
viticole1991 Climatisation Absorption
Capteur tube
sous vide130 m² 52 kW 1 m3 NC 2265 138 1,03
France - AM Bureaux 2003 Climatisation AbsorptionCapteur tube
sous vide90 m² 35 kW 0,3 / 0,5 m3 PAC électrique 2279 131 1,36
All-Fribourg Laboratoires 1999Clim /
chauffageAdsorption
Capteur tube
sous vide171 m² 70 kW 6 m3 / 2 m3
réseau de
chaleur1534 307 0,37
All-Fribourg(3) Chambre de
commerce2003
Clim /
chauffage
dessiccation
solideCapteur plan 92 m² 60 kW Aucun Aucune 2283 307 0,47
Italie-Trento(3) Bureaux Clim / ECS Absorption Capteur plan 240 m² 70 kW 2 m3 / aucun PAC électrique 2250 502 0,28
Esp-Arteixo(3) bureaux/
magasins2003
Clim /
chauffageAbsorption Capteur plan 1500 m² 170 kW 60 m3 / aucun
2 PAC
+ clim elec600 377 0,10
Autriche-Styria(3) Institut de
recherche2000
Clim /
chauffage
dessiccation
solide
Capteur tube
sous vide20 m² 30 kW 3 m3 Biomasse 5250 170 1,94
42 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
3.2.3 Process industriels
3.2.3.1 Vue d’ensemble
Il existe 90 systèmes solaires thermiques dans le monde avec une capacité dépassant 25 MWth (3,5
ha). Les surfaces de captage sont donc en général compatibles avec celles des toitures industrielles
Dans le cadre de l’étude de l’IREC conduite en 2012 ont été recensées en Europe les installations
présentant des surfaces de captage de plus de 500 m2 et des productions de plus de 350 kWth. Il
n’existe pas a priori des solutions installées en France de ce type.
Tableau 8 – Liste des installations européennes de plus de 500 m2 de capteurs utilisant le solaire thermique dans les process industriels – Source: Solar Heat Worldwide Markets and Contribution to the Energy Supply 2009 EDITION 2011
Toutes ses applications présentent des points communs :
- Des installations essentiellement en toiture
- L’utilisation de capteurs plans ou à tubes
- Des températures de travail basses (< 100°C)
L’étude « ECOHEATCOOL » met d’ailleurs en avant que 30% de la demande en chaleur industrielle
couvre des plages de température inférieure à 100°C.
Dans tous les cas, les retours sont largement en faveur de ce type d’installation:
- Mise en œuvre aisée (identique à un chauffe-eau solaire),
- Faible maintenance
Le principal écueil est les niveaux d’investissement élevés. Sans subventions publiques et les
volontés de certaines entreprises, peu de projets seraient économiquement viable.
Des exemples d’installations sont précisés en annexe 1.
43 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
3.2.3.2 Références reproductibles dans les Alpes-Maritimes
La majorité des références viennent du projet européen SO-PRO.
Les temps de retour brut indiqués ne prennent pas en compte le montant des subventions. En effet
tous ces projets ont été aidés à des taux compris entre 25 et 100%.
Les temps de retour moyen après subventions sont de 7à 8 ans (18 ans dans le cas particulier de
Sanofi-Adventis-dernière ligne du tableau), valeur qui peut encore être abaissée si on tient compte
de l’augmentation du coût de l’énergie.
Tableau 9 : Retour d’expériences d’installations de climatisation/chauffage solaire dans les entreprises
(1) Coût du kWh pris sur une période de 25 ans
(2) Coût de maintenance = 10€/kW.an
Les installations présentant le meilleur coût de kWh solaire ne sont pas nécessairement celles qui
présentent la meilleure rentabilité en terme d’€ économisés. En effet tout dépend de l’énergie
substituée. Aussi les installations fonctionnant à l’électricité et au propane sont à privilégier car elles
vont présenter les temps de retour les plus rapides.
Le projet SO-PRO a de plus permis de caractériser les process pour lesquels une solution solaire
thermique est la plus intéressante :
- Nettoyage
- Bains de traitement
- Séchage
Ces process partagent tous la spécificité de fonctionner par cycles plusieurs fois par jour, ce qui les
rend tout à fait compatibles avec des installations solaire thermique.
Localisation, année,
pays
Surface de
captage m2
Puissance
kWth
Capteurs Industrie/Proces T°de
process °C
Investissement
€/m2
Productivité
kWh/m2.an
Coût de
l'énergie
c€/kWh
TRB
ans
Energie
substituée
Rhônes-Alpes , ?, Fr 80 56 Plans
Chimie-
cosmétiques/ Lavage 50 563 245 12 6 Gaz propane
Languedoc, 2006, Fr 19 13 Plans Automobile/ Lavage 60 1,059 810 6 14 Gaz naturel
Limousin, 2011, Fr 250 175 Plans
Alimentaire -
Abattoir/Lavage 80 940 400 11 24 Electricité
Jerez, 2011, Esp 252 176 Plans Alimentaire - Viande 45 694 683 5 10 Fioul
?, 2011, Esp 140 98 Plans Navire/Lavage 40-90 607 121 26 12 Fioul
?, 2011, Esp 1300 910 Plans Chimie- cosmétiques 40-80 420 550 4 22 ?
Vaucluse, 2010, Fr 15 11 Plans Laverie/Lavage 60°C 1,000 600 8 14 Gaz naturel
Bourgone, 2007, Fr 432
Moquette
solaire
Piscine extérieure
/Chauffage 30°C 284 370 4 15 Electricité
Bourgogne, 2009, Fr 150 105 Plans
Pharmaceutique
/Lavage 60°C 1,294 617 8 41 Gaz naturel
44 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Photo 1 : Bain de traitement chimique Photo 2 : Séchage de moules alimentaires Photo 3 : Séchage de peinture
3.2.4 Retour d’expériences d’entreprises
Cette enquête est basée sur des fiches d’opérations réalisées et des entretiens directs avec certains
maîtres d’ouvrages.
Station de lavage voiture, Eléphant bleu,
GRS mise en place : Sur la période 2006-2009, le solaire a couvert 37% des besoins. Le temps de
retour après subvention et de moins de 6 ans.
Abattoir de la ville d’Ussel (Limousin), Monsieur Coulert, responsable du service.
Il confirme être pleinement satisfait de l’installation qui ne nécessite aucune maintenance et produit
jusqu’à 16 m3/j d’une eau à 80°C en été couvrant sur cette période 100% des besoins.
Piscine extérieure de Clayette (Bourgogne), Monsieur Bajard, vice-président de la communauté de
communes
L’installation, dont la maintenance est assurée par Veolia, ne présente aucun problème. Constitué
d’une moquette solaire Giordano il couvre 100% des besoins sur la période d’ouverture de la piscine
et permet une réduction de 75% de la facture d’électricité.
Laverie automatique à Avignon (PACA), Madame Balmont, directrice.
L’installation donne toute satisfaction.
L’usine Sanofi-Adventis à Quetigny (Bourgogne), Monsieur Heliot, responsable maintenance.
Même si le temps de retour est élevé (18 ans après subventions), le projet s’intègre dans la politique
environnementale du groupe. L’investissement avait d’autant de plus de sens que l’ancienne
chaudière au gaz devait être impérativement remplacée. L’opération a été réalisée dans un délai
court : 7 mois se sont en effet écoulés entre les premières études d’ingénierie et la fin du chantier.
45 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
3.3 Synthèse sur le benchmark international
Le benchmark est basé sur les retours d’expérience de grands projets dédiés à différentes utilisations
du solaire thermique hors ECS :
- La tâche 49 de l’AIE et le projet européen SO-PRO pour les process industriels.
- Le projet SOLPOOL pour le chauffage de piscine
- Le projet CLIMOSOL pour le chauffage et la climatisation
Les capteurs plans vitrés représentent 2/3 des capteurs utilisés pour la production de chaleur de
process avec un coût moyen 400 €/m2 (capteur seul) alors que les besoins de température en-deçà
de 100°C représentent 30% des besoins de chaleur. Les installations capteurs plan vitrés sont donc
utilisés pour des process demandant des niveaux de températures plus élevés que ceux adressables
directement par cette technologie, le solaire n’assurant pas dans ces cas la couverture du besoin
mais permettant d’améliorer le rendement du système de production en place.
Trois secteurs représentent 2/3 des installations : l’industrie agro-alimentaire, les stations de lavage
de voiture et les laveries. Les process les plus usités sont le lavage, les bains de traitement et le
séchage.
Le solaire thermique est aussi compatible avec de très grosses puissances et des régimes élevés de
températures. Cependant, en France aucune installation n’excède 350 kW et le coût moyen
d’installation est bien plus élevé, autour de 700 €/m2 pour le capteur plan vitré. Toutefois le niveau
élevé de subventions (50% en 2013 au travers du fond chaleur) permet de dégager des temps de
retour de moins de 8 ans et un coût du kWh solaire sur 20 ans de 7,5 c€/kWh en moyenne.
Le chauffage de piscine est assuré majoritairement par des capteurs non vitrés dont le coût
d’installation de 120 €/m2. Ce besoin en phase avec la production solaire permet d’atteindre un coût
du kWh solaire de 2,5 c€/kWh sur 20 ans malgré l’absence de subvention.
La climatisation solaire (utilisé en chauffage l’hiver) est basée sur deux technologies qui se partagent
le marché : absorption et dessiccation. Les capteurs associés peuvent être de différentes natures
mais la climatisation fonctionnant avec des gammes de températures élevées, on retrouve souvent
des capteurs sous vide ou des technologies à concentration. Les capteurs plans vitrés peuvent être
toutefois utilisés mais la surface de captage nécessaire pour une même production thermique est 2
fois plus élevée qu’avec la technologie sous vide. Au regard des coûts élevés de l’installation et de la
maintenance, le kWh solaire revient en moyenne à près de 90 c€/kWh sur 20 ans.
46 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
4 Identification du potentiel de développement dans les Alpes
Maritimes
4.1 Identification du potentiel lié aux process industriels
4.1.1 Les secteurs industriels prometteurs :
Une étude de l’Union Européenne (cf. Figure 28) nous a permis de cibler plusieurs secteurs d’activités
ayant des besoins importants en chaleur basse et moyenne température :
Le secteur alimentaire
Le secteur pharmaceutique
L’industrie du papier
Figure 30 – Demande de chaleur industrielle par secteur (source : European Commision, heat & cooling demandand market perspective, 2012)
Une étude sur les économies d’énergie dans l’industrie en PACA conduite par l’Ademe en 20115
permet d’affiner les ordres de grandeur des industries les plus énergivores.
- Les process de fabrication (cuisson, séchage) représentent 80% des consommations énergétiques de combustibles liquides ou gazeux dans l’industrie
- Uniquement 15% des consommations d’électricité sont destinées à un usage thermique (mais très peu destiné au process fabrication)
- 4 secteurs représentent 70% de la consommation combustible et d’électricité o Chimie organique (40%) o Matériaux de construction (12%) o Papier/carton (10%) o Sidérurgie (8%)
5 Etude du gisement d’économie d’énergie dans l’industrie en Provence-Alpes-Côte d’Azur – Ademe -2011
47 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
La base Energ’Air (http://www.aires-mediterranee.org/html/energair/) a été sollicitée afin de de
déterminer plus précisément les consommations en chaleur industrielle tout secteur confondu
commune par commune dans le département des Alpes-Maritimes.
Le filtre a été fait sur les usages suivants :
- Chauffage industriel : production de chaleur sous forme d’eau chaude, de vapeur ou d’air chaud dans des chaudières ou assimilés (brûleurs ou braseros par exemple)
- Thermique industriel : fours utilisés pour les procédés où la flamme entre en contact ou non avec la matière première, l’électricité peut être également utilisée.
Ces process consomment 1300 GWh/an avec la répartition en type d’énergies présentée ci-dessous :
Figure 31 – Demande de chaleur industrielle par type d’énergie (source : Energ’Air - mise en forme Atiane)
60% de la consommation est due aux deux cimenteries du département, Lafarge et Vicat. La fabrication du ciment nécessite des très hautes températures (1500 °C pour la transformation de la matière première en clinker) qui n’est possible qu’avec des technologies à concentration.
Une étude de faisabilité reste à conduire dans une cimenterie pour vérifier si ce besoin peut être partiellement couvert par une installation solaire thermique à des prix compétitifs.
Il est à noter que ces process dans des zones non desservies par le réseau de gaz naturel se font à partir de produits pétroliers.
60% de la consommation de chaleur industrielle restante se répartie sur 5 bassins d’emplois en littoral.
48 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
Figure 32– Demande de chaleur industrielle par bassin d’emplois (hors cimenteries) Source : Energ’Air (mise en forme Atiane)
L’exploitation de la base NAF corrélée à la base Energ’Air nous permet de déterminer les entreprises les plus consommatrices en chaleur industrielle hors cimenteries :
Tableau 10 : Liste des entreprises de plus de 20 salariés les plus consommatrices en chaleur industrielle / Source : Code NAF/Base Energ’Air PACA (mise en forme Atiane)
Nb Effectifs Conso process Principaux sites
Produits chimiques, savons, pesticides 5 368 +++ BAYER, DOW AGROSCIENCES, LA MESTA, CENTIPHARM, ISP VINCIENCE
Agroalimentaire 23 1039 + KERRY FLAVOURS , MALONGO
Papier, cartons 1 26 +++ CARTONNERIES ALPES ET LITTORAL
Pharmaceutique, huiles essentielles, peintures 37 5158 + V MANE FILS, VIRBAC , ARKOMEDIKA
49 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
4.1.2 Identification des couples solution/marché
Les technologies à concentration à 1 axe (miroirs de Fresnel ou capteurs cylindro-paraboliques) sont
celles offrant le prix de revient du kWh le plus réduit à partir d’un besoins de chaleur de 150 °C (cf
tableau n°4) et d’un besoin continu.
L’héliostat offre également l’intérêt de pouvoir stopper la production en absence de besoin
(exemple : fermeture d’usine en été).
Les sociétés HELIOCLIM et CNIM en région PACA présentent des capteurs appartenant à cette
famille, la première présentant une technologie cylindro-parabolique pouvant répondre à des
besoins de chaleur industrielle et s’intégrant en toiture (mais également pour le chauffage et la
climatisation au travers de la transformation de la chaleur dans un groupe à absorption) tandis que la
seconde propose des systèmes de captage à miroirs de Fresnel uniquement intégrables au sol.
4.2 Identification du potentiel lié au secteur tertiaire
4.2.1 Les secteurs tertiaires prometteurs
Les besoins sont avant tout pour le chauffage et la climatisation, mais également pour les besoins
d’eau chaude à basse température (eau chaude de piscine, de bassins dans des parcs d’animaux
marins, lavage,…).
Figure 33– Consommations des principaux usages par secteur (source : “Energy end-use by sub-sector for France, 2001”, Mairet and Decellas, 2009)
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Transport
Sport, culture etloisires
Hopitaux etservices sociaux
Education etrecherche
Magasins
Bars, hotels,restaurants
Bureaux etadministration
Chauffage Clim ECS Cuisson Elec spécifique
50 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
4.2.2 Identification des couples solution/marché
Les solutions technologiques adaptées sont :
- Les capteurs plans non vitrés pour des besoins inférieurs à 30° (chauffage de piscines,
bassins)
- Les capteurs plans vitrés pour des besoins entre 30 et 90°C (lavage et chauffage)
- Les capteurs sous vide pour des besoins entre 90 et 150 °C (climatisation)
4.3 Les leviers
4.3.1 Les aides financières
Les principales sources de financement pour des projets ne peuvent venir que de l’Ademe.
Il n’existe pas, comme pour l’eau chaude sanitaire solaire, un dispositif de soutien institutionnalisé.
Toutefois les opérations peuvent être aidées au travers des biais suivants
- Les appels à projet fonds chaleur – Destiné préférentiellement aux solutions de chauffage et
ECS utilisant les énergies renouvelable, des projets présentant un potentiel éligible (soit plus
de 100 m2 de capteurs, une productivité minimale de 550 kWh/m2.an, des coûts n’excédant
pas 1100 €/m2) sont subventionnables. Les frais couverts sont le matériel, la main d’œuvre,
la maîtrise d’œuvre avec un taux de 60 à 80%.
- Appel à projets « nouvelles technologies émergentes » (NTE)
- Certificat d’économies d’énergie : La climatisation solaire et les systèmes de chaleur solaire ne sont pas éligibles aux CEE. De plus les aides ne sont pas cumulables avec celles de l’ADEME
- Plan Emergence : aide au développement des climatisations solaires avec une obligation de résultats. Ce plan sera reconduit en 2014 ou sera supprimé au profit du fond NTE.
4.3.2 Les montages avec tiers investisseurs (ESCO)
Le contexte énergétique actuel suscite de profondes mutations générant de nouveaux besoins, de
nouveaux usages, de nouveaux services. Parmi eux, les services d’efficacité énergétique se
développent pour rationaliser les consommations en vue d’une société énergétiquement plus sobre.
Fortes d’un potentiel d’innovation important, les entreprises de services d’efficacité énergétique
(Esco- Energy Saving Compagny) apportent des solutions techniques et financières sur des
programmes d’économies d’énergie.
Exemple d’une ESCO dans le solaire thermique
La société SOPER (Société de Participations dans les Energies Renouvelables) développe son activité
dans le solaire thermique, avec comme objectif de produire de la chaleur d’origine solaire pour les
applications industrielles. Son originalité tient à son positionnement en tant que fournisseur de
chaleur.
51 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
La société SOPER finance, développe, construit et exploite des centrales solaires thermiques.
L’équilibre économique repose sur la vente de chaleur au client industriel, sur la base d’une formule
contractuelle adaptée.
L’avantage pour le client est qu’il n’a pas à financer l’installation et que sur la durée du contrat, il
paye la chaleur solaire moins chère que ce qu’il aurait payé s’il avait gardé sa source de chaleur
conventionnelle (d’origine fossile).
SOPER développe actuellement son premier projet sur une unité d’embouteillage de boissons
gazeuses et travaille sur plusieurs opportunités à l’export tout en restant ouvert à d’autres projets en
France métropolitaine.
SOPER est historiquement une holding qui détient des parts dans des sociétés travaillant dans les
énergies renouvelables. SOPER détient ainsi 40% de La Compagnie du Vent, pionnier français de
l’éolien, après en avoir vendu 60% à un grand acteur énergétique, ce qui a permis de renforcer les
fonds propres de SOPER.
4.3.3 Les leviers socio-environnementaux
Il existe bien entendu d’autres leviers à promouvoir auprès des entreprises pour entreprendre une
étude de faisabilité d’installation :
- La démarche environnementale au travers des émissions de CO2 évitées
- Le marketing (essentiel notamment pour les entreprises dans le secteur du bio ou ayant
entrepris des démarches de développement durable)
- L’adhésion des salariés
- La norme NF EN 16001, qui définit les exigences d'un système de management de l’énergie
au sein de l’entreprise. Pour être conforme à la norme, l’entreprise doit définir une politique
énergétique adaptée à ses usages énergétiques.
52 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
4.4 Synthèse sur le potentiel de développement dans les Alpes-Maritimes
Le solaire thermique permet essentiellement d’adresser les process demandent des niveaux de
température n’excédant pas 400 °C. Au-delà de 150°C, les capteurs stationnaires ne peuvent pas
couvrir la majorité des besoins sans nuire à leur performance économique et des solutions à
concentration doivent être envisagées.
Les secteurs industriels les plus énergivores en chaleur basse et moyenne température sont la
chimie, l’agro-alimentaire et le papier.
Le département des Alpes-Maritimes héberge sur son territoire 60 entreprises de plus de 20 salariés
dans les secteurs pharmaceutiques, chimiques et agro-alimentaires, potentiellement demandeurs en
chaleur industrielle.
Deux cimenteries, Vicat et Lafarge, nécessitant des besoins de chaleur à haute température
représentent 60% des consommations du département en chaleur de process.
Les énergies utilisées majoritairement pour la production de chaleur de process sont à 65% les
dérivés pétroliers (fioul, propane) puis le gaz naturel. La part de l’électricité dans ces consommations
est modeste, pas plus de 8%. Les consommations en chaleur industrielles représentent 1300 GWh
dans le 06.
La climatisation et le chauffage représentent respectivement 424 GWh et 300 GWh des
consommations électriques dans le secteur tertiaire du 06. Des solutions de capteurs plans ou sous-
vides peuvent être envisagées pour la climatisation et chauffage de gros sites tertiaires (grands
immeubles de bureaux ou grandes surfaces par exemple) mais également pour des sites industriels
dont les surface climatisées seraient conséquentes.
Afin de favoriser les investissements, plusieurs mécanismes cohabitent :
- Les aides institutionnelles gérées par l’ADEME (fond chaleur ou Nouvelle Technologie
Emergente)
- Les sociétés d’efficacité énergétique (ESCO en anglais) dont le business model est basé sur le
financement d’un projet d’optimisation énergétique en se rémunérant annuellement sur les
économies d’énergie générées
Les certificats d’économie d’énergie, levier important dans les opérations de rénovation énergétique,
ne permettent actuellement pas le financement des systèmes solaires thermiques pour des usages
hors ECS.
53 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
5 Etudes de cas
5.1 Société 1 - CONFIDENTIEL
5.2 Société 2 - CONFIDENTIEL
5.3 Société 3 - CONFIDENTIEL
5.4 Société 4 - CONFIDENTIEL
5.5 Société 5 - CONFIDENTIEL
5.6 Synthèse des études de cas
5 entreprises se sont portées volontaires auprès de la CCI pour la réalisation d’études de faisabilité :
- « Société 1 », secteur agro-alimentaire, pour un process à 200°C
- « Société 2 », secteur parcs de loisirs, pour le chauffage de bassins entre 23 et 25°C
- « Société 3 », secteur hôtelier, pour différents usages : lavage et séchage de linges entre 80
et 100°C, chauffage piscine à 27°C, Spa (couplé à l’ECS pour les chambres) entre 50 et 80°C
- « Société 4 », secteur agricole, pour chauffage basse température «40°C» de serres agricoles
- « Société 5 », industrie pharmaceutique, pour la stérilisation à 120°C et la climatisation de
certains bâtiments
Les résultats sont présentés dans le tableau suivant. Seul le temps de retour brut intègre la
subvention.
Le coût du kWh solaire est deux fois moins élevé si on intègre la subvention de 50%, ce qui en fait
une énergie très compétitive devant toute autre source d’énergie fossile.
*Productivité sur la base de la production solaire valorisable uniquement
La solution retenue pour « société 1 » est une intégration au sol sur 1,5 ha. Le taux de couverture
solaire est de 45%.
« Société 2 » présente des besoins en hiver et aucun en été. De base cette solution n’est pas
tellement favorable à une installation solaire thermique. Toutefois la solution en moquette solaire
intégrée sur la toiture bac acier du bâtiment permet d’atteindre un coût du kWh solaire inférieur à
celui du gaz naturel. Le taux de couverture solaire n’est que de 35% du fait de non besoin en été.
SociétéSurface de
captage m²Capteurs
Investissement
€/m²
Productivité
* kWh/m².an
Coût du kWh solaire
sur 20 ans
c€/kWh
TRB
ans
Energie
substituée
Société 1 5000 Cylindro-parabolique 608 635 4,9 8 Gaz naturel
Société 2 780 Moquette solaire 224 150 8,4 13 Gaz naturel
Société 3 300 Plans 1000 900 4,7 7Gaz propane
Electricité
Société 4 900 Cylindro-parabolique 608 701 4,3 9 Gaz naturel
Société 5 62,4 Plans 600 195 22,3 9 Gaz naturel
54 / 59 ETUDE DE FAISABILITE DU SOLAIRE THERMIQUE A DESTINATION DES ENTREPRISES – V1.1
L’étude n’intègre pas de changement de la moquette (or certaines moquettes sont abimées au bout
de 10 ans). Dans le cas contraire l’intégration ne serait pas intéressante économiquement.
Pour le « société 3 », il est envisagé une intégration sur ombrières de parking. L’investissement élevé
est lié à des travaux ne portant pas directement sur la solution solaire mais nécessaires pour son
intégration (achat et pose des ombrières, travaux de sol, enfouissement réseau,…). Le solaire
permettant de s’intégrer à différents usages, l’optimum économique est atteint par une bonne
gestion de la production solaire pour adresser les usages utilisant les énergies les plus chères, soit
ceux utilisant le propane (la lingerie) avant l’électricité directe (Spa et l’ECS) puis l’électricité par
pompe à chaleur (la piscine). Le taux de couverture solaire est de 60%.
Concernant « société 4 », le niveau de température exigé pour la stérilisation est en limite haute
pour envisager une installation avec des capteurs à tubes sous vides. Il est préférable d’envisager une
installation avec des capteurs cylindro-paraboliques ou miroirs de Fresnel. La solution retenue est
constituée de 180 capteurs cylindro-paraboliques de surface unitaire 5 m2 sur 2500 m2 de toiture. Le
taux de couverture solaire est de 66%.
La serre agricole de « société 5 » présente des besoins essentiellement durant l’automne et le
printemps ce qui implique un taux de couverture solaire faible de 18 % des besoins nocturnes. Même
si le coût du kWh solaire reste élevé (22.3c€/kWh), ce coût pourrait être réduit considérablement
avec des besoins de chauffage hivernaux et pour une plus grande surface à chauffer.
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Remerciements
Nous tenons à remercier tout particulièrement les personnes qui ont contribué par leur aide et leur
disponibilité à l’élaboration de ce rapport.
Organisme/Société Contacts Fonction Coordonnées
ADEME-LR Florence GODEFROY Anouck RIO
Responsables solaire thermique
[email protected] [email protected]
ADEME-PACA Philippe DUMEZ Ingénieur Fonds Chaleur
ADEME-Sophia Céline COULAUD
HELIOCLIM Charles DANIEL Responsable Commercial
CEDRE Fabien CAILLAU
SAED Yannick GOETZ Ingénieur Projet [email protected]
CSTB Sophia Dominique CACCAVELLI
Responsable
Division Energies Renouvelables
Agence Internationale de l’Energie
Christoph BRUNNER
Chef de projet de la tâche 49 du programme « solar heating & cooling »
SOPER SAS Matthieu COLLETER Responsable Développement
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TABLE DES ILLUSTRATIONS
Figure 1 - Usages du solaire thermique dans le monde pour les installations récentes (source : « Suitable solar
thermal collectors for large scale industrial applications » IREC -2012) _________________________________ 9
Figure 2 - Tableau de rendement moyen des capteurs solaires thermiques stationnaires __________________ 11
Figure 3 - Descriptif d’un capteur non vitré ______________________________________________________ 12
Figure 4 - Descriptif d’un capteur plan __________________________________________________________ 12
Figure 5 -Descriptif d’un capteur à tube sous vide _________________________________________________ 13
Figure 6 - Courbe de rendement d'un capteur cylindro-parabolique (récepteur sous vide) _________________ 15
Figure 7 - Zones d'installations possibles de technologies solaires à concentration _______________________ 15
Figure 8 – Principe de fonction d’un concentrateur de Fresnel _______________________________________ 16
Figure 9 - Concentrateur de Fresnel sur toiture (source: PSE AG) _____________________________________ 17
Figure 10 - Concentrateur cylindro-parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de
Liège) ____________________________________________________________________________________ 17
Figure 11- Capteur parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de Liège) _______ 18
Figure 12- Concentrateur cylindro-parabolique (source : Les centrales solaire à concentration – Université de
Liège) ____________________________________________________________________________________ 19
Figure 13- Schéma de principe installation moquette solaire pour piscine ______________________________ 22
Figure 14- Schéma de principe machine à absorption (source: task AIE 33) _____________________________ 23
Figure 15- Schéma de principe machine à adsorption (source : Rhônalpénergie Environnement) ____________ 24
Figure 16- Schéma de principe machine à dessiccation (source : INES) _________________________________ 25
Figure 17 - Mode fonctionnement en été ________________________________________________________ 26
Figure 18 - Mode de fonctionnement en hiver ____________________________________________________ 26
Figure 19 – Schéma de principe de la solution Hélioclim (source – HELIOCLIM) __________________________ 28
Figure 20 – Synoptique d’une machine à absorption (source - HELIOCLIM) _____________________________ 28
Figure 21 - Cycle de refroidissement par système à dessication ______________________________________ 30
Figure 22 – Répartition de la demande en température dans l’industrie (source : Task 33 AIE) _____________ 31
Figure 23 – Schéma fonctionnel d’un process industriel utilisant le solaire thermique (source : Frauhofer ISE) _ 31
Figure 24 – Distinction entre « supply level » et « process level » (source : Incosol 2012) __________________ 32
Figure 25 – Evolution des coûts des énergies (source : SOeS) ________________________________________ 34
Figure 26 : Répartition des installations solaires par régions du monde (source : AIE task 49) ______________ 38
Figure 27 : répartition par type de capteur _______________________________________________________ 39
Figure 28 : Répartition des installations par secteur d’activité _______________________________________ 39
Figure 29 : Investissement moyen au m² par type de capteur ________________________________________ 40
Figure 30 – Demande de chaleur industrielle par secteur (source : European Commision, heat & cooling
demandand market perspective, 2012)_________________________________________________________ 46
Figure 31 – Demande de chaleur industrielle par type d’énergie (source : Energ’Air - mise en forme Atiane) __ 47
Figure 32– Demande de chaleur industrielle par bassin d’emplois (hors cimenteries) Source : Energ’Air (mise en
forme Atiane) ______________________________________________________________________________ 48
Figure 33– Consommations des principaux usages par secteur (source : “Energy end-use by sub-sector for
France, 2001”, Mairet and Decellas, 2009)_______________________________________________________ 49
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Annexe -Exemples d’installations solaires pour process industriels
dans les monde