Panneaux solaires hybrides dans les réseaux de chaleur

Les réseaux urbains sont un type d’installation très répandu en Europe du Nord. La décarbonisation de l’Europe est un défi majeur et les réseaux urbains sont l’une des solutions qui permettront d’accélérer cette transition. Pour y parvenir, ces réseaux doivent utiliser des énergies renouvelables pour la production de chaleur qu’ils fournissent à travers leur réseau, et l’intégration de la technologie solaire thermique dans ces réseaux peut également les rendre intéressants dans le sud de l’Europe, en étendant leur mise en œuvre dans d’autres pays où ils sont moins courants.

Traditionnellement, les réseaux urbains ou de quartier fonctionnent dans une plage de température élevée pour les capteurs thermiques (plage typique de 70/90). Dans ces conditions, la technologie solaire thermique n’est pas en mesure d’atteindre des performances suffisantes pour rendre l’intégration des capteurs thermiques dans les réseaux attrayante.

Le fait que les collecteurs thermiques aient une production plus faible en raison de leur fonctionnement à des températures élevées peut être résolu en combinant cette technologie avec une pompe à chaleur eau-eau (PCCE), qui permet aux collecteurs de fonctionner à une température plus basse et à la PCCE de fournir de la chaleur au réseau dans une fourchette de température appropriée (70/90). Cependant, le handicap de cette combinaison est que la consommation d’électricité de la BdC entraîne une consommation d’électricité qui n’existait pas auparavant, avec le coût économique qui en découle. Cette consommation d’électricité pourrait être couverte par une installation photovoltaïque, mais la surface nécessaire à l’installation de capteurs thermiques ainsi que la surface photovoltaïque nécessaire pour répondre à la consommation de la BdC nécessitent un espace suffisamment grand, qui n’est pas toujours disponible. Par conséquent, la combinaison de panneaux PVT (qui produisent de la chaleur et de l’électricité) avec une BdC (voir le schéma de principe) présente un triple avantage : les panneaux fonctionnent à basse température et offrent un bon rendement (tant thermique que photovoltaïque), la consommation d’électricité de la BdC est fournie par la production photovoltaïque des panneaux PVT eux-mêmes et la BdC reçoit de la chaleur des panneaux à une température plus élevée que si la chaleur provenait de l’environnement ou du sol, ce qui améliore son COP.

Fig. 1 : Schéma de principe du système PVT + HP pour les réseaux urbains.

Lorsqu’un capteur thermique fonctionne dans la plage de température d’un réseau urbain, son point de fonctionnement se situe à environ 0,07 de l’axe horizontal de sa courbe de performance (Tm=80 et Tamb = 10ºC et un rayonnement de 1000 W/m²), ce qui signifie que le capteur a une efficacité thermique de 30% (voir le point 1 de la figure 2). Cependant, lorsque le panneau PVT est combiné à un BdC et, parmi les différentes typologies de PVT, lorsqu’une PVT avec un toit (également appelée « PVT vitrée ») est utilisée, le point de fonctionnement est d’environ 0,015 (Tm=25, Tamb=10 et 1000 W/m², voir le point 2 de la figure 2), ce qui signifie que la PVT a un rendement thermique de 60 %, soit un rendement global de 80 % si l’on tient compte du fait qu’une PVT génère de l’énergie photovoltaïque en même temps. Ces points de fonctionnement peuvent être identifiés dans la figure 2, qui montre la courbe de performance d’un collecteur thermique (ligne rouge) et les deux courbes de performance d’un panneau photovoltaïque (son efficacité thermique et son efficacité totale avec l’ajout de la production photovoltaïque).

Fig. 2 : Courbe de performance d’un collecteur thermique et d’un PVT vitré avec toit (PVT vitré)

Si l’on prend comme référence la production d’un collecteur thermique fonctionnant dans un réseau urbain 70/90, connecté comme préchauffage du retour, sa production thermique annuelle dans un endroit comme Madrid, où l’irradiation horizontale annuelle est de 1 785 kWh/m².an, est de 525 kWh/m².an pour chaque mètre carré de panneau installé. Dans le cas d’une combinaison PVT+BdC, le système aura une production de 1 350 kWh/m².an à injecter dans le réseau. Pour cela, l’électricité produite par les panneaux (385 kWh/m².an) sera autoconsommée par la BdC elle-même, qui, pour fournir ces 1 350 kWh/m².an, aura une consommation de 345 kWh/m².an). Par conséquent, le système PVT+BdC parvient à multiplier par 2,5 l’énergie potentielle générée sur un terrain donné.

En effectuant la même analyse dans un endroit comme Würzburg où l’irradiation horizontale annuelle disponible est de 1 127 kWh/m².an, on constate qu’un collecteur thermique produira 330 kWh/m².an pour chaque mètre carré de panneau installé. Dans le cas du système PVT+BdC, la contribution thermique au réseau sera de 850 kWh/m².an.

Dans la plupart des réseaux existants, l’espace disponible est limité, car même s’il y a beaucoup d’espace, la contribution thermique des réseaux aux bâtiments auxquels ils fournissent de la chaleur est très élevée. Un dimensionnement adéquat pour que les systèmes de production (tels que les chaudières, etc.) soient arrêtés pendant les mois d’été permet d’effectuer les opérations de maintenance annuelle requises par l’installation.

Dans certains réseaux de chauffage urbain, en particulier dans les pays froids, on utilise des échangeurs de chaleur géothermiques qui extraient la chaleur du sol et l’injectent dans le réseau de chauffage. Dans ces cas, l’intégration de panneaux photovoltaïques est intéressante pour deux raisons : d’une part, pendant les mois d’hiver, la température du sol est réduite lors de l’extraction de sa chaleur, atteignant les limites de fonctionnement de la BdC, ce qui affecte négativement son COP, ce qui implique une consommation d’électricité plus élevée. Dans ce cas, le fait que les PVT puissent fournir de la chaleur au sol permet d’éviter cette limitation en augmentant la capacité thermique du sol, et même d’accumuler la chaleur excédentaire de l’été, selon le type de sol. D’autre part, pendant les mois centraux de l’année ou lorsque le réseau fonctionne à une température plus basse, la chaleur transportée par les panneaux peut être envoyée directement au réseau, ce qui signifie que la BdC doit fournir moins de chaleur, ce qui signifie que moins de puits sont nécessaires, réduisant ainsi l’investissement requis. Cet apport de chaleur au sol est appelé régénération du sol.

Actuellement, deux réseaux urbains utilisent déjà ce système en Espagne : le réseau d’Ólvega (Soria) avec 1 082 m² de panneaux PVT et celui de Cuenca avec 2 191 m² de panneaux PVT, ce dernier étant la plus grande installation de panneaux PVT en Europe.

1090 PVT installés pour le réseau du district de Cuenca.