En amont de la recherche des solutions pour la production d’énergie, tout l’enjeu aura été de réduire les besoins énergétiques de votre habitation, tant au niveau de sa conception (forme architecturale, choix des matériaux, isolation…) que de son utilisation (choix des équipements, habitudes de consommation…). Ces besoin, réduits à leur minimum pourront alors être couverts en grande partie, voire en totalité, par le recours aux énergies renouvelables.

Nous laisserons de côté les technologies telles que l’hydraulique, la géothermie, l’aérothermie ou la biomasse pour nous pencher plus particulièrement sur l’énergie solaire thermique, photovoltaïque et éolienne en installations domestiques.

L’énergie solaire thermique et photovoltaïque Le soleil, on peut lui demander la lune ! Que ce soit en production électrique, en chauffage, en production d’eau chaude et même en climatisation, cette source d’énergie propre, renouvelable et abondante en Polynésie s’avère capable de répondre à l’intégralité de nos besoins.

L’énergie photovoltaïque

→ Composants et principe de fonctionnement

Le principe du photovoltaïque, tel que le sous-entend son nom, consiste à transformer la lumière en électricité. Pour se faire, l’installation comprend :

- un panneau (ou photopile) composé de plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles (en série ou en parallèle) et qui transforment les radiations solaires en courant électrique disponible sous forme d’une tension continue. Une cellule classique est composée de deux semi-conducteurs en silicium cristallin, de types différents (l’une excédentaire et l’autre déficitaires en électrons), qui produisent le courant au niveau de leur jonction sous l’effet des photons (lumière parvenant du soleil). Si la tension qui en résulte est indépendante du niveau d’éclairage (constante à 0,5 V), il n’en est pas de même pour l’intensité. En fin de compte, la puissance produite (tension x courant) est de ce fait proportionnelle à l’éclairage reçu, pour atteindre jusqu’à 170 W/m2 (soit un rendement de 17%) pour une tension de 24 V. Il existe un autre type de cellule (dite à couches minces) dont le rendement est inférieur (100 W/m2).

- un onduleur vers lequel cette tension est dirigée pour être convertie en une tension alternative de 230 V et d’une fréquence compatible avec le réseau publique de distribution (50Hz).

- un compteur, disposé en sortie de l’onduleur permettra de chiffrer l’énergie électrique non consommée et injectée dans le réseau public.

A la différence d’une installation de production électrique autonome (pour sites isolés), la question du stockage de l’énergie ne se pose pas, excluant ainsi l’utilisation de batteries. Une cellule classique est composée de deux semi-conducteurs en silicium (mono ou poly cristallin) de types différents (l’une excédentaire et l’autre déficitaires en électrons), qui produisent le courant au niveau de leur jonction sous l’effet des photons (lumière parvenant du soleil). Si la tension qui en résulte est indépendante du niveau d’éclairage (constante à 0,5V), il n’en est pas de même pour l’intensité. De ce fait, la puissance produite (tension x courant) est en fin de compte proportionnelle à l’éclairage reçu, pour atteindre jusqu’à 170 W/m2 (soit un rendement de 17%) pour une tension de 24 V. Il existe un autre type de cellules (dites à couches minces). D’un rendement moindre (100W/m2), elles présentent cependant deux avantages : elles sont moins sensibles aux variations de luminosité (appréciable en saison des pluies) et peuvent se présenter en panneaux souples. Et déjà des modules «nouvelle génération» ! Dans un proche l’horizon, des lentilles seront couplées aux panneaux pour concentrer la lumière sur les cellules et en accroître le rendement, avec un effet amplificateur très significatif (jusqu’à 1.000 fois). Pour rester dans le futur, on évoque aussi des peintures photovoltaïques, encore au stade expérimental, qui seront capables de capter la lumière classique mais également les infrarouges. Malgré un rendement annoncé de 80 W/m2, cette technologie permettra d’augmenter de manière significative la surface d’exposition (toiture, murs intérieurs et extérieurs), sans pour autant sacrifier l’esthétique. Il est cependant bien trop tôt pour se prononcer sur ses inconvénients éventuels.

→ La durée de vie

En fonction des fabricants et du type de panneau, elle se situe entre 20 et 30 ans, de quoi assurer la rentabilité de l’investissement. La garantie de puissance indiquée sur la documentation technique donne une indication en pourcentage sur les conditions de dégradation des performances avec le temps. Il conviendra d’intégrer ce paramètre pour un calcul précis de rentabilité à long terme. Cet indicateur est d’autant plus important pour une installation en site isolé, ou la couverture des besoins en électricité ne dépend que des énergies renouvelables. Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques des types de panneaux présentés

→ L’impact sur l’environnement

L’énergie nécessaire à la fabrication des panneaux solaires sera compensée lors de son utilisation, sur une période variant de 6 à 48 mois, selon le type. La durée de vie des panneaux étant nettement supérieure à ce délai, l’impact sur l’environnement est donc satisfaisant puisque, une fois la «dette énergétique» remboursée, l’installation continuera de produire encore pendant de nombreuses années sans préjudice écologique. Pour aller plus loin, la production de ces modules pourrait parfaitement être réalisée par des usines fonctionnant elles même au photovoltaïque (qui existent déjà en Allemagne), réduisant presque à néant l’impact sur l’environnement. En fin de vie, les installations pourront en outre être recyclées pour la fabrication de nouveaux panneaux. Le photovoltaïque représente donc une des solutions d’avenir en terme d’écologie.

L’énergie solaire thermique

L’application la plus courante de l’énergie solaire thermique reste la production d’eau chaude sanitaire, assurée par le chauffe-eau solaire.

→ Composants et principe de fonctionnement

Le principe est ici de capter la chaleur du rayonnement solaire pour chauffer l’eau. Certains dispositifs, qui permettent également de capter les rayons infrarouges garantissent une efficacité même par temps nuageux. Cette application fait appel à trois types d’installations :

- le chauffe-eau solaire monobloc : c’est le plus simple, puisque comme son nom l’indique, toute l’installation est intégrée en un seul bloc. Le branchement d’arrivée d’eau froide est effectué à l’entrée du circuit, et l’eau chaude est récupérée à la sortie du ballon.

L’eau chaude circule par phénomène de thermosiphon. Le principe repose sur la dilatation des fluides avec la hausse de température. La dilatation induit un rapport poids/volume décroissant, ce qui permet au fluide de monter tout seul vers le ballon qui réinjecte un volume équivalent d’eau froide dans le circuit de réchauffement. Lorsque la source de chaleur disparaît, la circulation s’arrête.

Facile à poser, son esthétique pose problème, à moins de disposer d’un toit en terrasse ou il pourra se faire oublier. Enfin, par temps frais, la déperdition thermique est importante. Pour un prix compétitif, le monobloc, sous notre climat tropical, reste un bon rapport prix/performance.

- le chauffe-eau solaire à thermosiphon en deux parties : il se distingue du monobloc par le seul fait que le ballon échangeur est séparé du reste de l’installation pour être installé à l’intérieur de la maison, à un niveau obligatoirement plus élevé que le panneau. Tout comme le monobloc, son esthétique reste très moyenne mais son coût reste encore satisfaisant.

- le chauffe-eau solaire à circulation forcée : ici, la circulation de l’eau est assurée par une pompe électrique. Le grand avantage est l’absence de contrainte pour l’emplacement du ballon qui peut être dissimulé (en sous-sol, dans le garage etc…). Plus commode, il est aussi plus coûteux.

Il existe également deux types de capteurs pour une application domestique

- les capteurs plans : à l’exception de l’Asie, ce sont les plus couramment rencontrés. Ils sont constitués d’un bac étanche contenant un radiateur et recouvert d’un vitrage et utilisent le principe de l’effet de serre pour accroître la température du fluide jusqu’à 70°C et plus. Les différents modèles sur le marché sont loin de présenter un même niveau de qualité. Il faudra notamment être attentif : + à la qualité du châssis, dont les matériaux devront résister aux effets du climat + à la qualité de fabrication et au rendement de l’absorbeur (radiateur) + à la robustesse du vitrage qui devra opposer une grande résistance aux agressions extérieures, et notamment climatique. + à la capacité du verre à réduire la déperdition thermique, qui dépend de la technique de traitement utilisée lors de sa fabrication

- les capteurs tubulaires : très populaires en Asie (inventés en Chine il y a presque 30 ans), c’est le système le plus performant pour la production d’eau chaude, à tel point qu’il devrait à terme gagner la bataille face aux capteurs plans y compris en Europe où son utilisation progresse. Il faut distinguer deux types de tubes : à circulation d’eau, dans lequel l’eau circule directement en thermosiphon et à caloduc ou chaque tube fonctionne comme une sorte de pompe à chaleur miniature. Ce dernier est le plus performant mais aussi le plus cher. Empruntant tous les deux la technique du « thermos » leur donnant une forte capacité à conserver la chaleur, qui, ajouté à leur grande capacité à l’absorber, lui offre un rendement excellent en garantissant des températures très élevées.

→ La durée de vie

Elle est comprise entre 20 et 30 ans, mais une bonne maintenance peut prolonger cette durée : les éléments défectueux pourront être remplacés au fur et à mesure. Le retour sur investissement qui peut être estimé à une moyenne de 12 ans, pourra varier selon la qualité de conception de votre installation, qui génèrera plus ou moins de coûts. Si vous disposez des compétences pour réaliser ou simplement poser votre chauffe-eau, le montant de l’investissement sera d’autant réduit, et la rentabilité assurée sur une plus courte période.

→ L’installation et entretien

Concernant la maintenance, les tubes défaillants peuvent être remplacés individuellement sans avoir à effectuer de coupure du circuit. De plus, leur fragilité n’est qu’apparente puisqu’ils offrent une résistance comparable à celle des capteurs plans.

→ L’impact sur l’environnement

Certaines fabrications (heureusement peut communes) font appel à des CFC plutôt que des mélanges neutres pour l’environnement. Si vous souhaitez faire un investissement réellement écologique, soyez attentif aux fluides utilisés et détournez vous de ces produits responsables de l’effet de serre.

Optimisez votre installation : le traqueur Solaire

Il s’agit d’une installation relativement simple, qui vous permettra, en l’intégrant par exemple

à une installation photovoltaïque, d’accroître le rendement jusqu’à 50%.

Dans les installations photovoltaïques fixes, on recherchera la meilleure orientation, afin de capter le soleil sur la plage horaire la plus étendue possible sur la journée. Le traqueur solaire repose sur le principe d’une installation orientable. Des détecteurs calculent en permanence la position des panneaux la plus efficace pour capter les rayonnements du soleil. Couplés à un moteur, ils orientent les modules photovoltaïques en conséquence. Les traqueurs les plus sophistiqués ajustent même l’exposition des modules en fonction des variations d’inclinaison du soleil. Votre installation se comporte donc comme un véritable tournesol géant ! L’intérêt économique est certain. Un traqueur est bien moins coûteux qu’un module photovoltaïque, et le gain significatif de productivité qu’il génère vous permettra soit d’opter pour une installation plus petite, soit pour la même installation, de couvrir une partie supplémentaire de vos besoins.

Attention : les traqueurs peuvent pour certains modèles résister à des vents jusqu’à 150 Km/H. En cas de cyclone, selon sa force, il faudra veiller à protéger votre installation des rafales.

L’énergie éolienne

La production électrique éolienne est classée en trois catégories : le grand (puissance >350kW, le moyen (puissance entre 36 et 350kW) et le petit éolien (< 36kW). C’est cette dernière catégorie qui concerne les applications domestiques. Comme pour le solaire, l’installation éolienne vise à réduire le coût de la consommation électrique ou à atteindre l’autonomie énergétique. L’application pour une maison individuelle fait appel à des unités de production dont la puissance fournie va de 1 à 10kW.

En matière d’énergie renouvelable, la production d’une installation est soumise aux aléas du climat. En site isolé (en montagne, sur un motu ou sur un atoll par exemple), où cette production dépendra exclusivement des conditions climatiques, il convient de ne pas mettre tous ses œufs dans le même panier ; la solution éolienne peut et doit être couplée à une installation faisant appel à une source différente d’énergie renouvelable (photovoltaïque, hydraulique..).

→ Composants et principe de fonctionnement

La finalité d’une éolienne est la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. Les éoliennes domestiques sont composées d’une hélice à 2 ou 3 pales et d’un diamètre allant de 4 à 10 mètres, montée sur un générateur, l’ensemble étant disposé tout en haut d’un mât d’une hauteur de 8 à 18 mètres reposant lui-même sur des fondations. La hauteur de mât la plus utilisée est de 12 mètres, car elle constitue la limite maximum pour laquelle il n’est pas requis de permis de construire. Sous l’action du vent, l’hélice se met en rotation, entraînant le générateur qui produit alors un courant disponible en continu qu’un alternateur convertira en courant alternatif.

- Les types de générateurs : il en existe deux, inspirées du grand éolien :

+ La génératrice «synchrone» est composée d’un rotor jouant le rôle d’aimant produisant une tension découlant de la variation du champ magnétique et dont la fréquence est liée à la vitesse de rotation de l’hélice.

+ La génératrice « asynchrone » est dotée d’un multiplicateur de vitesses qui fait tourner l’axe du générateur plus vite que l’axe de l’hélice. Son autre avantage est de produire une tension de fréquence constante quelle que soit la vitesse de rotation de l’axe de l’hélice. Ce dernier type de générateur n’est disponible que pour les modèles d’éoliennes dont la puissance se situe au-delà de 5 kW.

En pratique, la majorité des éoliennes installées sont équipées de générateurs synchrones.

- Les structures de mâts : il en existe deux familles qui se décomposent elles même en deux structures différentes :

+ Les mâts haubanés : ils existent en structure treillis ou tubulaire ;

+ Les mâts autoporteurs : ils se déclinent également en structures treillis ou tubulaire.

Pour le choix du mât, le critère « coût » ne doit pas rentrer en compte. Le mât tubulaire haubané offre le grand avantage de pouvoir être couché au sol, soit pour le protéger d’un vent trop fort, ou pour éviter le recours à une nacelle pour accéder au générateur lors des visites d’entretien. Encore faut-il disposer que votre terrain présente un espace libre suffisant pour cette opération.

→ Implantation

La quantité d’énergie produite étant directement liée à la vitesse de rotation de l’hélice, et donc à la force du vent, il faudra évaluer le potentiel énergétique du site d’implantation. De nombreux paramètres permettront de calculer le rendement de l’installation et donc la rentabilité de l’investissement : fréquence des vents, obstacles générateurs de turbulences (forêts, collines, constructions alentour), hauteur de l’axe de l’éolienne, taille des pales…).

Des vents moyens et réguliers représentent les conditions idéales pour le fonctionnement d’une éolienne à usage domestique. Les vents trop faibles génèrent un rendement médiocre. Les vents trop forts peuvent endommager l’installation. En cas d’annonce de cyclone ou de fort coup de vent, il conviendra de bloquer le mouvement des pales par un frein, ou mieux, si vous avez opté pour l’installation d’un mât tubulaire haubané basculant, de coucher l’éolienne au sol.

→ L’impact sur l’environnement

Lorsqu’il est nécessaire d’avoir recours au stockage de l’énergie (primordial pour des installations autonomes, en site isolé), celui-ci est assuré par des batteries dites « à décharge profonde ». Elles sont prévues pour être chargées et déchargées en continu sans subir de dommage. Elles sont données pour un certain nombre de cycles de charge et de décharge. En fin de vie (environ 10 ans), ils constituent autant de déchets extrêmement nuisibles à l’environnement.

Sachez cependant qu’il est possible de redonner une seconde voire une troisième vie à votre batterie par un procédé de régénération disponible sur le territoire. Une excellente nouvelle pour l’environnement et votre porte monnaie.