La maison de demain : Technologies, Energie et Ecologie

Quand l'habitat carburera au solaire

Trois « murs » solaires alimentent en énergie la Maison du tourisme et des Cévennes, à Alès.
© Y. Jautard

La maison du futur ? Solaire et autonome ! »On se pincerait presque pour vérifier qu'une faille spatio-temporelle ne vous a pas expédié d'une pichenette dans les années soixante-dix, à la belle époque des rêves écologistes. Mais non. Christophe Ménézo, coordonnateur de la thématique « Énergétique des systèmes solaires » au Centre de thermique de Lyon (Cethil) ¹, vit de plain-pied dans le xxi^e siècle et brandit de solides arguments : « Vu le contexte international de la limitation des émissions de gaz à effet de serre et les incertitudes planant sur les ressources énergétiques fossiles, l'énergie solaire est forcément une solution d'avenir que l'on ne peut plus occulter en France pour répondre aux besoins en électricité, en chaleur et en froid de l'habitat ; et pour s'orienter vers une autonomie à l'échelle de la maison individuelle, du bâtiment collectif et tertiaire, sinon du quartier », tant il s'avère indispensable que le bâtiment ne se comporte plus en simple consommateur d'énergie mais progresse en sobriété et accède au rang de producteur. D'ailleurs, le 30 septembre 2005, le Cethil a inauguré un nouveau laboratoire commun avec EDF, baptisé « Bâtiments haute efficacité énergétique », entièrement dédié à une meilleure utilisation des différentes formes d'énergie et à la maîtrise des besoins.

Nul n'est prophète en son pays, refrain usé, mais une chose est sûre : l'habitat et le tertiaire sont responsables en France de la production d'environ 90 millions de tonnes de CO₂ par an, sur un total de 385 millions de tonnes. Le plan « Climat 2004 » ambitionnant de diviser par quatre les rejets hexagonaux d'ici à 2050, renforcer la place du solaire et des autres énergies renouvelables sur – et sous – nos toits ne serait pas un luxe. Las, une grosse ombre, pour l'heure, plombe l'horizon : le maigre nombre des acteurs économiques concernés par le sujet, à tous les niveaux (conseillers, bureaux d'études, fabricants, installateurs). « Durant la décennie 1970-1980, on a pu compter jusqu'à 60-70 fabricants de capteurs solaires thermiques. Ce nombre a fortement diminué à ce jour… », constate Christophe Ménézo. Autre handicap, la vitesse poussive de renouvellement du parc immobilier (1 % par an), sachant qu'il est plus ardu de greffer du solaire sur du bâti existant que d'en adjoindre à du neuf. Quant à la motivation des décideurs… « En Espagne, fait observer Jean-Bernard Saulnier, directeur scientifique adjoint du département des Sciences pour l'ingénieur (SPI) du CNRS, en charge du dossier de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines) ², tout projet de nouveau bâtiment doit intégrer un apport solaire. On en est loin dans bien des régions françaises qui connaissent pourtant un taux d'ensoleillement important » et ce, malgré certaines incitations fiscales.

Nul n'est prophète en son pays, refrain usé, mais une chose est sûre : l'habitat et le tertiaire sont responsables en France de la production d'environ 90 millions de tonnes de CO par an, sur un total de 385 millions de tonnes. Le plan « Climat 2004 » ambitionnant de diviser par quatre les rejets hexagonaux d'ici à 2050, renforcer la place du solaire et des autres énergies renouvelables sur – et sous – nos toits ne serait pas un luxe. Las, une grosse ombre, pour l'heure, plombe l'horizon : le maigre nombre des acteurs économiques concernés par le sujet, à tous les niveaux (conseillers, bureaux d'études, fabricants, installateursconstate Christophe Ménézo. Autre handicap, la vitesse poussive de renouvellement du parc immobilier (1 % par an), sachant qu'il est plus ardu de greffer du solaire sur du bâti existant que d'en adjoindre à du neuf. Quant à la motivation des décideurs… , fait observer Jean-Bernard Saulnier, directeur scientifique adjoint du département des Sciences pour l'ingénieur (SPI) du CNRS, en charge du dossier de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines) et ce, malgré certaines incitations fiscales.

Les projets technologiques qui mitonnent pour concevoir un habitat « zéro énergie » (c'est-à-dire générant autant d'énergie qu'il en consomme ou ne consommant aucune énergie fossile), voire à « énergie nette positive » (produisant plus d'énergie que nécessaire) n'en mettent pas moins en appétit, qu'il s'agisse, d'abord, du solaire photovoltaïque dévolu à la production d'électricité ³ ou du solaire thermique ⁴ voué au rafraîchissement des bâtiments. « En vingt-cinq ans, le prix de revient du watt photovoltaïque a considérablement baissé. De plus de 100 euros en 1975, il est aujourd'hui tombé aux environs de 2 euros », rappelle Jean-Claude Muller, chargé de mission du département des Sciences et Technologies de l'information et de la communication (Stic) au programme Énergie du CNRS et ingénieur de recherche à l'Institut d'électronique du solide et des systèmes (Iness) ⁵. La voie technique et industrielle la plus avancée ? Le silicium cristallin, un matériau abondant sur Terre, parfaitement stable et non toxique qui a conquis plus de 93 % du marché. « L'avenir, concernant ces cellules dont les rendements ⁶ de conversion industriels atteignent 16 à 17 % sur de grandes surfaces, passera par une réduction de l'épaisseur des plaquettes et surtout des coûts », poursuit le même expert. À moins que le silicium ne passe tout bonnement la main…

Daniel Lincot, directeur adjoint de l'Irdep, tient à la main trois couches de semi-conducteurs constitués d'oxyde de zinc et de colorant organique, composants pour le solaire photovoltaïque.
© PIERRE, Xavier / CNRS Photothèque

Qui pour lui succéder ? Les cellules photovoltaïques « en couches minces » – des feuillets à base de diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) de 2 micromètres d'épaisseur qui prennent la place d'épaisses tartines de silicium de 200 micromètres – ont déjà fait acte de candidature. « Grâce à cette technique, indique Daniel Lincot, directeur du Laboratoire d'électrochimie et de chimie analytique (Leca) ⁷ et directeur adjoint de l'Institut de recherche et de développement sur l'énergie photovoltaïque (Irdep) ⁸, on atteint des rendements en laboratoire d'environ 19 %, contre 25 % pour le silicium. Pour les modules photovoltaïques, des rendements de près de 12 % sont obtenus, qui se rapprochent des performances des modules au silicium polycristallin. L'avantage du CIS est une diminution potentielle des coûts, du fait d'une technologie en couches minces. La préparation de ces cellules par électrolyse, sur laquelle travaille l'Irdep, devrait permettre de nouveaux gains en la matière. » Léger problème : l'indium est rare sur Terre, mais en quantité largement suffisante pour permettre le développement massif de cette filière.

Deuxième challenger : les matériaux nanostructurés, encore au niveau de la validation des concepts. Sans oublier les polymères photovoltaïques, eux aussi « au stade des études fondamentales mais qui ont tout pour devenir une solution d'avenir séduisante et crédible », dit Jean-Bernard Saulnier. D'un coût de production raisonnable, dégradables (une vertu-clé au regard des impératifs du développement durable), faciles à manipuler parce que flexibles, ces semi-conducteurs exclusivement composés de matériaux organiques n'offrent pour l'heure qu'un rendement de 3-5 % et une durée de vie limitée à 500-1 000 heures. Mais à long terme, sous réserve de comprendre plus finement et de maîtriser leur mécanisme de vieillissement, on peut espérer les voir honorer leur contrat : produire 1 watt pour moins de 1 euro.

Même effervescence côté solaire thermique, tout l'effort visant à « doper le rendement des couches de verre piégeant la chaleur », explique Gérard Guarracino, à la tête du département « Génie civil et bâtiment » de l'École nationale des travaux publics de l'État. Et bonne nouvelle : les futurs capteurs thermiques ne seront plus d'un noir de mantille à faire pâlir même les plus verts. « Nous travaillons sur la couleur (gris, bleu foncé, vert...) pour moins “bloquer” les architectes et les aider à intégrer plus facilement le solaire dans la façade des bâtiments. »

Mais pourquoi ne pas faire d'une pierre deux, ou plutôt trois coups ? De fait, les bien nommés composants hybrides ­photovoltaïques-thermiques, alias les PV-T, poussent lentement mais sûrement leurs billes pour fournir simultanément électricité, chaleur et froid. Principe, malin, de ces capteurs multifonctionnels et opérationnels 12 mois sur 12 : récupérer, pour les rentabiliser, les 80 à 85 % de chaleur qui partent d'ordinaire aux oiseaux en les affectant à la ventilation des locaux et au chauffage de l'eau chaude sanitaire. Plusieurs prototypes sont en cours de développement.

C'est ce qui s'appelle pratiquer la « cogénération énergétique », voire la « tri-génération ». Car on creuse désormais l'idée de jumeler le concept à d'autres composants en valorisant la montée en ­tem­pérature des cellules à la belle ­saison pour produire de la fraîcheur à partir de chaleur. Autrement dit, de remplacer les compresseurs mécaniques par des machines frigorifiques exclusivement solaires et vingt fois moins énergivores. Troisième option, encore au stade expérimen­tal : le rafraîchissement par évaporation combiné au solaire. Quèsaco? Un système de déshumidification/­ réhumidification de l'air extérieur (l'humidité est évacuée par la chaleur produite par les capteurs solaires), afin de parvenir à un abaissement de la température de l'air entrant et un taux d'humidité satisfaisant constant à l'intérieur du bâtiment.

Voilà pour la production. Question stockage de l'électricité, « il faudra trouver, au-delà des vieilles batteries au plomb catastrophiques pour l'environnement, des moyens plus propres. De nouveaux accumulateurs prometteurs, au lithium, sont apparus », plaide Jean-Bernard Saulnier. Pour le froid et la chaleur, « la principale barrière reste la durée, poursuit Christophe Ménézo. Nous visons l'échelle de la semaine ou de la quinzaine, et non plus celle de la journée comme c'est le cas aujourd'hui via le stockage en ballon d'eau chaude, par exemple ». Pour cela, pourraient se distinguer « des composants qui intègrent des matériaux à changement de phase encapsulés dans les cloisons ou des procédés thermo-chimiques qui emmagasinent puis restituent la chaleur ou le froid sur commande ».

 

Pour s'affranchir des énergies fossiles, le solaire, par définition intermittent, ne sera pas seul aux commandes. Viendront l'épauler d'autres ­énergies alternatives et d'autres systèmes innovants : géothermie, biomasse, éolien, pile à combustible… Il faut s'attendre, par conséquent, à une floraison de puits canadiens ou provençaux, systèmes géothermiques reposant sur la relative inertie thermi­que du sol ⁹ et consistant à faire cheminer l'air destiné à la ventilation des habitations par un réseau de tuyaux enterrés qui se chargent soit de récupé­rer de la chaleur en hiver (le principe du puits canadien), soit de rafraîchir les locaux en été (sa dénomination provençale). Il faut compter aussi sur le renfort des « pieux énergétiques », des canalisations en U équipées de sondes géothermi­ques à l'intérieur desquelles circule de l'eau glyco­lée (additionnée d'antigel). De quoi, tout au long de la saison froide, puiser la chaleur ­emmagasinée dans le sol durant l'été et, inversement, profiter pendant les beaux jours de la fraîcheur stockée sous terre. Pas mal non plus, pour ventiler naturel­lement la maison sans consommer d'électricité, selon le site : la « cheminée solaire » ¹⁰, bien plus sobre qu'un engin mécanique quand le soleil est au rendez-vous, ou la « cheminée à vent » ¹¹.

© Photos : CNRS-ENTPE Equiper les façades (à gauche) de capteurs solaires (à droite) : une solution d'avenir pour favoriser l'intégration des énergies renouvelables dans l'habitat et réduire ses dépenses énergétiques.

Toutes ces technologies devront-elles équiper une maison pour la rendre autonome ? Non, deux ou trois suffiront. En revanche, cette production multi-source « locale » devra être gérée efficacement par un système de contrôle-­commande intelligent connaissant les caractéristiques dynamiques de l'habitation pour anticiper ses besoins en chaleur, en fraîcheur et en électricité au gré des conditions climatiques intérieures et extérieures, et dialoguant avec l'ensemble des composants produisant et stockant l'énergie. , dit Jean-Bernard Saulnier. Autres stratagèmes pour brider les déperditions de chaleur et muscler l'isolation thermique : des zones tampons peu ou non chauffées (garage, cellier...) aménagées côté nord ; des bassins de récupération des eaux de pluie faisant baisser la température par évaporation ; des arbres plantés au sud pour ombrager la façade ; des poêles à bois et des inserts disposés au centre de la maison et associés à un réseau de récupération et de distribution de chaleur sous forme d'air ; des composants pariétodynamiques (murs, vitrages, doubles-façades…) favorisant la ventilation naturelle en cas de poussée du mercure et servant de récupérateur, éventuellement de stockeur de chaleur (pour les murs) quand la froidure sévit, etc.

Inutile de trop se ronger les ongles d'inquiétude en disséquant les oracles du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec). Des solutions fusent, supposant toutefois autant de tournants technologiques, sociologiques, architecturaux et politiques. Seule une vraie volonté publique, et les moyens financiers ad hoc, permettra aux énergies renouvelables de se faire une place au soleil. Le photovoltaïque représente, en cette fin 2005, 0,01 % de l'énergie consommée en France. PROGRAMME ENERGIE : UN CREUSET D'INNOVATIONS

Depuis près de vingt ans, le CNRS soutient les recherches sur l'énergie, via divers programmes interdisciplinaires (Pirdes, Ecotech, Ecodev…). Lancé en 2002 sous sa forme actuelle, le programme Énergie, qui a reçu le soutien de la DGA et du ministère de la Recherche, est destiné à animer, coordonner et promouvoir, au sein du CNRS et dans les formations qui lui sont associées, les recherches susceptibles de déboucher sur des modes innovants de production, de stockage et de gestion de l'énergie. Le programme Énergie repose sur trois principes : la réflexion prospective au sein de groupes d'analyse thématique (GAT) ; les appels à proposition, destinés à animer, coordonner et promouvoir des domaines de recherche identifiés dans la phase de réflexion ; enfin, les projets de recherche, d'une durée de deux ou trois ans, qui peuvent être considérés comme des laboratoires académiques sans murs, avec un objectif bien défini. Les principales avancées sont expertisées et présentées lors d'un colloque annuel. La poursuite du programme se déroulera dans le cadre de la toute jeune Agence nationale de la recherche.