L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
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Partie II : Solaire thermiquePartie II : Solaire thermique
Chaleur = première source d'utilisation du soleil Résulte de l'absoption du rayonnement de façon désordonnée
Principe général du système solaire thermique : Un collecteur (éventuellement concentrateur) Un absorbeur (généralement surfacique) Un échangeur Un fluide caloporteur (eau, air, etc.) Un ou plusieurs systèmes utilisant la chaleur (radiateur, échangeur,
stockage, etc.)
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Partie II : Solaire thermiquePartie II : Solaire thermique
Particularité des systèmes à basse température Généralement pas de dispositif de concentration Fonctionnement à basse température Pas de cycle thermodynamique complexe Unité de petite taille pour l'usage direct de la chaleur
Trois familles de capteurs actuellement Capteurs non-vitrés Capteurs vitrés Capteurs sous vide
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Partie II : Solaire thermiquePartie II : Solaire thermique
1. Les différents types de capteurs solaires thermiques
2. Performances des capteurs solaires thermiques
3. Autres composants
4. Les systèmes solaires
5. Dimensionnement
6. Aspect environnemental
7. Contexte industriel
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Capteurs non-vitrés (ou capteurs « moquette »)Capteurs non-vitrés (ou capteurs « moquette »)
Tubes noirs accolés en plastique dans lesquels circule l'eau du circuit de filtration
Très bon rendement à température ambiante Température en sortie peu élevée (≈ 40°C) Appliqués au chauffage des piscines
Note : l'usage d'une simple bâche à bulles permet déjà d'économiser la moitié de la puissance de chauffage !
Autres applications : – Douche solaire
– ECS dans les pays chauds
– Couplage possible avec une pompe à chaleur pour ECS collective (système Héliopac)
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Intérêt du vitrage : création d'un effet de serreLa vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui émit par l'absorbeur.Les pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites.
Capteurs vitrésCapteurs vitrés
Source : RETScreen
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Composants Absorbeur
Forte absorptivité au rayonnement solaire
Faible émissivité Forte conductivité thermique Cuivre, Aluminium, Acier
Couverture Importante pour réduite les pertes Verre voire polycarbonate ( ≈ 90 %)η Simple, double voire triple vitrage pour
les sites en climat froid Isolant
Laine minérale, mousses de polyuréthane
Tubes Fortement conducteurs de chaleur pour
assurer l'évacuation de l'énergie et éviter la surchauffe inoxydable
Capteurs vitrésCapteurs vitrésII.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Exemple
Capteurs vitrésCapteurs vitrésII.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Capteurs vitrésCapteurs vitrés
Revêtement sélectif de l’absorbeur Chromage noir Revêtement à l’oxyde d’aluminium pigmenté au nickel Peinture noire
Applications : eau chaude sanitaire sous tout climat, chauffage
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Capteurs sous videCapteurs sous vide
Meilleur rendement que les précédents Température plus élevées en sortie
Tubes de 5 à 15 cm de diamètre Pression : < 10-3 Pa Nombreuses innovations
Plusieurs systèmes différents peuvent se combiner Pour la collection du rayonnement
Tube sous vide simple, absorbeur de type ailette Double tube sous vide à effet thermos
(absorbeur intégré) Face arrière réfléchissante ou réflecteur externe
Pour l'évacuation de la chaleur Échangeur à eau simple (serpentin A/R) Échangeur à tubes concentriques Caloduc (caloporteur diphasique)
Tube à effet "thermos"
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Capteurs sous videCapteurs sous vide
Applications : Chauffage solaire, eau chaude sanitaire, industrie
Tube à circulation directe
Système à réflecteur externe
Tube à caloduc
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
Source : Viessmann
Source : Viessmann
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Courbes de rendement pour les 3 types de capteursCourbes de rendement pour les 3 types de capteurs
Comparaison des rendements pour les trois types de capteurs à eau en fonction de la température de l'eau en sortie
Note : les capteurs solaire à air seront présentés plus loin
Source : Outils solaires
II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques
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Principe généralPrincipe général
Exemple du capteur plan vitré
Schéma thermique détailléSource : Faiman 2003
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
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Bilan thermique simplifié sur l'absorbeurBilan thermique simplifié sur l'absorbeur
Avec Pu : puissance thermique utile (W)
A : surface du capteur (m2)
S : Rayonnement incident absorbé (W/m2)
U : coefficient de pertes thermiques du capteur (W/(m2.K))
Ta : température de l'absorbeur (K)
Text : température de l'air extérieur (K)
Bilan thermique simplifié sur l'absorbeur à l'équilibre
Pu=A⋅S−U⋅T a−T ext
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
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Expression du rayonnement solaire absorbéExpression du rayonnement solaire absorbé
Le rayonnement absorbé, S
Avec : produit « transmittance x absorbance » du capteur pour chaque type de rayonnement (direct, diffus, réfléchi)= part du rayonnement réellement absorbée par le capteur.
et dépendent de la longueur d'onde, de l'angle d'incidence et des réflexions multiples de chaque rayon au niveau du capteur. Il n'existe pas de moyen simple de les calculer.
Pour simplifier, on peut noter :
S=G bh⋅cosi
cos z
⋅bG dh⋅1cos 2
⋅dGh⋅⋅1−cos2
⋅r
S=G⋅
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
i
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Calcul de la puissance utileCalcul de la puissance utile
Puissance utile en fonction de la température du fluide Bilan de puissance au contact de l'absorbeur
Puissance utile
F : facteur d'efficacité du capteur (-)h : coefficient d'échange thermique entre le fluide et l'absorbeur (W/K)T
f : Température moyenne du fluide dans le capteur (K)
F=h
hU⋅APu=F⋅A⋅S−U⋅T f −T ext
Pu=h⋅T a−T f
Formule de Hottel-Whiller-Bliss (HWB)
Rendement du capteur
d'où=Putile
P incidente
=Pu
A⋅G=F⋅−U⋅
T f−T ext
G
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
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Caractéristiques standardCaractéristiques standard
En Europe (Norme EN 12975) : modèle à trois paramètres
: Coefficient de rendement optique
a1 et a
2 : Coefficients de déperditions
calofiques des premier et deuxième ordre
En France : modèle à deux paramètres
B : Coefficient de rendement optique K : Coefficient de déperditions
calofiques du premier ordre (W/(m2.K))
=B−K⋅T f −T ext
GB=F⋅ K=F⋅U
=0−a1⋅T f−T ext
G−a2⋅
T f−T ext 2
G
T f−T ext /G
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
0
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Attention !Attention !
Les rendements sont différents selon la surface considérée !
Surfaces considérées Surface brute : encombrement du capteur Surface d'ouverture (ou d'entrée) : ouverture du capteur à incidence
normale. Tient compte de la présence éventuelle de réflecteurs Surface de l'absorbeur (parfois dite « active ») : Surface d'absorbeur
éclairée
Température de stagnationTempérature maximale du fluide à l'arrêt dans des conditions défavorables
G = 1000 W/m2, Text
= 30 °C et absence de vent
Les matériaux sont sélectionnés pour ne pas souffrir de cette température.
II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques
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Echangeurs de chaleurEchangeurs de chaleur
Utilisé pour transférer la chaleur à un stockage Le fluide utilisé dans le circuit
primaire est alors de l'eau glycolée pour éviter le gel en hiver.
L'efficacité de l'échangeur n'est jamais de 100 % ce qui réduit le rendement global du système.
Bilan de puissance :
Efficacité de l'échangeur :
et
Calcul du rendement global « capteur + échangeur » :
Péchangée=m⋅C p⋅T e−T s=h⋅T−T st
=Péchangée
Péchangeable
=m⋅C p⋅T e−T s
m⋅C p⋅T e−T st =
T e−T s
T e−T st
T s=1−⋅T e⋅T st
Péchangée=⋅m⋅C p⋅T e−T st
Pu=A⋅F '⋅S−U⋅T st−T ext
F '=F
1A⋅F⋅Um⋅C p
⋅1−1
captech=Pu
A⋅G=F '⋅[−U⋅
T st−T ext
G ]
II.3 Autres composantsII.3 Autres composants
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Ballon de stockageBallon de stockage
Cas théorique du ballon à température uniforme : Chaleur stockable
Bilan thermique sur le stockage
Qs : Chaleur stockable sur un cycle (J)
mCp : Capacité thermique du stockage (J/K)
: Écart de température de travail du stockage (K)
Pu : Puissance utile fournie par le capteur (W)
: Puissance soutirée au stockage (W)
(UA)st : Coefficient d'échange global du ballon avec l'ambiance (W/K)
Tst : Température du stockage (K)
Tamb : Température autour du stockage (K)
soutL
Q st=m⋅C pst⋅T st
m⋅C pst⋅dT st
dt=Pu− Lsout−UAst⋅T st−T amb
II.3 Autres composantsII.3 Autres composants
T st
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Ballon de stockageBallon de stockage
En pratique, le ballon n'est pas à température uniforme : phénomène de stratification
Modélisation plus délicate
Si dimensionnement correct, le ballon peut proposer plusieurs températures différentes pour ECS et chauffage à basse température
Ballon à stratification Source : Solaire Connexion SCOP
II.3 Autres composantsII.3 Autres composants
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Ballon de stockage bi-énergieBallon de stockage bi-énergie
Un circuit solaire Une chaudière d'appoint Résistance électrique de secours
Production d'ECS
Ballon solaire bi-énergieSource : Viessmann
Circuit solaire
Échangeur chaudière
Échangeur ECS
II.3 Autres composantsII.3 Autres composants
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Quelques autres composantsQuelques autres composants
Pompe de circulation Son dimensionnement dépend de :
Longueur des tuyaux Dénivellation entre capteur et stockage Taille de l’installation
Fluide circulant dans le capteur Chaleur massique élevée Faible viscosité Antigel : mélange eau + composé glycolé (éthylène g. ou propylène g.) Non corrosif Point d’ébullition situé au dessus de la température de stagnation des capteurs Durée de vie élevée Faible toxicité
Vase d’expansion : pour la dilatation du fluide caloporteur Doit permettre la vidange en cas de surchauffe
Canalisations : acier ou cuivre
II.3 Autres composantsII.3 Autres composants
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Chauffe-eau solaireChauffe-eau solaire
Eléments séparés
Monobloc à effet thermosiphon Schéma d'un chauffe-eau solaire simple
Schéma de principe du thermosiphon
II.4 Les différents systèmes solairesII.4 Les différents systèmes solaires Source : Mafen
Source : Giordano industries
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ChauffageChauffage
Plancher solaire direct (PSD) Pas d'échangeur intermédiaire Stockage à basse température réalisé
par la masse du plancher Déphasage par l'inertie thermique du plancher
(15 à 20 cm de béton)
Système solaire combiné (SSC) : chauffage + ECS
II.4 Les différents systèmes solairesII.4 Les différents systèmes solaires
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Besoins d'eau chaude sanitaireBesoins d'eau chaude sanitaire
Faible variation saisonnière du besoin journalier Dépendent du comportement et de la présence de l'occupant Demandes courtes et importantes Température d’entrée de l’eau dans le système : de 4 à 20 °C
(dépendant de la localité et de la saison) Température d’eau en sortie du système : 45 à 60 °C Circuit en boucle ouverte Besoin instantané :
La température d'eau froide n'est pas connue a priori.
Pour maison individuelle : Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI)
Pour immeuble : Chauffe-eau solaire collectif
BECS=m⋅C p⋅T consigne−T froide déperditionsdes systèmes
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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Besoins de chauffageBesoins de chauffage
Variation saisonnière importante Demande continue Température délivrée : de 30°C à 50°C (dépendant du système d’émission et des
conditions météorologiques) Température de retour : de 25°C à 45°C Circuit en boucle fermée
Évaluation des besoins par calcul Des déperditions thermiques par les parois (conduction + rayonnement) Des déperditions thermiques par renouvellement d'air
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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La ressource solaireLa ressource solaireI.5 DimensionnementI.5 Dimensionnement
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Exemple de courbe de chargeExemple de courbe de charge
Source : T. Letz, 2006
Zone en pointillés : Fraction « solarisable » des consommations
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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Règles de dimensionnementRègles de dimensionnement
Définition : « la fraction solaire » Principe : le système solaire thermique permet de diminuer la facture énergétique Fraction solaire (Fs): fraction des besoins énergétiques couverts par le systèmes
solaire
Fs = énergie solaire utile / besoins
Volume du ballon de stockage Si trop petit : pas assez de stockage
Si trop grand : pertes thermiques du ballon
Optimum environ 50-100 litres / m2 de capteur
Doit être plus volumineux qu'un ballon traditionnel en raison de l'intermittence de
la source d'énergie Plancher solaire : 12-16 cm de béton suffisent Surface de capteur
Compromis fraction solaire / aspects économiques / espace disponible pour le capteur
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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Règles de dimensionnementRègles de dimensionnement
Le rendement du systèmes solaire dépend de l’ensoleillement et de la température extérieure
Chauffe eau solaire, productivité moyenne Zone A (ex. : Allemagne) : 300 à 400 kWh/m2
Zone B (ex. : France) : 400 à 500 kWh/m2
Zone C (ex. : Grèce) : 500 à 600 kWh/m2
Fraction solaire plus élevée au sud qu’au nord
Outils pour le dimensionnement Méthode SOLO par calcul mensuel, CSTB
SOLO2000 (CSTB) Outil en ligne sur le site tecsol.fr
Modèles de calcul dynamique : TRANSOL (issu de TRNSYS) Très bientôt :
Module ECS solaire de Pléiades+COMFIE
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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Ordre de grandeurs (pour la France)Ordre de grandeurs (pour la France)Chauffe-eau solaire :
Besoins : 40-50 litres d’eau chaude par personne et par jour (à 50 °C) Pour 4 personnes : 3 à 5 m2 de capteur et ballon de 200 à 300 litres Fraction solaire : de 50 à 80 % (selon la zone climatique) Capteur : orientation de sud-ouest à sud-est et inclinaison entre 30° et 60°
Investissement : pour 4 à 6 m2 de capteur 3 700 à 5 400 € TTC (ballon solaire seulement) + 600 € pour ballon bi-énergie
Système solaire combiné avec plancher solaire : Besoins : dépend des performances du bâtiment (de 10 à > 200 kWh/m2/an) 1 m2 pour 7 à 10 m2 de plancher chauffant, soit 10 à 20 m2 pour une maison individuelle Fraction solaire : de 25 à 60 %. Climat idéal : froid et ensoleillé (Rhône-Alpes, Alsace…),
pour les autres climats : rentabilité assurée au printemps et à l’automne Capteur : orientation de sud-ouest à sud-est, inclinaison entre 30° et 60° (incliner à 60° si l'on
veut optimiser la performance l’hiver)
Exemple : maison avec 100 m2 de surface chauffée, 15 m2 de capteurs, appoint intégré, coût : 16 000 à 18 000 € HT
II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement
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Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Normes ISO 14040 à 14 043
Un processus en 4 étapes
1. Définition des objectifs Détermination du produit étudié, de sa fonction :
le bâtiment, avec une durée de vie , un usage (tertiaire, logement,…), et un niveau de confort et de salubrité donnés ⇒ Unité de service, de fonction
Limitation des étapes du cycle de vie considérées fabrications des matériaux et composants, construction, utilisation, rénovation,
démolition et traitement des déchets Niveau d’approfondissement considéré (frontières du système étudié) : le bâtiment
+ fourniture d’énergie et d’eau, traitement de l’eau, transport des matériaux et des personnes
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
Étapes du cycle de vie d'un bâtiment
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Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Normes ISO 14040 à 14 043
Un processus en 4 étapes
1. Définition des objectifs
2. Inventaire Relevé de tous les flux de matières et d’énergie (en kJ ou kg) Rejets dans l’air, l’eau, le sol Déchets solides
3. Analyse des impacts Agrégation des différents flux pour en déduire les indicateurs d’impacts
Potentiel de réchauffement global Épuisement des ressources Acidification des eaux, eutrophisations des cours d'eau Destruction de la couche d'ozone Production de déchets toxiques Impacts sur la santé etc.
4. Interprétation des résultats et recherche d'améliorations
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Exemple d'ACV de chauffe-eau solaireExemple d'ACV de chauffe-eau solaire Source : base de données Ökoinventare de l'EPFZ (Zurich) Hypothèses de base
Chauffe-eau à éléments séparés Capteurs
– Capteurs plans vitrés intégrés en toiture
– Absorbeur en aluminium, revêtement sélectif chromé
– Couverture : double vitrage Échangeur incorporé, appoint électrique incorporé Fraction solaire : 45 % (Suisse ou moitié nord de la France)
Deux cas de figure : maison individuelle et logement collectif
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Exemple d'ACV de chauffe-eau solaireExemple d'ACV de chauffe-eau solaireLes différentes étapes du cycle de vie considérées :
la fabrication des capteurs la fabrication du ballon de stockage la fabrication des autres composants (pompe, échangeur, vase d'expansion,
appoint) le montage et la fabrication des tuyauteries la phase d'utilisation la dépose et le traitement des déchets
Le « bouquet » de production électrique européen de 1994 a été considéré pour l'électricité utilisée pour la production des composants. production thermique hydrocarbures : 48% production thermique nucléaire : 37% production hydro-électrique : 15%
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Temps de retour énergétique du chauffe-eau solaireTemps de retour énergétique du chauffe-eau solaire
Raisonnement en énergie primaire Hypothèse sur l'énergie substituée par le solaire : gaz
Énergie primaire pour 1 kWh de gaz : 1,56 kWhEP
Hypothèse sur la durée de vie : entre 15 et 30 ans
Impact du système par analyse du cycle de vie sur la durée de vie
(fabrication, installation, maintenance, fin de vie) CESI : 15 890 kWh
EP
Installation collective : 60 805 kWhEP
Résultats moyens sur la durée de vie du système
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Temps de retour énergétique d’un chauffe-eau solaireTemps de retour énergétique d’un chauffe-eau solaire
Temps de Retour Énergétique = temps nécessaire pour que le système
produise autant d’énergie primaire que ce qu'il a fallu consommer pour sa
fabrication
Énergie annuellement substituée par le solaire : CESI : 2 640 x 1,56 = 4 118,4 kWh
EP
Installation collective : 13 055 x 1,56 = 20 365,8 kWhEP
Temps de retour : CESI : 15890/ 4118 = 3,8 années Installation collective : 60805 / 20 366 = 3 années
Si durée de vie = 20 ans, alors économie de : CESI : 4,3 fois l'énergie primaire nécessaire à sa fabrication. Installation collective : 5,6 fois l'énergie primaire nécessaire à sa fabrication.
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Impact en CO2 des systèmes :
CESI : 1 514 kg CO2
Installation collective : 4 953 kg CO2
Impact d’1 kWh gaz en émission de gaz à effet de serre : 0,2801 kg/kWh Temps de Retour CO2
CESI : 2,05 années Installation collective : 1,35 année
Si durée de vie = 20 ans Le CESI permet d’éviter 9 fois la quantité de gaz à effet de serre émise
pendant sa fabrication (13,8 fois pour l’installation collective)
Selon cette étude, 1 m2 de capteur solaire thermique permet d’éviter de rejeter annuellement dans l’atmosphère 120 kg de gaz à effet de serre
Temps de retour COTemps de retour CO22 d’un chauffe-eau solaire d’un chauffe-eau solaire
II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental
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Au niveau européenAu niveau européen
Parc solaire européen (UE27) (données 2009) Surface installée (toutes technologies confondues) :
32,5 km2
Prévisions très inférieures aux objectifs du Livre Blanc de la Commission Européenne : 100 km2 en 2010
4,2 millions de m2 installés en 2009 (légère baisse / 2008) Croissance annuelle 2009 des surfaces : + 14 % (en France +18 %)
Les technologies installées en 2009 : 87 % : Capteurs vitrés plan 9 % : Capteurs vitrés sous vide 4 % : Capteurs non vitrés
Principaux industriels européens Allemands : Viessman, Schüco, Thermosolar, Solvis, etc. Autriche : GREENoneTEC (capteurs) France : Clipsol (capteurs), Giordano (Chauffe-eau)
II.7 Contexte industrielII.7 Contexte industriel
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Parc solaire européen (UE)Parc solaire européen (UE)
de 1990 à 2008
Installations annuelles en U.E.+ Suisse
(capteurs vitrés)
Installations annuelles en France
(source : ESTIF)
II.7 Contexte industrielII.7 Contexte industriel
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Les pays européens les plus équipésLes pays européens les plus équipés
Les pays les plus équipés en U.E. (+ Suisse) (source : ESTIF)
II.7 Contexte industrielII.7 Contexte industriel
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Contextes locauxContextes locaux
En Espagne : Código Técnico de la Edificación, impose 60% d'ECS solaire sur les bâtiments neufs
En Allemagne : Solaire thermique obligatoire dans certaines municipalités (Marburg,...)Arrêt des subventions aux systèmes solaires depuis mai 2010 (crise)
En France : démarrage récent (2004) avec les aides publiques (aide ADEME puis crédits d'impôts (50 %))Solaire thermique obligatoire dans les départements d'Outre-Mer depuis avril 2009
Plus d'info : www.estif.org, www.observ-er.org
II.7 Contexte industrielII.7 Contexte industriel