vignette|Un champ de capteurs solaires au Danemark au sein d'une centrale de chauffage solaire, permettant de récupérer l'énergie thermique du rayonnement solaire. L'énergie solaire thermique est l'énergie thermique du rayonnement solaire. Elle est captée dans le but d'échauffer un fluide (liquide ou gaz). L'énergie reçue par le fluide peut être ensuite utilisée directement (eau chaude sanitaire, chauffage) ou indirectement (production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir de l'énergie électrique, production de froid).
C'est ainsi une forme d'énergie solaire, émise par le Soleil sous forme de rayonnement. Une autre forme notable est l'énergie solaire photovoltaïque, qui utilise l'effet photoélectrique afin de transformer les photons émis par le Soleil en électricité.
Le capteur solaire thermique est un instrument utilisé pour transformer le rayonnement solaire en chaleur. Les principes physiques fondamentaux qui fondent cette production d'énergie sont notamment l'absorption et la conduction thermique. Dans le cas particulier des systèmes à concentration (centrale solaire thermodynamique, four solaire), la réflexion joue aussi un rôle important.
Le solaire thermique se développe, malgré un net ralentissement depuis 2014. La Chine représente à elle seule 72,8 % de la puissance installée des capteurs, mais en puissance par habitant elle est dépassée par sept pays, dont Chypre, Israël, l'Autriche, la Grèce et l'Australie.
Histoire
vignette|Tableau de Parigi (1600) illustrant la défense de Syracuse par Archimède. La première utilisation non passive répertoriée de l'énergie solaire thermique par l'Homme remonte à quand Archimède concentra l'énergie du soleil afin d'enflammer les navires romains assiégeant Syracuse. Des scientifiques ont cependant ensuite mis en doute la faisabilité technique d'une telle méthode.. Plus de plus tard, en 1561, Adam Lonitzer évoque un procédé utilisé par les alchimistes utilisant l'énergie du soleil concentrée dans le but d'élaborer des parfums.
En , la pompe solaire de Salomon de Caus utilise des lentilles pour chauffer un récipient rempli d'un mélange air-eau. Cette invention est considérée comme étant la première utilisation de l'énergie solaire depuis l'époque classique.
Dans les années 1780, H. B. de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du Soleil, qu'il nomme « héliothermomètre », il utilise l’effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d’un absorbeur dans un caisson isolé ; il crée ainsi les premiers capteurs solaires thermiques à basse température.
En 1865, Augustin Mouchot construit le premier moteur solaire composé d'un récepteur conique muni d'un récipient métallique noirci recouvert d'un mince bocal en verre transparent dans sa ligne focale.
En 1868, John Ericsson, inventeur suédois, construit lui aussi plusieurs moteurs solaires, qui fonctionnent soit à la vapeur, soit en association avec son moteur à air chaud (ou moteur calorique).
En 1893, le physicien britannique James Dewar découvre l'effet thermos selon le principe d’un récipient à deux parois séparées par un vide d'air, assurant une isolation quasi parfaite. Le principe de la bouteille isotherme permet par la suite le développement des deux types de capteurs solaires thermiques à tubes sous vide existant, l'un par circulation directe, l'autre par caloduc.
Dans les années 1910, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie. Après une période essentiellement consacrée au développement de l'énergie hydraulique, les essais de développement industriel de centrales solaires thermiques ont été couronnés d'un succès technique, mais non économique, car arrivant au moment où le prix du pétrole diminuait à nouveau..
Néanmoins, depuis les années 1970 et 1980, son développement prend du retard alors que le développement de l'énergie solaire photovoltaïque est favorisé. Dès lors, seules de petites unités de solaire thermique (chauffe-eau individuel ou de petites collectivités, piscines) sont fonctionnelles, hors le solaire thermique lourd destiné à produire de l'électricité.
Intérêt du solaire thermique
Le captage de l'énergie solaire thermique a plusieurs avantages. En ce qui concerne le chauffage, les capteurs destinés au chauffage sont relativement simples, rustiques et durables.
Concernant l'électricité, les systèmes de turbine à vapeur classiquement utilisés reposent sur des composants parfaitement sûrs et éprouvés. Dans les zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermodynamique est au Maroc amortie au niveau énergétique en cinq moisÉtude comparative du Ministère fédéral allemand de l'environnement (BMU), citée par Terre et Finance. (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage), ce qui est comparable à l'éolien (quatre à sept mois), mais bien plus rapide que les modules photovoltaïques en silicium (qui nécessitent en 2009 trois à cinq ans pour rembourser leur « dette énergétique », mais qui nécessiteront moins de frais et de travail pour leur entretien et fonctionnement). Enfin, un fort potentiel de développement est disponible dans plusieurs pays en développement, qui présentent un impact a priori modéré sur l'environnement (déserts, zones arides). Selon le DLR, une capacité de plus de est réaliste en Europe, tandis qu'elle serait de pour toute la planète citant ..
Dans le domaine de la purification de l'eau, le distillateur solaire peut fournir de l'eau potable en suffisance dans les zones tropicales et subtropicales.
Statistiques + Capacité solaire thermique par pays en 2020 Pays Puissance installée(GWth) Surface de capteurs(millions m²) % 2020 364,0 520,0 72,8 % 18,4 26,3 3,7 % 18,2 26,0 3,6 % 13,9 19,9 2,8 % 13,1 18,7 2,6 % 11,5 16,4 2,3 % 6,8 9,7 1,4 % 3,6 5,1 0,7 % 3,5 5,0 0,7 % 3,5 4,9 0,7 % 3,4 4,9 0,7 % 3,4 4,9 0,7 % 3,3 4,7 0,7 % 2,4 3,4 0,5 % 2,1 3,0 0,4 % 1,7 2,5 0,3 % 1,6 2,3 0,3 % Monde 500,2 714,6 100 % Le marché a connu une croissance exponentielle de 2000 à 2008, année où son taux de croissance a atteint un record de 34 %. Ce taux a décru très rapidement jusqu'à 2014, où il a chuté à -16 %. Le recul a ensuite ralenti, mais le taux reste encore négatif en 2020 (-6 %). Le volume des installations annuelles a culminé en 2013 à , puis a décru rapidement pour tomber à en 2020.
Les dix pays les plus équipés en solaire thermiques étaient en 2020 : + Pays les plus équipés en solaire thermique en 2020 (capteurs vitrés) Pays Puissance installée( par habitant) 600 460 395 370 329 274 259 225 222 161
En France, le solaire thermique peine à se développer : la surface installée de capteurs thermiques n'est que de (millions de mètres carrés) en 2018, soit , au européen, loin derrière l'Allemagne, avec , suivie par l'Autriche, la Grèce, l'Espagne et l'Italie, et au en surface installée par habitantEurObserv'ER Baromètres solaire thermique et thermodynamique 2019, juin 2019, p. 11-12.. Mais le secteur semble connaître, comme dans de nombreux autres pays, une renaissance sous la forme de grandes installations, qu'elles soient raccordées à des réseaux de chaleur urbains, ou qu'elles livrent les grandes quantités de chaleur que réclament les process industriels« Focus sur les grandes installations », Le journal des énergies renouvelables, édition spéciale d'octobre 2019 ..
Capteurs solaires thermiques
vignette|Capteur solaire thermique, Santorin. Le capteur solaire thermique est conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la communiquer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur.
Les différents types de capteurs se différencient principalement par la plage de température sur laquelle ils sont utilisés. Les capteurs non-vitrés sont optimaux pour les applications très basse température (chauffage de piscine principalement). Viennent ensuite les capteurs plans vitrés, qui peuvent être utilisés pour la production d'eau chaude sanitaire ou pour le chauffage de bâtiments. Les capteurs tubulaires sous vide sont eux plus adaptés pour des températures plus élevées (supérieures à ). Pour des températures encore plus élevées (au-delà de ), des systèmes à concentration sont normalement utilisés (miroir cylindro-parabolique, capteur linéaire de Fresnel, réflecteur parabolique tel que le réflecteur de Scheffler, tour solaire).
Capteurs à air circulant, intégrés aux murs et toitures Quand il est intégré à la paroi (façade ou toiture) un tel capteur peut assumer différentes fonctions architecturales (paroi, décor, source d'ombre, mur anti-bruit), fournir de la chaleur et récupérer une partie des déperditions de chaleur du bâtiment lui-même.
De tels systèmes sont actuellement utilisés individuellement, mais présentent des potentialités d'intégration dans les écoquartiers, comme mur antibruit, dans la rénovation énergétique ou dans le neuf au travers et dans les approches de type réseau électrique intelligent, réseaux énergétiques collaboratifs tels que proposés par la TRI (troisième révolution industrielle notamment promue par Jeremy Rifkin).
En été, la nuit les panneaux peuvent collecter de l’air plus frais et, le jour, selon les fabricantsA titre d'exemple : solarwall (consulté le 10 février 2014)., la structure joue le rôle d’un « surisolant » limitant l’échauffement ; ainsi de SolarWall économiseraient une tonne de rejet de par an en moyenne.
Le jeudi , ArcelorMittal annonce qu’il produira en France (à Haironville, en Moselle) les capteurs (plats ou incurvés) en acier des murs et toitures solaires du système de chauffage d’air SolarWall, qui est une à poser sur les bâtiments (orientation Sud Est - Sud - Sud-Ouest) pour économiser 20 à 50 % des besoins classiques en énergie. La mise sur le marché européen de ce produit et concept développé par le groupe canadien Conserval Engineering est prévue dès 2014. Les capteurs conçus sur mesure sont adaptés au chauffage individuel ou collectif, au séchage industriel et agricole et doivent être installés par des bardeurs/couvreurs ou étancheurs. Leur durée de vie prévue est de sans maintenance. Ils sont reconnus par le système d’écocertification LEEDSolar wal et écocertification LEED, SolarWall. (procurant jusqu’à dix « points LEED »).
Chauffe-eau et chauffage solaire
upright|vignette|Chauffe-eau solaire. À l'échelle d'une habitation individuelle ou collective, il est possible d'installer un chauffe-eau solaire ou un chauffage solaire : des capteurs vitrés sont installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur chauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un réservoir d'eau ou dans le dispositif appelé plancher solaire direct (PSD), intégré à une dalle de sol.
Ce procédé permet de couvrir deux tiers à trois quarts des besoins annuels en eau chaude (en France) et d'apporter éventuellement un complément important au chauffage (installation dite système solaire combiné, SSC). La réglementation thermique 2012 (RT 2012) a fait évoluer l'utilisation des énergies renouvelables (EnR) pour la construction neuve. Toute maison individuelle doit depuis utiliser une EnR. À ce titre, un nouveau type de chauffe-eau solaire individuel (CESI) minimaliste est proposé, de dimensions réduites au minimum (capteur de et ballon de ) et à coût réduitLe CESI optimisé, des performances au rendez-vous, sur Xpair, mai 2014..
Dans le logement collectif, l'utilisation du solaire trouve également toute son utilité pour produire prioritairement l'eau chaude sanitaireInstallations Solaires Collectives pour l’ECS, Xpair..
Il existe aussi des centrales de chauffage solaire, fonctionnant sur le même principe que le chauffage solaire individuel, mais à plus grande échelle. L'eau chaude produite est ensuite distribuée via des réseaux de chaleurs.
Rafraîchissement solaire