Solaire thermique: utiliser la chaleur fournie par l’énergie du soleil

Le soleil nous offre sa lumière et sa chaleur. Il nous permet de fournir du courant et de l’énergie thermique. Contrairement à leurs homologues photovoltaïques, les capteurs solaires thermiques ne transforment pas l’énergie solaire en électricité, mais l’utilisent de manière directe. Cette énergie sert à chauffer l'eau destinée à la douche, à la piscine ou à soutenir le système de chauffage. 

Une installation solaire, dite aussi installation solaire thermique, utilise la chaleur des rayons du soleil pour chauffer un fluide. Dans les centrales solaires thermiques, l’eau est par exemple chauffée à un degré tel qu’elle devient vapeur. Cette dernière actionne des turbines qui produisent du courant électrique. 

Les installations solaires thermiques pour maisons d’habitation travaillent différemment: elles chauffent l’eau qui sera utilisée comme eau sanitaire, eau pour une piscine ou eau de chauffage. La «collecte» d’énergie solaire se révèle nettement plus efficace qu’avec une installation photovoltaïque. Elle n’a en effet pas besoin d’être transformée.

Et cela se reflète distinctement au niveau de l’efficacité et du rendement. La chaleur solaire présente un rendement système entre 30% et 60%, alors que le rendement des installations photovoltaïques se situe aux alentours de 14% à 20%. Avec une installation solaire thermique neuve, même le rendement net moyen au mètre carré par an se situe autour de 450 kWh. Ceci, en cas d’utilisation de capteurs plans. Avec un système photovoltaïque à modules cristallins, le rendement net moyen n’atteint que 180 kWh. 

Par contre, un système photovoltaïque est composé de cellules spéciales capables de convertir la lumière en courant électrique. Le silicium constitue le matériau de base de ces cellules solaires. Actuellement, les scientifiques travaillent déjà à l’élaboration de cellules solaires à base de composants de carbone et de matériel organique. Plus simple à traiter que les cellules solaires en silicium, ce produit nouvelle génération s'avère aussi nettement plus avantageux. Aujourd’hui déjà, les modules solaires sont commercialisés en diverses formes et couleurs. 

Une installation solaire thermique se compose de capteurs solaires, d’un accumulateur solaire, une régulation solaire et un échangeur de chaleur. 

Les capteurs utilisés dans la majorité des installations solaires thermiques sont des modèles plans. Ces derniers servent à chauffer l'eau au moyen de l’énergie solaire. Hoval SA propose à cet effet le capteur plan Ultra Sol 2 V. 

La chaleur du soleil est emmagasinée dans un accumulateur solaire. L’accumulateur solaire est une cuve destinée soit à préparer l'eau chaude, soit à soutenir le chauffage. L'accumulateur est indispensable car le soleil ne brille pas tous les jours et ne suit donc pas la courbe de consommation. Pour pouvoir disposer d’eau chaude également lors des périodes sans soleil, un accumulateur solaire est indispensable. 

Une installation solaire comprend aussi une régulation. Elle constitue le coeur de l’installation. Elle régule la circulation du fluide au sein du système et fixe l’horaire de fonctionnement de l’installation. Lorsque la température au sein des capteurs est plus élevée que dans l'accumulateur, la circulation démarre. 

L’échangeur de chaleur est un des autres composants de l’installation solaire. Il transfère la chaleur dans un autre milieu - majoritairement de l'eau. L’échangeur de chaleur peut tout aussi bien constituer un élément fixe de l'accumulateur de chaleur ou être installé hors du système de conduites.  Dans ces cas, on parlera d’échangeurs de chaleur internes ou externes. 

Une installation solaire thermique abrite également une pompe de circulation solaire. Elle est chargée de transporter le fluide solaire échauffé des capteurs à l’accumulateur solaire. Dans la plupart des cas, le fluide solaire est composé d’eau. Très souvent toutefois, c'est un mélange d'eau et de liquide antigel qui est employé. Le produit antigel permet d’éviter le gel du fluide en hiver.

Lorsqu’ils touchent la surface de la Terre, les rayons du soleil sont réfléchis ou absorbés par le sol ou des surfaces artificielles. Plus les surfaces sont foncées, plus elles absorbent d’énergie solaire. À l’inverse, les surfaces claires, comme la neige, vont réfléchir une grande partie des rayons solaires. C’est la raison pour laquelle les capteurs solaires sont formés de surfaces sombres capables d'absorber autant de lumière solaire que possible. La majorité des capteurs solaires sont placés sur les toits des maisons. La lumière du soleil y est recueillie par un absorbeur. 

Cet absorbeur est fabriqué en cuivre, en aluminium ou tout autre métal conducteur. À l’intérieur, des méandres de tubes fins parcourent les capteurs solaires. La chaleur est acheminée dans l'accumulateur solaire au moyen d’un fluide. Puis, une pompe solaire refoule le fluide porteur dans le système de tubes, assurant par là un circuit fermé. Un échangeur de chaleur se charge de transporter la chaleur vers l'accumulateur. 

Le fluide caloporteur contient un produit antigel et c'est pourquoi il est séparé du reste par un échangeur de chaleur. L’échangeur thermique est composé d’une couche de séparation empêchant l'eau de le traverser. Ceci permet à l’échangeur de transmettre la chaleur à l’eau sanitaire et à l'eau de chauffage. La plupart des échangeurs de chaleur sont placés dans l'accumulateur solaire directement. L'accumulateur assure la mise à disposition d’eau chaude précisément lorsque le soleil ne brille pas. 

Le solaire thermique sert donc avant tout à produire de la chaleur. Et il est idéal pour les maisons individuelles. Les prérequis pour installer un système solaire thermique sont une surface suffisamment conséquente pour y poser les capteurs, une situation ensoleillée et un faible ombragement. Dans le solaire thermique, il existe une différence entre les installations destinées à soutenir le chauffage et les installations conçues pour préparer l'eau potable ou l'eau sanitaire.

Les systèmes destinés à soutenir le chauffage nécessitent un toit en pente dont l’inclinaison varie entre 45 et 70 degrés. Cet angle d’inclinaison s'avère optimal car ces installations sont principalement utilisées au printemps et en automne, lorsque le soleil est bas à l’horizon. Dans la majorité des cas, les systèmes d'appoint au chauffage sont des installations combinées chauffant aussi l’eau potable. C’est la raison pour laquelle un accumulateur est indispensable. Il existe des accumulateurs citerne-dans-citerne et des accumulateurs tampons. 

Ces modèles solaires thermiques sont principalement actifs durant les mois d’été lorsque le chauffage est au repos. Ces installations nécessitent des pentes de toit moins prononcées. Les capteurs seront orientés plein sud sur un toit dont l’inclinaison varie entre 30-45 degrés. Il convient toutefois de prendre en compte de l’ombragement possible par les arbres. Dans tous les cas, ces installations nécessitent un accumulateur solaire. 

Souvent, le solaire thermique et le photovoltaïque sont considérés comme des technologies concurrentes. Tous deux présentent toutefois des avantages et des inconvénients dont il convient de prendre en compte. Le principe de base est simple : si votre objectif consiste avant tout à produire de la chaleur, le solaire thermique s'avère la meilleure option. Si votre consommation de courant est élevée, nous recommandons l’installation d’un système photovoltaïque couplé à une pompe à chaleur. Une installation solaire thermique est pertinente dans les cas suivants :

• Pour la production d'eau chaude dans les maisons individuelles disposant d’une surface de capteurs inférieure à 12 m².  

• Pour la préparation d’eau chaude dans les maisons locatives avec chaudières à gaz ou à mazout. La surface de capteurs représente moins de 7 % de la surface de référence énergétique.  

• Comme appoint à un chauffage à bois dans d’anciennes bâtisses situées à des altitudes plus élevées. Dans ce cas, il est plus avantageux de placer les capteurs en façade.  

• Un système solaire thermique est parfait pour le chauffage de piscines. En effet, le niveau de température nécessaire est faible et les piscines sont majoritairement ouvertes durant la période estivale.  

• Pour la production de chaleur basses températures inférieures à 60°C et pour de grands consommateurs de chaleur actifs toute l'année.  

• Pour la production de chaleur hautes températures supérieures à 60° pour de grands consommateurs de chaleur. 

Pour l'essentiel, une installation solaire thermique se compose de deux éléments principaux. À savoir les capteurs solaires et l'accumulateur solaire. Les capteurs solaires bénéficient désormais de technologies diverses. Toutefois, les capteurs utilisés sont majoritairement des capteurs plans ou à tubes sous vide. 

Le solaire thermique contribue de manière non négligeable à la protection du climat. La plupart des cantons encouragent et subventionnent cette forme alternative de production d’énergie. Il existe, pour cela, un modèle de prescriptions pour la consommation d’énergie dans chaque canton. Ce modèle de prescriptions est abrégé MoPEC 2014. Partie intégrante de la Stratégie énergétique 2050, son objectif affiché est d’opérer une réduction drastique de la consommation d’énergie par habitant jusqu’à cette date butoir. 

Si l’installation d’un système solaire thermique associée à d’autres mesures d’isolation thermique est éligible à une subvention, elle est aussi recommandée. Les coûts sont en outre déductibles des impôts. Les investisseurs pourront répercuter une partie des frais d’investissement sur les locataires. Qui, à leur tour, profiteront d’une baisse des charges annexes. Il est parfaitement possible de réduire fortement la consommation d’énergie en installant un système solaire.

Hoval SA s’efforce, en recourant à la technologie la plus moderne, de préserver l’environnement et de garantir des installations efficaces en énergie. 

La possibilité existe également de coupler une installation solaire thermique à une installation photovoltaïque pour la production de courant. On parlera dans ce cas de toits énergétiques. Dans ce secteur, Hoval SA collabore avec la société suisse Helion, considérée comme le leader du marché photovoltaïque. 

La société Helion est spécialisée dans les solutions photovoltaïques. Il est par exemple envisageable de combiner une installation photovoltaïque de Helion pour la production d’électricité et une pompe à chaleur air-eau de Hoval. Le compresseur intégré à la pompe à chaleur a besoin de courant pour fonctionner. Et ce courant est fourni par l’installation photovoltaïque. 

Die Kombination einer Pelletheizung mit einer Solaranlage gilt als eine der umweltfreundlichsten Varianten. Die Pelletheizung basiert auf Biomasse. Ein Einfamilienhaus kann damit vollständig mit Warmwasser versorgt werden. In Verbindung mit der Pelletheizung ist ohnehin ein Pufferspeicher notwendig. Dieser kann als Kombinationsspeicher von der thermischen Solaranlage versorgt werden. 

Im Sommer arbeitet der Pelletkessel weniger effizient. Er muss lediglich für die Aufbereitung von Warmwasser betrieben werden. Die thermische Solaranlage kann während der Sommermonate den Warmwasserbedarf decken. Zudem steht im Sommer auch am meisten Sonnenenergie zur Verfügung. 

Eine Kombination aus Erdwärme in Form einer Sole/Wasser-Wärmepumpe und Solarthermie ist ebenfalls möglich. Auch hier kann ein Kombispeicher als Verbindungselement dienen. Alternativ dazu kann die Solarthermieanlage das Erdreich oder den Speicher erwärmen, mit dem die Wärmepumpe die Wärme fördert. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Anlage entsprechend erhöht und die Erdsonde kann sich regenerieren.

Diese Regeneration der Erdsonde verhindert das Abkühlen des Erdreichs. Wenn die Solaranlage dementsprechend dimensioniert ist, kann bei Mehrfachsonden sogar die Länge der Erdsonden reduziert werden. Die Regeneration ist wichtig, weil Erdsonden immer öfter nahe beieinander gebaut werden. 

Zudem ist mittlerweile erwiesen, dass die Temperatur der Erdsonden mit der Zeit abnimmt. Für die Solaranlage entsteht ein zusätzlicher Effekt. Die Überschusswärme im Sommer kann leicht in die Sonde eingespeist werden. Damit gibt es keine Stillstände der Anlage und es erfolgt eine effiziente Nutzung der Energie.

Diese Kombination stellt eine sinnvolle Lösung dar, die bereits häufig eingesetzt wird. Die Gas- oder Ölheizung springt an, wenn die Solarthermie zu wenig Energie oder Wärme für Heizsystem oder Warmwassererzeugung liefert. Allerdings sollten Heizungen mit fossilen Brennstoffen nur noch dort eingesetzt werden, wo es keine alternative Möglichkeit gibt. In diesem Fall sollte die Heizung mit Solarthermie ergänzt werden. 

Die Solarthermie nutzt die Energie der Sonne, um damit Wasser zu erwärmen und Heizungen dadurch mit Warmwasser zu versorgen. Da die Sonne noch in den nächsten fünf Milliarden Jahren Energie liefern wird, ist diese Energiequelle nahezu unendlich nutzbar. Daneben bietet die Solarthermie noch eine Reihe weiterer Vorteile. Die wichtigsten davon sind folgende:

• Heizkosteneinsparung: Die Solarthermie kann Heizkosten deutlich senken. Bei Anlagen, welche der Heizunterstützung dienen, sind das je nach Anlagengrösse zwischen 20 % und 50 % der Energiekosten. Warmwasseranlagen sparen bis zu 80 % der Kosten. Teilweise sind auch höhere Einsparungen möglich. Dies hängt vom verwendeten System ab.  

• Langlebigkeit: Solarthermieanlagen sind heute bereits sehr langlebig. Auch die Wartungskosten halten sich im Gegensatz zu Gas- oder Ölheizungen in Grenzen. Hier gibt es keine Feuerung. 

• Unabhängig: Solaranlagen erwärmen sich auch, wenn der Himmel bewölkt ist.  

• Krisensicher: Solarenergie ist krisenresistent, da sie keiner Lobby oder Kartellen unterliegt. Sie ist kostenlos nutzbar und für alle zugänglich.  

• Leichte Installation: Eine Solaranlage kann relativ einfach installiert werden. Die Voraussetzungen dafür sind fast überall gegeben. 

• Wertsteigernd: Ihre Immobilie gewinnt an Wert, da Objekte mit Solaranlagen die Gebäude Energieklasse verbessern. Damit können Liegenschaften leichter verkauf und Gebäude leichter vermietet werden.
• Steuer sparend: Die Investitionen für eine Solaranlage können von der Steuer abgezogen werden. 

Nachteilig wirken sich bei einer Solaranlage nur die im Vergleich zu klassischen fossilen Heizanlagen höheren Investitionskosten aus. Diese amortisieren sich jedoch durch die Einsparung der Brennstoffkosten. Die meisten Kantone fördern den Einbau von Solarthermieanlagen.

Ein weiterer Nachteil kann eine mangelnde Sonneneinstrahlung sein. Diesem Umstand kann man jedoch Rechnung tragen, indem man die Anlage so positioniert, dass sie möglichst viel Sonnenlicht einfängt, wenn die Sonne scheint. Hier empfiehlt sich aber eine Beratung durch eine Fachperson.  

Heute gibt es moderne und effizient arbeitende Sonnenkollektoren. Der Hoval UltraSol ist ein Beispiel dafür. Dieser Solarkollektor sorgt für einen hohen Energieertrag. Er verfügt über die Wärmeleittechnologie WLT. Dabei sind die D-Rohre der Anlage vollständig mit Wärmeschalen umschlossen. Das gewährleistet eine gleichmässige Übertragung der Sonnenwärme. Der Ertrag der Anlage ist dadurch um rund 20 Prozent höher als bei vergleichbaren Solarkollektoren. 

Der Hoval UltraSol 2 kann sehr flexibel montiert werden. Man kann ihn in einem Schrägdach unterbringen oder auf einem Flachdach montieren. Zudem ist es möglich, den Kollektor auf einem Ständer anzubringen oder im Garten aufzustellen. Die Aufstellung kann sich deshalb an der Sonneneinstrahlung orientieren.