Ressources et besoins énergétiques du secteur résidentiel 

Ressources et besoins énergétiques du secteur résidentiel 

En 2012 en France les secteurs résidentiel et tertiaire sont responsables de 45% de la consommation d’énergie finale, dont 26% pour le seul secteur résidentiel [1], soit une consommation moyenne par foyer de 16565 kWh/an. La disparité des consommations est à prendre en compte ; elles reposent sur plusieurs facteurs tels que la superficie de l’habitation, la zone climatique, la qualité de l’isolation, le nombre d’habitants ou même leurs habitudes de consommations. Dans le secteur résidentiel, cette consommation est principalement issue de besoins thermiques (environ 80%) et de besoins d’usage spécifique de l’électricité (20%). Ces logements peuvent également disposer de différentes sources d’énergie locales pour subvenir à ces besoins, tels que le soleil, le vent ou la géothermie. Les paragraphes suivants visent à analyser ces besoins et les quantifier. Il est important d’identifier dès à présent ces besoins afin que les réponses proposées aujourd’hui, qui nécessitent parfois d’importants investissements, restent adaptées aux besoins de demain. La ressource solaire à disposition sera également quantifiée et discutée selon les différents moyens (actifs ou passifs) permettant de la valoriser.

Besoins thermiques du secteur résidentiel 

En France, les besoins thermiques représentent la majeure partie des besoins énergétiques du secteur résidentiel, approximativement 80%. Néanmoins cette part doit diminuer au fur et à mesure du remplacement des habitations, conséquence directe des réglementations thermiques mises en place. Ces besoins thermiques dépendent aujourd’hui principalement du chauffage, et accessoirement de l’eau chaude sanitaire et de la cuisson des aliments, mais à l’avenir la part chauffage devrait grandement baisser. 

Besoins thermiques pour le chauffage 

Les besoins de chauffage dépendent très fortement du climat, comme on peut le constater sur la Figure I-3. Les besoins en chauffage dans la zone Euro sont très différents entre les pays du nord et ceux du sud. Par exemple, la consommation moyenne annuelle s’élève à 50 kWh/m² en Espagne, alors qu’elle dépasse les 175 kWh/m² en Finlande. En France la consommation moyenne annuelle pour le chauffage est de 11 kep/m² soit approximativement 128 kWh/m². Mais cette valeur moyenne cache également de nombreuses disparités entre les vieilles bâtisses mal isolées dont la consommation d’énergie primaire est supérieure à 450 kWh/(m².an) et les logements récents dont la réglementation thermique RT2012 limite la consommation d’énergie primaire à un maximum de 50 kWh/(m².an) en moyenne (des corrections pouvant être apportées en fonction des zones climatiques). Figure I-3 : Evolution de la consommation de chaleur en kilogramme équivalent pétrole par m² d’habitation pour tous les pays de la zone Euro. Source : ODYSEE MURE [4] Rappelons que l’énergie primaire est l’énergie potentiellement contenue dans les ressources naturelles (bois, gaz, pétrole, etc.) avant toute transformation (en pratique de combustion), alors que pour l’électricité, il faut tenir compte du rendement de conversion thermique/électrique ; ainsi on considère qu’actuellement 1 kWh d’énergie finale sous forme électrique équivaut à 2,58 kWh d’énergie primaire thermique. La disparité énergétique des logements peut être constatée à l’aide des diagnostics de performance énergétiques (DPE) effectué sur le territoire français (Figure I-4). Il faut toutefois noter que les statistiques représentées dans la Figure I-4 ne concernent que les DPE collectés avant 2013 et ne sauraient donc être représentatives de l’ensemble du parc de logement. Figure I-4 : Performance énergétique du parc de logements au regard des DPE collectés avant 2013. Source : Observatoire DPE – décembre 2015 Ainsi en France, 54% des logements sont de construction antérieure à 1975 (Figure I-5) ; la forte présence de bâtiments anciens explique la part élevée du chauffage dans la consommation d’énergie du secteur résidentiel. Si aujourd’hui le chauffage représente 61% des besoins d’énergie, contre seulement 12,1% pour les besoins d’eau chaude sanitaire, la part de chauffage Chapitre I 8 devrait se réduire dans l’avenir avec l’amélioration de l’isolation engendrée par les différentes réglementations thermiques mises en application depuis les années 2000. Figure I-5 : Structure du parc de résidence principale français par période de construction. Source : CEREN – « Données statistiques – Parc et consommations d’énergie du résidentiel » – août 2015 (données 2013) Cependant, la mauvaise isolation des bâtiments du parc français ne suffit pas à expliquer son impact environnemental. La Figure I-6 représente la répartition du parc de résidences françaises selon l’énergie de chauffage. Le chauffage, en plus d’être le premier consommateur d’énergie du secteur résidentiel, repose encore principalement sur les énergies fossiles (56%), le gaz se substituant au fioul au fil des années, celui-ci étant moins couteux. L’électricité prend également de plus en plus de place dans ce mix, notamment en raison de son faible prix à l’installation des émetteurs. Si en France la production d’électricité est largement décarbonée grâce à ses centrales nucléaires, la part grandissante d’électricité pour les besoins de chauffage pose des problèmes de pics de consommation difficiles à réguler pendant les périodes hivernales de grand froid. Figure I-6 : Évolution de la répartition du parc de résidences principales selon l’énergie de chauffage principal en France. Source : CEREN Chapitre I 9 Il faut toutefois préciser que si le chauffage électrique assure toujours une part importante du chauffage dans les résidences neuves, les radiateurs purement résistifs sont délaissés au profit de pompes à chaleur bien plus performantes d’un point de vue consommation en énergie primaire. En termes de technologies de chauffage, il convient de distinguer deux grandes familles : – les systèmes centralisés, constitués d’un générateur de chaleur, d’un système de distribution, et d’émetteurs qui restituent cette chaleur ; – les systèmes décentralisés pour lesquels la chaleur est directement générée et émise pièce par pièce. À travers ces deux familles, on retrouve un large choix de technologies. Les principales sont présentées dans la Figure I-7. En matière de chauffage les enjeux sont relativement clairs ; il s’agit de moderniser le parc résidentiel français afin de diminuer la consommation énergétique des ménages, puis décarboner cette consommation, de préférence à l’aide de sources d’énergies renouvelables. Bien que le chauffage représente actuellement la majeure partie des besoins thermiques de l’habitat, la demande en matière de rafraîchissement augmente et les besoins en eau chaude sanitaire ne sont pas négligeables. Ils sont estimés dans les paragraphes suivants. Figure I-7 : Segmentation des différentes technologies de chauffage. 

Besoins thermiques pour le rafraîchissement 

Les besoins de rafraîchissement dépendent, comme pour les besoins de chauffage, fortement des pays considérés et de leur situation climatique. En France ces besoins restent marginaux et concernent essentiellement le pourtour méditerranéen. Néanmoins, le faible coût de l’énergie et la baisse du prix des climatiseurs individuels, cumulés à la volonté d’un meilleur confort thermique dans les secteurs résidentiel et tertiaire ont entrainé un développement rapide de ces besoins ces dernières années. L’explosion de la demande de systèmes de rafraîchissement actif à partir des années 2000 notamment après la canicule de l’été 2003 reste principalement due à des erreurs de conceptions de l’habitat récent qui conduisent souvent à des surchauffes inconfortables en été. Néanmoins les réglementations thermiques mises en place plus récemment, avec notamment la RT2012 incitent les architectes à privilégier les différentes techniques de rafraîchissement passif. Le parc de bâtiments climatisés est cependant encore réduit, mais il est en constante augmentation dans le secteur tertiaire, dont les réglementations thermiques sont pour l’instant moins contraignantes que dans le secteur résidentiel. En effet, il existe une très forte disparité entre les bâtiments à usage tertiaire et ceux à usage résidentiel. Ces derniers ne sont encore que faiblement climatisés, entre 3,5% et 4,5% selon les estimations, contrairement au secteur tertiaire pour lequel près de 25% des surfaces sont climatisées. 

Besoins thermiques pour l’eau chaude sanitaire

 Aujourd’hui en France, la consommation d’eau chaude sanitaire (ECS) représente 12,1 % de la consommation d’énergie finale des ménages selon l’ADEME. Cette agence évalue en moyenne à 850 kWh/an et par personne les besoins d’énergie pour l’ECS en France, avec des valeurs variant de 765 à 900 kWh/pers/an en fonction des zones climatiques. Comme pour le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire est majoritairement réalisée à partir de sources d’énergie fossile (Figure I-8), mais celle-ci risque d’être prochainement supplantée par la source électrique. Même si l’ECS reste nationalement une part relativement réduite de la consommation totale, elle est en passe de devenir l’un des premiers postes de consommation dans les bâtiments résidentiels neufs. C’est pourquoi il est également nécessaire de réduire les consommations d’eau chaude dans ces bâtiments, en agissant à plusieurs niveaux : • En limitant les besoins d’ECS : isolation des réseaux de distribution, réduction des pertes liées au stockage, réduction des débits, modification des comportements (prendre des douches au lieu de bains, etc.) ; • En améliorant la performance des systèmes de production d’ECS par l’intégration des énergies renouvelables et l’optimisation de la production. Chapitre I 11 Figure I-8 : Évolution de la répartition du parc de résidences principales selon l’énergie de production de l’ECS en France. Source : CEREN Il faut toutefois rappeler que ces actions ne doivent pas aller à l’encontre des aspects de sécurité sanitaire qui imposent de porter et maintenir l’eau à une température minimale 50°C pour limiter les développements bactériens tels que la légionelle, et à 60°C/65°C pour détruire les germes. 

Besoin d’usage spécifique en électricité 

Les usages spécifiques désignent les usages qui ne peuvent pas se faire à partir d’une autre source d’énergie que l’électricité, comme l’éclairage ou l’audiovisuel. La demande électrique du secteur résidentiel a beaucoup augmenté au cours des deux dernières décennies (+43%, voir Figure I-9). Alors qu’elle était de 13 kWh/m² par an en 1973, elle est passée à 30 kWh/(m².an) en 2011. Ce phénomène s’explique notamment par la progression des équipements électroménagers et bureautiques. Malgré une augmentation continue de l’efficacité énergétique des appareils électriques, la diversité d’appareils et surtout la baisse de leur coût ont entrainé une explosion de leur utilisation dans les ménages. Au total en 2016, la consommation électrique spécifique moyenne d’un ménage s’élève à 3208 kWh/an. Chapitre I 12 Figure I-9 : Évolution des consommations finales des résidences principales en France, par logement et selon l’usage. Extrait : Climat, Air, Energie 2015 [1] ; Sources : Données statistiques CEREN 2015 La répartition des usages spécifiques de l’électricité se fait de la façon suivante : 1. Froid : 23% 2. Audiovisuel : 20% 3. Informatique : 15% 4. Lavage : 15% 5. Divers (appareils électroménagers, veille) : 14% 6. Éclairage : 12% L’éclairage ne représente finalement que 12 % de la consommation électrique liée aux usages spécifiques, le premier poste de consommation d’électricité est le froid domestique (réfrigérateur, congélateur). Si en France la production d’électricité est majoritairement d’origine nucléaire, et donc décarbonée (hors extraction du minerai), dans le reste du monde celle-ci repose encore essentiellement sur les combustibles fossiles et est donc une source importante d’émission de CO2 supplémentaire. 2.3. La ressource solaire en France Aujourd’hui, les différents besoins identifiés précédemment sont essentiellement assurés par des énergies fossiles et fissiles via un système de distribution qui repose essentiellement sur la centralisation des moyens de production. Pourtant, une partie de ces besoins pourraient être produits localement via des sources d’énergie renouvelable que sont le soleil, le vent ou la géothermie, réduisant ainsi les pertes dues au transport ainsi que les émissions de gaz à effet de serre. Dans cette section, nous nous intéressons principalement à la ressource solaire qui a l’avantage d’être inépuisable et présente partout. Néanmoins elle reste inégalement répartie et est disponible de manière intermittente du fait des passages nuageux et des cycles jour/nuit. Pour le cas de la France on peut voir sur la Figure I-10 que l’irradiation globale horizontale annuelle moyenne est comprise entre 1100 et 1700 kWh/m² sur le territoire français. C’est donc une ressource non négligeable qui pourrait très bien assurer une partie des besoins du secteur résidentiel. Chapitre I 13 Figure I-10 : Moyenne annuelle de l’irradiation globale horizontale entre 1994 et 2013 en France, Source : Solargis. L’énergie solaire récupérable peut être encore augmentée en optimisant l’orientation et l’angle des surfaces de captation solaire. Si certains capteurs sont équipés de « trackers » permettant de suivre la course du soleil, les orientations fixes sont en général préférées, car moins complexes et moins couteuses. À titre d’exemple, si la moyenne annuelle de l’irradiation globale horizontale à Perpignan est de 1531 kWh/m², un capteur avec une inclinaison optimale de 42° et orienté plein Sud est susceptible de capter annuellement jusqu’à 1730 kWh/m². Enfin, si l’objectif est de maximiser la récupération d’énergie en hiver, un angle de 67°, toujours orienté plein sud permettra potentiellement de récupérer quotidiennement 3,33 kWh/m² en moyenne durant le mois de décembre, contre 2,92 kWh/m² avec un angle de 33° et seulement 1,67kWh/m² avec un capteur à l’horizontale. Ceci permet de mieux cerner l’importance de l’angle des capteurs solaires qu’ils soient thermiques ou photovoltaïques. Néanmoins, cette énergie ne peut être récupérée intégralement, il faut en effet tenir compte du rendement de captation. Pour un capteur photovoltaïque, il varie approximativement entre 5 et 16% et pour un collecteur thermique entre 50 et 70%. Par ailleurs, le caractère intermittent de cette ressource peut nécessiter l’utilisation d’un stockage, qui induira également des pertes. Il faut également rappeler que l’énergie solaire est tout à fait apte à assurer les besoins en froid. Les principales technologies de production de froid solaire sont : – l’utilisation d’une machine à compression mécanique de vapeur dont l’électricité nécessaire pour alimenter le compresseur est produite via des capteurs photovoltaïques ; – l’utilisation de procédés à sorption couplés à des capteurs solaires thermiques, l’exemple le plus répandu étant le cycle à absorption (plus amplement décrit dans la suite de ce chapitre). Chapitre I 14 Ces différentes technologies sont autant de moyens, dits actifs, pour répondre aux différents besoins du secteur résidentiel via l’énergie solaire. En plus de ces technologies, il existe également des moyens passifs pour valoriser l’énergie solaire, à condition d’intégrer cet aspect dès la conception de l’habitat. L’emploi des techniques d’écoconstruction ou d’architecture bioclimatique permet d’optimiser l’orientation de la maison, l’emplacement des ouvertures, la mise en place de casquettes, afin d’utiliser au mieux le soleil pour assurer l’éclairage naturel, mais également, de réduire les besoins de chauffage en hiver, tout en limitant les surchauffes inconfortables en été. L’utilisation de ces procédés de valorisation de l’énergie solaire qu’ils soient actifs ou passifs est de plus en plus utilisée et renforcée par les réglementations thermiques toujours plus contraignantes. Ils deviendront même indispensables avec la mise en place de la RT2020 qui imposera à partir de 2020 à tout bâtiment neuf qu’il soit à énergie positive, c’est à dire qui produisent plus d’énergie qu’ils n’en consomment annuellement. 3. Les différents procédés de cogénération et trigénération applicables à l’habitat Comme vu précédemment, le secteur résidentiel implique des besoins en chauffage, rafraîchissement ou électricité. Parmi les approches susceptibles de répondre à ces différents besoins tout en limitant l’impact environnemental les systèmes de micro-cogénération et trigénération sont de plus en plus mis en avant. Ces solutions présentent l’avantage de pouvoir subvenir aux besoins localement, avec une grande efficacité et à partir de sources d’énergie renouvelable. En effet la valorisation de chaleur inférieure à 100 °C est un secteur de recherche de plus en plus actif [5, 6, 7, 8 et 9], dans l’objectif de rendements plus intéressants pour ces différentes technologies. Néanmoins ces technologies peinent à s’imposer sur le marché en raison de leur prix d’achat encore trop important. Cette section a pour but de dresser un état de l’art des technologies de micro-cogénération et trigénération actuellement étudiées et commercialisées dans le secteur résidentiel et tertiaire, et plus précisément celles qui exploitent des sources d’énergie renouvelable. À ce jour, les procédés de trigénération sont encore très peu développés dans le secteur résidentiel. A contrario, les procédés de cogénération et de production de froid solaire commencent à émerger. Ces deux familles de procédés seront étudiées dans un premier temps. Dans un second temps nous étudierons les différents couplages possibles entre ces deux familles qui permettraient d’assurer par un même procédé la trigénération c’est-à-dire les trois besoins du secteur résidentiel que sont le chaud, le froid et l’électricité. 

Les technologies de production de chaleur et d’électricité (mCHP) 

La micro-cogénération aussi appelée mCHP pour « micro Combined Heat and Power » est la production simultanée à faible puissance (<30kW) de deux utilités énergétiques différentes par le même procédé. Le cas le plus fréquent est la production d’électricité et de chaleur, toujours à partir d’une même source d’énergie primaire, celle-ci pouvant être d’origine renouvelable ou fossile (gaz naturel, biomasse, solaire, etc.). La cogénération fait partie des techniques les plus efficaces énergétiquement, permettant d’atteindre un rendement global supérieur à 80%, bien que Chapitre I 15 le sens de ce rendement doive être considéré avec précaution. Ces rendements élevés deviennent possibles du fait de la valorisation d’une énergie généralement rejetée dans l’environnement, comme la chaleur. La cogénération représente de ce fait une véritable solution pour les économies d’énergie, car elle permet d’économiser de 15 à 30 % l’énergie primaire par rapport à une production séparée de ces mêmes quantités de chaleur et d’électricité. La micro-cogénération a de nombreux avantages, comme la possibilité de production décentralisée. La chaleur se transportant relativement mal sur de longues distances, la microcogénération permet de répondre au plus près aux besoins thermiques de l’habitat et de par sa production électrique de diminuer les pertes dues au transport de l’électricité et donc indirectement les émissions de CO2 qui lui sont associées [10]. La micro-cogénération permet également de réduire les pics de consommation sur le réseau national de distribution d’électricité notamment pendant l’hiver, ce qui a également pour effet de réduire indirectement les émissions de CO2. Différentes technologies de mCHP sont actuellement sérieusement étudiées pour l’habitat, tel que les moteurs à combustion interne [11], les micros turbines [12], les piles à combustible [13] et [14], les cycles Stirling [15] et [16] ou les cycles organiques de Rankine (ORC) [17, 18 et 19]. Certaines de ces technologies manquent encore de maturité tandis que d’autres sont déjà commercialisées [5]. Nous nous intéresserons dans les sections suivantes plus particulièrement aux technologies qui semblent les plus prometteuses et les plus à même de répondre aux besoins de l’habitat exploitant une ressource solaire à basse température. 

La pile à combustible 

La pile à combustible est une technologie qui exploite une réaction d’oxydoréduction (ou de combustion) le plus souvent de l’hydrogène, pour produire de l’électricité via un procédé électrochimique. La pile est alimentée en continu en hydrogène et en oxygène. L’hydrogène peut être produit à partir de gaz naturel, de méthanol, ou d’essence grâce à un procédé de reformage, mais il peut également être produit de façon renouvelable, grâce à la méthanisation ou l’électrolyse de l’eau. L’hydrogène est de plus en plus pressenti comme vecteur énergétique permettant le stockage du surplus de production d’électricité d’origine renouvelable. Cette technologie permet d’envisager des applications tant domestiques qu’industrielles, elle permet notamment d’atteindre des rendements électriques bien supérieurs à ceux des machines thermiques traditionnelles avec des rendements électriques allant jusqu’à 60% [14], voire plus sur des systèmes à haute température couplés à une turbine à vapeur, et ce avec des rejets de polluants moindres que ceux des machines thermodynamiques classiques. Certaines piles à combustible sont également réversibles, et peuvent donc produire leur propre carburant et le stocker lorsqu’elles ne sont pas utilisées en production. Néanmoins, ces machines sont généralement optimisées pour fonctionner dans un mode de production unique, de fait, le rendement des piles à combustible en fonctionnement réversible n’est pas le même en production d’électricité qu’en production d’hydrogène.