La gestion de l’énergie dans l’habitat

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : La gestion de l'énergie dans l'habitat

La gestion de l’énergie dans l’habitat

L’énergie est un enjeu majeur pour notre société. L’augmentation de nos besoins en énergie conjuguée à l’appauvrissement des ressources d’énergies fossiles (gaz, pétrole) et aux contraintes environnementales nous conduisent à rechercher des sources d’énergie moins polluantes, plus sûres pour les hommes et leur environnement. Depuis quelques années, nous assistons à l’émergence des énergies propres dites « renouvelables », en particulier l’énergie solaire. En effet, chaque année, la Terre reçoit du soleil l’équivalent de 1,5 × 1018 kWh, soit environ 10 000 fois la consommation mondiale annuelle, toutes énergies confondues. À l’échelle humaine, cela représente une réserve inépuisable qui est, de plus, gratuite.

1La lumière et sa conversion

Lorsque nous sommes exposés au soleil, nous ressentons deux effets majeurs : un effet lumineux (le soleil illumine les objets qui nous entourent) et un effet thermique (notre corps s’échauffe). Le soleil est une gigantesque source d’ondes électromagnétiques qui se manifeste par l’émission de lumière visible, de rayons ultraviolets, de rayons infrarouges, de rayons X et aussi de rayons gamma.

Il y a transfert d’énergie sans transport de matière. Tout objet mis en présence de ce flux d’énergie en récupère tout ou partie. Selon la nature du matériau de l’objet, on peut convertir cette énergie reçue sous une autre forme, par exemple en produisant de l’énergie électrique grâce à des panneaux photovoltaïques.

A L’utilisation de l’énergie solaire

Selon le mode de récupération de l’énergie solaire, on distingue plusieurs types d’utilisation.

Utilisation passive de l’énergie solaire : on utilise directement l’énergie lumineuse à travers de larges ouvertures vitrées dans le bâtiment pour l’éclairage de jour et le chauffage. En associant une bonne isolation extérieure avec une grande inertie thermique des murs, on peut réduire de manière significative les besoins énergétiques du bâtiment.

Utilisation active de l’énergie solaire : des capteurs solaires thermiques utilisent l’énergie solaire pour produire l’eau chaude sanitaire (ECS) de l’habitation ou, dans certains cas, le chauffage, parfois les deux. La disponibilité intermittente de l’énergie solaire impose d’associer les capteurs à des systèmes d’accumulation d’eau chaude pour l’ECS et à un stockage pour le chauffage (ballon hydraulique ou plancher solaire direct – PSD). On peut ainsi couvrir de 30 à 70 % des besoins thermiques de l’habitation : un complément reste nécessaire.

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Conversion thermodynamique de l’énergie solaire en électricité : en concentrant les rayons du soleil avec une parabole, un capteur cylindro-parabolique ou un système de miroirs, il est possible d’atteindre une température assez élevée pour produire de l’électricité via une turbine et un alternateur. Ce procédé qui a un coût intéressant est actuellement réservé à de grandes installations car sa mise en œuvre et son intégration pour des bâtiments d’habitation sont difficiles.

Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire : l’effet photovoltaïque permet de convertir directement l’énergie lumineuse du soleil en électricité grâce à des semi-conducteurs. Cette utilisation, encore minoritaire dans la production de l’énergie électrique, est à l’heure actuelle en très forte progression. Cela est dû aux effets conjugués de l’amélioration du rendement des panneaux solaires et à la baisse de leurs coûts de fabrication, ainsi qu’à l’augmentation du coût des énergies fossiles (pétrole, gaz).

B La lumière et son aspect corpusculaire

La physique du xxe siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée. On appelle photon le quantum d’énergie qui est la plus petite quantité d’énergie indivisible. C’est aussi une particule (ou un corpuscule) dénuée de masse.

L’existence de cette particule ne contredit pas la théorie des ondes électromagnétiques. Il revient à Isaac Newton d’avoir proposé le premier une théorie corpusculaire de la lumière. C’est en 1905 qu’Albert Einstein reprend l’idée que la lumière pouvait avoir une nature corpusculaire : il explique l’effet photoélectrique en proposant l’existence des photons, sorte de grains d’énergie lumineuse. Einstein admet que la fréquence υ (en Hz) de cette lumière est liée à l’énergie E (en J) d’un photon par la relation dite de Planck-Einstein :

E=h.υ

avec h la constante de Planck qui vaut 6,626 × 1034 J.s (Joule.seconde).

Exercice résolu

Énoncé

L’émission d’un laser hélium-néon a pour longueur d’onde λ = 632 nm dans l’air, donc avec une couleur rouge visible.

Calculer l’énergie d’un photon de cette lumière.

Rappel : c=3,00×108m.s1

Corrigé

E=h×υorλ=cυsoitυ=cλ

ainsi E=h×cλ=6,626×1034×3,00×108632×109=3,14×1019 J

2Les conversions de l’énergie solaire dans l’habitat

A La conversion photovoltaïque

C’est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.

Principe : On appelle cellule photovoltaïque un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former deux zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l’ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.

Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d’électrons en l’occurrence) permettant la circulation d’un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.

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1. Les caractéristiques des cellules photovoltaïques

On définit :

– l’irradiation solaire exprimée en watt par m2 (W.m2) : c’est la puissance solaire disponible par unité de surface sur le plan de la cellule ;

– le courant crête exprimé en ampère-crête (Ac) : c’est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l’irradiation maximale ;

– la puissance crête exprimée en watt-crête (Wc) : c’est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l’irradiation maximale ;

– le rendement η (« éta ») de conversion : c’est le rapport puissance électrique délivrée sur la puissance reçue (pour une même surface).

Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication :

– les cellules monocristallines : le rendement est correct (15 à 20 %) mais le coût de fabrication est élevé ;

– les cellules polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;

– les cellules amorphes : leur coût est faible mais le rendement l’est aussi (5 à 10 %).

En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m2 (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l’ordre de J = 3 A par dm2 soit 300 A par m2. La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m2).

Exercice résolu

Énoncé

Une cellule monocristalline circulaire de diamètre 8,0 cm est exposée en plein soleil sous l’irradiation maximale de 1 000 W.m2. La densité de courant maximale vaut : J = 300 A.m2.

1. Quelle puissance électrique peut-elle délivrer sachant que la tension U à ses bornes est de 0,6 V ?

2. Quel est son rendement de conversion ? 

Corrigé

1. Surface de la cellule :  S= π × d24=π × 0,080240,0050 m2

La puissance reçue est de :

P=irradiation×surface=1000×0,0050=5,0 W

Le courant crête vaut :

Ic=densité de courant maximale×surface=J×S=300×0,0050=1,5 Ac

Donc la puissance crête délivrée sera :

Pc=tension×courant crête=U×Ic=0,6×1,5=0,9 Wc

2. Le rendement de conversion de la cellule :  η=PcP=0,95,0=18 %

Il faut grouper un grand nombre de cellules pour obtenir une puissance substantielle.

C’est ce que l’on fait avec les panneaux photovoltaïques ayant une puissance crête unitaire de l’ordre de 150 à 200 Wc pour une surface d’environ 1 m2 soit un rendement de 15 à 20 %.

2. Les installations photovoltaïques

Depuis quelques années, on assiste au développement important d’installations photovoltaïques domestiques ou industrielles permettant de produire de l’énergie électrique.

L’énergie solaire n’étant pas localisée, toute habitation particulière ou collective, tout bâtiment commercial ou industriel est apte à recevoir en toiture des panneaux solaires.

L’énergie électrique étant peu stockable, il y a lieu de mutualiser fourniture et consommation de cette énergie. Aussi, on raccorde au réseau d’ERDF les installations productrices et/ou consommatrices. Ainsi, suivant les usages (jour, heure, saison, température extérieure…), un bâtiment, une maison, une usine pourront être tour à tour consommateurs ou fournisseurs d’énergie. C’est la grande taille du réseau électrique qui assure cet effet tampon.

Ci-dessous, un exemple d’installation domestique. On note l’existence d’un élément essentiel, l’onduleur, qui permet de transférer l’énergie sous forme continue issue des panneaux solaires en une forme alternative sinusoïdale adaptée au réseau.

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Exercice résolu

Énoncé

Un particulier possède sur la toiture de sa maison 15 panneaux photovoltaïques d’une puissance crête de 200 Wc chacun. Toute l’énergie électrique produite est revendue.

On estime que le coefficient de production de cette installation est de PR = 0,90 kWh par Wc et par an. Ce coefficient global tient compte de tous les paramètres : caractéristiques de montage, irradiation moyenne annuelle suivant le lieu, pertes joule dans les câbles et l’onduleur, ombrage, etc.

Le coût de l’installation est de 13 500 € et le tarif d’achat supposé constant de l’électricité produite est de TR = 0,50 € par kWh.

1. Calculer la puissance crête totale (Pc).

2. Calculer l’énergie réellement produite sur l’année (W).

3. Quel est le montant de la vente réalisée pour l’année ?

4. Combien d’années seront-elles nécessaires pour amortir le capital investi ?

Corrigé

1. Pc=15×200=3000 Wc=3,0 kWc

2. W=Pc×PR×temps en année=3000×0,9×1=2700 kWh

3. Prix de vente annuel= W×TR=2700×0,5=1350 z

4. Durée d’amortissement= CoûtPrix de vente annuel =13 5001350=10 ans

Au-delà de 10 ans, la vente de l’énergie deviendra une source de revenus pour ce particulier (sous réserve de bonne tenue dans le temps de l’installation et en particulier de l’onduleur qui reste un élément fragile).

B La conversion thermique de l’énergie solaire

Il est possible d’utiliser l’énergie fournie par le soleil en la convertissant directement en énergie thermique immédiatement utilisable. Pour ce faire, on utilise des capteurs solaires à circulation d’eau. C’est le principe de l’échange thermique.

Le capteur est constitué d’un circuit tubulaire noir exposé de face au rayonnement solaire et isolé au dos. On fait circuler en circuit fermé de l’eau (avec antigel) ou un autre fluide caloporteur dans le capteur puis dans un autre échangeur interne à un ballon d’eau chaude sanitaire (ECS), un stockage d’eau chaude ou à un plancher chauffant (PSD).

Au contact des tubes irradiés par le rayonnement solaire donc chauds, l’eau qui circule s’échauffe puis cède l’énergie récupérée à l’eau du ballon grâce à l’échangeur interne.

On a ainsi deux circuits d’eau séparés, ce qui assure la non-pollution du réseau d’ECS.

Du fait de l’intermittence de l’énergie solaire, le ballon d’ECS sert de stock tampon pour assurer la disponibilité d’eau chaude à toute heure. Une chaudière classique ou une résistance électrique fournit le complément d’énergie en cas d’absence prolongée d’ensoleillement.

Ces systèmes permettent d’économiser de l’ordre de 350 kWh par an et par m2 de capteur.

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