Construire en privilégiant les énergies renouvelables

Pour réaliser un « bâtiment à énergie positive », il est recommandé d’utiliser une ou des énergies renouvelables.

Les sources d’énergie renouvelable présentent l’avantage d’être disponibles en quantité illimitée.

Leur exploitation est un moyen de répondre aux besoins en énergie tout en préservant l’environnement. Ici nous examinons le bois, le solaire et la géothermie.

Les énergies fossiles ont énormément contribué à l’amélioration de la productivité des industries et du confort des populations occidentales. Intimement liées au développement, elles sont néanmoins sources de pollution et accentuent le phénomène de changement climatique. Aujourd’hui, dans un contexte mondial de très forte croissance économique des pays à forte démographie (les BRIC), les besoins énergétiques ne cessent d’augmenter. Les énergies renouvelables apparaissent alors comme une alternative disponible pour tous, qui préserve à la fois le confort et présente la plus faible empreinte écologique. Ressources naturelles, elles sont capables de générer de l’énergie grâce aux techniques récemment développées par les hommes et ne sont pas menacées d’épuisement. L’hydroélectricité, l’énergie éolienne, le solaire thermique et photovoltaïque, le bois, le biogaz, les agrocarburants… constituent autant d’énergies renouvelables utilisant le soleil, l’eau, le vent et les produits végétaux.

Le bois

Le bois est, de très loin, le principal biocombustible végétal. Il est l’énergie durable la plus utilisée en France.

Mais, le principe de la combustion du bois n’est pas aussi simple qu’on le croit : le bois ne brûle pas ! En réalité, dès qu’il est chauffé, le bois sèche, puis se décompose: c’est la pyrolyse (en grec, « décomposition par le feu »). Et ce sont les produits issus de cette décomposition qui brûlent.

En fait, la combustion se déroule en trois phases :

• le séchage : même lorsque le bois est convenablement sec, il contient encore 15 à 20 % d’humidité. Le bois chauffé laisse d’abord se dégager cette humidité. Cette phase consomme de la chaleur ;
• le dégazage : à partir de 200 °C environ, des gaz commencent à s’échapper massivement du bois. En présence d’air, les gaz combustibles s’enfl amment. Cette phase, contrairement à la précédente, produit de la chaleur, laquelle entretient le processus. La température monte jusqu’à 800° C ;
• la combustion des braises : le bois, « libéré » de ses gaz, se transforme en charbon de bois, lequel représente environ 30 % du poids sec initial. Si on ne fournit pas assez d’air, on peut récupérer ce charbon de bois et l’utiliser, ultérieurement, comme combustible. Si en revanche on fournit assez d’air, le charbon de bois brûle à son tour, presque sans flamme, et devient incandescent : ce sont les braises. Le pouvoir calorifique du bois sec est bien inférieur à celui du charbon ou du fioul.

En France, la consommation de bois-énergie se répartit comme suit :

• 84 % dans l’habitat individuel : Près de la moitié des maisons individuelles françaises sont chauffées au bois. Il s’agit du chauffage de base pour la moitié et d’un chauffage d’appoint pour l’autre moitié. Il y a eu en France, ces dernières années, un développement considérable des foyers fermés ou inserts et, au contraire, une régression des chaudières à bois.
• 4 % dans l’habitat collectif et les bâtiments tertiaires publics (bâtiments d’enseignement et hôpitaux). De plus en plus, certaines de ces chaufferies collectives sont reliées à un réseau de chaleur urbain.
• 11 % dans l’industrie , essentiellement pour fournir de l’énergie aux papeteries et à l’industrie du bois. L’énergie fournie peut être thermique, électrique, ou les deux.

En 1980, le bois a connu un fort développement, encouragé par de fortes subventions ;   Les écorces, les déchets de l’industrie du bois, les bois de rebut (cageots, palettes, etc.) sont moins coûteux que les plaquettes forestières ou les granulés. Le prix du bois varie de 0 à 0,03 € /kWh (pour du bois-bûche) à l’entrée de la chaudière. En tout état de cause, il est en général inférieur à celui du fioul ou du gaz. Le bois est donc un combustible peu cher.

En revanche, l’installation est plus chère : une chaudière-bois coûte deux fois plus qu’une chaudière au fioul.

Le solaire

Le soleil, bien que distant de 150 millions de kilomètres de notre planète, est assurément la principale source des différentes formes d’énergies renouvelables disponibles sur terre. Son rayonnement constitue en lui-même une énergie exploitable.

Nous distinguerons deux modes de transformation de cette énergie: l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire thermique.Le solaire

Le solaire photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire grâce à des panneaux ou des centrales solaires photovoltaïques. Elle est dite renouvelable, car sa source est considérée comme inépuisable à l’échelle du temps humain.

La transformation de la lumière en électricité se fait en quatre étapes :

1. La lumière doit pouvoir pénétrer dans le matériau (on limite les réflexions de surface par une couche anti-reflet).

2. Elle doit être absorbée dans l’épaisseur du matériau, ce qui a pour effet de générer des porteurs de charge supplémentaires : des électrons (négatifs) et des « trous » (positifs).

3. Ces porteurs de charge sont séparés grâce à un champ électrique interne à la cellule permanent et indestructible, situé à la jonction entre la couche dopée de type p et la couche dopée de type n.

4. Après diffusion dans le matériau, les charges en excès sont collectées en face avant et arrière de la cellule, générant un courant électrique proportionnel à l’éclairement et une tension ne dépendant que de la nature du matériau.

Les avantages du solaire photovoltaïque :

• Chacun de nous dispose de la source à sa porte;
• La production peut se faire sur le lieu d’utilisation;
• Les installations sont silencieuses, non polluantes et demandent peu de maintenance;
• Les technologies actuelles utilisent le silicium, deuxième élément de la croûte terrestre.

Le solaire thermique

L’énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique. Cette transformation peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) ou indirectement (comme la production de vapeur d’eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir une énergie électrique).

Les capteurs solaires thermiques les plus courants transforment directement l’énergie solaire en chaleur en chauffant un fluide antigel dans un absorbeur noir sélectif, sous un seul vitrage. Il existe aussi des capteurs avec des tubes sous vide qui permettent d’atteindre des températures plus élevées.

Pour la production d’eau chaude sanitaire, ils sont recommandés lorsque les températures extérieures sont particulièrement froides.

Eau chaude sanitaire solaire

Le fluide caloporteur chauffé dans le capteur solaire est dirigé vers un ballon, où il cède sa chaleur à l’eau à travers l’échangeur. En fait, il s’agit en général d’un simple serpentin à l’intérieur du ballon. La circulation du fluide caloporteur vers le ballon peut se faire grâce à une pompe : on parle alors de circulation forcée.

Pour éviter la pompe en plaçant le ballon au-dessus du capteur, c’est l’effet de « thermosiphon » qui permet une circulation spontanée de l’eau.

Le chauffage solaire

Le chauffage solaire en Europe fut longtemps victime de trois handicaps. Il nécessitait de grandes surfaces de capteurs, de gros volumes de stockage d’eau, pour les périodes sans soleil, des radiateurs d’appoint complètement dissociés du chauffage solaire.

Ces trois handicaps furent tour à tour surmontés ces dernières années :

• les radiateurs classiques (à 50 °C et plus) ont fait place à des « émetteurs » de chaleur à plus basse température (à 25 °C), notamment les planchers ou les murs chauffants ;
• les surfaces de capteurs nécessaires ont diminué (réduites à 1 m² de capteurs pour 10 m² de surface habitable) ;
• et les grosses cuves de stockage intermédiaires ont laissé place à un couplage direct entre les capteurs solaires et le plancher, d’où le nom de plancher solaire direct (PSD), idée savoyarde qui a émergé en 1983 (voir l’encart en page suivante).

Le principe du plancher solaire (PSD)

Le plancher chauffe pendant les heures d’ensoleillement, mais continue d’émettre pendant les premières heures de la nuit la chaleur stockée dans l’épaisse dalle.  Ce système représente un investissement important. En effet, à cause de sa régulation sophistiquée, un plancher solaire intégré coûte deux fois plus cher qu’un chauffage traditionnel.

La géothermie

La géothermie (mot issu du grec « gê » = terre et « thermos » = chaud) utilise la chaleur interne de la Terre comme source d’énergie. Elle est exploitée dans des réseaux de chauffage et d’eau chaude.

La géothermie renouvelable se décompose en trois filières distinctes selon le niveau de température :

1. la production d’électricité (haute et moyenne température) ;
2. la production de chaleur (basse température) qui utilise directement les nappes aquifères du sous-sol dont la température est comprise entre 30 et 150 °C ;
3. les pompes à chaleur géosolaires (très basse énergie).

La géothermie qui permet de chauffer (et aussi de climatiser) les bâtiments.

Le principe est d’exploiter les calories basse température du sol, dont la température est stable sur l’année, au moyen d’une pompe à chaleur.

Les pompes à chaleur

Les pompes à chaleur permettent de récupérer cette énergie gratuite et inépuisable et de s’en servir pour le chauffage.

Une pompe à chaleur  est une machine thermodynamique destinée à assurer le chauffage d’un local ou d’un système à partir d’une source de chaleur externe dont la température est inférieure à celle du local (ou du système) à chauffer.

Les différents types de pompes à chaleur :

Une pompe à chaleur puise jusqu’à 80 % de son énergie dans son environnement immédiat (l’air, le sol ou l’eau) et doit être combinée avec des appareils de chauffage à basse température (radiateurs à basse température ou un chauffage par le sol).

On distingue les systèmes aérothermiques, qui puisent leur énergie dans l’air, des systèmes géothermiques, qui puisent leur énergie dans le sol ou dans la nappe phréatique :

• pompe à chaleur air-air : transfère l’air chaud d’un milieu à un autre milieu d’air froid. Elle puise également son énergie dans l’air extérieur. C’est le type de pompe le plus facile à installer et le moins coûteux. Elle peut être réversible. Mais elle a un rendement plus bas et moins performant en hiver.
• pompe à chaleur air-eau : à l’aide d’un compresseur, un évaporateur et un condenseur, la pompe à chaleur réchauffera le plein air. Puis, cette chaleur est utilisée afin de réchauffer l’eau dans les conduites de chauffage : son rendement est supérieur à l’air-air c’est pour cela que le prix de ce type de pompe à chaleur est plus élevé.
• la pompe à chaleur géothermique (sol-eau) : assure le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire d’un logement. Des capteurs enfouis dans le sol captent la chaleur de la Terre. Celle-ci est ensuite diffusée dans le logement par les émetteurs de chaleur (plancher chauffant ou radiateurs) grâce à un circuit de chauffage ou d’eau chaude.
• la pompe à chaleur hydrothermique (eau-eau) : utilise les nappes phréatiques comme source de prélèvement. La chaleur prélevée dans les nappes phréatiques est par la suite transférée dans le circuit d’eau chaude de votre système de chauffage.

Photo : Janis Andzans

Marie Chatard