La « Solar Water Economy »

 

Il y a au moins deux « Solar Water Economy ». C’est principalement le soleil en produisant l’électricité grâce au voltaïque qui est le maître du jeu de ces deux concepts de production pouvant être utilisées pour satisfaire nos besoins en énergie.

Celle de l’hydrogène décrite à la fin de cette page, et celle qui utilise la chaleur spécifique de l’eau et l’enthalpie des corps. C’est probablement cette dernière que l’homme va devoir mettre en place en priorité pour sortir de l’enfer du réchauffement climatique. Il ne s’agit pas ici de rendre la planète « great again » mais de la rendre plus vivable. La figure ci-dessous permet de comprendre pourquoi l’eau aidée par le sol va devancer l’air en termes d’efficacité. Nous avons besoin de cette efficacité par le fait qu’à moins de les démolir pour reconstruction, nous ne pourrons malheureusement pas isoler suffisamment les bâtiments existants. Ceci du moins en France et probablement dans beaucoup de pays européens

air-eau-terre

Le COP du chauffage thermodynamique ou ce qui revient au même ses performances est fonction des températures aux sources froide Tf et chaude Tc.
Par définition le COP est égal à l’énergie thermique arrivant dans le logement que divise l’énergie finale nécessaire pour produire cette énergie thermique.

Ceci avec un coefficient de performance COP = Tc / (Tc -Tf) formule bien connue des thermodynamiciens  démonstration.
La courbe de performances ci-dessus est la transcription graphique de cette formule
 

La figure ci-dessus est quant à elle un condensé de ce qu’il faut comprendre pour assimiler la « Solar Water Economy » de l’enthalpie.

En conjuguant la géothermie profonde, l’aquathermie superficielle avec le circuit de la figure qui suit on peut envisager des COP de 8 pour le chauffage urbain.

Cela signifie qu’il est possible d’assurer cette fonction en consommant très peu d’énergie électrique. (Environ 1 pour une quantité d’énergie thermique prélevée dans l’environnement égale à COP -1 = 8 -1 =7

 

C'est en définitive grâce aux performances élevées du chauffage thermodynamique aquathermique résultant de l'apport thermique des eaux géothermales profondes associé à celui de nos fleuves que les toits voltaïques abritant nos immeubles pourront délivrer annuellement une quantité d'énergie électrique adaptée aux besoins confondus de l'éclairage, du chauffage de l'habitat et d'une petite motorisation électrique adaptée au transport urbain de proximité implantée sur la voiture familiale. Ceci moyennant une amélioration de l'isolation des bâtiments existant il est vrai difficile à isoler après coup et ceci sans qu'il soit nécessaire (sauf exception) de démolir l'habitat existant.

Ceci aussi en tenant compte du fait qu'en période hivernale et la nuit la production solaire insuffisante devrait être associées aux capacités de stockage de quelques STEP de montagne ou de centrales de combustion des ordures qui viendraient au secours du voltaïque et non le nucléaire lors des pointes de consommation électriques journalières. Ceci sans même que soit nécessaire l'apport des éoliennes et les hydroliennes.

 

Compte tenu des avantages essentiels de la "Solar Water Economy" ébauchée plus en détail dans une prospective sur l’énergie du livre "La chaleur renouvelable et la rivière", les Lutins thermiques se sont longtemps demandés pourquoi un pays de technologie comme le nôtre a tenu si longtemps à l'écart les nouvelles chaines énergétiques de cette "Solar Water Economy". Ceci compte tenu de ses nombreux avantages dans l'urbain pour le chauffage collectif de l'habitat et le transport individuel basé sur la petite voiture électrique. Ils n'ont pu finalement expliquer cette lacune qu'au travers des lobbies pétroliers et d’une prise de conscience tardive par l’homme des possibilités du solaire voltaïque conjugués à une sorte d'aveuglement de la classe politique. En prenant connaissance des informations de l'ONU concernant cette aide mondiale de près de 500 milliards d'€ à la  production des produits pétroliers alors que l'on parle d'une assistance de 100 milliards d'€ aux pays qui en subissent les conséquences, ils se sont dit qu'il y avait  quelque chose qui clochait sur ce bas monde chez nos financiers. Ne serait-il pas en général préférable que ce soit la classe politique se concertent avant de prendre des décisions génératrices de déceptions amères.

La chaleur spécifique élevée de l'eau associée à l'enthalpie de la matière lorsqu'elle passe de l'état gazeux à l'état liquide permet de transmettre des flux thermiques importants compatibles avec le chauffage urbain. Les Lutins se sont dit qu'il fallait expliquer à l'exécutif que cela ne sert à rien de produire et de consommer plus de combustibles fossiles pour accroitre ses marges financières si, comme le fait justement remarquer le secrétaire général de l'ONU l'on ne peut plus respirer en ville. Ils se sont dit qu'il fallait aussi expliquer au couple formé par le politique et le financier comment il est maintenant techniquement envisageable à moyen terme de satisfaire les besoins en énergie thermique du chauffage urbains et ceux en énergie mécanique du transport individuel en ville sans faire appel à la combustion.

Ceci d'autant qu'à l'ère du réchauffement climatique et de ses lourdes conséquences sur notre futur immédiat, la nouvelle chaine énergétique proposée pour le chauffage de l'habitat a tendance en prélevant de l'énergie thermique dans notre environnement non pas à le réchauffer comme le fait la combustion mais à le refroidir. Qui plus est, à le faire grâce à l'aquathermie avec des performances environ deux fois supérieures à l'aérothermie et surtout plus silencieusement, ce dernier avantage étant important en ville. Ils estiment qu'il devient urgent d'évoluer vers ces nouvelles technologies pour assurer le transport individuel et le chauffage urbain collectif. Ceci en mettant conjointement en place les infrastructures comprenant principalement des réseaux de tuyauteries d'alimentation en eau non potable des immeubles et les toits voltaïques les abritant. Cette orientation qui concilie le social, l'environnement et l'économie permettrait à la France de respecter sa Loi sur la Transition Énergétique et la Croissance Verte (LTECV) ainsi que  les 17 objectifs de l'ONU. Ceci en créant de l'emploi, en  améliorant nos conditions d'existence et en participant effectivement à l'atténuation climatique. Cela est possible si l'on prend conscience que l'énergie thermique transmise pour refroidir nos fleuves et nos rivières ainsi que l’eau géothermale lorsque cela est possible, c'est de l'énergie thermique renouvelable reçue pour chauffer l'habitat urbain. Ce faisant en améliorant la dépendance actuelle de nos rivières à l'énergie et en rendant vie à  leur écosystème.

Il n'est pas question ici de remettre en cause l'utilité de nos grands barrages à lac et leur grande retenue qui produisent l'essentiel de notre  électricité d'origine hydroélectrique. Il est par contre question de s'interroger sur l'utilité de tous ces barrages "au fil de l'eau" sans retenue amont significative vu le caractère aléatoire de leur faible production électrique. On est légitimement en droit de s'interroger à ce sujet sur le bien-fondé de transformer nos rivières à saumons en escalier au mépris de leur écosystème et du tourisme nautique itinérant pour transformer ensuite la faible quantité d'énergie électrique qu'ils produisent en chaleur avec l'effet joule pour chauffer l'habitat. Il semble essentiel aux Lutins d'expliquer au politique qu'il est stupide de dégrader à ce point un fluide noble et onéreux comme l'électricité pour le transformer en chaleur avec l'effet joule vu son COP de 1 et ses performances déplorables. Ceci alors que l'on pourrait généraliser dans plusieurs régions françaises la même production de chaleur avec un COP de 8 en consommant huit fois moins d'électricité. Ceci sachant aussi que l'on pourrait pour les autres régions françaises non pourvues en eau géothermale profiter de la présence du fleuve pour minimiser la consommation d'énergie finale autant électrique que fossile. 


Il semble également essentiel selon les Lutins thermiques d'expliquer au politique qu’aussi déplorable que soient les performances de la combustion et ses conséquences pour la qualité de l'air de nos cités, la "chaufferie hybride" présente l'avantage de pouvoir généraliser l'usage d'un chauffage thermodynamique complémentaire à la combustion évitant de surcharger le réseau électrique au plus froid de l'hiver. Ceci en nous libérant de nos inquiétudes relatives au point de congélation de l'eau et en diminuant considérablement la quantité de gaz brulés émise dans l'atmosphère.

 

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La figure ci-dessus prouve qu’il est possible d’assurer le chauffage urbain en consommant beaucoup moins d’énergie finale en conjuguant la géothermie profonde et l’aquathermie superficielle. Pour une température à la source chaude égale à 40°C (313 °K) correspondant à des planchers chauffants hydraulique et 15°C (288 °K) à la source froide les performances théoriques en mode thermodynamique de la chaufferie hybride sont excellentes.  COP = Tc / (Tc -Tf) = 313 / (313 – 288) = 12,5. Lorsque la Seine est à 10°C et compte tenu de la surface nécessaire au puits géothermale c'est tout de même une puissance voisine de 0,3 kW  thermique qui peut être mise à la disposition de chaque parisien compte tenu de la densité démographique moyenne* très élevée de notre capitale et du débit provenant de la Seine de 1200 m3/h**. Cette puissance est due autant à l'apport de l'aquathermie superficielle qu’à celui de l’eau géothermale. En hiver, lorsque la température du fleuve est proche de la température de congélation de l'eau, aucune énergie n’est prélevée dans le fleuve. L’apport thermique de l’eau géothermale et la combustion sont alors bien utiles pour soulager le réseau en énergie finale et limiter la pointe de consommation électrique au plus froid de l’hiver. Dans un premier temps le mode combustion de la chaufferie hybride est aussi la bienvenue.

*Un peu plus de 20 000 habitants/km². Il faut toutefois tenir compte que cette valeur augmente régulièrement et que la densité urbaine des arrondissements de Paris les plus peuplés tels que le 11e ou le 20e est selon l’INSEE proche de 40 000 habitants. Ceci dit, les arrondissements du 12ème et du 16ème se sont appropriés respectivement le bois de Vincennes et le bois de Boulogne ce qui explique leur faible densité urbaine. Si l’on considère qu’un puits géothermal délivrant 200 m³/h d’eau à 50° C et refoulant celle-ci à 20° C a besoin selon le BRGM d’une surface voisine de 2 km² pour assurer cette fonction alors que vivent sur cette surface 80 000 habitants, la géothermie, aussi puissante soit-elle ne permettra pas de satisfaire nos besoins en énergie. Et ceci même si l’on considère l’apport de l’aquathermie superficielle qui fournit pourtant la moitié de la puissance. La puissance thermique naturelle totale disponible de 1200 x 10 x 1,16 = 13 900 kW d’un réseau de chauffage urbain fonctionnant selon le principe de cette figure c’est en effet une puissance mise à disposition pour chacun des habitants de ces deux arrondissements limitée à 0,17 kW soit sur une période de chauffe de 5000 heures quelques 850 kWh. Cette valeur est peut-être proche du besoin de quelque 800 kWh par habitant de « l’immeuble de Monsieur tout le monde » respectant la RT2012 et ses 50 kWh par m² habitable, mais il faut se rendre à l’évidence, nous avons poussé le bouchon un peu trop loin avec la RT 2005 autorisant pour l’effet joule des déperditions supérieures à celle de la combustion.  Les erreurs passées de cette réglementation et le manque de sérieux avec lequel nous avons construit les bâtiments à l’époque va nous poser maintenant problème.

**Quant aux capacités de la Seine, de la Marne et de l’Oise confondues à assurer le besoin pour Paris et sa banlieue, il n’y a pas d’inquiétude à se faire. Le besoin débit de 1200 m3/h ou 0,33 m3/s pour 20 000 habitants c’est 183 m3/s pour les 11 millions d’habitants qui la peuple. Débit bien inférieur au débit moyen de la Seine à Paris majoré de celui de la marne et de l’Oise. Les deux figures ci-dessous donnent une idée du potentiel énergétique de la France

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Les 13 métropoles françaises
(chiffres en million d’habitants)

L’eau superficielle et géothermale

 

 

 

Le PB de l’isolation des bâtiments

Diviser par deux les consommations par l’isolation sans tout démolir sera parfois envisageable mais diviser par 5 les déperditions thermiques en passant m²de la valeur moyenne de 250 kWh/m² aux 50 kWh/m² de la RT 2012 relève de l’impossible particulièrement pour les immeubles avec balcons du fait des ponts thermiques. Et ceci même si l’on rajoute une isolation extérieure à un bâtiment isolé initialement par l’intérieur. Le rajout d’une isolation intérieur au plafond des appartements (figure inférieure) ne résorbe qu’une faible partie des déperditions. Vu le faible gain énergétique les occupants ne sont pas prêts pour la plupart à l’accepter.

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Etant donné la difficulté d’isoler après-coup l’amélioration de l’isolation a été limitée à 25% dans l’étude ci-dessous ce qui réduite le besoin chauffage dans les mêmes proportions

 

Le constat est clair : Même les parisiens et les bordelais qui sont pourtant favorisés du fait de la présence d’eau géothermale dans leur sous-sol vont avoir besoin du soleil pour satisfaire leur besoin thermique. Particulièrement s’ils décident de tirer un trait sur le pétrole pour assurer notre confort respiratoire et allez dans le sens de l’atténuation climatique. Une remarque Bordeaux a d’ailleurs commencé dans ce sens.

 

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La figure ci-dessus ne prends pas en compte les besoins de l’industrie et du transport collectif. Elle est basée sur des hypothèses de calculs raisonnables accessibles sur le fichier suivant . Ces hypothèses correspondent plutôt aux conditions de vie en région parisienne. Pour les autres région françaises la température minimum en hiver peut être sensiblement différente. La consommation de 12 000 kWh en énergie finale de ce fichier est à rapprocher de la consommation moyenne globale d’un européen voisine de 20 000 kWh incluant l’industrie et à celle d’un américain proche de 60 000 kWh selon l’IRENA. Le lecteur qui peine à comprendre la figure ci-dessus peut aussi examiner le tableau ci-dessous extrait du livre « La chaleur renouvelable et la rivière » ainsi que le chapitre de ce livre concernant la conservation de l’énergie.

Type chaufferie

Consommation en

énergie finale

Consommation  en gaz

Consommation en électricité

Chaleur prélevée dans l’environnement

 

Besoin

Chaleur envoyée vers l’environnement

Effet joule

1

néant

1

néant

1

1+2= 3*

Combustion

1

1

néant

néant

1

1

Hybride sans dogger

0,38

0,225

0,155

0,62

1

0,69

Hybride avec dogger

0,21

0,105

0,105

0,79

1

0,42

*Le chiffre 3 comprend les déperditions thermiques dans l’atmosphère résultant du mauvais rendement de cette chaîne énergétique de production en France (environ 33%)

L’estimation du prix de revient pour l’utilisateur à savoir le citoyen est basée sur une estimation du prix de vente de l’énergie solaire voltaïque à 40 € le MWh sur 25 ans (Prévision de « Solairedirect » branche de Engie dans l’article « business vert » de la revue Capital numéro 311).

Elle met en évidence que l'abandon de l'effet joule et le passage à des systèmes hybrides pour le chauffage de l'habitat et le transport individuel dans les grandes villes françaises ne peut, vu ses performances, être ignoré plus longtemps. En diminuant sensiblement la consommation électrique française actuelle cette modification importante de nos modes de vie présente en effet de nombreux avantages. Basée principalement sur l'enthalpie des corps et la chaleur spécifique de l'eau elle permettrait grosso-modo en prenant l’hexagone français pour base :

-  de diviser par 4 la consommation en combustible fossile ainsi que les frais d'approvisionnement correspondants.

-  de diviser par 2,5 la consommation en énergie finale, électricité et produit fossiles confondus, préservant nos ressources naturelles
-  de limiter grâce à la chaufferie hybride la pointe en électricité au plus froid de l'hiver par rapport à la situation actuelle. Ceci par le fait que ce sont les chaudières qui assurent à elles seules le chauffage au plus froid de l’hiver avec la combustion.
-  d'assainir considérablement l'air de nos plus grandes cités dans des proportions importantes. Ceci par le fait que la consommation de combustibles en ville, voiture et chaudières confondues (couleurs orange) étant sensiblement 20 fois plus faible, les émissions de gaz d’échappement sont réduites dans les mêmes proportions.

-  de réduire de quelque 20% la consommation annuelle d’électricité.
-  enfin de diviser à minima par 4 les charges des ménages si les prévisions d’Engie s’avèrent exactes

Les hypothèses de calcul conduisant à ces résultats sont raisonnables et les techniques permettant de les obtenir dès à présent à notre portée technique.

Le dernier avantage sera amoindrit dans un premier temps par le prix de revient plus élevé de l’électricité d’origine nucléaire. Ceci vu qu’il faudra bien financer le démantèlement des centrales atomiques en fin de vie ainsi que le stockage des déchets radioactifs.

Dans le cas où l'eau géothermale venant en apport thermique de l'eau superficielle serait disponible sur moins de la moitié de l'hexagone (voir les performances des pompes à chaleur ) cela n'aurait pour conséquence que d'augmenter la puissance utile de la chaufferie hybride en mode combustion

L'effort à consentir pour aménager les infrastructures conduisant à ces résultats est basé principalement sur la mise en place de réseaux de chaleurs constitués pour l’essentiel de pompes, de tuyauteries et d’échangeurs à plaques. Compte tenu de l'urgence qu'il y a de passer à l'action dans le cadre de l'atténuation climatique cet effort est à la hauteur de l'enjeu. Il va falloir agir pour répondre à la question suivante : comment réduire sa consommation d’énergie ?

Il semble important de citer à cette occasion une phrase du ministre du budget : < Il est plus facile de parler d’économie que de les réaliser >. A ce propos une division par 4 des sommes dépensées au titre de l’achat des combustibles est une économie non négligeable pour la France. Ceci autant en ce qui concerne les frais d’achat aux pays producteurs qu’en ce qui concerne les frais liés aux problèmes de santé associés à la qualité de l’air en ville. Quant au financement des infrastructures, le passage de la taxe carbone à 8,6 cts d’€ la tonne de CO2 dès la fin du quinquennat est une rentrée qui devrait, on ne peut que l’espérer, nous permettre de les financer. 

La SWE, l’immeuble de Mr tout le Monde et la RT2012 ?

L’immeuble de "Monsieur tout le monde" est composé de 10 deux pièces de 50 m² occupés chacun d’eux par 2,5 personnes (Soit une surface habitable de 20 m² par habitant). Deux cents m² de panneaux solaires en toiture abritant ces 25 habitants c’est 8 m2 de panneau solaire par habitant soit sensiblement 800 kWh annuel disponible pour chacun d'eux.


Chauffage 
Une surface habitable de 20 m2 par habitant à 50 kWh annuel par m² habitable (RT 2012) c'est un besoin thermique annuel par habitant de 1000 kWh. Cette consommation correspondant sensiblement à la moitié de celle du « cas pratique » évoqué dans ce livre de 500 000 kWh pour 5000 m2 habitable. Bien que l’étude de
l’immeuble de "Monsieur tout le monde" soit faite dans ce sens un tel niveau d’isolation sera très difficile à atteindre « après coup » dans le cas d’un bâtiment existant.  Ce besoin thermique correspond à un besoin électrique de 167 kWh avec un COP de 6.


ECS
Le besoin en eau chaude sanitaire étant de 50 litres par jour et par personne, cela correspond à un besoin moyen sensiblement égal à 2 litres par heure. Soit pour une eau chaude à 55°C obtenue à partir d’une eau froide à 10°C une puissance moyenne de 0,002 × 45 × 1,16 = 0,104 kW Soit un besoin annuel en énergie thermique de 911 kWh. En pratique le double soit environ 1800 kWh en supposant un rendement de 50% au niveau de la boucle d'eau chaude. Soit avec le même COP de 6 un besoin électrique de 300 kWh presque deux fois plus important que celui utile au chauffage du logement


Voiture électrique

En France, plus de 80 % des déplacements urbains n'excèdent pas 50 km. Partant du fait que les voitures électriques ont une autonomie voisine de 200 km et que faire le plein de la batterie de sa voiture électrique n'excède pas 2 €, cela sous-entend pour un prix de l'électricité égal 10 centimes d’€ le kWh, une consommation voisine de 20 kWh pour 200 km soit 5 kWh pour la plupart des déplacements urbains qui on l'a vu n'excèdent pas 50 km. Soit en final pour une voiture par couple 2,5 kWh par personne et par jour correspondant à 2,5 × 335 = 837 kWh. Ceci si l’on tient compte du mois d’aout ou les déplacements se font en provine probablement en mode essence

Besoin électrique annuel par habitant
chauffage
167 + ECS  300 + voiture électrique 837 = 1304 kWh

Ceci avec une production des panneaux voltaïque sur toiture de 800 kWh annuel par occupant de l’immeuble. Il manque environ 500 kWh si l'on tient compte de l'électroménager et de l'éclairage.

Ce manque à gagner en ce qui concerne la production locale d’électricité pourrait être fourni par des implantations de panneaux voltaïques au sol de grande puissance comme celles prévues ces deux prochaines années selon BATIACTU par le ministère de l'Environnement et de l'Energie. Si la production annuelle de 700 GWh (700 000 000 kWh) se confirme à la mise en service de cette première tranche, il ressort tout compte fait de cette étude que c'est près de 1,5 million d'habitants (700 000 000 /500) qui pourraient se suffire de l'eau et du soleil pour assurer leurs besoins énergétiques sans l'aide des éoliennes et du nucléaire, voire même de l'hydroélectricité si ce n'est celle des STEP pour compenser le caractère périodique jour-nuit et surtout été-hiver de la production électrique solaire. Et ceci pour un prix de l'électricité solaire non produite par l'immeuble raisonnable et voisin de 0,0625 €/kWh si l’on en croit les chiffres annoncés par Batiactu. Un prix qui serait probablement inférieur à celui de l’énergie nucléaire si l’on incorpore le démantèlement des centrales nucléaires et le cout induit pour le stockage des déchets radioactifs. Certes il faudra trouver les terrains à la périphérie des villes par le fait que 700 000 000 kWh d'énergie électrique voltaïque annuelle c'est tout de même à raison de 100 kWh par m2 un terrain de 700 hectares ou 7 km2, surface correspondant sensiblement à celle de Boulogne Billancourt. Pour mémoire la Beauce c‘est une surface de 5740 km2. S’il fallait que cette région de France assure le complément pour la région parisienne de 15 millions d’habitants ce n’est pour finir « que » 70 km² qui serait nécessaire, surface ne représentant guère plus de 1% des surfaces cultivables.

L'étude ci-dessus ne comprend que les besoins individuels du chauffage et de la voiture électrique. La prise en compte dans les villes des consommations de l'éclairage public n'augmente pas significativement les consommations ci-dessus. Certes l'éclairage public français est vieillissant et perfectible mais il ne représente qu’un peu plus de 10% de la consommation électrique française et une dépense annuelle par citoyen limitée à environ 10 € ce qui correspond à une consommation annuelle par citoyen limitée à 100 kWh sur la base d'une électricité à 10 centimes d'€ le kWh. Comparé au besoin journalier minimum d'une voiture électrique de 10 kWh, le besoin pour l'éclairage public ne représente 3% et pourrait être divisé par 3 avec les LED.

 

La SWE et le moteur à hydrogène

La "Solar Water Economy" c'est aussi la pile à combustible qui peut produire à la fois de l'électricité et de l’énergie thermique. Une application française de cette deuxième chaîne énergétique SWE totalement différente du chauffage thermodynamique basé sur l'enthalpie qui vient d’être évoqué est le gigantesque catamaran "Energy observer" qui va partir pour 6 ans faire son tout du monde courant 2017 en assurant les besoins énergétiques de l’équipage sans apport de combustibles fossiles. Ceci à partir d’une chaine énergétique utilisant principalement l'électricité produite par ses 130 m2 de panneaux solaires pour produire de l’hydrogène par catalyse de l'eau de mer par hydrolyse après l'avoir désalinisé. Le but de cette séparation hydrogène-oxygène de l’eau (H2O) étant d’utiliser l’hydrogène comme combustible pour la motorisation du catamaran lorsque le vent fait défaut. La pile à combustible assurant d’autre part la production d'eau chaude sanitaire pour les besoins de l'équipage

 

Les incas avaient raison de dire que le soleil est notre maître.

Il a seulement besoin de l'eau pour satisfaire la plupart de nos besoins en énergie.

Cela en tirant profit et de sa chaleur spécifique ou de l’hydrogène qu’elle contient