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Énergie solaire directe : hors réseau, sans batteries

Wed, 24 Jan 2024 00:00:00 +0000

Image : un ordinateur portable alimenté par énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Les installations solaires classiques ne remettent pas en cause notre dépendance aux énergies fossiles et le mode de vie énergivore qu’elles génèrent. Peu importe le temps qu’il fait, les panneaux solaires sur nos toits ou dans d’immenses centrales nous fournissent toute l’énergie qu’il nous faut, dans la mesure où ces systèmes utilisent le réseau électrique général. Alimenté en grande partie par des énergies fossiles, il agit comme une batterie et nous évite les coupures de courant.

Bien que les panneaux solaires, reliés au réseau général, permettent une réduction de la consommation en énergie fossile des centrales thermiques, les économies ainsi réalisées sont partiellement contrebalancées par la même énergie fossile nécessaire à la construction et à l’entretien de ce qui est en réalité une infrastructure à double énergie. La combinaison de la production éolienne et solaire permettrait d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le réseau, mais il faudrait adapter davantage les infrastructures, ce qui demanderait beaucoup d’énergie, de temps et d’argent.

La même problématique se pose lorsqu’il s’agit de remplacer les centrales à énergies fossiles par des solutions de stockage, dans le but d’emmagasiner le surplus d’énergie produit au cours des journées à fort ensoleillement, afin de le restituer lorsqu’il y en a moins. Les systèmes de stockage d’énergie, reliés au réseau général ou aux ménages de particuliers (systèmes hors réseau), sont en effet très coûteux financièrement. De plus, leur construction et leur entretien génèrent une quantité considérable d’émissions de carbone.

Installations solaires autonomes

La production de panneaux solaires entraîne bien sûr un coût financier et énergétique. Cependant, ce coût est moindre face à celui associé aux équipements complémentaires. Dans le cas d’installations reliées au réseau, il est difficile d’estimer précisément ces dépenses, mais en ce qui concerne les installations autonomes (non reliées au réseau et disposant de leurs propres systèmes de stockage), la tâche est plus facile. Prenons donc comme exemple le petit dispositif solaire autonome alimentant mon salon à Barcelone.

Ce système se compose de deux panneaux solaires de 50 W installés sur le balcon, d’une batterie au plomb de 100 Ah et d’un régulateur de charge de 10 A. L’énergie produite est notamment utilisée pour l’éclairage et le système audio ainsi que pour charger des appareils électroniques comme des ordinateurs portables. L’investissement financier initial a été de 340 euros : 120 euros pour les panneaux solaires, 170 euros pour la batterie et 50 euros pour le régulateur de charge.

Cependant, même si les panneaux solaires devraient tenir 30 ans et le régulateur 10 ans, je dois quand même changer la batterie au plomb tous les 3 à 5 ans. ¹ Sur 30 ans, les coûts s’élèvent à 120 euros pour les panneaux, 150 euros pour les régulateurs et dans le meilleur des cas 1 020 euros pour les batteries. Les batteries (et les régulateurs de charge associés) représentent donc 90 % des coûts du cycle de vie.

Le système de stockage représente aussi la majorité de l’énergie « intégrée » au système (et les émissions carbone associées). Il faut 1 200 mégajoules (MJ) d’énergie pour produire une batterie au plomb. ² Sur 30 ans d’utilisation (au mieux, six batteries), cela équivaut à 7 200 MJ. Les trois régulateurs de charge ajoutent 360 MJ supplémentaires et le bilan énergétique du système de stockage sur 30 ans s’élève alors à 7 560 MJ. ³ Néanmoins, la production des panneaux solaires ne coûte que 2 275 MJ sur un total de 9 835 MJ. ⁴ Conclusion : plus de 75 % de la consommation totale d’énergie fossile est due au stockage de l’énergie.

Image : à droite, sur le balcon, les deux panneaux solaires 50 W qui alimentent mon salon. À côté, le panneau de 30 W permettant à ce site de fonctionner. Photo : Marie Verdeil.

Image: La structure pour les panneaux solaires, faite à partir de bois de récupération. Photo : Kris De Decker.

Image : La batterie au plomb 100 Ah alimentant le salon la nuit tombée. Photo : Kris De Decker.

L’utilisation d’un autre type de batterie ne modifierait pas significativement cette conclusion. Dans un système hors réseau similaire utilisant des batteries lithium-ion, le stockage d’énergie représenterait 95 % des coûts du cycle de vie (presque le double d’un système fonctionnant avec des batteries au plomb). Même en étant optimiste sur les durées de vie (10 ans) et en tenant compte des régulateurs de charge, les batteries au lithium sont responsables de 70 % de l’énergie engagée dans un réseau solaire. ⁵ ⁶ Pour les batteries nickel-fer, le stockage représenterait 85 % des coûts du cycle de vie (il n’y a pas de données sur le coût énergétique). ⁷

L’échelle et le lieu de l’installation n’ont également aucune incidence. Un système plus extensif nécessiterait plus de panneaux solaires, mais aussi des batteries plus grosses et des régulateurs de charge plus puissants et plus coûteux. Les pourcentages restent les mêmes. ⁸ La structure sur laquelle les panneaux solaires sont montés est le seul facteur pouvant légèrement augmenter leur part dans le coût total. Nous ne prendrons pas en compte ces structures puisque je les ai construites moi-même à partir de bois de récupération. Néanmoins, installer soi-même les panneaux solaires sur un toit est plus compliqué. Même dans ce cas-là, le coût lié au stockage d’énergie reste de loin le facteur le plus important.

L’énergie solaire directe : beaucoup plus économique et durable

Contrairement aux combustibles fossiles, le vent et le soleil ne sont pas disponibles à la demande. C’est là tout le problème dans notre approche des énergies renouvelables : nous insistons pour que l’énergie soit toujours disponible à volonté, qu’importe la météo, la saison ou l’heure. Adapter l’offre d’énergie à la demande, comme par le passé, entraînerait des réductions énormes dans les coûts et l’utilisation des combustibles fossiles.

Par exemple, si je n’avais pas installé de batterie dans mon installation solaire, mon système aurait été environ 10 fois moins cher : 120 euros au lieu de 1 290 euros sur un cycle de vie de 30 ans. Sinon, j’aurais pu dépenser ces 1 290 euros en panneaux solaires et atteindre les 1 075 W avec mon système solaire. Cela représente dix fois la capacité de l’installation avec les batteries, mais ça ne tiendrait pas sur le balcon.

Sans batterie et régulateur de charge, le coût énergétique de l’installation chute de 9 835 MJ à 2 275 MJ. En d’autres termes, je pourrais générer au moins quatre fois plus d’énergie solaire pour le même investissement en combustibles fossiles.

Comment utiliser concrètement l’énergie solaire directe ?

Tout cela est bien beau, mais le soleil n’est pas toujours au rendez-vous et la quantité d’énergie solaire varie selon l’heure et la saison. Par conséquent, la question se pose : comment utiliser concrètement des panneaux solaires sans batteries (ou sans équipements complémentaires dans le cas d’installations reliées au réseau) ?

Pour y répondre, regardons l’exemple d’un pionnier de l’énergie solaire directe : la Living Energy Farm. Cette communauté de sensibilisation environnementale, située dans l’état de Virginie aux États-Unis, est complètement « hors réseau » grâce à l’énergie solaire. Cependant, seulement 10 % de cette énergie est stockée dans une batterie (Nickel-fer), alors que les panneaux solaires alimentent plusieurs maisons, une cuisine commune, un atelier de métallurgie et une ferme. ⁹ ¹⁰

Image : système d’énergie solaire directe à la Living Energy Farm.

L’installation solaire est en activité depuis 2011 et se compose de systèmes distincts réunissant une puissance-crête totale de 1 400 watts. ¹¹ À titre comparatif, la puissance-crête moyenne d’une installation solaire privée au Royaume-Uni et aux États-Unis (pour un ménage) est respectivement de 4 000 watts et de 6 500 watts. Comme dans mon appartement, l’énergie est utilisée avec modération à la Living Energy Farm. Cependant, il y a d’autres raisons pour lesquelles la communauté se passe de batteries.

Certains appareils ne sont utilisés que de jour

Une première raison est évidente : certains appareils électriques ou certaines machines ne sont utilisés que de jour. C’est notamment le cas de toutes les machines de l’atelier de métallurgie, y compris : une scie à ruban, un compresseur, une meuleuse, une scie circulaire, un tour, une fraiseuse et une perceuse. C’est aussi le cas pour les machines agricoles comme le moulin à grains et la pompe pour puits profond. Directement reliées aux panneaux solaires, ces machines ont les mêmes capacités que les technologies modernes du réseau général, si ce n’est le fait de ne pas pouvoir être utilisées la nuit. ¹⁰

À une toute autre échelle, l’énergie solaire directe m’a permis d’alimenter : un fer à repasser, un pistolet à colle et une pompe d’arrosage (pour mon balcon). Ajoutons aussi à la liste d’exemples d’appareils et de machines pouvant n’être utilisés que le jour : les aspirateurs, les machines à coudre, les lave-linges, les consoles de jeux, les découpeuses laser et les imprimantes 3D. Il n’est pas si difficile d’envisager une société moderne dans laquelle passer l’aspirateur ou bricoler n’est possible que pendant la journée. Ce n’est certainement pas un retour au Moyen-Âge.

Image : Plusieurs outils à la Living Energy Farm, la plupart fonctionnant à l’énergie solaire directe. Image : Alexis Zeigler.

Image : Tour à métaux fonctionnant à l’énergie solaire directe, Living Energy Farm. Image : Alexis Zeigler.

Image : Soudure à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

D’un autre côté, les appareils électriques n’ont pas tous besoin d’être constamment surveillés. Les lave-linges et les lave-vaisselles pouvant être programmés pour démarrer automatiquement au lever du soleil sont souvent cités comme exemples d’application d’un réseau électrique « intelligent ». Cependant, cette approche s’appuie sur une infrastructure considérable de transmission électrique, de réseaux de communication et d’appareils électroniques.

En revanche, avec une approche solaire directe et décentralisée, cette « intelligence » est fournie par le soleil et la rotation de la planète. Un lave-linge ou un lave-vaisselle alimenté par énergie solaire directe peut être complètement chargé et allumé le soir. La machine se recharge ensuite « automatiquement » le matin. On peut même utiliser des minuteurs (électroniques ou mécaniques) pour programmer l’activation des équipements l’un après l’autre.

Il reste à déterminer si les nuages constituent un obstacle supplémentaire pour une installation solaire directe. La solution repose sur la taille des panneaux solaires. Doubler la surface des panneaux solaires garantit suffisamment de puissance par temps partiellement couvert. De plus, les coûts économiques et écologiques demeurent bien plus faibles que pour une installation avec des batteries ou autres équipements complémentaires.

L’augmentation supplémentaire de la surface des panneaux solaires permettrait de produire suffisamment d’énergie, même en cas de forte couverture nuageuse. Cependant, au-delà de dix fois la surface originelle, les coûts sont équivalents à ceux d’un système autonome classique avec batteries. En quadruplant leur surface, le système redevient dépendant des combustibles fossiles.

Beaucoup d’appareils possèdent leur propre batterie

Avec l’énergie solaire directe, l’utilisation d’appareils électroniques la nuit tombée reste possible. Comme indiqué précédemment, la Living Energy Farm utilise peu de batteries qui servent, entre autres, à alimenter les luminaires, les ventilateurs ou les appareils électroniques la nuit. ¹⁰ Par ailleurs, beaucoup d’appareils modernes sont dotés de leur propre système de stockage. C’est notamment le cas de la grande majorité des véhicules électriques, de la plupart des gadgets électroniques et d’anciens appareils fonctionnant avec des piles AA.

Par conséquent, ce type d’appareil peut être rechargé par énergie solaire directe durant le jour, ce qui permet leur utilisation plusieurs heures après le coucher du soleil grâce aux batteries intégrées. Associé à une banque d’énergie au lithium-ion, un panneau à énergie solaire directe permet également de recharger des appareils USB la nuit. Ce dispositif peut même fonctionner pour l’éclairage, puisque de nombreux luminaires possèdent des batteries et peuvent être utilisés comme des sortes de torches accrochées à différents endroits des pièces et des bâtiments.

Image : Un téléphone portable se rechargeant à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Bien entendu, externaliser le stockage d’énergie chimique dans les appareils n’est pas la solution la plus durable. La production de batteries lithium-ion nécessite des combustibles fossiles et (contrairement aux batteries au plomb) elles ne sont pas recyclables. La meilleure solution reste évidemment de limiter l’utilisation des appareils électroniques. Néanmoins, les charger à l’énergie solaire directe est bien plus durable et efficace que d’utiliser d’autres batteries ou un réseau électrique alimenté par des combustibles fossiles. S’il faut utiliser ces appareils technologiques, utilisons-les de la manière la plus intelligente possible.

Stockage d’énergie non électrique

La troisième raison pour laquelle l’énergie solaire directe est bien plus pratique qu’il n’y paraît est que certains appareils peuvent être utilisés une fois le soleil couché grâce à l’énergie thermique. Cette option est bien plus économique et durable que le stockage d’énergie électrique. Le stockage d’énergie thermique est une solution assez répandue pour les systèmes de chauffage des locaux et la production d’eau chaude. L’eau est chauffée par le soleil et est ensuite stockée soit dans une chaudière, soit dans l’enveloppe du bâtiment (pour le chauffage des locaux uniquement). Ce n’est pas surprenant que la Living Energy Farm soit dotée de tels systèmes. C’est aussi l’énergie solaire thermique qui chauffe l’eau de mon appartement.

De plus, cette même approche fonctionne aussi pour deux appareils ménagers essentiels qu’il est nécessaire de faire fonctionner après le coucher du soleil, mais qui sont aussi énergivores : le réfrigérateur et la cuisinière. Plutôt que de stocker l’énergie d’un panneau solaire dans une batterie pour ensuite alimenter un réfrigérateur ou une cuisinière, la Living Energy Farm utilise l’isolation thermique. Cela permet de conserver la chaleur à l’intérieur (dans le cas de la cuisinière) ou à l’extérieur (dans le cas du réfrigérateur) en l’absence d’alimentation électrique. L’isolation thermique est également une solution très efficace énergétiquement, ce qui signifie que ces appareils peuvent fonctionner sur des panneaux solaires de quelques 100 ou 200 watts.

Un réfrigérateur alimenté par énergie solaire directe

Il est tout à fait possible de relier un réfrigérateur classique ou un congélateur directement à un panneau solaire. Néanmoins, une telle installation chaufferait très vite la nuit. Même les réfrigérateurs étiquetés comme étant les plus efficaces énergétiquement présentent une épaisseur d’isolation relativement limitée (généralement 2,5 cm). Cependant, si cette épaisseur d’isolation est portée à 12,5 cm, la consommation d’énergie d’un réfrigérateur est divisée par quatre.¹² ¹³ Sa capacité de refroidissement passif peut être amplifiée en ajoutant une masse thermique sous la forme d’un réservoir d’eau à l’intérieur de l’appareil. Pendant la journée, le panneau solaire refroidit l’eau ou la change en glace. La nuit, cette eau (ou glace) ralentit le réchauffement de l’appareil. ¹⁴

Aussi, un réfrigérateur à énergie solaire directe s’ouvre par le haut et non par l’avant. L’air froid est lourd, et par conséquent beaucoup moins d’énergie est perdue lorsque quelqu’un ouvre la porte. Tous ces choix de conception cumulés permettent une économie d’énergie considérable. Une étude sur les réfrigérateurs à énergie solaire directe dans des régions très ensoleillées (Texas et Nouveau-Mexique, États-Unis) a démontré qu’ils pouvaient garder leur capacité de refroidissement même après 6 à 7 jours sans alimentation électrique. Les équipements fonctionnent à l’année avec des panneaux solaires de 80 W à 120 W seulement. ¹⁵ la Living Energy Farm alimente son réfrigérateur solaire à l’aide d’un panneau de 200 W. ¹⁰

Image : Le Sundanzer DDR165. un réfrigérateur conçu spécialement pour l’énergie solaire directe. Photo : Sundanzer.

Contrairement au chauffage solaire, le refroidissement solaire est parfaitement adapté aux variations saisonnières du rayonnement solaire. Refroidir est plus énergivore en été, la période où le rayonnement solaire est au plus haut. Le réfrigérateur installé au Nouveau-Mexique, mentionné précédemment, a enregistré une consommation de 406 wattheures par jour en été, contre 230 en hiver. ¹⁶ De plus, cette technologie peut être utilisée tout le long de la chaîne du froid pour laquelle le réfrigérateur, bien qu’il demeure essentiel, ne représente qu’un maillon. La climatisation est une autre application de l’énergie solaire directe, bien qu’elle soit peu documentée et difficile à mettre en place. ¹⁷

Une cuisinière à énergie solaire directe

En principe, une cuisinière standard peut être reliée directement à un panneau solaire, mais comme pour un réfrigérateur standard, ce n’est pas très pratique. On ne peut cuisiner que le jour et cela implique d’installer un grand nombre de panneaux solaires. Une seule plaque chauffante nécessite une puissance électrique de 1 000 watts. Pour résoudre ce problème, les plaques des cuisinières solaires électriques sont enveloppées d’un isolant thermique. En principe, cette technologie est la combinaison d’une cuisinière électrique et d’une marmite norvégienne.

Image : Test d’une cuisinière solaire électrique. Photo : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Grâce à l’isolation thermique, une cuisinière solaire électrique emmagasine progressivement la chaleur pendant le jour pour pouvoir ensuite cuisiner une fois la nuit tombée. Ainsi, il est possible d’atteindre de hautes températures à moindre coût énergétique. Cela revient à « charger » la cuisinière, non pas avec de l’électricité, mais avec de la chaleur.

Des chercheurs de l’université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly) ont construit la première cuisinière solaire électrique en 2015. Leur appareil de 12 volts, qui a évolué depuis, n’a besoin que d’un panneau solaire de 100 W pour fonctionner. Il fait bouillir un litre d’eau en une heure. Sur une journée ensoleillée, il peut cuire presque 5 kg de haricots, de riz, de ragoût ou de pommes de terre.¹⁸

En utilisant une marmite avec un fond beaucoup plus épais (5-10 kg), il devient possible de cuisiner après la tombée de la nuit. L’équipe de recherche de Cal Poly a notamment réussi à atteindre une température de 250 °C à l’intérieur du dispositif de stockage par chaleur sensible, après cinq heures de charge par un panneau solaire de 100 W. En trois secondes, ils ont ainsi fait bouillir un litre d’eau après le coucher du soleil. Au cours d’un autre test, ils ont réussi à cuire 1 kg de légumes en deux minutes. La configuration idéale est de disposer de deux marmites, une avec stockage de chaleur et l’autre sans. On peut alors utiliser une cuisinière solaire électrique pour des cuissons lentes ou rapides, selon le moment de la journée et le plat à préparer. ¹⁹

Image : Principe de la cuisinière électrique avec stockage par chaleur sensible. Dessin : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Thermique ou électrique ?

Comme pour le chauffage des locaux et la production d’eau chaude, les cuisinières et les systèmes de refroidissement solaires peuvent fonctionner avec ou sans électricité, soit à l’aide de panneaux photovoltaïques, soit à l’aide de capteurs solaires thermiques. Mais, les cuisinières et systèmes de refroidissement solaires sont plus économiques et plus efficaces énergétiquement quand ils fonctionnent à l’aide d’électricité, ce qui n’est pas le cas pour le chauffage solaire.

Le chauffage des locaux et de l’eau peut s’obtenir avec de faibles écarts de températures. Ils peuvent être fournis par des capteurs thermiques solaires bon marché composés de plaques de verre et de conduites d’eau. En revanche, les systèmes de refroidissement solaires et les cuisinières solaires nécessitent des écarts de température plus importants, qui requièrent des capteurs solaires thermiques plus sophistiqués (à tubes sous vide ou paraboliques), plus chers que les panneaux photovoltaïques. ²⁰ ²¹

La seule exception est la cuisinière solaire classique, composée d’une boîte isolée avec un couvercle en verre, qui ne peut pas atteindre des températures aussi hautes. Les cuisinières électriques solaires présentent encore d’autres avantages. Avec un appareil non électrique, il faut cuisiner à l’extérieur, ce qui est moins pratique et moins efficace, surtout en hiver ; les pertes d’énergie sont plus grandes pour une cuisinière solaire thermique. Les cuisinières solaires électriques sont aussi plus rentables énergétiquement puisqu’elles sont isolées de tous les côtés. Elles sont aussi plus performantes par temps couvert et après le coucher du soleil. À la Living Energy Farm, la cuisinière solaire parabolique n’est utilisée que lorsque les conditions sont optimales : quand le soleil brille fort et qu’il fait chaud.

Quels défis techniques ?

Même si la Living Energy Farm met en œuvre toutes ces applications de l’énergie solaire directe, quelques défis techniques subsistent pour ceux qui voudraient faire de même. Presque toutes nos technologies modernes sont conçues pour être utilisées avec une alimentation énergétique stable et continue. Il pourrait en être autrement, mais l’énergie solaire directe nécessite généralement un peu de bricolage. Construire un système solaire direct est bien plus facile que de construire un système autonome avec batteries, mais cela implique souvent des ajustements au niveau des dispositifs.

Certains appareils peuvent être reliés directement à un panneau solaire : il suffit de connecter les bornes positives et négatives du panneau et de l’appareil. Par exemple, les machines à moteurs CC tolèrent d’importantes fluctuations d’alimentation électrique. L’atelier de métallurgie et les machines agricoles de la Living Energy Farm fonctionnent ainsi. Si les nuages bloquent le soleil, la charge électrique combinée peut surpasser la puissance fournie par les panneaux solaires, mais cela n’arrête pas les machines. Tous les moteurs ralentiront puisqu’ils se partageront l’énergie disponible, mais ils continueront néanmoins à fonctionner. ¹⁰ ²²

Les appareils utilisant des éléments à résistance chauffante sont également concernés, par exemple les chaudières, les plaques de cuisson ou les systèmes de chauffage électrique. Ils fonctionnent quelque soit la puissance ou la tension, seule leur vitesse varie. Un réfrigérateur à alimentation solaire directe fonctionne idéalement avec un compresseur à courant continu variable, lequel peut ajuster sa vitesse en fonction des variations de la production d’énergie solaire. ¹⁰ ²³

De nombreux autres appareils requièrent une tension d’entrée précise et stable, ne correspondant généralement pas à celle produite par un panneau solaire. Néanmoins, il est possible de remédier à cet inconvénient en installant un convertisseur DC-DC (convertisseur « buck » ou « boost ») entre le panneau solaire et l’appareil. Il s’agit d’un petit module électronique qui transforme la tension fluctuante du panneau solaire en une tension de sortie constante adaptée à un appareil basse tension (5 V, 12 V ou plus). ²⁴

Image : expériences avec l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Si vous ajoutez un onduleur, les appareils fonctionnant sur secteur pourront aussi être alimentés directement par un panneau solaire. ²⁵ Les convertisseurs DC-DC sont donc nécessaires pour tous les appareils qui contiennent des composants électroniques. C’est le cas de nombreux appareils aujourd’hui, notamment ceux qui fonctionnaient jusqu’à récemment sans électronique, comme les lave-linges ou les machines à café. En règle générale, il existe deux façons d’alimenter ces appareils avec de l’énergie solaire directe. Vous pouvez soit installer un convertisseur DC-DC, soit modifier l’appareil en contournant l’électronique.

Manuels de bricolage et appareils commerciaux

La plupart des installations solaires directes opèrent à basse tension, il est donc possible de faire l’installation soi-même en toute sécurité. Low-tech Magazine publiera bientôt un manuel à ce sujet. Toutefois, la Living Energy Farm opte pour le courant continu à tension plus élevée dans plusieurs de ses installations, comme par exemple les machines-outils de l’atelier de métallurgie (90 V) et un certain nombre de fours solaires électriques de grande puissance (48 V, 180 V). Il est peu recommandé de construire ces systèmes soi-même sans l’aide d’un électricien qualifié : ces tensions électriques peuvent entraîner des accidents mortels.

Si vous souhaitez construire vos propres fours solaires électriques (à basse tension), vous trouverez des manuels complets auprès de la Living Energy Farm ou de la Cal Poly. ²⁶ Les appareils peuvent être fabriqués à partir de matériaux simples. Les matériaux d’isolation doivent être ignifuges (par exemple, la laine de roche, la fibre de verre, la laine naturelle ou l’argile).

Différentes technologies peuvent être utilisées pour les éléments chauffants, mais la solution la plus simple consiste à incorporer des fils de nichrome dans le ciment. Ces fils peuvent être récupérés sur divers appareils tels que les grille-pains, les fours ou les plaques de cuisson. En principe, les fils chauffants peuvent être fixés directement à la marmite, cependant il est plus judicieux de confectionner un « nid » chauffé dans lequel la marmite peut être placée.

Image : inspirée par les travaux de la Cal Poly, la Living Energy Farm a aussi développé un certain nombre de fours solaires électriques, dont l’un [est commercialisé sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Le four Roxy s’utilise comme plaque chauffante ou comme four, par exemple pour la cuisson du pain. La porte reste fermée même lorsqu’il est utilisé comme plaque chauffante. Ce four solaire ne stocke pas l’énergie.

Image : le four Roxy sans porte avec l’isolation en laine de verre visible. L’appareil, fabriqué dans l’atelier de métallurgie à l’aide de l’énergie solaire directe, fonctionne à 48 V et nécessite un panneau solaire de 200 à 500 watts. La Living Energy Farm commercialise également le réfrigérateur solaire Sunstar [sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

L’énergie solaire directe est-elle source de gaspillage ?

La durabilité d’une installation solaire dépend non seulement de la quantité d’énergie nécessaire à la production et à l’entretien de l’infrastructure, mais également de l’énergie générée par les panneaux solaires au cours de leur durée de vie. Selon certains, les installations solaires directes sont beaucoup moins performantes que les installations conventionnelles raccordées au réseau ou alimentées par des batteries.

En effet, on n’utilise pas quotidiennement son aspirateur, son lave-linge ou sa perceuse, et si aucun appareil électrique n’est branché, un panneau solaire ne produira pas non plus d’électricité. Par conséquent, la quantité d’électricité produite par le panneau diminuera au cours de sa vie, alors que l’énergie nécessaire à la fabrication du panneau restera la même. Ainsi, l’énergie produite par un panneau solaire direct est beaucoup plus polluante en termes d’émissions de carbone.

En revanche, comme le stockage de l’énergie dans des batteries (ou l’alternative connectée au réseau) représente une proportion importante de l’énergie totale investie, un panneau solaire autonome peut dilapider une plus grande quantité d’énergie avant de devenir moins durable que son équivalent avec un stockage dans des batteries ou une connexion au réseau.

De plus, la consommation directe d’énergie solaire empêche les pertes de charge et de décharge causées par les batteries, ou encore les pertes d’énergie au niveau de la structure de transmission pour les systèmes raccordés au réseau. Les deux doivent être compensés par l’installation de panneaux solaires supplémentaires. Parallèlement, les panneaux solaires reliés à des batteries ou au réseau électrique gaspillent également de l’énergie, conséquence de la grande différence de production d’énergie entre l’été et l’hiver.

Maximiser l’énergie solaire directe grâce aux services collectifs

Néanmoins, il est important de maximiser la production d’énergie d’un panneau solaire direct. À ce propos, il convient de revenir un instant sur l’exemple initial du système installé sur mon balcon. L’énergie solaire directe constitue un complément intéressant à ce système, en particulier pour le réfrigérateur et le four. Ces appareils m’ont amené à conclure en 2016 qu’il était impossible de déconnecter complètement mon appartement du réseau.

Cependant, la Living Energy Farm démontre qu’il est bel et bien possible de le faire : il y a en effet de la place pour installer 200 watts supplémentaires de panneaux solaires (4 x 50 W) sur le balcon, soit une puissance suffisante pour alimenter un réfrigérateur et une plaque de cuisson isolés thermiquement. Il ne serait donc pas nécessaire d’augmenter la capacité de la batterie.

En revanche, l’énergie solaire directe n’est pas très utile pour la plupart de mes autres appareils. L’installation d’un panneau solaire supplémentaire pour la machine à laver ou la perceuse électrique n’est pas très utile, étant donné qu’elles ne sont pas utilisées quotidiennement. Ainsi, il semble plus intéressant de mettre en place un réseau électrique « intelligent », afin que plusieurs ménages puissent utiliser la même énergie solaire, en sachant qu’il y a toujours une personne qui a besoin de laver du linge ou de percer un trou.

L’installation d’un tel réseau requiert toutefois une infrastructure importante, et ce malgré l’utilisation de l’énergie solaire directe à une telle échelle. Elle ne nécessiterait pas obligatoirement de batteries ou de combustibles fossiles en guise de secours, mais plutôt la mise en place d’un réseau de transmission et de communication.

Image : un tourne-disque fonctionnant directement à l’énergie solaire. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm offre une solution alternative : l’organisation communautaire des tâches ménagères et du travail. Au lieu de disposer d’un réseau électrique communal répartissant l’énergie entre de nombreux foyers individuels, il est possible de mettre en place des services collectifs à production d’énergie décentralisée.

Grâce à l’atelier communautaire de la Living Energy Farm, l’énergie solaire directe est utilisée de manière beaucoup plus efficace qu’au sein d’un atelier individuel dont l’utilisation n’est qu’occasionnelle. Par exemple, une laverie collective utilisée dans chaque rue permettrait d’utiliser l’énergie solaire directe plus efficacement. De plus, cette solution fait économiser beaucoup d’énergie aux appareils de construction et permet de gagner en espace.

L’énergie éolienne directe ?

Cette stratégie prend tout son sens si l’on opte non pas pour l’énergie solaire directe, mais pour l’énergie éolienne directe, ou pour une combinaison des deux. La Living Energy Farm est située dans une région ensoleillée, mais la même approche conviendrait également aux régions venteuses.

Il existe toutefois une différence significative entre l’énergie solaire et l’énergie éolienne. Le rendement d’un panneau solaire ne dépend pas de sa taille. L’énergie solaire est donc idéale pour la production d’énergie décentralisée. En revanche, le rendement d’une éolienne augmente plus que proportionnellement à la hausse du diamètre du rotor. Par conséquent, il est plus intéressant de posséder une seule grande éolienne pour une communauté de ménages, par exemple pour alimenter une laverie ou un atelier collectif, qu’une éolienne par ménage.

La durée de vie d’une batterie plomb-acide dépend de nombreux facteurs. Elle peut être inférieure à trois ans si la décharge est trop importante ou si la batterie n’est pas entièrement rechargée régulièrement. En revanche, une batterie au plomb peu ou pas utilisée peut durer bien plus de cinq ans. Pourtant, la documentation académique mentionne une durée de vie de trois à cinq ans, qui correspond à l’expérience que j’ai eue avec celles que j’utilise depuis 2016. Voir par exemple « Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage» , A. Celik, dans « Progress in Photovoltaics : Research and Applications », 2008. & « Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects », E.A. Alsema, dans « Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion », juillet 1998. ↩︎
La fabrication d’une batterie au plomb ( à partir de matériaux majoritairement recyclés) utilise environ 1 MJ d’énergie par wattheure de capacité de stockage. Ma batterie de 100 ampères-heure possède une capacité de stockage équivalente à 1 200 wattheures, soit une énergie intégrée de 1 200 MJ. Sur une durée de vie de 30 ans, il me faudra au mieux six de ces batteries, soit 7 200 MJ au total. Source : « Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements) » et « Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies) » (PDF). Energy conversion and management 46, 2005 (2015) : ↩︎
Peu de travaux de recherche ont été réalisés sur l’énergie intégrée des contrôleurs de charge. Les informations les plus pertinentes dont je dispose font état d’une valeur de 1 MJ par watt de puissance maximale : Kim, Bunthern, et al. « Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries. ». Journal of cleaner production 208 (2019) : 1459-1468. Pour une capacité de 120 W (mon régulateur de charge possède une capacité maximale de 10 A x 12 V = 120 W), cela revient à 120 MJ. Quant à la durée de vie, j’ai trouvé des estimations de 7 et 12,5 ans : même référence que ci-dessus, ainsi que : Kim, Bunthern, et al. « Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment ». IECON 2016 - 42^e conférence annuelle de la IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. J’ai donc effectué le calcul fondé sur une durée de vie estimée à 10 ans. ↩︎
Nawaz, I., et G. N. Tiwari. « Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level ». Energy Policy 34.17 (2006) : p. 3144-3152. Selon cette source fréquemment citée, il faut 3500 MJ pour produire 1 m² de panneau solaire. Mes deux panneaux solaires combinés mesurent 0,65 m², pour un coût énergétique total de 2275 MJ. Une revue littéraire plus récente évalue le coût énergétique de la production de différents types de panneaux solaires entre 1034 et 5150 MJ/m². Les dernières études sur les panneaux solaires en silicium, présentées dans cet article, estiment leur coût à environ 1000 MJ/m², un chiffre bien plus bas que celui que je mentionne. Voir : Ludin, Norasikin Ahmad, et al. « Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review ». Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018) : p. 11-28. ↩︎
Les batteries en lithium-ion sont bien plus onéreuses que celles au plomb-acide, mais elles possèdent une plus grande capacité de déchargement (jusqu’à 15 % de leur capacité totale) et une plus longue durée de vie (entre 7 et 10 ans). Par conséquent, la taille et la quantité des batteries nécessaires sont réduites. En prenant en compte ces facteurs, le coût à vie d’une batterie en lithium est de 750 € contre 1020 € pour une au plomb. En contrepartie, les batteries en lithium-ion ont besoin d’un contrôleur de charge plus sophistiqué et onéreux. Selon sa qualité, un chargeur de 10 A coûte entre 200 et 600 €. En supposant qu’un contrôleur de charge coûte 400 € et dure 10 ans tout comme la batterie, le stockage de la batterie représente 95 % du coût à vie (2070 € au total, bien plus que le coût total d’une installation avec des batteries au plomb-acide). Sources : https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Bien que la production des batteries en lithium-ion consomme plus d’énergie que celle des batteries au plomb-acide (entre 1,4 et 1,9 MJ/Wh contre 1 MJ/Wh), elle est contrebalancée par une durée de vie plus longue et une plus grande capacité de charge. Sur une durée de vie de 30 ans, le coût énergétique des batteries en lithium-ion est d’environ 3000 MJ, bien inférieur à celui des batteries au plomb-acide. En revanche, son contrôleur de charge contient davantage de pièces électroniques complexes. Malheureusement, aucune donnée n’est disponible sur le coût énergétique d’un tel contrôleur de charge. Il n’existe donc pas d’autre solution que d’estimer le coût énergétique par rapport au coût financier, qui s’avère être quatre à douze fois plus élevé qu’un contrôleur de charge pour une batterie au plomb-acide. En supposant que le coût soit quatre fois supérieur, l’énergie grise du contrôleur de charge monte jusqu’à 480 MJ, ou 1440 MJ sur une période de 30 ans. Le coût énergétique total pour ce système est de 6685 MJ, dont 70 % sont consacrés au stockage de la batterie, une valeur inférieure à celle des batteries au plomb-acide. ↩︎
Les batteries en nickel-fer, plus lourdes et imposantes que celles au plomb-acide, nécessitent une maintenance régulière, mais peuvent se décharger entièrement et ont une très longue durée de vie (20 ans). De plus, elles sont compatibles avec les contrôleurs de charge des batteries au plomb-acide. Sur une période de 30 ans, ces batteries coûtent 750 € au total, soit un coût inférieur à six batteries au plomb-acide de même capacité. Une batterie en nickel-fer, accompagnée de panneaux solaires de 100 W, coûte 1020 €, dont 85 % sont dédiés au stockage d’énergie. Malheureusement, il est difficile de se procurer des batteries en nickel-fer, notamment les petits modèles. Sources : https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
En réalité, le prix des panneaux solaires dans une plus grande installation serait comparativement plus bas, car les panneaux solaires de petite taille (comme les 50 W) sont proportionnellement plus onéreux à chaque watt de capacité, par rapport aux panneaux solaires de taille traditionnelle (à partir de 250 W). Une logique plus ou moins similaire s’applique au coût énergétique. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fondateur de la Living Energy Farm, a écrit un livre à propos de ce projet, entièrement disponible en ligne : Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. La version papier peut également être commandée. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Puisque l’énergie solaire directe ne nécessite pas de contrôleur de charge pour chaque système distinct, diviser une installation solaire n’implique pas de coûts supplémentaires ni de surconsommation d’énergie. ↩︎
Des recherches démontrent que doubler l’épaisseur de l’isolation de 2,5 cm (standard) à 5 cm réduit la consommation d’électricité annuelle d’un réfrigérateur (capacité de 50 L) de 250 à 125 kilowattheures. [^13] Pour une épaisseur d’isolation entre 10 et 12,5 cm, la consommation d’électricité est encore divisée par deux et atteint les 60 kilowattheures par an. Une isolation plus épaisse n’entraîne qu’une baisse minime de la consommation d’électricité et n’est donc plus une solution intéressante, car elle impliquerait une hausse du coût et de la taille du réfrigérateur. Cette étude prend comme exemple un réfrigérateur solaire à courant alternatif qui fonctionne grâce à un onduleur et une batterie. Il est moins écoénergétique qu’un réfrigérateur solaire direct. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, et Jyotirmay Mathur. « Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator ». Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014) : p. 55-67. ↩︎
Cette inertie thermique peut simplement être un récipient d’eau placé à l’intérieur du réfrigérateur, ou des bouteilles d’eau de consommation. Toutefois, l’eau peut également être stockée dans des réservoirs installés le long de l’équipement, derrière une paroi qui les maintient en place et les dissimule. L’eau a une plus haute densité de stockage de la chaleur que l’air, et stabilise donc la température plus longtemps. ↩︎
Ewert, M., et al. « Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results ». Compte-rendu de la conférence sur l’énergie solaire. American Solar Energy Society ; American Institute of Architects, 2002. ↩︎
Cet avantage s’applique uniquement si le réfrigérateur est installé dans une pièce non chauffée. L’installer dans une cuisine chauffée alors que la température hivernale extérieure est égale ou inférieure à celle à l’intérieur du réfrigérateur est évidemment du gaspillage. Ce n’est pas non plus un avantage dans les pays tropicaux, où les températures sont élevées toute l’année. ↩︎
L’utilisation d’énergie solaire directe comme source de climatisation n’a pas été soumise à une analyse aussi approfondie que les réfrigérateurs domestiques. Voir : Luerssen, Christoph, et al. « Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications ». Applied energy 273 (2020) : p. 115-145. De plus, les chances de réaliser des économies d’énergie aussi importantes sont minces. Un réfrigérateur est toujours isolé, contrairement à une pièce ou un bâtiment climatisé où ce n’est pas toujours le cas. En outre, un réfrigérateur est placé dans une pièce où la température est stable. Un bâtiment est sujet à des fluctuations de températures importantes, et peut également être chauffé grâce au rayonnement solaire direct. La climatisation solaire directe est donc bien plus compliquée. Voir : Qi, Ronghui, Lin Lu, et Yu Huang. « Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions ». Energy conversion and management 106 (2015) : p. 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Voir également ce PowerPoint du même auteur. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎
Voir : Ferreira, Carlos Infante, et Dong-Seon Kim. « Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data ». International Journal of Refrigeration 39 (2014) : p. 23-37. ///// Riffat, James, et al. « Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations ». International Journal of Refrigeration 19.10 (2022) : p. 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. « Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage ». Building and Environment 206 (2021) : p. 108-324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. « Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview ». Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022) : p. 7911-7944. ↩︎
Faute de recherche, il n’est pas certain que cela s’applique également à la consommation d’énergie grise. ↩︎
Dans les deux cas, il est cependant nécessaire de contourner l’interrupteur de l’appareil, car l’électricité en courant continu produit davantage de chaleur que celle en courant alternatif. Un interrupteur externe approprié peut s’avérer utile, mais le mécanisme de sûreté de l’appareil est alors contourné, représentant un risque évident. [^10] Là encore, ce problème pourrait être évité, car il est techniquement possible de fabriquer des appareils adaptés à l’énergie solaire directe. ↩︎
Un compresseur à vitesse fixe peut utiliser seulement 50 % de l’énergie solaire utile produite, alors qu’un compresseur à vitesse variable en utilise 75 %. [^15] Un condensateur est alors nécessaire pour aider le compresseur lors de la phase de démarrage. ↩︎
À la place d’un convertisseur DC-DC, vous pouvez installer une petite « batterie tampon » ainsi qu’un contrôleur de charge qui assure une tension de sortie stable. De plus, cette petite batterie peut fournir un stockage d’énergie limité, particulièrement utile pour faire face à des pics de consommation d’énergie passagers. Par exemple, certains appareils provoquent un pic de consommation lorsqu’ils sont en charge. La batterie tampon présente toutefois des inconvénients, comme son coût, une hausse de l’énergie grise, ou des défaillances au niveau des composants. Un condensateur est une technologie alternative pour absorber les pics d’énergie. ↩︎
Néanmoins, utiliser des appareils en courant continu basse tension est bien plus écoénergétique, puisque les panneaux solaires produisent également un courant continu basse tension : https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Explication vidéo de la fabrication de fils chauffants. Stockage de la chaleur thermique : Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎

Poêles thermoélectriques : la fin des panneaux solaires ?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustration : [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Si le moulin à vent, apparu il y a 2 000 ans, est l’ancêtre de éolienne moderne, le feu de cheminée et le poêle à bois sont quant à eux les prédécesseurs plus vieux encore des panneaux solaires. Tout comme ces derniers, les arbres et les plantes transforment la lumière en source d’énergie utile à l’humain. La combustion du bois et d’autres biomasses a apporté, au cours de l’histoire, l’énergie thermique nécessaire à la cuisine, au chauffage, au nettoyage et à l’éclairage des foyers.

La photosynthèse est également, et depuis toujours, un acteur invisible de la puissance mécanique : elle est à l’origine de l’énergie humaine et animale, ainsi que des matériaux utilisés dans la construction de moulins à eau et à vent. Ni le moulin à vent ni le poêle à bois ne produisaient à l’origine d’électricité, mais aujourd’hui, tous deux peuvent être modifiés pour le faire. Il suffit de relier un générateur électrique au moulin à vent et un générateur thermoélectrique au poêle à bois.

Générateur thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques sont très proches des générateurs « photoélectriques », désormais appelés générateurs « photovoltaïques » ou cellules solaires photovoltaïques. Un générateur photovoltaïque transforme la lumière en électricité, et un générateur thermoélectrique transforme la chaleur en électricité. ¹

Les générateurs thermoélectriques sont des modules très compacts composés d’éléments semi-conducteurs reliés les uns aux autres par des bandes de métal, mais entourés de plaques isolantes en céramique diffusant uniquement la chaleur. ² On peut les acheter librement auprès de fabricants tels que Hi-Z, Tellurex, Thermalforce et Thermomanic.

Générateur thermoélectrique. Image : Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Générateur thermoélectrique. Droits obtenus pour l’utilisation de l’image ci-dessus auprès de Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Fixer un générateur thermoélectrique à un poêle à bois produira de l’électricité à chaque utilisation de l’appareil pour cuisiner, chauffer une pièce ou de l’eau. Lors des expériences utilisant les prototypes décrits ci-dessous, la puissance du courant générée par chaque module varie entre 3 et 19 watts.

Comme avec des panneaux solaires, plusieurs générateurs peuvent être reliés parallèlement et en série pour générer autant de tension et de puissance que nécessaire, à condition bien sûr de ne pas recouvrir entièrement la surface du poêle. Et comme avec des panneaux solaires, le courant généré est contrôlé à l’aide d’un régulateur de charge puis conservé dans une batterie, afin que de l’énergie soit disponible même lorsque l’appareil n’est pas allumé. Un poêle thermoélectrique est généralement utilisé pour alimenter des appareils à courant continu basse tension, pour éviter la perte d’énergie lors de l’utilisation d’un convertisseur de puissance.

Les poêles thermoélectriques pourraient être utilisés dans de nombreux pays. L’hémisphère sud est la première cible des recherches menées, près de 3 milliards de personnes (40 % de la population mondiale) dépendant encore de la combustion de biomasse pour la cuisine et l’accès à l’eau chaude. Certains foyers dépendent également du poêle ou du feu de cheminée pour l’éclairage (1,3 milliard de personnes n’ont pas accès à l’électricité) et le chauffage pendant une partie de l’année. Mais les sociétés plus développées font également l’objet de recherches, les poêles et feux de cheminée ayant particulièrement gagné en popularité, notamment en dehors des espaces urbains.

100 % efficace

Depuis la toute première description de l’effet thermoélectrique par Thomas Seebeck en 1821, les générateurs thermoélectriques sont critiqués pour leur faible rendement d’électricité. ³⁴⁵⁶ De nos jours, la puissance électrique des générateurs n’est que de 5 ou 6 %, soit près de trois fois moins que les panneaux solaires les plus couramment utilisés. ⁴

Cependant, l’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique importe peu lorsqu’il est relié à un poêle. Si un générateur ne transforme que 5 % de la chaleur d’un poêle en électricité, les autres 95 % sont toujours libérés sous forme chaleur. Si le poêle sert à chauffer une pièce, il n’y a aucune perte énergétique : il continue à remplir sa mission originelle. L’efficacité totale du système (chaleur + électricité) est proche de 100 % et il n’y a aucune perte énergétique. Avec un poêle approprié, la chaleur libérée peut aussi servir à cuisiner ou à chauffer l’eau.

Plus fiable que les panneaux solaires

Les générateurs thermoélectriques et les panneaux solaires ont beaucoup de points positifs en commun : ils sont modulaires, ne requièrent que peu d’entretien, n’ont pas de pièces mobiles, sont silencieux et durent très longtemps. ⁷ Cependant, les générateurs thermoélectriques ont d’autres avantages intéressants par rapport aux panneaux solaires, pour peu qu’il y ait une source de chaleur (non électrique) régulièrement utilisée dans le foyer.

Même si les générateurs sont environ trois fois moins efficaces que les panneaux solaires, les poêles thermoélectriques représentent une source d’énergie plus fiable, car moins dépendante de la météo, des saisons et de l’heure. Dans le jargon, on dit que les poêles thermoélectriques ont un « facteur de charge » plus élevé que les panneaux solaires.

Même si un poêle n’est utilisé que pour cuisiner ou pour chauffer l’eau, le générateur assure une production d’énergie fiable et durable, quel que soit le climat. De plus, la production énergétique d’un poêle thermoélectrique correspond bien souvent aux besoins énergétiques des propriétaires : les périodes où le poêle est utilisé sont généralement les périodes où le plus d’électricité est consommée. Les panneaux solaires, à l’inverse, ont une production faible, voire nulle, durant les périodes de forte demande énergétique.

Image : Un générateur thermoélectrique soviétique sur une lampe à kérosène, alimentant une radio, 1959. Source : [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Remarque : ces avantages disparaissent lorsque les générateurs thermoélectriques sont directement alimentés par la chaleur solaire. Les générateurs thermoélectriques solaires (ou « STEGS » en anglais pour Solar Thermoelectric Generators), qui récupèrent la chaleur des rayons du soleil, ne compensent pas leur faible efficacité par leur fiabilité, car ils dépendent de la météo tout autant que les panneaux solaires. ⁸⁹¹⁰

De plus petites batteries

La batterie d’un système thermoélectrique nécessite une plus petite capacité de stockage énergétique que celle d’un système solaire qui doit compenser les nuits, les saisons moins ensoleillées ou les jours pluvieux. La batterie ne doit assurer la production d’électricité qu’entre deux utilisations du poêle, il n’est donc pas nécessaire d’ajouter d’autres générateurs pour compenser les périodes de faible production.

Il est possible d’utiliser à la fois des panneaux solaires et des poêles thermoélectriques pour obtenir un système durable et autonome ne nécessitant que peu de stockage d’énergie. Un tel système hybride fonctionne parfaitement avec un poêle qui ne sert qu’à chauffer des pièces. Les générateurs thermoélectriques produisent la majorité de l’électricité en hiver et les panneaux solaires prennent le relais pendant la période estivale.

Moins cher à installer, plus facile à recycler

Les générateurs thermoélectriques sont aussi plus faciles à installer que les panneaux solaires. Nul besoin de construire une structure sur le toit et un lien avec le réseau, étant donné que l’intégralité du système de production est dans la maison. Cela évite aussi les vols, un problème majeur dans certaines régions.

Tous ces avantages peuvent rendre l’énergie produite par les poêles électriques moins chère que celles des panneaux solaires. La fabrication de batteries, générateurs et supports demande moins d’énergie, de ressources et de finances.

Concernant la durabilité, les modules thermoélectriques présentent un autre avantage : contrairement aux panneaux solaires, ils sont relativement faciles à recycler. Même si les cellules solaires en silicium sont recyclables, elles sont entourées d’une pellicule en plastique (généralement en « EVA » ou en polymère d’éthylène ou d’acétate de vinyle), nécessaire au bon fonctionnement des générateurs sur le long terme. ¹¹ Ôter cette couche sans détruire les cellules de silicium est techniquement possible, mais tellement complexe que le recyclage perd tout son intérêt financier et énergétique. ¹²¹³ Les modules thermoélectriques de leur côté ne contiennent aucune forme de plastique. ¹⁴¹⁵¹⁶

Refroidir les générateurs

L’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique ne dépend pas uniquement du générateur en lui-même. Elle dépend pour beaucoup de la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du générateur. En réduisant de moitié l’écart de température entre les deux côtés, on réduit de trois quarts la quantité d’électricité produite. La gestion de la température des générateurs est donc très importante pour générer plus de puissance avec moins de générateurs.

D’un côté, cela implique de trouver la partie la plus chaude d’un poêle pour y fixer les générateurs, à condition qu’ils en supportent la chaleur. La température de surface des poêles varie généralement entre 100 et 300 degrés Celsius ; or les générateurs en tellurure de bismuth (les moins chers et plus efficaces) résistent à des températures continues entre 150 et 350 degrés, selon le modèle.

D’un autre côté, la gestion thermique consiste aussi à réduire le plus possible la température du côté froid. Cette réduction peut se faire soit par convection forcée, qui implique l’utilisation de ventilateurs et de pompes électriques, soit par convection naturelle, à l’aide de dissipateurs thermiques passifs sans charge parasite sur le système.

Les systèmes de refroidissements actifs sont généralement plus efficaces, malgré l’addition d’un ventilateur ou d’une pompe supplémentaire. Cependant, les systèmes passifs sont silencieux, plus fiables et moins onéreux que les systèmes actifs. De plus, le dysfonctionnement d’un ventilateur peut compromettre le système entier à cause d’une surchauffe. ¹⁷

Poêles thermoélectriques avec dissipateurs thermiques

Les premiers poêles thermoélectriques ont été construits au début des années 2000, même si les Soviétiques avaient mis au point un concept similaire dans les années 1950 avec des radios presque intégralement électriques, alimentées par des lampes à kérosène. ⁶ En 2004, une équipe de chercheurs libanais modernise un poêle à bois classique en fonte en y intégrant un générateur thermoélectrique de 56 mm sur 56 mm conçu spécialement. ¹⁸ Le poêle, utilisé pour cuisiner, chauffer de l’eau et des pièces est plutôt petit (52 x 44 x 29 cm) et pèse 40 kg.

Image : Le poêle en fonte utilisé lors des expériences. [^18]

Les chercheurs ont vissé une plaque en aluminium d’un centimètre d’épaisseur sur la partie la plus chaude du poêle, puis y ont fixé le générateur. Un grand dissipateur thermique (180 x 136 x 125 mm) en aluminium a ensuite été attaché au côté froid du générateur. En brûlant 2,5 kg de pin par heure, ils ont obtenu une charge électrique moyenne de 4,2 watts. Faire fonctionner ce poêle pendant 10 heures par jour (plus phase de chauffage) fournirait donc 42 watts-heures d’électricité à un foyer libanais rural, ce qui est suffisant pour couvrir les besoins basiques.

Image : Détails de l’installation du générateur thermoélectrique et emplacement sur le poêle. [^18]

On peut ajouter plus de générateurs et de dissipateurs thermiques afin d’augmenter la quantité d’énergie produite, mais les générateurs supplémentaires auront un rendement moins élevé étant donné qu’ils seront placés à des zones à température moins élevée. On peut également augmenter la production d’énergie en utilisant un dissipateur thermique plus grand ou plus onéreux dont les matériaux présentent une meilleure conductivité thermique.

Les poêles thermoélectriques avec ventilateurs

À ce jour, la plupart des poêles thermoélectriques utilisent un ventilateur électrique pour refroidir le générateur, ainsi qu’un dissipateur thermique de petite taille. Bien que le ventilateur puisse casser et soit une charge parasite pour le système, il augmente aussi l’efficacité du poêle en ventilant de l’air chaud dans la chambre de combustion, réduisant de moitié la consommation de bois et la pollution créée. De plus, les poêles à ventilateur ne nécessitent pas de cheminée : un tuyau d’échappement horizontal suffit. ¹⁹ Ils pourraient donc réduire la consommation de bois et la pollution dans les régions rurales des pays du Sud où la population n’a pas accès à l’électricité ni les moyens de construire de cheminée.

Une étude menée sur une cuisinière thermoélectrique à convection forcée sur laquelle un générateur était fixé a trouvé une production de 4,5 watts, dont 1 watt alimentant le ventilateur. ²⁰ La production énergétique nette (3,5 watts) est moins élevée que celle d’un poêle thermoélectrique à dissipateur thermique (4,2 watts), mais la consommation de bois est divisée par deux. En effet, le générateur de la cuisinière générait 3,5 watts nets d’électricité en consommant 1 kg de bois par heure, contre 2,5 kg de bois pour 4,2 watts avec le dissipateur thermique.

Image : Cuisinière thermoélectrique à convection forcée. [^20]

Une cuisinière thermoélectrique similaire a été testée pendant 80 jours au Malawi et fut particulièrement appréciée par les utilisateurs, car elle produisait plus d’électricité que nécessaire. Au cours de cette période, entre 250 et 700 watts-heure d’électricité ont été produits par l’appareil, pour une consommation variante entre 100 et 250 watts-heure. ²¹

Des cuisinières thermoélectriques à ventilateur sont disponibles sur le marché, conçues notamment pour les randonneurs. On trouve par exemple les poêles BioLite, Termomanic et Termefor, dont la production énergétique est annoncée entre 3 et 10 watts, en fonction du modèle et du nombre de générateurs inclus. ¹⁷

Les poêles thermoélectriques à réservoirs

Les poêles thermoélectriques les plus efficaces sont ceux dont les générateurs sont directement refroidis par un réservoir d’eau. La résistance thermique de l’eau étant moins élevée que celle de l’air, utiliser un réservoir accélère le refroidissement. De plus, sa température ne peut dépasser les 100 degrés Celsius, ce qui réduit le risque de panne due à une surchauffe.

Image : le principe de poêle thermoélectrique à refroidissement passif. [^17]

Lorsque les générateurs thermoélectriques sont refroidis grâce à l’eau, la chaleur « perdue » lors de la conversion énergétique ne sert pas à chauffer l’air ambiant, mais à chauffer l’eau utilisée lors de tâches domestiques. Les systèmes de refroidissement à l’eau de poêles thermoélectriques peuvent être actifs (pompe) ou passifs (aucune pièce mobile). ¹⁷

La plupart des poêles thermoélectriques avec un système de refroidissement passif à l’eau sont de petite taille et utilisés pour ne chauffer que de petites quantités d’eau. C’est d’ailleurs plus souvent une casserole qui est équipée de générateurs thermoélectriques que le poêle lui-même. Par exemple, le PowerPot est une casserole de randonnée disponible sur le marché et équipée, à sa base, d’un générateur thermoélectrique. Placée directement sur le feu, sa production d’énergie est annoncée entre 5 et 10 watts par heure.

Image : poêle à bois multi-usage à système de refroidissement passif à l’eau. [^22]

Un plus grand poêle a également été conçu par des chercheurs français, s’inspirant de grands poêles à bois multi-usages marocains. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Les chercheurs ont installé huit générateurs thermoélectriques sous un réservoir intégré de 30 L, servant à la fois de dissipateur thermique pour le générateur et de réserve d’eau chaude pour le foyer. Le poêle, équipé d’un ventilateur électrique autonome, comporte également une double chambre de combustion pour en augmenter l’efficacité.

Un prototype a généré lors de tests près de 28 watts d’électricité à l’aide de deux générateurs, tout en ayant consommé 1,5 kg de bois pour la cuisine ou le chauffage. Le ventilateur ayant consommé 15 W, 13 W d’énergie peuvent alimenter d’autres appareils. Ce même poêle a chauffé 60 litres d’eau par heure. En fonction de la durée des deux sessions de cuisine chaque jour, entre 35 et 55 watts-heure d’électricité peuvent être emmagasinés dans une batterie. Les chercheurs ont pris en compte les pertes énergétiques causées par le régulateur de charge, la batterie 6 V et le ventilateur.

Les poêles thermoélectriques avec pompes

Il existe un inconvénient au refroidissement passif à l’eau. Tandis que la température de l’eau du réservoir augmente, la différence entre le côté chaud et le côté froid du générateur diminue et avec elle l’efficacité électrique. Cela suppose donc, pour ne pas perdre en efficacité, de laisser l’eau refroidir ou de la remplacer par de l’eau froide entre deux utilisations. Une pompe facilite ce processus.

Image : Prototype de poêle thermoélectrique avec refroidissement à l’eau des générateurs. [^26]

En 2015, un prototype de poêle à bois utilisé pour la cuisine et le chauffage fut équipé de 21 générateurs thermoélectriques. Les générateurs, accompagnés d’un système de refroidissement à base d’eau pompée, produisirent entre 25 W d’électricité (pour 1 kg de pin par heure) et 166 W (pour 9 kg de bois par heure) en passant par 70 W (pour 4 kg bois/heure). ²⁶ La production individuelle des générateurs s’élevant à 7,9 W, cela représente près du double d’un poêle à système de refroidissement à air. La pompe consomme 5 W et le poêle est également équipé d’un ventilateur consommant 1 W fin d’augmenter l’efficacité de la combustion. ²⁷²⁸

Des chaudières à gaz thermoélectriques ?

Les générateurs thermoélectriques accompagnés d’un système de refroidissement à l’eau correspondent davantage aux infrastructures de sociétés industrialisées, en particulier dans les foyers qui profitent de chauffage centralisé. L’addition de générateurs augmenterait la production d’électricité pour répondre aux besoins d’une famille consommant beaucoup d’énergie. Cependant, ce système présente quelques failles. Tout d’abord, le chauffage centralisé ne concerne que le chauffage des pièces et de l’eau, mais pas la cuisine, ce qui diminue la fiabilité de la production sur une année complète. Ensuite, très peu de systèmes de chauffage centralisé fonctionnent à partir de combustion de biomasse. En effet, la plupart utilisent du gaz, de pétrole ou de l’électricité.

Prototype d’un four à pellets thermoélectrique. [^30]

Évidemment, si la source de chaleur est électrique, il n’y a plus d’intérêt à y adjoindre un générateur thermoélectrique. Le système thermoélectrique est incompatible avec l’idée d’installations écologiques « high-tech » qui comprendraient une pompe à chaleur électrique pour chauffer le foyer, des plaques électriques pour cuisiner et une chaudière électrique pour chauffer l’eau.

Cependant, lorsque la source d’énergie est le pétrole ou le gaz, une chaudière thermoélectrique est tout autant une solution à bilan carbone faible qu’un panneau solaire photovoltaïque connecté au réseau. ²⁹ Un système de chauffage thermoélectrique ne rend pas un foyer indépendant des combustibles fossiles, mais des panneaux solaires photovoltaïques connectés au réseau non plus. Ce dernier dépend du réseau électrique (majoritairement alimenté par des combustibles fossiles) pour contrôler les pénuries et surplus énergétiques et compte généralement sur le chauffage centralisé à base de combustibles fossiles pour le chauffage du foyer et de l’eau.

Image : Un générateur thermoélectrique de 1 kW accompagné d’un système de refroidissement à l’eau pour les ressources géothermiques à basse température. [^31]

Un système de chauffage thermoélectrique alimenté par des combustibles fossiles vaut largement celui d’une grande centrale de cogénération récupérant la chaleur issue de sa production d’électricité pour la redistribuer aux foyers pour le chauffage. Avec un système de chauffage thermoélectrique, la chaleur et l’électricité sont produites et utilisées in situ. Nul besoin de mettre en place une infrastructure pour distribuer la chaleur et l’électricité, comme avec une centrale de cogénération. Cela est plus efficient en ressources et évite des pertes énergétiques liées au transport qui représentent entre 10 et 20 % de la chaleur et entre 3 et 10 % de l’électricité (voire bien plus dans certaines régions).

Une centrale de cogénération est énergiquement plus efficace pour transformer la chaleur en électricité (entre 25 et 40 % de rendement), ce qui signifie qu’un système de chauffage thermoélectrique produit une plus grande proportion de chaleur et une moins grande proportion d’électricité. Mais cela est loin d’être un problème, car même en Europe, 80 % de l’électricité consommée en moyenne dans les foyers sert à alimenter le chauffage de l’eau et des pièces.

Dans les deux cas, le fonctionnement peut être inversé. En envoyant un courant électrique à un générateur thermoélectrique, celui-ci peut servir d’unité de chauffage ou de refroidissement. De la même manière, un courant électrique dans un appareil photovoltaïque produit de la lumière : c’est le principe des LED. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, consulté en mai 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
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Joffe, Abram F. « The revival of thermoelectricity ». Scientific American 199.5 (1958) : 31-37. ↩︎ ↩︎
Le moteur Stirling, un autre prédécesseur du panneau solaire photovoltaïque qui transforme la chaleur en électricité, mais qui présente bien moins d’avantages. ↩︎
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En termes de poids, un générateur thermoélectrique de 5 grammes est composé d’alumine pour les plaques en céramique (44 %) ; de cuivre pour les contacts électriques (28 %) ; de tellure (10 %), de bismuth (6 %) et d’antimoine (2 %) pour les pieds thermoélectriques, et de petites quantités d’étain (pour la soudure), de sélénium (qui sert à « doper » le tellurure de bismuth) et de la pâte de silicium (le seul polymère présent dans le module, qui relie l’ensemble). Dans les générateurs thermoélectriques, la concentration d’antimoine, de tellure et de bismuth, des éléments rares, est très élevée par rapport aux ressources « traditionnelles », d’où l’intérêt du recyclage. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. « Development of stove-powered thermoelectric generators : A review ». Applied Thermal Engineering 96 (2016) : 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
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Les chercheurs proposent aussi une manière de retirer la pompe : un réservoir d’eau peut être placé à une hauteur de 1 mètre, la gravité fonctionnera comme une pompe pour le système de refroidissement, et l’eau chaude produite par le système de refroidissement pourra être stockée dans un réservoir isolé. ↩︎
Un autre prototype a généré une quantité moyenne d’électricité de 27 W avec seulement deux générateurs, plus qu’assez pour alimenter la pompe (8 W). La production nette d’énergie est de 9,5 watts par générateur. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, et Andrew R. Knox. « A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators ». Energy Procedia 75 (2015) : 597-602. ↩︎
En réalité, les premières expériences portant sur des systèmes de chauffage thermoélectriques datent de la fin des années 1990. Elles visaient le développement de chaudières à gaz autoalimentées. Les systèmes de chauffage centralisés consomment généralement entre 250 et 400 W d’électricité pour alimenter leurs composants électroniques : ventilateur aspirant et refoulant, pompes et tableau de commande. Grâce aux générateurs thermoélectriques, le système continue à chauffer la maison même lors d’une coupure de courant. En plus des panneaux solaires photovoltaïques, cela ne fonctionne que lorsque le soleil brille. Allen, D. T., et W. Ch Mallon. « Further development of" self-powered boilers" ». Dix-huitième Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (Eighteenth International Conference on Thermoelectrics). Proceedings, ICT’99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., et Jerzy Wonsowski. « Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration ». XVI ICT’97. Proceedings ICT’97. 16ème Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (16th International Conference on Thermoelectrics) (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Trop de combustion, pas assez de feux

Sun, 29 Dec 2019 00:00:00 +0000

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Le feu – que nous utilisé dans nos maisons depuis plus de 400 000 ans – reste la technologie domestique la plus durable et polyvalente que l’humanité ait jamais connu. Pendant longtemps, le feu permettait à lui seul de fournir les services que nous obtenons aujourd’hui grâce à la combinaison d’une multitude d’appareils modernes, comme le four, la plaque de cuisson, la chaudière, les ampoules lumineuses, le réfrigérateur, le congélateur, le ballon d’eau chaude, le sèche-linge et la télévision. En revanche, à l’inverse de ces technologies plus récentes, le feu ne nécessitait pas d’infrastructure centrale pour fonctionner et pouvait être obtenu localement à partir de matériaux facilement accessibles.

De l’âtre à la centrale

L’usage traditionnel du feu remonte à entre 300 000 et 400 000 ans. ¹² Jusqu’au 20ème siècle, le feu alimenté par biomasse était le seul « appareil domestique» consommateur d’énergie, que les habitants vivent dans une grotte, une hutte temporaire ou un bâtiment pérenne. Les premiers abris étaient d’ailleurs souvent érigés dans le but précis de maintenir le feu allumé en le protégeant du vent et de la pluie.

Pendant la plus grande partie de l’histoire, le feu a été utilisé sous la forme d’un foyer ouvert, construit sur un sol de terre et placé au milieu d’un abri. La fumée s’échappait à travers un trou aménagé dans le toit. A partir du 14ème siècle en Europe, le foyer ouvert a été progressivement remplacé par un âtre connecté à une cheminée pour l’évacuation des fumées, le plus souvent construite contre un mur. Dans les régions les plus froides (comme la Scandinavie), les populations ont construit des poêles en faïence plus efficaces d’un point de vue énergétique, tandis que dans les régions plus tempérées (par exemple autour de la Méditerranée) les habitants ont continué à utiliser des braseros – des paniers portatifs en métal dans lesquels le charbon était brulé. Aux 18ème et 19ème siècle, les cheminées ont commencé à être remplacées par des poêles en métal.

Le feu est resté central dans les foyers jusqu’au 20ème siècle, où il a été remplacé par une grande variété d’appareils branchés sur des infrastructures centralisées. Aujourd’hui, dans les sociétés industrialisées, même les poêles métalliques sont devenus rares dans les maisons. Les feux ouverts sont presque devenus interdits, surtout dans les villes. Les nouveaux bâtiments n’ont désormais plus de cheminées ou de dispositifs d’évacuation des fumées.

Le feu est resté central dans les foyers jusqu’au 20ème siècle, où il a été remplacé par une grande variété d’appareils, branchés sur des infrastructures centralisées.

« Paradoxalement », écrit Luis Fernàndez-Galiano dans Fire and Memory: On Architecture and Energy, « les logements, qui sont nés du besoin d’aménager une place pour le feu, bannissent aujourd’hui la combustion à air libre ». ³ Dans Fire: A Brief History Stephen J. Pyne observe que « les citadins peuvent passer une année entière sans voir un feu. Celui-ci apparaît par accident ou de façon criminelle et est toujours considéré comme un danger. » ⁴

Néanmoins, le feu est loin d’avoir disparu. Des milliers de feux individuels dans les ménages ont été remplacés par un petit nombre de feux gigantesques dans des centrales. Et le feu continue de bruler ailleurs. « Dans notre économie d’abondance », écrit Stephen J. Pyne, « le feu est au cœur de la magie – dans les usines, les automobiles, les maisons et les centrales de production d’énergie… Les villes modernes demeurent des écosystèmes basés sur le feu… Eteignez le feu et vous éteignez la ville. Mais le feu ouvert en tant que tel a disparu. Comme un trou noir dans l’espace, le feu a donné forme à tout ce qui l’entoure sans être visible lui-même. »

L’industrialisation n’a pas aboli la combustion, elle l’a seulement modifiée. Principalement en modifiant sa source d’énergie : les combustibles fossiles au lieu de la biomasse. Jusqu’au 20ème siècle, presque tous les feux produits par l’homme utilisaient des sources d’énergie renouvelables : bois, herbe, crottin – à l’exception de la tourbe et de certains usages anciens du charbon. Dans les sociétés industrielles actuelles, presque tous les feux qui se situent « au cœur de la magie » utilisent du gaz, du charbon ou du pétrole.

Feu versus electricité

A l’échelle globale, quelques millions de personnes vivent encore dans des habitations construites autour d’un feu à l’ancienne, souvent sous la forme d’un foyer ouvert. Certaines personnes dans le monde occidental considèrent cette pratique comme arriérée, primitive et devant être abolie – alors même qu’elle est basée sur l’utilisation de ressources renouvelables.

Par exemple, en 2011, l’ONU et la Banque Mondiale ont lancé l’initiative « Sustainable Energy for All », qui vise à « assurer un accès universel aux services énergétique moderne » à l’horizon 2030. ⁵ Le concept de « service énergétique moderne » est vague, mais se réfère essentiellement à l’utilisation de l’électricité et du gaz – et donc, en pratique, aux énergies fossiles.

« Les citadins voient le feu comme une technologie qui peut être remplacée par d’autres technologies plus avancées. »

Des initiatives de ce genre impliquent que les « services énergétiques modernes » sont « meilleures » que le traditionnel foyer ouvert ou encore la cheminée. « Les citadins voient le feu comme une technologie qui peut être remplacée par d’autres technologies plus avancées », écrit Stephen J. Pyne. « Si le feu est un dispositif, ils veulent une amélioration de celui-ci, un feu sans flamme et sans fumée ».

Par exemple, ces dispositifs sans flamme et sans fumée sont les panneaux photovoltaïques et les éoliennes actuelles, supposés mettre fin à notre dépendance aux combustibles fossiles pour produire des « services énergétiques modernes. Toutefois, que donne la comparaison entre les foyers ouverts et les « services énergétiques modernes » – y compris ceux basés sur des sources d’énergie renouvelables – en termes d’efficacité, de durabilité, de santé et de sécurité ? Que disons-nous réellement quand nous avançons que l’électricité ou le gaz sont « meilleurs » qu’un feu traditionnel ?

La polyvalence du feu

Dans les sociétés industrielles, une des raisons pour lesquelles les gens considèrent le feu ouvert comme inefficace et non-durable est simplement qu’ils ne savent pas comment leurs ancêtres l’utilisaient. Si aujourd’hui un feu est considéré comme inefficace, c’est parce que nous mesurons seulement l’efficacité d’une de ses fonctions, habituellement celle qui consiste à chauffer un espace. Nos ancêtres, cependant, n’utilisaient pas le feu uniquement pour se chauffer. Ils l’utilisaient notamment pour cuisiner, s’éclairer, conserver la nourriture, produire de l’eau chaude, sécher les vêtements et se protéger contre les prédateurs et les insectes, entre autres.

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Le feu est extrêmement polyvalent : il est difficile de déterminer laquelle de ses fonctions était la plus précieuse à leurs yeux. Par conséquent, si nous mesurons la consommation énergétique d’un feu domestique et la comparons à celle des technologies domestiques modernes, nous ne devrions pas la comparer à la consommation d’un système de chauffage ou d’une cuisinière uniquement, mais à celle du foyer tout entier.

Cuisiner avec le feu

Dans sa fonction d’appareil de cuisine, le feu permet une grande variété de méthodes de cuisson et remplace un nombre surprenant d’appareils de cuisine modernes. Le feu n’était pas utilisé uniquement comme une plaque de cuisson, mais aussi comme un four. Pour rôtir et griller, la nourriture était placée sur une broche et cuite par exposition directe aux flammes. L’équivalent de la cuisson au four se faisait dans un récipient en argile (identique à nos cocottes actuelles) placé dans les braises. Autrement, un four séparé était construit dans les jambages ou à l’arrière de la cheminée, ou encore à l’extérieur de la maison dans un bâtiment indépendant. Une marmite suspendue au-dessus du feu permettait de bouillir et de frire les aliments. ⁶⁷

Le feu permettait également de remplacer de nombreux appareils électroménagers. Ainsi, on peut penser que les gens n’ont commencé à manger du pain grillé que quand le grille-pain électrique est apparu au 20ème siècle, alors qu’une « fourchette d’âtre » tenue au-dessus du feu était utilisé auparavant. De la même façon, la préparation de boissons chaudes n’est pas apparue avec l’invention de la bouilloire électrique : par le passé les gens trempaient un ustensile en métal chauffé à blanc dans une tasse, produisant en quelques secondes des boissons chaudes. ⁸

« Dans sa fonction d’appareil de cuisine, le feu permet une grande variété de méthodes de cuisson et remplace un nombre surprenant d’appareils de cuisine modernes. »

Le feu se substituait également aux réfrigérateurs et congélateurs actuels. Dans The Food Axis: Cooking, eating, and the architecture of American houses, Elizabeth Collins Cromley décrit comment la viande et le poisson étaient suspendus dans la fumée d’un feu pendant plusieurs semaines pour les conserver plus longtemps. ⁶ Plus simplement, nos ancêtres pendaient leurs morceaux de viande ou de poisson dans la cheminée de la cuisine ou – s’il n’y avait pas de cheminée – les suspendaient au plafond, bien au-dessus du foyer ouvert. Le fumage pouvait également s’effectuer dans un fumoir, soit intégré à la cheminée de la cuisine, soit formé d’un compartiment crée à partir du conduit d’évacuation des fumées, dans le grenier ou la cave. Le fumoir pouvait également être un bâtiment indépendant.

Plusieurs autres méthodes de conservation de la nourriture dépendaient du feu. Les fruits, les légumes et les plantes étaient séchés grâce au feu si le climat n’était pas assez chaud. Confire les fruits, fabriquer du beurre et du fromage dépendaient également de la chaleur du feu. Le sel, essentiel pour la conservation de la nourriture, était stocké dans une boite suspendue à la cheminée pour le garder sec. ⁶

Distribuer la chaleur et la lumière

Un feu ne produit pas uniquement de la chaleur et de la fumée – il produit aussi de la lumière. Le feu était une source de lumière aussi polyvalente que l’éclairage électrique actuel. Le feu n’éclairait pas uniquement autour de l’âtre ou du foyer, il éclairait aussi grâce à des torches, des mèches imbibées de graisse puis plus tard des bougies et des lampes à huile. ⁹¹⁰ La chaleur du feu pouvait aussi être distribuée dans la maison entière. Bien que la cuisine était habituellement la seule pièce de la maison à être chauffée, les braises pouvaient être placées dans des dispositifs portatifs de chauffage, comme les chaufferettes, les chauffe-pieds ou encore les bassinoires. ¹¹

Le feu était aussi utilisé pour chauffer de l’eau pour le lavage et le nettoyage, pratique qui a perduré avec l’introduction des poêles en fonte — qui étaient pour la plupart équipés d’un réservoir d’eau chaude. De plus, il permettait de sécher les vêtements, remplaçant ainsi le sèche-linge actuel. Et le repassage des vêtements n’est pas apparu avec le fer à repasser électrique. Depuis le Moyen-Age, nos ancêtres utilisaient des fers en métal – appelés lissoirs – chauffés par le feu ou sur un poêle, ou encore des boîtes en fer remplies de braises, dont certaines avait une petite cheminée pour maintenir la fumée éloignée des vétements. ¹²

« Le repassage des vêtements n’est pas apparu avec le fer à repasser électrique. Depuis le Moyen-Age, nos ancêtres utilisaient des fers en métal – appelés lissoirs – chauffés par le feu ou sur un poêle. »

Une autre fonction du feu était d’être un point central de la communication et de la sociabilité. Pendant des millénaires, le foyer « était l’espace où se concentraient les conversations, l’âme chaleureuse de la maison ». ³ La télévision et les téléphones portables occupent désormais ces rôles, bien que l’on puisse douter qu’ils entretiennent le même attrait qu’un feu sur les gens. Une pléiade de produits de consommation imitant les effets du feu – bougies et cheminées électriques, ampoules LED imitant la lumière d’une flamme vacillante, vidéos de feux crépitant – semble indiquer que le feu nous manque.

Soutenabilité et efficacité

Dans un logement construit autour du feu, la préparation de boissons chaudes et de pain grillé, le séchage du linge ou l’éclairage de l’espace n’augmentent pas la consommation énergétique du feu : ils rendent simplement son utilisation plus efficace puisque le feu est déjà présent pour d’autres usages comme le chauffage de l’espace. Pour obtenir les mêmes résultats aujourd’hui, nous devons allumer plusieurs appareils qui entrainent une utilisation supplémentaire d’énergie : la chaudière, la bouilloire, le grille-pain, le sèche-linge et l’éclairage.

De plus, il faut prendre en compte l’utilisation d’énergie et de matières premières nécessaires au remplacement du feu par des douzaines d’appareils produits en usine, qui doivent également être acheminés aux consommateurs. Finalement, il faut prendre en compte l’énergie et les matériaux nécessaires pour construire et faire fonctionner les infrastructures dont ces appareils dépendent pour fonctionner, comme le réseau électrique, les infrastructures de transport du gaz ou la chaîne du froid. A l’opposé, un foyer ouvert peut être construit localement avec des matériaux disponibles sur place et il fonctionne indépendamment des infrastructures centralisées.

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Les systèmes de production d’énergie renouvelable actuels, comme les panneaux photovoltaïques ou les éoliennes, n’abordent pas de la bonne manière la question énergétique : ceux-ci nécessitent également d’être fabriqués, transportés, entretenus puis mis au rebut et ils supposent que nous pouvons continuer à concevoir, produire et jeter une variété de plus en plus importante d’appareils électroménagers pour satisfaire nos besoins. L’énergie de la biomasse ne rendrait pas non plus ce système durable : bien qu’elle supprime le recours aux combustibles fossiles, une grande quantité d’énergie est perdue dans le processus de conversion de la biomasse en électricité et nous aurions toujours besoin d’usines pour fabriquer les appareils électriques et les infrastructures.

Consommation électrique comparée : logement ancien contre logement moderne

Si nous rétudions la consommation énergétique des ménages européens aujourd’hui, nous constatons qu’en moyenne 64 % de l’énergie totale sert au chauffage des logements, 15 % à l’eau chaude sanitaire, 14 % à l’éclairages et aux appareils électriques, 5 % à la cuisine et 1 % aux autres services (dont la climatisation). ¹³ La plupart de ces services peuvent êtres remplacés par le feu. Alors, comment la consommation énergétique d’un logement traditionnel construit autour d’un foyer ouvert se compare-t-elle avec celle d’un logement moderne fonctionnant avec l’aide d’appareils électriques et d’infrastructures ?

Evidemment, l’utilisation énergétique des logements modernes est mieux documentée que celles des constructions et abris du passé. Cependant, il existe des recherches qui documentent la consommation énergétique des logements qui reposent encore sur l’utilisation traditionnelles du feu.

Si nous mesurons la consommation énergétique d’un feu domestique et la comparons à celle des technologies modernes, nous devons la comparer à celle du logement entier.

Une recherche datant de 2002 portant sur la consommation annuelles de bois de chauffage dans les maisons traditionnelles au Népal établie que la quantité de bois de chauffage consommée par foyer se situe entre 6 et 33 m³, ce qui correspond à entre 35 et 154 Giga joules (GJ) d’énergie. ¹⁴¹⁵¹⁶ Ceci semble important en comparaison à la consommation énergétique totale dans les logements contemporains, qui se situe autour de 75 GJ par an en Allemagne et de 105 GJ au Canada.

Cependant, les foyers Népalais participant à la recherche comprenaient entre 5 et 12 habitants, là où les foyers dans les sociétés modernes ont rétrécit à un peu plus de 2 habitants. Dans les foyers Népalais à l’étude, la consommation énergétique se situait entre 2 et 33 GJ par habitant par an, tandis qu’une autre étude plus récente sur la consommation de bois de chauffage pour le chauffage, la cuisson et l’éclairage au Népal calcule une consommation par habitant estimée à peu près entre 2,5 et 10 GJ d’énergie par habitant par an. ¹⁷¹⁸ En comparaison, la consommation totale d’un logement par habitant se situe entre 30 et 40 GJ dans des pays comme les Pays-Bas, l’Allemagne et le Canada.

Un foyer pour 10 milliards de personnes?

Même sans prendre en compte les ressources supplémentaires nécessaires à la construction des appareils et des infrastructures, la consommation énergétique dans les logements préindustriels semble avoir été plus basse qu’elle ne l’est aujourd’hui. En effet, un rapide calcul révèle que – du moins en théorie – l’utilisation d’un foyer ouvert comme seule source d’énergie par dix milliards de personnes serait une pratique parfaitement durable.

Considérant une consommation moyenne de 6 m³ de bois de chauffage par personne, nous aurions besoin de 60 milliards de mètres cubes de bois par an. Un mètre cube de bois est récolté sur 0,2 hectares de taillis, nous aurions donc besoin de 12 milliards d’hectares ou de 120 millions de kilomètres carrés de forêt si nous voulions éviter la déforestation. Soit trois fois ce dont nous disposons actuellement, et à peu près 80 % de la surface totale de terres sur notre planète (150 millions de kilomètres carrés).

Puisque nous n’aurions pas besoin d’espace supplémentaire pour des usines et des routes pour fabriquer et distribuer des biens de consommation, nous pourrions effectivement réutiliser le foyer ouvert sans détruire notre environnement. Ce que ne pourront faire 10 milliards de personnes en continuant d’utiliser les énergies fossiles et les infrastructures modernes.

Santé contre durabilité

Si ce n’est donc pas pour leur soutenabilité ou leur efficacité, pourquoi considérons-nous les « services énergétiques modernes » comme supérieurs au feu traditionnel ? La suppression des feux ouvert dans les villes modernes est sous-tendue par deux arguments supplémentaires : le feu a des effets néfastes sur la santé (pollution de l’air) et est dangereux (risques d’incendies). Ces risques sont réels, mais sont à comparer avec ceux que présentent les « services énergétiques modernes » en termes de santé et de sécurité.

Il ne fait aucun doute que le remplacement du feu domestique par des infrastructures modernes a amélioré la qualité de l’air, la santé et la sécurité dans les villes. Cependant, ceci ne pourrait constituer qu’une avancée temporaire : des infrastructures sont au moins aussi génératrices de risques pour la sécurité et la santé en raison de leur dépendance aux combustibles fossiles.

Comment les « services énergétiques modernes » se comparent-ils au feu en termes de santé et de sécurité ?

Au moment ou j’écris, les canicules et les feux de forêt qui ravagent l’Australie sont responsables de nombreuses victimes et destructions matérielles et la fumée épaisse qui s’en échappe continue de recouvrir certaines des plus grandes villes du pays. Ces feux ne sont pas provoqués par les personnes qui utilisent des foyers ouverts. Ils sont la conséquence du réchauffement climatique, qui est lui-même causé par l’utilisation d’infrastructures industrielles, alimentées par des combustibles fossiles.

Notre dépendance à des infrastructures centralisées pour répondre à autant de besoins vitaux constitue un autre risque en matière de santé et de sécurité : si nous coupons l’approvisionnement énergétique d’une grande ville, tout s’arrête de fonctionner, y compris le réseau d’égouts, le stockage de la nourriture et les alarmes antivol.

Notre inquiétude face au feu traditionnel prend en partie racine dans la confusion entre deux concepts : la « santé » et la « soutenabilité ». Bien sûr, une chose peut être à la fois saine, sûre et durable, tel que le fait de marcher – à moins qu’il n’y ait pas de trottoir. Mais une autre chose peut également être saine, sûre mais peu durable (comme un réfrigérateur, puisqu’il dépend d’une chaîne du froid très énergivore) et une autre encore peut être durable mais peu saine ou sûre (comme un fumoir pour la viande et le poisson situé dans une cave).

En tant qu’individus, nous avons un « besoin », un désir de santé et de longévité. Nous les considérons même comme des droits, tout comme nous considérons un certain niveau de confort, de commodité, de vitesse ou d’hygiène comme des droits inaliénables. D’un autre côté, définir la soutenabilité nécessite que nous nous interrogions sur quel niveau de confort, de commodité, de vitesse, d’hygiène, de sécurité et de santé notre environnement peut supporter avant de s’effondrer. Nous pouvons choisir la sécurité et la santé plutôt que la soutenabilité quand s’opposent, mais seulement aux dépens de la sécurité et de la santé des plus jeunes et des futures générations.

Roebroeks, Wil, and Paola Villa. “On the earliest evidence for habitual use of fire in Europe.”. Proceedings of the National Academy of Sciences 108.13 (2011): 5209-5214. ↩︎
Berna, Francesco, et al. “Microstratigraphic evidence of in situ fire in the Acheulean strata of Wonderwerk Cave, Northern Cape province, South Africa.” Proceedings of the National Academy of Sciences 109.20 (2012): E1215-E1220. ↩︎
Fernández, Guillén, and Luis Fernández-Galiano. Fire and memory: on architecture and energy. Mit Press, 2000. ↩︎ ↩︎
Pyne, Stephen J. Fire: a brief history. University of Washington Press, 2019. ↩︎
https://www.seforall.org ↩︎
Collins Cromley, Elizabeth. The food axis: cooking, eating, and the architecture of American houses. University of Virginia Press, 2010. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Contrairement aux cuisinières et fours à gaz ou électriques d’aujourd’hui, un feu n’a pas de boutons pour contrôler sa température. Pour l’ébulition et le mijotage, cela a été résolu en accrochant les pots à une crémaillère, qui permettait de les élever ou les abaisser. Dans les fours, les cuisiniers décidaient de cuire d’abord des tartes ou du pain pendant que le four était le plus chaud, puis, successivement, au fur et à mesure que le four refroidissait, du pain d’épices, des crèmes anglaises, puis des grains pouvaient être mis à sécher. ⁶ ↩︎
Marcoux, Paula. Cooking with fire: From roasting on a spit to baking in a tannur, rediscovered techniques and recipes that capture the flavors of wood-fired cooking. Storey Publishing, 2014. ↩︎
Hough, Walter. Fire as an agent in human culture. No. 139. Govt. print. Off., 1926. ↩︎
La source d’énergie pour ces feux placés en divers endroits était le bois, la résine, la cire, la graisse ou l’huile. Les besoins d’intensité et de position particulières de la source d’éclairage ont stimulé l’invention de divers supports. [9] ↩︎
Heating people, not spaces: restoring the old way of warming, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2016. ↩︎
History of ironing, Old & Interesting, retrieved December 26, 2019. ↩︎
Energy consumption and use by households, Eurostat, 2019. ↩︎
Rijal, H. B., and H. Yoshida. “Investigation and evaluation of firewood consumption in traditional houses in Nepal.” Proceedings: Indoor Air (2002): 1000-1005. ↩︎
The energy content of 1 m3 of wood also depends on the type of wood and how it is stacked. I’ve compared apples to apples when it was possible, but this was not always the case so the result is only a rough estimate. ↩︎
The annual firewood usage in 18th century Austria (Carinthia) was limited to 35 m3 per household. Source: Peter, Sieferle Rolf. The subterranean forest. Cambridge: The White Horse Press, 2001. ↩︎
Rijal, Hom Bahadur. “Firewood Consumption in Nepal.” Sustainable Houses and Living in the Hot-Humid Climates of Asia. Springer, Singapore, 2018. 335-344. ↩︎
The results are 0.5 to 2 m3 of firewoord per person per year, which I have converted to 2.5 to 10 GJ of energy per person per year. ↩︎