Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (du 5 au 13 octobre 2019 en France et du 9 au 17 novembre à l'étranger et à l'international) dont The Conversation France est partenaire. Le thème de cette nouvelle édition est "A demain, dis à la science, imagine l'avenir". Retrouvez tous les débats et événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.

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2019 serait-elle l'année de la libération de l'autoconsommation? Telle est en tout cas l'hypothèse formulée dans son dernier numéro spécial par le Journal photovoltaïque. Si l'installation de panneaux solaires s'est développée grâce à un prix de revente attractif, nous atteignons désormais la parité du réseau, c'est-à-dire la situation dans laquelle le prix de l'électricité renouvelable rencontre celui du réseau national électrique.

L'autoconsommation représente déjà 90% des nouvelles demandes connecter les producteurs d'électricité de faible puissance alors que la loi régissant cette pratique ne date que de 2017.

Il semble donc que les producteurs individuels d'électricité préfèrent aujourd'hui consommer de l'énergie plutôt que de la vendre. Cependant, le taux d'autoconsommation annuel dépasse rarement 20 à 30% en raison du décalage entre la production solaire et notre consommation d'électricité. C’est pourquoi leAdeme vous encourage à conserver un contrat de revente afin de disposer de votre surplus. L'agence considère également que le stockage, qui permet par exemple de consommer le soir la production de la journée, n'est pas économiquement rentable en raison du coût des batteries. Quant à l'autonomie, elle semble aujourd'hui impossible car elle nécessiterait des capacités de stockage gigantesques.

En Allemagne cependant, pays où la parité du réseau a été atteinte en 2012, la moitié des nouvelles petites et moyennes installations ont été installées avec une batterie. Les taux d'autoconsommation peuvent alors atteindre un maximum de 70%. Cependant, le rêve d'une maison entièrement autonome semble encore loin. Comment imaginer un logement complètement déconnecté du réseau électrique, où tous les besoins énergétiques seraient couverts par des ressources renouvelables?

Pari réussi de Hans Nilsson

En Suède, un pionnier s'est lancé dans ce projet fou. Ingénieur à la retraite, Hans Nilsson vit confortablement dans la banlieue de Göteborg dans une maison complètement indépendante.

Couverte de panneaux solaires, sa maison fonctionne en toute indépendance, à la fois pour l'électricité et pour le chauffage, et cela depuis déjà quatre ans – l'aventure a commencé en mars 2015. Réaliser un tel exploit en Suède, le pays où les besoins sont énergétiques explose en hiver, avec des températures tombant régulièrement en dessous de 0 ° C et un ensoleillement rare, apparaît particulièrement remarquable.

Ces difficultés le motivent sans doute d'ailleurs. Aujourd'hui, son concept vertueux de RE8760, pour "Énergie renouvelable" pour 8760 h, c'est-à-dire toute l'année, est l'inspiration de nombreux projets de construction.

Mais comment fonctionne cette maison?

160 m² panneaux solaires

On pense généralement que l'autoconsommation est impossible toute l'année. L'hiver, la période où les besoins énergétiques sont les plus importants, coïncide précisément avec une irradiation solaire minimale.

M. Nilsson aime évidemment les défis, car la surface de sa maison est d'environ 500 m² ! Si cette taille pèse sur la consommation du bâtiment, elle constitue en retour un atout qui permet l'installation d'une grande quantité de panneaux solaires: 140 m² sur le toit et sur la façade photovoltaïque pour la production d'électricité et 20 m² panneaux solaires thermiques supplémentaires pour la production d'eau chaude.

Une telle surface semble gigantesque pour une maison simple. Généralement, on parle d'installer des panneaux solaires sur 20 à 30 m². Ici, cependant, l'objectif n'est pas de revendre l'électricité produite sur le réseau local, mais de la consommer vous-même. Et la faible ressource solaire suédoise doit être compensée par une surface plus grande.

La production de son installation s'élève à environ 22 000 kWh d'électricité par an : une quantité largement suffisante pour la maison de M. Nilsson. Bien sûr, une grande partie de cette production a lieu en été, au milieu de la journée, lorsque les besoins sont les plus bas. Et c'est là que réside l'ingéniosité de M. Nilsson: il parvient à stocker plus des deux tiers de sa production, ce qui lui suffit pour résister à l'hiver en Suède.

Un ingénieux système de stockage

Il a mis en place un système complexe pour cela. Il repose principalement sur l'électrolyse de l'eau – qui produit de l'hydrogène à partir de l'électricité excédentaire – et une pile à combustible – qui utilise l'hydrogène stocké pour produire de l'électricité. À l'appui, le système comprend des batteries plomb-silicium chimiques – un matériau plus lourd mais moins cher que le lithium – dont la capacité atteint 144 kWh.

Au Conseil Chauffage, cette capacité électrochimique correspond à peu près à trois batteries de voitures électriques, comme la Renault Zoé, et permet une autonomie électrique d'environ cinq jours. Dès que les batteries sont chargées, le surplus de production photovoltaïque estivale permet le démarrage de l'électrolyse.

Bien sûr, comme pour toute transformation d'énergie, cela génère des pertes. Seulement 60% de l'énergie électrique est finalement stockée sous forme d'hydrogène. Au cours des six meilleurs mois de l'année, la maison de M. Nilsson ne fonctionne donc qu'avec des panneaux photovoltaïques et des batteries chimiques, et les stocks d'hydrogène ne s'accumulent que pendant cette période.

L'un des inconvénients de l'hydrogène est qu'il est très volumineux. Une partie de l'électricité est donc utilisée pour comprimer le gaz à 300 bars, ce qui a contraint M. Nilsson à investir dans une grande capacité de stockage. Il produit plus de 3 000 Nm³ d'hydrogène à partir de 15 000 kWh surplus électrique.

Au cours des six autres mois de l'année, une grande partie des besoins énergétiques de la maison est satisfaite par l'énergie produite par une pile à combustible à hydrogène. M. Nilsson a d'abord utilisé un prototype spécialement développé avec un Société suédoise.

Désormais, ce type d'installation est déployé sur le marché du logement domestique. Une pile à combustible à hydrogène produit presque autant de chaleur que d'électricité. Cela peut être vu comme une perte d'efficacité, mais dans ce cas, M. Nilsson en profite pour faire de la cogénération à domicile, c'est-à-dire alimenter à la fois son système électrique et son système de chauffage.

Pas exempt de critiques

Comme dans de nombreuses maisons suédoises modernes, l'isolation est parfaite et le chauffage au sol est alimenté par une pompe à chaleur géothermique, qui puise des calories à plus de 180 mètres de profondeur. Cependant, il ne fonctionne que pendant les périodes les plus sombres et les plus froides de l'année, lorsque la chaleur fournie par les panneaux solaires thermiques et la pile à hydrogène est insuffisante pour maintenir une température confortable dans la maison.

Enfin, M. Nilsson ne transforme que 2000 Nm³ de l'hydrogène en électricité, soit 2/3 de sa production. Il prévoit d'utiliser le reste pour alimenter une voiture à hydrogène. Mais lui et sa femme ont déjà deux petites voitures électriques rechargées avec le surplus de la maison. La voiture à hydrogène à plus longue portée sera utilisée pour les longs trajets.

Pour le dire simplement, on peut dire que la maison de M. Nilsson fonctionne en été grâce au soleil le jour et aux batteries la nuit puis en hiver grâce à l'hydrogène et à la pompe à chaleur.

Les visiteurs affluent vers sa porte et il a même reçu le ministre suédois de l'Énergie. Si la fascination domine, certaines critiques sont récurrentes: le rendement est insuffisant et les coûts trop élevés! À quoi l'ingénieur rétorque que celui d'un moteur à combustion interne n'est pas mieux. Quant au prix, il a répondu que son système de stockage reste beaucoup moins cher qu'avec des batteries chimiques dont les capacités sont trop faibles. Mais il admet que tout son système d'électricité et de chauffage était très cher – environ 100 000 euros.

À ses yeux, son installation est certainement inabordable pour la plupart des propriétaires, mais le marketing n'en est qu'à ses débuts. Il pense que les prix vont baisser avec l'augmentation des volumes. Quant à sa facture énergétique, elle est désormais nulle …

Une source d'inspiration ailleurs en Suède

Hans Nilsson a démontré la faisabilité de son système, en utilisant uniquement les techniques et produits existants. Son objectif maintenant? Inspirez autant de personnes que possible. Il a donc mesuré et enregistré l'ensemble de ses productions et consommations depuis le début de son aventure, avec l'aide d'une équipe de Université de Luleå.

Non loin de son domicile, la commune de Vårgårda a décidé de rendre autosuffisant un ensemble résidentiel de 172 logements. Au départ, il s'agissait de rénover des maisons des années 1970 en les isolant pour améliorer leur efficacité énergétique. De plus, une importante subvention de la région était prévue pour l'installation de panneaux photovoltaïques. Notant que les maisons consommeraient une très petite quantité d'énergie, l'idée est venue de les rendre autonomes sur le principe de la maison de M. Nilsson.

Ce dernier a également inspiré le projet ZeroSun dont le slogan est: si nous pouvons le faire ici, nous pouvons le faire n'importe où. L'idée est de construire une maison standard indépendante dans la région de Skellefteå à la lisière de la Laponie, où les hivers sont particulièrement sombres et rudes.

L'exploit de l'ingénieur suédois a finalement fait exploser l'idée à la ville de Mariestad de la première station-service où l'hydrogène est produit sur site à partir de panneaux photovoltaïques.

Quelles raisons vous ont poussé à vous intéresser à ce projet plus qu'à tout autre?

En 2016, 42% de l'énergie consommée en France a été utilisée pour le chauffage, notamment pour le chauffage domestique et la fusion du métal dans les aciéries, par exemple. Dans le même temps, les constructions actuelles utilisent de plus en plus rapidement la climatisation, même en dehors de la canicule. Ils consomment donc beaucoup d'énergie avec de graves conséquences environnementales pendant la période la plus critique de l'année. Il s'agit donc d'un enjeu majeur de la transition énergétique dans lequel nous devrons être actifs en tant qu'ingénieurs une fois diplômés.

De plus, il s'agit d'un projet novateur qui utilise des composants existants simples et bien connus (pompes à chaleur, réservoirs, puits canadiens, etc.) pour créer un système complexe qui répond à de nombreux problèmes de chauffage domestique. Le système permet de multiplier les avantages de chacun des composants pour qu'au final, l'assemblage soit plus efficace que la simple somme de ses composants. C'est un concept que je trouve particulièrement intéressant: utiliser ce qui existe aujourd'hui pour construire les objets de demain.

Quels sont, selon vous, les principaux avantages de ce système?

Le système est vraiment très complet: il permet de chauffer efficacement une voire plusieurs habitations ainsi que leur eau sanitaire tout en préservant une bonne qualité de l'air dans l'habitation et en restant respectueux de l'environnement. La chaleur de l'habitation est utilisée pour chauffer l'air frais entrant et ce recyclage thermique est plus important qu'avec les VMC actuels (ventilation mécanique contrôlée). Il est également important de stocker la chaleur lorsqu'elle est disponible pour réduire la consommation d'énergie en hiver.

Concrètement, comment cela se traduit-il?

Une ventilation filtrée et continue dilue la pollution dès son apparition, sans perte de chaleur en hiver et sans augmentation de chaleur en été, ce qui assure un air sain à la maison; Les composants consomment de l'électricité mais n'émettent aucun gaz à effet de serre, ce qui en fait un système de chauffage propre et respectueux de l'environnement. Toute la production de chaleur, même utile pour le chauffage des maisons, se retrouve dans l'environnement et le réchauffe.