La « Solar Water Economy »

 

Il y a l’évolution naturelle du climat de la terre qui résulte des 3 mouvements de la terre par rapport au soleil. Mouvements qui sont décrits par l’astronome Milutin Milankovic. Il y a aussi, superposées aux périodes de glaciation et de réchauffement naturelles résultant de ces mouvements les conséquences du comportement de l’homme sur notre planète. Nous avons semble-t-il à ce sujet mis trop de temps pour prendre conscience de l'urgence qu'il y a de passer à l'action en ce qui concerne la transition énergétique. C'est du moins ce qui ressort d’un article de Good Planet qui montre que l'augmentation de la température en fonction du temps résultant du comportement de l’homme en ce qui concerne son besoin en énergie pourrait bien être une fonction proche de la fonction exponentielle. De ce fait l'urgence qu'il y a à agir est bien là et nous ne pourrons pas faire autrement que de dissocier la construction neuve de l'existant. Nous n'avons pas en effet les moyens financiers de tout démolir et de tout reconstruire aux nouvelles normes. D'ailleurs comment ferions-nous pour loger le citoyen pendant la période transitoire. Quoiqu'en dise l'intéressant manuel d'Alain Maugard  concernant "Le bâtiment Responsable ou Augmenté" , l'urgence va être dans un premier temps de  s’attaquer à la  part carbone dégagée par l'exploitation des bâtiments existants plutôt que par l'énergie grise consommée pour la construction des bâtiments neufs. Ceci pour la simple raison que le bâtiment existant est le poste potentiellement le plus important qui nous permettra de diminuer rapidement nos besoins en d'énergie non renouvelable d'origine fossile grâce au soleil. Cela ne signifie pas qu'il ne faudra pas porter nos efforts sur cette énergie grise de la construction neuve mais il y a un temps pour chaque chose. Pour sortir de l’enfer du réchauffement climatique, I’homme va devoir changer d’échelle. Pour cela, il va disposer au moins de deux nouvelles chaînes énergétiques du type « Solar Water Economy ». C’est en effet principalement le soleil en produisant l’électricité grâce au voltaïque qui va devenir le maître du jeu de ces deux concepts de production d’énergie qui seront utilisées pour satisfaire nos besoins. Il ne s’agit pas ici de rendre la planète « great again » mais de la rendre plus vivable. La première de ces deux chaines est celle qui utilise la chaleur spécifique de l’eau et l’enthalpie des corps. C’est celle que l’homme va devoir mettre en place en priorité. Ceci en assurant le chauffage, voire la climatisation de l’habitat. La deuxième de ces deux chaines est celle de l’hydrogène décrite à la fin de cette page. Ceci non seulement pour rendre la voiture moins polluante et moins énergivore mais aussi pour solutionner le problème du stockage posé par l’intermittence hiver-été de la production électrique solaire.

 

A)  La « Solar Water Economy » de l’enthalpie

 

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 que nous ne pourrons malheureusement pas isoler suffisamment les bâtiments existants. Sinon il faudrait tout démolir pour reconstruction sans savoir où reloger les habitants pendants les travaux. Ce constat étant valable non seulement en France mais probablement dans beaucoup de pays européens.

Figure 1     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 2    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.

 

 


La figure 3   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

Figure 4 Les 13 métropoles françaises
(chiffres en million d’habitants)

Figure 5 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. La gêne provoquée par le rajout d’une isolation intérieure au plafond des appartements (figure 6 inférieure) ne résorbe qu’une faible partie des déperditions. Vu le faible gain énergétique dû au fait que la dalle est renforcée par une armature métallique interne pour des raisons de sécurité fait que les occupants ne sont pas prêts pour la plupart à l’accepter.

.

Figure 6

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.

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

Moyennant l'alimentation en eau non potable froide, voire tiède de nos immeubles et les avantages que cela procure en termes d’amélioration des performances, l'étude énergétique de l'immeuble de "Monsieur tout le monde" est l'opportunité de combattre l'idée absurde selon laquelle la puissance du réseau électrique pourrait être un frein au développement des voitures électriques et des pompes à chaleur à compresseur dans nos cités. Cet immeuble de Mr tout le monde longuement évoqué dans le livre « La chaleur renouvelable et la rivière »  c’est en définitive 10 deux pièces de 50 m² occupés chacun d’eux par 2,5 personnes. Cela correspond à 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 en région parisienne sensiblement 800 kWh annuel disponible pour chacun d'eux.

Chauffage
De toute évidence les déperditions de la RT 2012 égales à 50 kWh annuel par m² habitable seront impossibles à atteindre dans l’existant sauf à tout démolir. Si l’on se fixe le cap de 150 kWh annuel par m² habitable moyennant une couteuse isolation on arrive à un besoin thermique annuel pour chaque appartement de 7500 kWh soit par habitant de 3000 kWh équivalent à un besoin annuel en électricité par habitant de 600 kWh pour le chauffage avec une pompe à chaleur ayant un COP de 5. Pour mémoire les déperdition thermiques dans le bâti du 2ème immeuble objet du « cas pratique » évoqué longuement dans ce livre et à la page 608  sont relativement modérées et voisines de 100 kWh/m² habitable (500 000 kWh pour 5000 m2 habitable).

ECS
Le besoin en eau chaude sanitaire étant de 50 litres par jour et par personne, cela correspond à une puissance moyenne très faible et à un besoin annuel en énergie thermique voisin de

900* kWh. En pratique le double soit pratiquement 1800 kWh en supposant un rendement de 50% au niveau de la boucle d'eau chaude. Soit avec le même COP de 5 un besoin électrique de 400 kWh un peu plus faible que l’énergie électrique au chauffage du logement

Voiture électrique

On estime qu’en France, 80 % des déplacements urbains journaliers n'excèdent pas 50 km. Les voitures électriques ont en 2017 une autonomie voisine de 200 km. Le plein de la batterie d’une voiture électrique s’effectue plus ou moins rapidement selon la puissance souscrite dans l’abonnement. L’abonnement le moins cher de 2,2 kW devrait être suffisant pour charger la batterie de 5 kWh en moins de 3 heures. Ce plein n'excède pas 2 €, cela sous-entend pour un prix de l'électricité égal 10 centimes d’€ le kWh, une autonomie limitée à 10 km/kWh compte tenu du mode de conduite à petite vitesse en ville. Pour l’ensemble des déplacements en zone urbaine ou périurbaines de la voiture hybride qui on l'a vu n'excèdent pas 50 km/jour on arrive à une consommation annuelle pour la voiture du couple conjugal de 5 × 335 = 1675 kWh soit 837 kWh par personne. Ceci si l’on tient compte que pendant les vacances du mois d’aout les déplacements se font avec la voiture hybride en mode essence. Un autre chiffre est retenu par Zeplug constructeur de réseaux d’alimentation électrique qui estime la consommation en ville d’une voiture électrique à 150 wattheures par km parcouru. On observe qu’avec ce chiffre on arrive sensiblement au même résultat (335 x 50 x 0,15) / 2,5 = 1000 kWh. On prendra la valeur intermédiaire de 900 kWh pour le calcul final.

*Ceci compte tenu du fait que la chaleur spécifique de l'eau étant ce qu'elle est, une énergie de 1,16 kWh est requise pour élever un m3 d'eau de 1°C. Ceci aussi dans la mesure où une journée c'est 24h et 50 litres par jour c’est un débit moyen de 0,002 m3/h. Soit pour une eau chaude à 55°C obtenue à partir d’une eau froide à 10°C une puissance moyenne très faible de 0,002 × 45 × 1,16 = 0,104 kW. Cela correspond bien sur une année de 8760h x 0,104 = 911 kWh

Consommation moyenne annuelle en énergie finale d’un parisien avant et après SWE

          Besoin en  kWh :

Avant SWE

Après SWE

           

Figure 7

Déperdition bâti kWh/m² habitable

240

150 après isolation bâti

 

Fossiles Gaz/Essence/Elec

Fossiles /Essence/Elec

ENR

Chauffage logement1)

4 800

600

2400

Eau chaude sanitaire2)

2 000

400

1600

Electroménager/Eclairage

1400

1 000

 

Voiture3)

4 000

1 500 (aout)+900

 

Total énergie finale  EF

12 200

4 400

Total 4000

Nourriture

1 000

1 000

 

Total avec nourriture

13 200

5 400

 

 

Besoin globale en électricité

Fonction répartition effet joule/combustion (voir INSEE)

2900 kWh

Production locale ENR électrique

Néant

800 kWh  par panneau voltaïque en toiture

Production excentrée ENR électrique

Principalement Nucléaire

2100 kWh ( solaire+éoliennes+ordures)

En italique :Electricité              Fonte classique :  produits fossiles

1)Valeur pour 25 m² habitable par habitant         2) Valeur 50 litres d’eau chaude à 55°C par jour et par habitant
3) Valeur pour 10 000 km parcouru annuellement avec une voiture hybride consommant 5 litres/100 km en mode essence

 

La figure 7 ci-dessus ne prends pas en compte les besoins de l’industrie, du transport collectif et de l’agriculture. 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 avant SWE  est à rapprocher de la consommation moyenne globale d’un européen voisine de 40 000 kWh incluant l’industrie et à celle d’un américain proche de 60 000 kWh selon l’IRENA. Le lecteur qui peine à comprendre ce qui précède peut lire le 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. 

B) La « Solar Water Economy » 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.

La première flotte de taxis hydrogène au monde nommé Hype a été lancée pendant la signature des accords de Paris sur le climat par la Société du Taxi Electrique Parisien (STEP) une abréviation qui n’a rien à voir avec le stockage de l’énergie électrique style Grandmaison. Deux ans plus tard, la flotte compte 75 véhicules.  Ces voitures-taxi à hydrogène construites par Toyota et par le constructeur coréen Hyundai se rechargent en 3 à 5 minutes et disposent d’une autonomie de plus de 500 km. Ceci en n'émettant ni polluants locaux (NOx, ..), ni CO2, ni bruit, seulement … de l’eau !. Cette société vise 200 véhicules fin 2018 et 600 avant fin 2020. Bouffée d'oxygène pour Hype: deux stations de distribution d'hydrogène vont être construites ces prochains mois aux aéroports de Roissy et d'Orly par air liquide.




Il est probable toutefois que dans un premier temps deux technologies vont pour l’essentiel se développer en parallèle : celle de la voiture hybride rechargeable et celle de la voiture à hydrogène. On devine toutefois celle qui pourrait bien l’emporter sur le long terme. Quoiqu’il advienne il va falloir faire abstraction de la nostalgie qui pourrait nous envahir en regardant le passé et les prestigieuses réalisations avec moteurs à explosion telles que celle de Bugatti en Alsace.

 

L’Ademe a-t-elle raison de se lier avec un fournisseur de gaz tel que GRDF pour faire évoluer nos chaînes énergétiques pour le chauffage de l’habitat ? Cela est peu probable.

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Par contre, l’orientation vers l’hydrogène et la pile à combustible semble être une orientation valable pour le stationnaire et le chauffage de l’habitat afin d’assurer le besoin en énergie de nos cités dans la mesure où elle génère à la fois électricité et chaleur. Tout compte fait, malgré l’extraordinaire performance du moteur à hydrogène 40% de l’énergie contenue dans l’hydrogène est dissipée en chaleur en pure perte lors du fonctionnement du moteur à hydrogène en ayant pour conséquence de limiter le rendement de la pile à combustible utilisée lorsqu’elle est utilisée pour le transport. Ceci alors qu’avec une pile à combustible utilisée pour le stationnaire et le chauffage de l’habitat cette énergie thermique peut être utilisée afin d’améliorer encore un peu plus les performances déjà excellentes de  la « Solar Water Economy de l’enthalpie ».

 C) La complémentarité de l’hydrogène et de l’enthalpie

La "Solar WATER Economy de l'enthalpie" est une chaîne énergétique moderne et performante qui devrait permettre de généraliser le chauffage urbain en ville sans faire appel au nucléaire en prenant en charge le problème posé par l’intermittence été-hiver du voltaïque. Elle ne pourra pas le faire toute seule mais cela parait envisageable si elle est assistée par la "Solar WATER Economy de l'hydrogène".  La raison de ce succès pourrait être en premier lieu les performances améliorées de la thermodynamique lorsque les échanges se font sur l’eau plutôt que sur l’air comme l’indique la figure 1 ci-dessus).  La raison de s'orienter dans ce sens est motivée par le fait qu'en raison des températures à la source eau froide plus élevées cette chaine est sensiblement deux fois plus performante que la "Solar Air Economy de l'enthalpie".  On observe en effet sur cette figure que les performances de la "Solar Water Economy de l'enthalpie " s'améliorent notablement lorsque la température de l'eau à l'entrée de l'évaporateur augmente. Cette augmentation de la température à la source froide peut être assurée par la géothermie profonde des nattes captives et des échangeurs de température à plaques comme cela est indiqué sur la figure 3) ci-dessus. Mais cela dit, compte tenu des capacités très importante d’échange thermique de ce type d’échangeurs (voir la page 100 du fichier suivant) elle pourrait aussi être assurée en utilisant la chaleur générée par la pile à combustible stationnaire associée à la "Solar WATER Economy de l'hydrogène".

Comme on le voit l'eau occupe une position centrale et pourrait bien jouer un rôle essentiel dans le chauffage de l'habitat du fait de l’amélioration des performances de la thermodynamique qui résulte d’une augmentation de la température à la source froide. Cela est la principale raison pour laquelle ce fluide qu’il soit salé ou non devrait être en passe de remporter une victoire devant l'air pour assurer le besoin associé à la fourniture de chaleur dans l’habitat.  Mais il y a d'autres raisons complémentaires qui sont également importantes pour expliquer cette victoire à venir de l’eau par rapport à l'air. Ceci notamment si l'on observe que la fourniture de l'air conditionné délivré par la PAC thermodynamique air air que ce soit en été ou en hiver peut avoir de lourdes conséquences sur notre devenir thermique si elle devait se généraliser. Beaucoup d'organismes condamnent en effet surtout le fait qu'en été, le dispositif thermodynamique air air qui pulse de l'air frais dans les logements reçoit principalement son énergie thermique en réchauffant encore un peu plus l'air ambiant déjà bien chaud extérieur aux immeubles aggravant dans la pratique le réchauffement climatique en ville. Il faut aussi constater qu'en complément des reproches dont elle fait l’objet en été son comportement en hiver n’est également pas à l’abri de tout reproche. Ceci par le fait que si l'air ambiant est à -5°C cela peut être de l'air à -15°C qui sort de l'évaporateur avec deux effets défavorables : d’une part l’effet de refroidir l'air ambiant autour des bâtiments et d'augmenter ses déperditions thermiques et d’autre part l’effet de limiter le coefficient de performance (COP).

Le fait que la "Solar WATER Economy de l'enthalpie" limite considérablement la pollution de l'air dans les villes en évitant la surchauffe en été provoquée par la "Solar AIR Economy de l'enthalpie" est une raison complémentaire qui fait que l’homme a tout intérêt à se pencher sérieusement sur ces sujets qui sont d’une extrêmeimportance pour son devenir énergétique. 

Concernant l’intermittence des énergies renouvelables, il faut se rendre à l’évidence : bien que l'on puisse compter sur l'éolien vu que le vent souffle tout de même un peu la nuit et aussi compter sur les STEP hydrauliques comme celle de Grandmaison pour compenser l'intermittence jour-nuit du voltaïque, nous aurons besoin de dispositifs de stockage plus importants pour solutionner le problème du stockage de l'énergie électrique à l'échelle de l'intermittence été-hiver du solaire voltaïque. Il ressort de cela que les deux chaînes énergétiques qui peuvent venir au secours de l’éolien, des STEP et du solaire voltaïque vu leur caractère aléatoire sont

1  La chaine directe "Voltaïque > pile > moteur électrique"  pour le transport

2  La "Solar WATER Economy de l'hydrogène" pour le stationnaire et le chauffage de l’habitat. Une chaîne énergétique qui pourrait aussi s’écrire

"Voltaïque > électrolyse de l'eau > compression   > stockage hydrogène > pile à combustible > moteur électrique + chaleur" 

Les raisons qui pourraient favoriser l’hydrogène et l’électrolyse de l’eau sont :

-        pour la chaine directe 1 le fait que le potentiel de stockage de l'énergie électrique par unité de masse de l'hydrogène (33 kWh/kg)  est presque 3 fois plus important que celui de l'essence (12 kWh/kg). Cet aspect des choses est en effet surtout intéressant pour la mobilité sans être déterminant pour le stationnaire.

-        Le Pouvoir Calorifique Inférieur de l’hydrogène proche de 120 000 kilojoule/kg (3600 kilojoules dans un kWh) qui devrait rendre le stockage de l’énergie en grosse quantité acceptable.  Ceci pouvant aider au stockage de l'énergie électrique utile dans le cadre de la "Solar Water Economy de l'enthalpie" en raison du potentiel de stockage de l'énergie électrique par unité de masse important de l’hydrogène. La pile à combustible générant à la fois courant électrique et chaleur, il faudra aussi lors de la comparaison entre ces deux chaînes énergétiques 1 et 2) prendre en compte que cette dernière peut être utilisée pour élever la température à la source froide de la "Solar Water Economy de l'enthalpie" afin d'améliorer ses performances. On pourrait ainsi assister la géothermie profonde des nappes captives qui, on le sait maintenant et malgré le silence du BRGM, est limitée en puissance et ne permet pas sur le plan quantitatif de généraliser le chauffage urbain dans nos métropoles malgré la potentialité thermique de la rivière et de sa nappe libre. 

Vu les graves conséquences du réchauffement climatique et la pollution de l’air dans les villes nous aurions déjà dû, vu l'urgence qu'il y a à agir, développer plus d'applications en rapport avec la "Solar Water Economy de l'enthalpie". Ceci vu qu’elle diminue le rejet de gaz brulés dans l’atmosphère et permet de limiter notablement la quantité de produits fossile importés sur l’Europe. Il va devenir urgent de lancer les investissements finançant les infrastructures associées à cette chaine énergétique (principalement de tuyauteries) ainsi que la recherche. Une recherche qui devrait probablement se concentrer sur l’amélioration des performances de la chaîne 2 associée à l’électrolyse de l’eau. Ceci surtout en amont de cette chaîne vu que c’est seulement environ 20% de l’énergie solaire qui parvient sur terre qui est convertie actuellement en énergie électrique avec le voltaïque

 

Applications

1 Dans le cadre de la chaine directe "Voltaique > pile > moteur electrique"  une batterie géante composée de 80 modules de 3,6 tonnes chacun construite par la firme japonaise NGK-Locke a été implantée au Texas dans la petite ville de Presidio.  Cette pile au sodium de 4 MW  est capable de fonctionner pendant 8h  (32 000 kWh   288 000 kg  9kg par kWh )

1+2 Dans le cadre d’une réalisation mixte associant la chaine directe "Voltaique > pile > moteur électrique" et la "Solar WATER Economy de l'hydrogène", la société Hydrogène de France (HDF Energy) a annoncé une innovation majeure. A savoir le lancement d'un stockage d’énergie électrique nommé CEOG qui pourrait révolutionner le secteur de l’énergie et ouvrir une nouvelle ère énergétique. Ceci dans la mesure où ce CEOG comprend un parc photovoltaïque de 55 MW et dispose du plus gros dispositif de stockage mixte d’énergie renouvelable électrique au monde. Mixte par le fait que le dispositif capable de stocker 140 MWh conjugue l’hydrogène et un stockage d’appoint par batteries. L’investissement CEOG de 90 millions d’euros, porté par HDF et les banques répond à un besoin essentiel de production et de stockage d’énergie qui génèrera pendant 20 ans une énergie fiable à un coût inférieur à l’actuel et ce, sans subvention. L'énergie voltaïque électrique de 140 MWh produite annuellement en amont de ce CEOG par ce terrain guyanais correspond à une amélioration de quelque 40% par rapport à la performance moyenne sur l'hexagone. Cela étant donné les 140 kWh délivrés annuellement par m² par ce terrain de 100 ha (correspondant à un million de m²) alors qu'elle n'est en moyenne que de 100 sur l'hexagone. Les capacités de stockage de ces 2 chaines 1) et 2) conjuguées seraient excellentes et capables de prendre en compte les 140 000 kWh générés par le voltaïque pour un montant global de 90 millions d'€. Reste à savoir quelle est la quantité d'électricité et de chaleur que peut restituer ce système à partir de l'hydrogène fabriquée par électrolyse. A défaut de répondre à cette question la figure de la page 612 "met en évidence que sensiblement 70 % du besoin hors industrie et agriculture peut être satisfait par l'autoconsommation. Il est en conséquence nécessaire que le dispositif de stockage puisse satisfaire les 30 % restant proche d’un besoin individuel en électricité de 1300 kWh. Sur cette base c’est une dépense individuelle considérable et voisine de 800 000 € par individu ((90 000 000/140 000) x 1300) qui est nécessaire. Une dépense qui se verrait majorée du montant des infrastructures de la "Solar WATER Economy de l'enthalpie" et qui ne pourrait être financée que par la fiscalité sur les produits pétroliers tant qu’il en est encore temps. Ceci il est vrai sachant que comme le disait Barenton confiseur que l’investissement de départ n’est à faire qu’une fois alors que l’usage est de tous les ans.


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 de sa chaleur spécifique ou de l’hydrogène qu’elle contient.

Reste à convaincre la classe politique qu’une transition énergétique ne peut que tirer profit de ces orientations.

Le porte-parole des Lutins thermiques a tenté de convaincre dans  BATIACTU et GOODPLANET du bien-fondé de ces dernières. Il semblerait au travers de ce qui se passe à la Tour Montparnasse dans le 14ème arrondissement de Paris qu’il ne soit pas parvenu à convaincre. Dommage.