Autonome en énergie, la maison du futur

Autonome en énergie, la maison du futur
Pour les sources d'énergie fluctuantes telles que le photovoltaïque (PV), la synchronisation entre
production et consommation n'est que partiellement possible. Des études indépendantes annoncent
une part de consommation propre moyenne possible de 30 pour cent, lorsque l'installation PV couvre
quasiment le besoin énergétique d'un foyer. Afin d'augmenter cette part de manière significative, il faut
pouvoir stocker l'énergie produite en surplus. Grâce au concept énergétique décrit ici, cette part peut
atteindre 100 pour cent. Une alimentation électrique et énergétique totalement autonome chez soi est
ainsi possible aujourd'hui. Pour la première fois sur un site Fronius en Autriche, ce concept se
concrétise.
Le challenge à relever
En principe, le stockage d'énergies renouvelables peut intervenir à plusieurs niveaux. Des concepts centraux
font actuellement l'objet de discussions en Europe. L'idée de base repose sur de grands champs éoliens
offshore au nord, des installations PV centrales au sud et de grandes centrales électriques à accumulation par
pompage, p. ex. dans les Alpes. [European Commission (2010), Energy infrastructure priorities for 2020 and
beyond]. De tels concepts sont très controversés, car ils entraîneraient la construction de nombreux réseaux de
transport supplémentaires qui nécessiteraient la mobilisation de grandes surfaces et d'énormes moyens
financiers. Le stockage décentralisé sur site est une solution alternative.
La Fronius Energy Cell met en pratique cette idée de décentralisation au niveau de la maison individuelle, afin
de produire l'énergie là où elle est consommée. Un autre avantage réside dans la possibilité de récupérer la
chaleur dégagée par les réactions de conversion, pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire et de la maison.
On peut ainsi atteindre un rendement global optimal. Dans les centrales conventionnelles, la chaleur dégagée
ne trouve généralement aucun débouché sur site, car les coûts de structure sont trop élevés et la construction
des réseaux de chauffage abandonnée.
La solution
Pendant la journée et avec un rayonnement solaire suffisant, les consommateurs électriques peuvent être
alimentés directement via l'onduleur PV. La surproduction de courant peut être utilisée de diverses manières.
D'une part en chargeant des batteries qui restituent l'énergie nécessaire le soir et la nuit (stockage à court
terme). D'autre part, la surproduction des mois d'été alimente un électrolyseur dans l'Energy Cell de Fronius.
Celui-ci produit de l'hydrogène qui est stocké dans un réservoir externe.
Durant l'hiver, l'hydrogène stocké est reconverti en courant grâce à la fonction pile à combustible de la Fronius
Energy Cell (stockage à long terme). La chaleur générée par les process de conversion de l'Energy Cell est
récupérée dans un ballon d'eau chaude pour un usage sanitaire ou chauffage d'appoint. Le système de gestion
de l'énergie, dans l'habitation, optimise son utilisation et sa distribution en énergie. La maison du futur de
Fronius fonctionne ainsi en totale autonomie énergétique, 100 pour cent de l'énergie étant produite à partir du
photovoltaïque et disponible à tout instant.
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Fig. 1 : Le concept Energy Cell de Fronius
La réalisation
Un projet pilote, pour la première fois sur notre site en Autriche, illustre parfaitement notre concept.
Les critères initiaux retenus sont les suivants :
/ Un foyer de 4 personnes en Europe centrale.
/ Un couplage au réseau public existant.
/ Surface d'habitation : 170 m².
/ Besoin énergétique en électricité (sans pompe à chaleur) : 3.000 kWh/a - efficacité énergétique des
ménages.
/ Besoin énergétique en chauffage : 2.500 kWh/a ; 15 kWh/(m² a), maison à faible consommation d'énergie
selon la directive EU sur la performance énergétique des bâtiments.
/ Besoin en eau chaude : 1.500 kWh/a (25 par jour et par personne).
/ Rendement PV : 6.000 kWh/a ; correspond à une installation PV de 60 m² environ.
/ Comportement des utilisateurs et flux d'énergie : les rapports suivants ont été retenus pour la répartition du
rendement PV : ⅓ pour la consommation directe, ⅓ pour le stockage à court terme, ⅓ pour le stockage à long
terme.
L'ensemble est concentré dans un local d'installation (environ 11 m²) et un local pour le réservoir à hydrogène
(7,4 m²).
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Fig. 2 : Plan détaillé
Une capacité de stockage "court terme" de 10 kWh est suffisante. Pour obtenir des valeurs de comparatives,
nous avons testé des batteries au plomb et au lithium. Le stockage à long terme est rendu possible par la
Fronius Energy Cell en qualité de convertisseur énergétique et un réservoir d'hydrogène d'une capacité de
1.200 kWh. Le réservoir est formé de quatre éléments de douze bouteilles en acier de 50 litres à une pression
d'environ 200 bar. Ce type de stockage correspond à l'état actuel de la technique et a fait ses preuves dans
l'industrie depuis des décennies.
Caractéristique essentielles de la Fronius Energy Cell :
/ Rendement total en tenant compte de l'utilisation de la chaleur dégagée : > 80%.
/ Température de chaleur dégagée : jusqu'à 80°C
/ L'utilisation de la chaleur dégagée par l'Energy Cell permet de couvrir plus de 2/3 du besoin annuel d'eau
chaude.
D'importantes synergies sont générées par la combinaison des deux technologies de stockage : Le stockage à
court terme assure le bon rendement électrique de l'installation et les batteries permettent aussi de couvrir des
besoins ponctuels de pics de puissance.
L'hydrogène permet de stocker efficacement l'énergie pour de longues périodes dans un volume très réduit,
pour la restituer ensuite en courant électrique et en chaleur.
L'installation requiert également un système de traitement qui déionise l'eau alimentant l'électrolyseur et un
réservoir tampond'eau chaude. Ces deux équipements permettent de récupérer la chaleur dégagée par la
Fronius Energy Cell. L'onduleur relie le générateur PV, avec le réseau de courant alternatif et les unités de
stockage.
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Energy Management
L'efficacité énergétique optimale dans un bâtiment exige toujours le contrôle simultané de tous les flux
d'énergie intervenant dans la maison. Ceux-ci sont orientés vers l'endroit de la maison où ils sont nécessaires.
En s'appuyant sur le système d'automatisation EY-Modulo de la société Fr. Sauter AG à Bâle, le système de
gestion de l'énergie exécute cette tâche de manière autonome en saisissant les besoins thermiques et
électriques au sein de la maison et en veillant à une mise à disposition en fonction des besoins.
Cette stratégie de régulation visant à mieux tirer profit des rendements de l'installation photovoltaïque permet
au logement d'atteindre un niveau d'autonomie très élevé. Grâce à une possibilité de couplage du gestionnaire
d'énergie au futur réseau électrique intelligent, d'autres applications sont désormais rapidement envisageables,
p. ex.le fournisseur d'électricité peut piloter à distance ces unités de stockage d'énergie décentralisés, afin de
réduire les variations de charge du réseau, voire même les échanges d'électricité privés.
Fig. 3 : Energy Management flux d'énergie
C'est le compteur bidirectionnel du réseau électrique public (Smart Meter) qui permet la régulation des flux
d'énergie interne au logement. Il détecte les changements de charge en temps réel dans la maison et demande
à l'Energie Management de couvrir tout besoin supplémentaire via les éléments stockages à court terme et
moyen terme. De même, lors de surcapacités solaires, l'Energy Management analyse la continuité du
rendement solaire, et décide quels éléments de stockage seront chargés en priorité, puis, lorsqu'ils sont plein,
de commencer l'injection dans le réseau.
L'approche est totalement différente en ce qui concerne la gestion de l'eau sanitaire et l'eau du chauffage :
La chaleur dégagée par la Fronius Energy Cell ne peut couvrir tous les besoins énergétiques du logement. Il
faudra donc intégrer un générateur de chaleur supplémentaire dans le système de gestion de l'énergie Sauter.
Si on ajoute une pompe à chaleur au système d'Energy management, celui-ci va analyser toutes les
informations de température et de consommation, et déterminer la quantité et la température d'eau chaude à
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demander à la pompe. On peut aussi envisager d'intégrer un poêle à pellets ou une chaudière à hydrogène,
cela nécessite simplement de pouvoir récupérer les données de température et de débit.
Cette régulation interne efficace des deux flux d'énergie est basée sur une bonne communication entre
capteurs et régulateurs. Pour cette raison, le système Sauter de gestion de l'énergie est principalement équipé
d'interfaces susceptibles d'adaptation, telles que Powerline et radio. Une interface LAN avec serveur Internet
complète la visualisation, sans câbles ou non, de toutes les données d'utilisateurs internes de la maison. Un
serveur Cloud supplémentaire propose également un accès externe aux données, permettant une assistance
par télémaintenance.
Il est même possible en cas de besoin de gérer les consommateurs les plus anciens via un adaptateur de prise
murale.
Conclusion
Ce concept permet de tirer encore mieux profit des performances du photovoltaïque. Le photovoltaïque permet
désormais une autonomie annuelle en électricité et en chauffage. Le prochain défi à relever afin de développer
le marché du résidentiel est de réduire les coûts de ce système. Mais on peut déjà proposer ce système pour
les sites isolés.
Les politiques gouvernementales et l'évolution du tarif de l'énergie seront les
facteurs importants du développement de ce marché.
Caractères (avec espaces) : 7 786
Mots : 1 124
Michael Schubert, DI, Sales Development Solar Electronics, Fronius International
GmbH. (Crédit photographique : Fronius International GmbH, publication sans
honoraires.)
Thomas Laux, DI, Manager OEM Sauter Group, Fr. Sauter AG à Bâle (Crédit photographique : Fr.
Sauter AG, publication sans honoraires.)
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Fronius International GmbH
Fronius International est une entreprise autrichienne dont le siège est situé à Pettenbach et qui possède
d'autres sites à Wels, Thalheim et Sattledt. La société exerce ses activités avec 3 250 collaborateurs dans les
divisions Chargeurs de Batteries, Techniques de Soudage et Électronique Solaire. Fronius exporte environ
95 pour cent de son chiffre d'affaires grâce à ses 17 filiales internationales et ses partenaires de
ventes/représentants présents dans plus de 60 pays. Au cours de l'exercice 2010, le chiffre d'affaires global de
la société s'est élevé à 499 millions d'euros. Des produits exceptionnels, un service hors pair, ainsi que
737 brevets actifs font de Fronius un leader technologique sur le marché mondial. 392 collaborateurs travaillent
dans la recherche et le développement.
Fr. Sauter AG (Bâle)
Implanté en Suisse, le groupe SAUTER fait partie, dans de nombreuses parties du monde, des sociétés
leaders dans le domaine de l'automatisation des bâtiments et de l'intégration système. En sa qualité de
spécialiste, SAUTER développe, produit et distribue des solutions efficaces pour la gestion énergétique des
bâtiments. Il mène de nombreux projets renommés dans les secteurs bâtiments administratifs, organismes de
recherche et de formation, hôpitaux, bâtiments industriels et laboratoires, aéroports, installations de loisir et
hôtels. Les quatre divisions de la société : Systems, Components, Services et Facility Management démontrent
sa grande compétence en matière de management de l'énergie des bâtiments. SAUTER crée des espaces de
vie pour le futur.
Informations :
Auteur :
Michael Schubert, DI, +43 7242 241 5599, [email protected], Froniusplatz 1, 4600 Wels, Autriche.
Thomas Laux, DI, +41 79 366 9907, [email protected], Im Surinam 55, 4016, Bâle, Suisse.
Presse spécialisée :
Mag. Andrea Schartner, +43 664 88536765, [email protected], Froniusplatz 1, 4600 Wels,
Autriche.
Dorothée Kössler, +41 61 6955-225, [email protected], Im Surinam 55, 4016 Bâle, Suisse.
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