Le solaire thermique : cours de Bac pro ICCER

Dans ton futur métier d'installateur en chauffage, climatisation et énergies renouvelables, tu interviendras sur des installations sanitaires, thermiques, de ventilation et de climatisation.¹ Parmi les énergies renouvelables que tu rencontreras, le solaire thermique est l'une des plus accessibles : le Soleil fournit de la chaleur, et un équipement relativement simple suffit pour la récupérer.

Ce cours répond à des questions très concrètes. Que capte-t-on exactement ? Comment la chaleur passe-t-elle du Soleil à l'eau d'un ballon ? De quoi est fait un capteur ? Quelle part des besoins d'une maison peut-il couvrir ? Et comment faire les premiers calculs d'une installation ?

Tu y trouveras aussi des repères pour la suite : le bois énergie et la géothermie, deux autres énergies renouvelables du chapitre, utilisent eux aussi un fluide qui transporte de la chaleur. Les idées vues ici (fluide caloporteur, échange, stockage) te serviront donc plusieurs fois.

Une fois le fluide chauffé, deux voies existent. La voie directe : on utilise la chaleur telle quelle, pour l'eau chaude sanitaire ou pour le chauffage. La voie indirecte : on s'en sert pour fabriquer de la vapeur qui entraîne des alternateurs et donne de l'électricité, ou pour produire du froid.² Dans la suite du cours, nous nous concentrons sur la voie directe, celle des habitations que tu équiperas.

Le capteur solaire thermique est l'instrument qui transforme le rayonnement solaire en chaleur. Deux phénomènes physiques sont à la base de son fonctionnement : l'absorption et la conduction thermique.² Dans les systèmes à concentration (centrale solaire thermodynamique, four solaire), la réflexion joue aussi un rôle important.²

Autre particularité : les ondes envoyées par le Soleil sont très courtes, entre $0{,}3$ et $3\ \mu\text{m}$. Les surfaces qui rayonnent de la chaleur sur Terre émettent en général des ondes bien plus longues.³ Garde ce contraste en tête : il aide à comprendre l'effet de serre dans le capteur, que nous voyons plus loin.

Le capteur est un échangeur de chaleur : il fait passer de la chaleur du rayonnement vers un fluide. Il se distingue d'un échangeur classique par la faible densité d'énergie reçue et par la nature du rayonnement incident, dont nous avons parlé plus haut.³

Dans un capteur où circule un liquide, le fluide passe dans des tubes soudés, collés ou clipsés sur la plaque noire. Dans un capteur à air, ces tubes sont remplacés par des conduits.³ L'absorbeur chauffé par le Soleil cède sa chaleur à l'eau qui circule dans les tubes.³

Pour obtenir un meilleur rendement, on place l'ensemble dans une boîte vitrée et isolante, ce qui crée une couche d'air isolante autour de l'absorbeur.³ Quand l'ensoleillement est bon et que l'air ambiant n'est pas trop froid, un simple réseau de tubes munis d'ailettes peut déjà former un panneau au rendement correct.³

Le glycol répond à un risque évident : l'eau gèle en hiver. Un mélange antigel permet à un capteur situé en extérieur de rester en service par temps froid. Garde-le en tête quand on te parlera de protection contre le gel.

L'énergie du fluide chaud est ensuite soit utilisée directement, soit stockée pour être employée plus tard.³ Le stockage est indispensable pour une raison simple : le Soleil produit de la chaleur le jour, alors que l'eau chaude est surtout demandée le matin et le soir. Sans réserve, il y aurait de la chaleur quand personne n'en a besoin et rien quand la demande arrive.

Un exemple de dimensionnement minimal est cité pour le chauffe-eau solaire individuel (CESI) : un capteur de $2\ \text{m}^2$ associé à un ballon de $150$ litres.²

Il existe deux grandes familles de capteurs solaires thermiques. La première regroupe les capteurs sans concentration, qui restent fixes (on dit aussi stationnaires). La seconde regroupe les capteurs à concentration, qui suivent la course du Soleil grâce à un dispositif nommé traqueur.³ Pour ces derniers, le suivi peut se faire autour d'un seul axe ou autour de deux.³

Dans les systèmes à concentration, des matériaux à changement de phase, comme les sels fondus, sont parfois utilisés.³ Ce détail dépasse ce que tu rencontreras sur un chantier de maison individuelle, mais il montre que le principe reste le même : capter, transporter, stocker la chaleur.

Les capteurs destinés au chauffage sont décrits comme relativement simples, rustiques et durables.² C'est un argument fort pour un installateur : un équipement robuste demande peu d'interventions.

Ces fractions se traduisent facilement en pourcentages : deux tiers font environ $67\ \%$ et trois quarts font $75\ \%$. Il reste donc toujours un appoint à prévoir (autre énergie) pour les jours sans soleil et les périodes de forte demande. Un installateur présente donc le solaire thermique comme une énergie qui réduit la facture, pas comme une énergie qui la supprime.

L'usage non passif du solaire thermique remonte, selon la tradition rapportée, à $212$ av. J.-C. : Archimède aurait concentré le Soleil pour enflammer des navires romains devant Syracuse. Des scientifiques ont depuis mis en doute la faisabilité d'une telle méthode.² Plus tard, en $1561$, Adam Lonitzer décrit un procédé d'alchimistes qui concentrait le Soleil pour préparer des parfums.²

Dans les années $1910$, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie.² Les essais de grandes centrales solaires thermiques réussissent sur le plan technique mais pas sur le plan économique, car le prix du pétrole baisse de nouveau.²

Depuis les années $1970$ et $1980$, le développement du solaire thermique prend du retard, alors que le photovoltaïque est favorisé : seules de petites unités restent en fonctionnement, comme les chauffe-eau individuels ou les piscines.² Pendant les années $2000$, la nécessité de réduire les gaz à effet de serre rend la filière plus attractive, avec un développement rapide des chauffe-eau solaires dans certains pays, notamment en Chine.² Au début des années $2010$, la baisse rapide des coûts du photovoltaïque fait chuter les projets de solaire thermique individuel.²

Un technicien doit pouvoir estimer ce qu'un capteur peut apporter. Trois calculs reviennent souvent. Ils reposent sur des relations de physique que tu connais et que nous rappelons ici sous forme d'outils de calcul.

Le baccalauréat professionnel ICCER forme à l'intervention sur des installations sanitaires, thermiques, de ventilation et de climatisation.¹ Le solaire thermique se situe à la croisée de ces domaines : il fournit de l'eau chaude sanitaire, il participe au chauffage et il s'intègre à un circuit hydraulique.

Après le bac pro, les poursuites d'études citées comprennent un certificat de spécialisation de technicien en énergies renouvelables option B énergie thermique, ou le BTS fluides, énergies, domotique option A génie climatique et fluidique.¹ Les notions de ce cours (fluide caloporteur, échange, stockage) y sont reprises et approfondies.