LOW←TECH MAGAZINE Français

Les hypocaustes: le chauffage du Moyen Âge

Fri, 17 Mar 2017 00:00:00 +0000

Bouches d’aération dans le sol du monastère de Maulbronn. Source : \"Das Kloster Maulbronn. Geschichte und Baugeschichte.\", Ulrick Knapp, 1997 / Via Spiegel 2016.

Créé par les Romains, l’hypocauste est le premier système de chauffage sans fumée d’Europe occidentale. Il y a peu de temps encore, les historiens estimaient que cette technologie avait été perdue après la chute de l’Empire romain. Toutefois, elle a survécu dans une grande partie de l’Europe et s’est développée pour devenir un « hypocauste de stockage de chaleur » : un fourneau souterrain sur lequel des pierres de granit étaient empilées pour laisser passer l’air chaud par les bouches d’aération du sol. Il suffisait d’allumer le fourneau une seule fois pour chauffer une pièce pendant plusieurs jours.

Les hypocaustes

Les hypocaustes étaient des systèmes de chauffage qui distribuaient la chaleur d’un fourneau souterrain par des bouches d’aération dans le sol. La chaleur était absorbée par le sol et redistribuée dans la pièce du dessus. Le résultat, en termes de confort thermique, était similaire à celui d’un ballon d’eau chaude ou d’un système de chauffage électrique au sol. L’hypocauste romain fonctionnait grâce à des conduits dans le sol créés par les petits piliers qui soutiennent les dalles. Parfois, la chaleur était également acheminée par des orifices dans les murs avant de s’évaporer hors du bâtiment. Les murs étaient donc aussi chauffés.

Les Romains n’étaient pas les premiers à développer un système de chauffage utilisant la chaleur d’un feu souterrain pour chauffer le sol d’une pièce à une autre. Le kang et le dikang chinois, l’ondol coréen et le tawakhaneh afghan fonctionnaient sur des bases similaires et remontent à une époque encore plus ancienne. De plus, les Romains avaient probablement appris la technologie des Grecs. Toutefois, ce sont les Romains qui ont développé l’hypocauste pour en faire un système de chauffage plus sophistiqué. Ils l’utilisaient en particulier dans leurs bains publics qui se situaient dans toute l’Europe et autour de la Mer Méditerranée.

Ruines d’un hypocauste romain. Wikimedia Commons.

Pendant longtemps les historiens ont pensé que la chute de l’Empire romain vers 500 EC marquait le début d’un hiatus dans l’utilisation du chauffage sans fumée en Europe. Néanmoins, même si la plupart des bains publics sont tombés en ruines dans l’Empire romain d’Occident, les hypocaustes étaient encore construits et utilisés au début du Moyen Âge, particulièrement dans les monastères. Cette technologie a également survécu dans l’Empire byzantin et fut adoptée dans les hammams en Arabie. L’hypocauste fut réintroduit en Europe occidentale par les Arabes lors de la construction du palais d’Alhambra au 13e siècle. ¹

Des systèmes plus petits et moins coûteux, avec des conduits au lieu des piliers, ont continué à être utilisés, en particulier dans les petits bâtiments. Ces hypocaustes ne chauffaient qu’une partie du sol mais étaient beaucoup plus faciles à construire. Nous avons trouvé un hypocauste similaire dans un village reculé en Espagne. Il est toujours utilisé aujourd’hui.

Des hypocaustes pour stocker la chaleur

Lors de I’ expansion du christianisme et de ses monastères en Europe du Nord, l’hypocauste romain s’est avéré inefficace dans les lieux les plus froids. Dans la première moitié du XIVe siècle, voire même avant, la pratique consistait à empiler des pierres de granit au-dessus du fourneau pour accumuler la chaleur. ¹² Loin d’une imitation simplifiée du Moyen Âge, l’hypocauste était un moyen pour stocker la chaleur et représentait une étape supplémentaire dans le développement de cette ancienne technologie. ³

Une fois le fourneau chaud, les bouches d’aération située au-dessus de la plaque chaude étaient ouvertes pour laisser l’air chaud réchauffer la pièce.

Contrairement à l’hypocauste romain, qui fonctionnait avec une chaleur radiante, cet hypocauste qui stockait la chaleur fonctionnait par convection. La pièce à chauffer avait une « plaque chaude » avec des bouches d’aération au-dessus de la pile de pierres de granit. Ces bouches d’aération restaient fermées lorsque le feu brûlait pour que la fumée passe par la cheminée ou un orifice dans le mur et ainsi, l’empêcher de pénétrer dans la pièce. Une fois le four éteint et vide, le conduit de fumée était fermé à l’aide d’un clapet et les bouches d’aération de la plaque chaude étaient ouvertes pour que l’air des pierres chauffe la pièce. ²³

Un hypocauste. Source : K. Bingenheimer, 1998

Des bouches d’aération dans le sol du château de Malbork en Pologne. Photo : [Robert Young](https://www.flickr.com/photos/robertpaulyoung/3823241053/in/photolist-cxkULL-QQ2Qyj-6PR7nc). Les bouches d’aération avaient généralement une forme ronde et un diamètre de 10 à 12 cm.

Les hypocaustes romains devaient rester allumés en permanence à cause de leur capacité de stockage de chaleur relativement faible. Ajouter cette pile de pierres a rendu le stockage de chaleur de l’hypocauste beaucoup plus simple, il n’était plus nécessaire de le garder allumé en permanence. En 1822, de nombreuses expériences ont été effectuées pour déterminer l’efficacité d’un hypocauste de ce genre, âgé de 400 ans au château de Malbork en Pologne. Une de ces expériences consistait à chauffer la salle de banquet de 850 m² du château.

Un feu hebdomadaire

Le 3 avril, le fourneau avait été allumé pendant trois heures et demie avec du bois d’épicéa de 0,7 m3. Quand les bouches d’aération de la plaque chaude avaient été ouvertes, l’air chaud (200 °C) s’était précipité dans la salle de banquet pour faire monter la température de 6 à 22,5 °C en seulement 20 minutes. Puis, les bouches d’aération avaient été fermées. Le matin suivant (4 avril), la température de la pièce avait chuté à 14 °C. Les bouches d’aération avaient été rouvertes et la température était remontée à 19 °C en l’espace d’une heure, sans besoin de rallumer le fourneau.

Six jours après l’extinction du feu, l’air qui sortait des bouches d’aération avoisinait les 46 °C

Le 5 avril, la température de l’air qui s’échappait des bouches d’aération était de 94 °C et celle de la pièce est passée de 10 à 16 °C en une demi-heure. Le 6 avril, soit trois jours après que le feu soit éteint, l’air était toujours assez chaud pour que la température de la pièce passe de 10 à 12 °C. Même le 9 avril, soit six jours plus tard, l’air chaud (46 °C) provenant des bouches d’aération réchauffait encore la pièce, faisant passer la température de 8 à 10 °C.

En 1438, lors de son voyage en Europe, le voyageur espagnol Pero Tafur écrit que les gens plaçaient « des chaises au-dessus des bouches d’aération. Ces chaises comportaient des ouvertures pour laisser passer l’air chaud. Ils s’asseyaient alors sur ces chaises percées et ouvraient les bouches d’aération afin que la chaleur monte entre leurs jambes ». ³ Ce système rappelle les réchauds à pied utilisés en Europe du Nord au Moyen-Âge.

Ci-dessus : Un hypocauste au château de Marienbourg en Pologne. Source : [J. Kacperska](http://www.zamek.malbork.pl/index.php%3Fp%3Dmuzeum%26a%3Dwystawy%26aid%3D48%26lang%3Den).

Un hypocauste dans l’hôtel de ville de Tallinn. Source : Kaarel Truu, 2016.

Région de la mer Baltique

Les hypocaustes étaient principalement utilisés dans la région baltique, au nord de l’Allemagne, au Danemark, en Suède, Finlande, Estonie, Lettonie, Lituanie et en Pologne. Dans une moindre mesure, on en a retrouvé plus au sud et à l’est, notamment à l’est et dans le sud de l’Allemagne, en Suisse, en Autriche, en République tchèque, en Hongrie et en Russie. La plupart ont été construits entre 1400 et 1500. ¹

Aujourd’hui encore, on continue d’étudier l’histoire des hypocaustes. Dans son étude novatrice de 1998, Klaus Bingenheimer estime que le nombre d’hypocaustes s’élevait à 500 au Moyen-Âge, dont 154 comportaient une pièce pour stocker la chaleur. ⁴ Beaucoup d’autres ont cependant été découverts depuis. Alors que Bingenheimer pouvait seulement prouver l’existence de deux hypocaustes en Estonie, un document écrit en 2009 par Andres Tvauri en répertorie 95 qui sont toujours debout, ou dont l’emplacement a été documenté.

Selon les dernières estimations, il y avait au moins 800 à 1 000 hypocaustes autour de la mer Baltique.

Au total, environ 500 hypocaustes ont été recensés dans la région baltique. Selon les dernières estimations, il y en avait au moins entre 800 et 1 000 à la fin du 15e siècle. ¹ Ils étaient présents dans les monastères et les châteaux aussi bien que dans des bâtiments publics comme les hospices, les hôtels de ville, les mairies ou les hôpitaux. En Livonie médiévale, qui recouvrait alors l’Estonie et la Lettonie, on retrouvait cette technologie jusque dans les maisons. À Tallinn, la capitale de l’Estonie, tout le monde possédait un l’hypocauste et au moins 54 de ces systèmes de chauffages y ont été découverts. ²

Les hypocaustes de Tallinn

La présentation d’Andres Tvauri sur l’hypocauste en Estonie, l’une des rares ressources disponibles en anglais, fournit une multitude de détails techniques. Des couvercles ou des bouchons spéciaux en métal, en pierre ou en terre cuite servaient à fermer les bouches d’aération des « plaques chaudes » au sol. De petits plats en céramique ont été retrouvés sur les pierres chaudes en dessous des bouches d’aération. On suppose que de l’eau était versée sur ces pierres pour produire de la vapeur et augmenter le taux d’humidité dans l’air. ²

Restes d’un hypocauste à Tallinn, Estonie. Source : [^5] Kaarel Truu, 2016. La pièce de chauffe souterraine de l’hypocauste et la chambre chauffée du rez-de-chaussée des maisons de Tallinn étaient généralement reliées par un escalier.

Le fourneau était recouvert par une voûte en berceau sur laquelle des pierres d’un diamètre de 40 à 50 cm étaient empilées pour accumuler la chaleur. Les briques de la voûte étaient disposées de façon à former trois ou quatre arches, avec un intervalle de 20 cm entre elles. Les bâtisseurs médiévaux se sont probablement servis d’un vieux tonneau pour façonner ces arches. Une fois la construction du fourneau achevée, un feu était allumé dans le tonneau.

Les dimensions du fourneau dépendaient de la taille de la pièce à chauffer. Dans les maisons, où seule la chambre était chauffée, il faisait un ou deux mètres de long, un peu plus d’un mètre de large et 50 à 60 cm de haut. Dans les bâtiments publics et les monastères, qui comportent des pièces plus grandes à chauffer, les fourneaux étaient bien plus gros.

Poêle de masse

Les hypocaustes ont seulement été utilisés pendant une courte période. Au 15e siècle, les poêles de masse en faïence étaient déjà très répandus dans les pays baltes. Le poêle de masse est un système de chauffage par rayonnement. L’intérieur est constitué d’un labyrinthe de briques ou de pierres conçu pour accumuler la chaleur du feu. Il était plus pratique à utiliser et à construire que l’hypocauste et bénéficiait d’un meilleur rendement énergétique. En effet, on a besoin de moins d’énergie pour chauffer les gens que pour chauffer les pièces

Même s’il était possible de chauffer au moins deux pièces séparées grâce à un seul fourneau, l’hypocauste était, selon la règle, situé en dessous de la ou des chambres à chauffer. Ces dernières étaient toujours au rez-de-chaussée. Les poêles de masse quant à eux pouvaient être construits n’importe où, même à l’étage d’un bâtiment. Au 16e siècle, la Livonie médiévale a remplacé les hypocaustes par des poêles de masse en faïence, souvent construits à l’endroit même où se trouvait l’hypocauste. Ailleurs comme en Pologne par exemple, certains hypocaustes sont restés en usage jusqu’au 18e et 19e siècle.

Spiegel, T. Die mittelalteriche Luftheizung der Zisterzeiner-Klosters Doberan im Kontext der Entwicklung der vormodernen Heiztechnik, 2016 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tvauri, A. Late Medieval Hypocausts with Heat Storage in Estonia. Andres Tvauri. 2009. Baltic Journal of Art History, 2009. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Atzbach, R. The ‘Stube’and its Heating. Archaeological Evidence for a Smoke-Free Living Room between Alps and North Sea, Svart Kristiansen, M. and Giles, K.(red.)." Dwellings, Identities and Homes. European Housing Culture from the Viking Age to the Renaissance (2014). ↩︎ ↩︎ ↩︎
Bingenheimer K. “Die Luftheizungen des Mittelalters. Zur Typologie und Entwicklung eines Technikgeschichtlichen Phänomens”, 1998 ↩︎

La consommation d'énergie au ralenti: Le retour du courant continu?

Wed, 27 Apr 2016 00:00:00 +0000

Image: Station électrique de Brighton, 1887. Machines à vapeur fixes qui génèrent du courant continu au moyen de courroies en cuir. [Source](http://www.makingthemodernworld.org.uk/stories/the_second_industrial_revolution/05.ST.01/?scene=7).

Dans les systèmes solaires photovoltaïques actuels, le courant continu provenant des panneaux solaires est converti en courant alternatif, ce qui le rend compatible avec la distribution électrique d’un bâtiment. Étant donné qu’aujourd’hui de nombreux appareils fonctionnent avec le courant continu (CC), le courant alternatif (CA) est reconverti en courant continu grâce aux adaptateurs de chaque appareil.

Cette double conversion d’énergie, qui génère jusqu’à 30% de pertes, peut être évitée si la distribution électrique du bâtiment est convertie en courant continu. Le couplage direct entre les sources d’alimentation en courant continu et les charges en courant continu rendrait l’énergie solaire plus économique et plus viable. Certaines conditions sont cependant indispensables pour obtenir un tel résultat.

On peut produire et distribuer l’électricité en courant alternatif ou continu. Dans le cas du courant alternatif, le courant change périodiquement de direction et la tension s’inverse en même temps que le courant. En ce qui concerne le courant continu, le courant circule dans une seule direction et la tension ne varie pas. Lorsqu’on a commencé à transporter l’énergie électrique à fin du 19e siècle, le courant alternatif était en concurrence avec le courant continu pour savoir lequel des deux systèmes de distribution allait devenir le standard. Cette période historique est connue comme « la guerre des courants ».

C’est le courant alternatif qui a remporté la bataille, notamment parce qu’il présente de meilleures performances lorsqu’il est transporté sur de longues distances. La puissance électrique (exprimée en watt) est égale à l’intensité (exprimée en ampère) multipliée par la tension (exprimée en volt). Une quantité donnée d’électricité peut donc être produite avec une tension faible de forte intensité ou une tension élevée de faible intensité. Néanmoins, les déperditions d’énergie causées par le phénomène de résistance sont proportionnelles au carré de l’intensité. C’est pourquoi les tensions élevées sont essentielles pour transporter l’électricité efficacement sur de longues distances. ¹

L’invention des transformateurs de courant alternatif à la fin des années 1800 a permis d’augmenter la tension afin de transporter l’électricité sur de longues distances, avant de la convertir à nouveau pour un usage local. En revanche, ce n’est qu’à partir des années 1960 que le courant continu a été converti à des tensions élevées de manière efficace. Il était donc impossible de le transporter sur de longues distances (>1-2 km).

Image: Les dynamos de la centrale électrique de la Brush Electric Company alimentaient [des lampes à arc pour l’éclairage public](/moonlight-towers-light-pollution-in-the-1800s) à New York. Mise en service en décembre 1880 au 133 West Twenty-Fifth Street, la centrale alimentait un circuit de 3,2 km de long. Source: [Wikipedia Commons](https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electric_power_transmission)

À l’époque, un réseau électrique en courant continu impliquait l’installation de petites centrales électriques dans chaque quartier. Ce système n’était pas pratique, car la performance des machines à vapeur qui alimentaient les dynamos dépendait de leur taille : plus la machine à vapeur était grosse, plus elle était efficace. Les machines à vapeur étaient par ailleurs très bruyantes et engendraient une pollution atmosphérique, tandis que les pertes liées au transport du courant continu excluaient l’utilisation de sources d’alimentation hydrauliques plus propres et plus éloignées.

Plus de cent ans après, le courant alternatif est toujours au cœur de nos infrastructures électriques. Bien que le courant continu à haute tension ait gagné du terrain concernant le transport sur de longues distances, toutes les distributions électriques des bâtiments reposent sur le courant alternatif à 110 ou 220V. Les systèmes basse tension en courant continu existent cependant toujours dans les voitures, les poids lourds, les camping-cars, les caravanes et les bateaux, ainsi que les bureaux de télécommunication, les stations scientifiques isolées et les abris d’urgence. Dans la plupart de ces exemples, les appareils sont alimentés par des batteries qui fonctionnent sur du 12V, 24V ou 48V CC.

Un regain d’intérêt pour le courant continu

Récemment, deux facteurs convergents ont ravivé l’intérêt pour une alimentation électrique en courant continu. Premièrement, nous disposons aujourd’hui de meilleures alternatives pour décentraliser la production d’énergie électrique, la principale étant les panneaux photovoltaïques. Ils ne génèrent pas de pollution et leur efficacité est indépendante de leur taille. Les panneaux solaires peuvent être implantés à l’endroit même de la demande énergétique, le transport de l’énergie sur de longues distances n’est donc plus nécessaire. En outre, les panneaux solaires produisent « naturellement » du courant continu, de même que les batteries chimiques qui constituent la technologie de stockage de l’énergie la plus efficace pour les panneaux photovoltaïques.

Les panneaux photovoltaïques produisent naturellement du courant continu et de plus en plus d’appareils électriques fonctionnent en CC.

Deuxièmement, le nombre d’appareils électriques qui fonctionnent en courant continu est en constante augmentation. C’est le cas des ordinateurs et de tous les autres gadgets électroniques, ainsi que de l’éclairage à semi-conducteurs (LED), des télévisions à écran plat, des équipements stéréo, des fours micro-ondes, et d’une quantité incroyable d’appareils alimentés par des moteurs CC qui fonctionnent à vitesse variable (ventilateurs, pompes, compresseurs et systèmes de traction). D’ici les 20 prochaines années, le courant continu pourrait représenter jusqu’à 50% de la consommation électrique des ménages. ²

Centrale électrique à courant continu de l’Hippodrome de Paris. Une machine à vapeur fait fonctionner plusieurs dynamos qui alimentent des lampes à arc. Source inconnue.

Dans un bâtiment qui génère de l’énergie solaire mais dont la distribution électrique est en courant alternatif, une double conversion est inévitable. Le courant continu produit par le panneau solaire est d’abord converti en courant alternatif à l’aide d’un onduleur. Le courant alternatif est ensuite reconverti en courant continu grâce aux adaptateurs des appareils tels que les ordinateurs, les LED ou les micro-ondes. Ces conversions causent des pertes énergétiques qui pourraient être évitées si la distribution électrique, d’un bâtiment alimenté en énergie solaire, était en courant continu. En d’autres termes, une distribution électrique en courant continu améliorerait le rendement énergétique des panneaux photovoltaïques.

Plus d’énergie solaire à moindre coût

Étant donné qu’un panneau solaire ne consomme pas d’énergie et qu’il n’engendre pas de coûts de fonctionnement, un meilleur rendement énergétique se traduit par un investissement réduit, puisque moins de panneaux solaires sont requis pour produire une quantité donnée d’électricité. De plus, il est inutile d’installer un onduleur, un dispositif coûteux qui doit être remplacé au moins une fois au cours de la durée de vie du panneau solaire. Un investissement de départ moins élevé implique aussi une réduction de l’énergie grise : si l’on a besoin de moins de panneaux solaires et que l’onduleur est inutile, la fabrication des panneaux photovoltaïques nécessitera moins d’énergie, ce qui est essentiel pour améliorer la pérennité de cette technologie.

Moins de panneaux solaires sont nécessaires pour générer la même quantité d’électricité

Le même avantage s’appliquerait aux appareils électriques. Dans un bâtiment avec une alimentation électrique en courant continu, les appareils qui fonctionnent en CC n’auront plus besoin des composants qui convertissent le CA en CC. Ces appareils simplifiés seraient alors moins coûteux, plus fiables et plus économiques à produire. Les adaptateurs CA/CC (situés dans une source d’alimentation externe ou dans l’appareil lui-même) sont souvent des composants volumineux qui réduisent la durée de vie des appareils fonctionnant en courant continu. ²

Image: Circuit imprimé d’une lampe à LED 35 W. [^3] Tous les composants indispensables à la conversion CA/CC sont entourés.

Dans le cas d’une lampe à LED, environ 40% du circuit imprimé est dédié aux composants essentiels à la conversion CA/CC. ³ Les adaptateurs CA/CC présentent plus d’inconvénients. En raison d’une stratégie commerciale douteuse, ils sont généralement spécifiques à un appareil, ce qui engendre un gaspillage des ressources, ainsi qu’une perte d’argent et d’espace. D’autre part, un adaptateur continue à consommer de l’énergie quand l’appareil ne fonctionne pas, même lorsqu’il n’y est pas connecté.

L’alimentation électrique en courant continu simplifierait la conception des appareils, les rendant plus abordables, plus fiables et moins énergivores à fabriquer.

Enfin et surtout, on considère que les réseaux basse tension en courant continu (inférieurs à 24 V) excluent les risques d’électrocution et d’incendie. L’installation électrique serait ainsi simplifiée, sans mise à la terre ni boîte de dérivation ou protection contre le contact direct. ⁴⁵⁶ Des économies seraient ainsi réalisées et vous pourriez installer un panneau solaire par vous-même. Nous vous expliquerons comment le faire chez vous dans le prochain article et comment vous procurer des appareils CC ou convertir des appareils CA en CC.

Quelle quantité d’énergie peut être préservée?

Bénéficier des avantages énergétiques d’un réseau en courant continu n’est pourtant pas gagné. Les économies d’énergies peuvent aussi bien être considérables que minimes, voire nulles. La pertinence du choix du courant continu repose sur cinq facteurs principaux : les pertes énergétiques liées à la conversion CA/CC effectuée par les adaptateurs de tous les appareils, le temps de charge des appareils, la disponibilité du stockage électrique, la longueur des câbles de distribution et l’énergie consommée par les appareils électriques.

Supprimer l’onduleur entraînerait des économies d’énergie prévisibles. Un seul appareil est concerné et son efficacité est relativement stable (+ 90%, bien qu’elle puisse chuter à 50% à faible charge). On ne peut pas en dire autant pour les adaptateurs CA/CC. Il existe non seulement autant d’adaptateurs que d’appareils CC, mais leur efficacité de conversion varie sensiblement, allant de moins de 50 % pour les appareils à faible puissance jusqu’à plus de 90% pour les appareils à puissance élevée. ⁶⁷⁸

Les pertes énergétiques liées à la conversion CA/CC des adaptateurs varient donc d’un appareil à l’autre et dépendent de l’utilisation qui en est faite. Tout comme les onduleurs, les pertes d’énergie des adaptateurs sont plus conséquentes lorsqu’ils consomment peu, notamment quand ils sont en veille ou en mode « consommation réduite ». ⁸

Les pertes énergétiques causées par les adaptateurs sont plus importantes pour les DVD/magnétoscopes (31%), l’équipement audio (21 %), les ordinateurs personnels et équipements connexes (20 %), les batteries rechargeables (20%), l’éclairage (18%) et les télévisions (15%). Ces pertes sont moins importantes (10-13 %) pour les appareils ménagers tels que les ventilateurs de plafond, machines à café, lave-vaisselle, grille-pain, chauffages d’appoint, fours micro-ondes, réfrigérateurs, etc. ⁸

L’éclairage et les ordinateurs (qui occasionnent des pertes énergétiques importantes lors de la conversion CA/CC) représentent souvent une large part de la consommation d’énergie des bureaux, magasins et bâtiments institutionnels. Les ménages possèdent un nombre plus varié d’appareils dont certains engendrent moins de pertes de conversion. Par conséquent, une distribution électrique en courant continu économisera plus d’énergie dans les bureaux que dans les bâtiments résidentiels.

Les économies les plus importantes pourraient être réalisées dans les datacenters où les ordinateurs constituent la principale source de consommation. Certains datacenters ont d’ailleurs déjà converti leur distribution électrique en courant continu, même s’ils ne sont pas alimentés en énergie solaire. Un seul adaptateur est plus efficace qu’une multitude d’adaptateurs plus petits. Convertir le CA en CC au niveau local (à l’aide d’un redresseur) plutôt qu’au niveau de chaque serveur permet d’économiser entre 5 et 30% d’énergie. ⁶⁹¹⁰¹¹

L’importance du stockage de l’énergie

Si l’on part du principe que les pertes énergétiques sont de 10% pour l’onduleur et d’environ 15% pour chaque adaptateur CA/CC, alors les économies seraient d’environ 25% pour un bâtiment alimenté en énergie solaire avec une distribution électrique en courant continu. Une telle économie d’énergie n’est toutefois pas garantie. Pour commencer, la plupart des bâtiments alimentés en énergie solaire sont connectés au réseau électrique classique. Ils ne stockent pas l’énergie solaire sur place, c’est le réseau qui gère les surplus d’électricité produits ou les pénuries.

Dans un bâtiment alimenté à l’énergie solaire qui fonctionne sur le principe du comptage net, seuls les appareils directement reliés à la sortie du panneau solaire peuvent bénéficier d’un réseau en courant continu.

Le surplus d’énergie produit doit donc être converti du CC au CA afin d’être envoyé au réseau électrique. En parallèle, l’électricité du réseau doit être convertie du CA au CC pour être compatible avec la distribution électrique du bâtiment. Par conséquent, dans un bâtiment alimenté à l’énergie solaire et à comptage net, seuls les appareils reliés à la sortie du panneau solaire peuvent bénéficier d’un réseau en courant continu.

Les premières centrales électriques à courant continu étaient dotées d’une dynamo pour chaque ampoule. Source inconnue.

Une fois encore, les avantages d’un système à courant continu sont plus conséquents dans les bâtiments commerciaux où la majeure partie de la consommation électrique coïncide avec la sortie en CC du panneau solaire. Dans les bâtiments résidentiels, les pics de consommation d’énergie ont habituellement lieu le matin et le soir, quand l’énergie solaire est peu ou pas disponible.

Dans un bâtiment résidentiel à comptage net, l’avantage du courant continu reste donc minime puisque dans tous les cas, la plus grande partie de l’électricité sera convertie de ou vers le courant alternatif. Une étude récente démontre qu’un système en courant continu améliore de seulement 5% en moyenne l’efficacité énergétique d’une maison américaine alimentée par l’énergie solaire et bénéficiant du comptage net. Ce pourcentage est calculé sur une moyenne de 14 maisons situées aux États-Unis. ¹²¹³

Des panneaux solaires hors réseau

Pour atteindre le plein potentiel d’un réseau en courant continu, en particulier pour les bâtiments résidentiels, l’énergie solaire doit être stockée sur place dans des batteries. De cette façon, le système peut emmagasiner l’électricité et l’utiliser en courant continu. L’électricité peut être stockée sur un système entièrement indépendant du réseau, mais ajouter des batteries dans un bâtiment à comptage net renforce les avantages d’un système en courant continu. Ce type de stockage cause néanmoins d’autres pertes énergétiques: celles liées aux cycles de charge et de décharge des batteries. L’efficacité énergétique des batteries au plomb est d’environ 70-80 % alors que celle des batteries au lithium-ion approche des 90%.

Malheureusement, le stockage de l’énergie suscite d’autres types de pertes énergétiques dues aux cycles de charge et de décharge des batteries, annulant ainsi les avantages financiers d’un système en CC.

La quantité d’énergie économisée grâce aux batteries sur site dépend là encore du temps de charge. L’électricité consommée durant la journée, lorsque les batteries sont pleinement chargées, n’entraîne pas de perte car aucun cycle de charge ou de décharge n’est en cours. Dans ce cas, les économies d’un système en courant continu peuvent aller jusqu’à 25% (10% pour la suppression de l’onduleur et 15% pour les adaptateurs).

L’électricité consommée après le coucher du soleil limite cependant les économies d’énergie à 15% pour les batteries au lithium et entre - 5% et + 5% pour les batteries au plomb. Il est probable que l’électricité soit utilisée avant et après le coucher du soleil, les améliorations de l’efficacité énergétique seront donc comprises entre ces deux extrêmes (entre - 5% et 25% pour les batteries au plomb et entre 15 et 25% pour celles au lithium).

Centrale électrique de Kensington Court: machine à vapeur, dynamo et batteries. Source: [Central-Station Electric Lighting](https://archive.org/stream/centralstationel00hedg#page/n5/mode/2up), Killingworth Hedges, 1888.

Le stockage sur batteries présente un autre avantage: les pertes énergétiques liées au transport sur de longues distances et à la distribution du courant alternatif sont plus faibles. Si le système est complètement indépendant du réseau, il n’y en a même aucune. Ces pertes varient en fonction du lieu. Par exemple, la moyenne des pertes énergétiques liées au transport est de 4% seulement en Allemagne et aux Pays-Bas, de 6% aux États-Unis et en Chine et de 15 à 20% en Turquie et en Inde. ¹⁴¹⁵

Si l’on ajoute à cela 7% d’économies pour les pertes de transport évitées, un système d’alimentation CC hors réseau économisera, en fonction du temps de charge, entre 2 et 32% d’énergie pour les batteries au plomb et entre 22 et 32% pour les batteries au lithium.

Avec un système en courant continu indépendant du réseau et selon le type de batteries utilisées, la consommation d’électricité peut être assurée par un panneau solaire d’un cinquième à un tiers plus petit.

Si on part du principe que 50% de l’énergie est consommée pendant la journée et 50% la nuit, l’économie s’élève alors à 17% pour un système hors réseau avec stockage sur batteries au plomb, et à 27% pour des batteries au lithium. Les besoins en électricité peuvent donc être couverts par un panneau solaire d’un cinquième à un tiers plus petit. L’économie totale sera légèrement supérieure, car l’onduleur est inutile et que les coûts d’installation sont faibles, voire inexistants.

Malheureusement, mettre en place un système de stockage sur site implique des frais, car il faut investir dans des batteries. Cet investissement annulerait les économies réalisées en passant au courant continu. La même problématique se pose pour l’énergie investie lors de la phase de production: un système en courant continu hors réseau a besoin de moins d’énergie pour fabriquer des panneaux solaires, mais il en requiert au moins autant pour produire des batteries.

Il faut toutefois comparer ce qui est comparable: un système solaire en courant continu hors réseau est moins coûteux et plus efficace qu’un système en courant alternatif hors réseau et c’est ce qu’il nous faut retenir. Les analyses du cycle de vie d’une alimentation en énergie solaire à comptage net ne sont pas représentatives de la réalité, car elles mettent de côté l’un des composants essentiels d’une source d’énergie solaire.

Les pertes en ligne

Comme nous l’avons vu précédemment, les déperditions d’énergie causées par le phénomène de résistance sont proportionnelles au carré de l’intensité. Les réseaux en courant continu à basse tension occasionnent donc des pertes en ligne plus importantes à l’intérieur d’un bâtiment. Elles peuvent rendre un système en courant continu contre-productif de deux façons différentes: à travers l’utilisation d’appareils à forte puissance ou de câbles particulièrement longs.

La régulation de la tension dans les premières centrales électriques. Source inconnue.

Les pertes énergétiques des câbles sont égales au carré de l’intensité (en ampère) multiplié par la résistance (en ohm). La résistance est déterminée par la longueur, le diamètre et le matériau conducteur des câbles. Un fil de cuivre avec une section de 10 mm² qui distribue 100 watts de courant à 12V (8,33A) sur une distance de 10 mètres provoque une perte de 3 %. Avec un câble de 50 mètres, la perte s’élève à 16% et à 32% pour 100 mètres. C’est assez pour annuler les avantages d’un réseau en courant continu, même dans le scénario le plus optimiste.

Les pertes énergétiques relativement élevées des câbles limitent l’utilisation d’appareils à forte puissance

Les pertes en ligne conséquentes limitent aussi l’utilisation d’appareils à forte puissance. Si l’on fait fonctionner un micro-ondes d’une puissance de 1000 watts sur un réseau en courant continu à 12V CC, les pertes énergétiques atteignent 16% avec un câble de seulement 1 mètre de long et 47% s’il est de 3 mètres.

Il est évident qu’un réseau basse tension à courant continu n’est pas compatible avec l’utilisation d’appareils électriques tels que les machines à laver, lave-vaisselle, aspirateurs, cuiseurs, fours ou chauffe-eau. Notez que c’est la puissance et non l’énergie consommée qui compte ici. L’énergie consommée est égale à la puissance multipliée par le temps d’utilisation. Un réfrigérateur consomme plus d’énergie qu’un micro-ondes puisqu’il marche toute la journée, mais la puissance qu’il utilise peut être suffisamment faible pour le faire fonctionner sur un réseau en courant continu.

Les pertes en ligne limitent également la puissance combinée des appareils à basse tension. Si on possède un câble électrique de 12 V d’une longueur de 12 mètres et qu’on souhaite limiter ses pertes en ligne à 10%, alors la puissance combinée de tous les appareils est limitée à environ 150 watts (8,5% de pertes en ligne). Avec ce système, on peut faire fonctionner simultanément deux ordinateurs (de 20 watts chacun), un réfrigérateur en courant continu (45 watts) et cinq lampes à LED de 8 watts (40 watts au total), ce qui laisse encore 25 watts de puissance pour d’autres petits appareils.

Comment limiter les pertes en ligne

Plusieurs solutions existent pour diminuer les pertes de distribution d’un système à courant continu basse tension. Si on prend l’exemple d’un nouveau bâtiment, l’agencement des pièces peut considérablement réduire la longueur des câbles de distribution. Des chercheurs néerlandais sont parvenus à diminuer la longueur totale des câbles de 40 à 12 mètres dans une maison. Pour ce faire, ils ont déplacé la cuisine et le salon (où la majeure partie de l’électricité est consommée) à l’étage, juste sous le toit (où se trouvent les panneaux solaires), et ont déménagé les chambres au rez-de-chaussée. Ils ont en outre regroupé la plupart des appareils au centre du bâtiment, juste en dessous des panneaux solaires (voir les schémas ci-dessous). ¹⁶

Pour réduire les pertes en ligne, une autre alternative serait d’installer plusieurs panneaux solaires, indépendants les uns des autres, pour une ou deux pièces. C’est peut-être le seul moyen de résoudre le problème dans un bâtiment de taille plus importante qui n’a pas été conçu pour fonctionner en courant continu. Même si cette stratégie implique l’utilisation de régulateurs de charge solaire supplémentaires, elle réduit efficacement les pertes en ligne et la puissance totale des appareils peut ainsi dépasser 150 watts.

Limiter les pertes en ligne et augmenter la puissance totale en installant des panneaux solaires indépendants pour une ou deux pièces.

Une troisième manière de limiter ces pertes est de choisir une tension plus élevée de 24 ou 48V au lieu de 12V par exemple. Puisque les pertes énergétiques augmentent en même temps que le carré de l’intensité, doubler la tension en passant de 12 à 24V divise les pertes en ligne par 4 et par 16 si la tension est de 48V. En procédant ainsi, on peut continuer à utiliser des appareils à puissance élevée et augmenter la puissance totale d’un système en courant continu. Une tension plus élevée comporte néanmoins des inconvénients.

Premièrement, la plupart des appareils basse tension à courant continu actuellement sur le marché fonctionnent sur du 12V. Un réseau en 24 ou 48V CC implique donc l’utilisation de plus d’adaptateurs CC/CC, qui convertissent la tension et entraînent eux aussi des pertes. Deuxièmement, une tension supérieure à 24V annule tous les avantages d’un système en courant continu en termes de sécurité. Dans les datacenters et les bureaux comme dans les bâtiments résidentiels américains mentionnés dans l’étude, l’électricité en courant continu est distribuée en 380V dans le bâtiment, mais les mesures de sécurité sont aussi importantes que pour du 110 ou du 220V CC. ¹⁷

La consommation d’énergie au ralenti

Raccourcir la longueur d’un câble ou augmenter la tension à 24V ne permet toujours pas d’utiliser des appareils à forte puissance comme un micro-ondes ou une machine à laver. Il existe deux solutions à ce problème. La première est d’installer un système CA/CC hybride. Dans ce cas, un réseau en courant continu est mis en place pour les appareils à faible puissance tels que les ampoules LED (10 watts), les ordinateurs (20 watts), la télévision (30-90 watts) et le réfrigérateur (50 watts). Un réseau indépendant en courant alternatif est également installé pour alimenter les appareils à forte puissance. Le consortium de fabricants de produits EMerge Alliance, qui est à l’origine du standard pour un système hybride 24V CC/110-220V CA, encourage cette approche pour les maisons et les bureaux de petite taille. ¹⁸

À la fin du 19e siècle, l’éclairage était le seul équipement électrique des ménages.

Les appareils à faible puissance représentent (en moyenne) 35 à 50% de la consommation électrique totale d’un foyer. Même dans le meilleur des cas (où ils représenteraient 50% de la consommation), un système hybride réduit les économies d’énergie, calculées précédemment, de moitié. On ne compterait donc plus que 8,5 à 13,5% d’économie, en fonction du type de batterie utilisé. Les déperditions causées par les pertes en ligne réduiront encore ces économies. En conclusion, un système CA/CC hybride n’économise que peu d’énergie. Cette économie pourrait même être inexistante en raison de l’effet rebond.

La deuxième solution serait tout simplement de ne pas utiliser d’appareils à forte puissance. C’est d’ailleurs le cas pour les voiliers, les camping-cars et les caravanes, pour lesquels une alimentation en courant alternatif n’est tout simplement pas une option. C’est, dans les limites de l’alimentation CC la solution la plus viable, car dans ce cas de figure, un système en courant continu réduit également la demande énergétique. Les économies d’énergie seraient alors bien plus conséquentes que les 17-27% calculés précédemment. Cette solution radicalement plus efficace pourrait donc faire la différence.

Une manière de pallier le problème des appareils à forte puissance est de ne pas les utiliser, comme c’est le cas pour les voiliers, les camping-cars et les caravanes

Cette solution suppose évidemment d’adapter notre mode de vie. L’électricité serait ainsi uniquement utilisée pour l’éclairage, les appareils électroniques et la réfrigération, tandis que des alternatives seraient mises en place pour remplacer les autres appareils. Ce n’est pas un hasard si ce fonctionnement ressemble aux réseaux en courant continu de la fin du 19e siècle, lorsque l’éclairage constituait le seul équipement électrique, d’abord avec les lampes à arc et plus tard, avec les lampes à incandescence.

Il faudrait ainsi faire la vaisselle à la main plutôt que d’utiliser un lave-vaisselle. Aller dans une laverie ou utiliser un lave-linge manuel au lieu de sa propre machine à laver. Utiliser un fil à linge et non un séchoir. Utiliser un four traditionnel qui fonctionne au gaz (biologique), un cuiseur solaire ou un poêle rocket pour remplacer ces appareils pratiques qui nous font gagner du temps comme les bouilloires électriques, les micro-ondes et les machines à café. Se servir d’un balai et d’un batteur de tapis, pas d’un aspirateur. Cuisiner avec des ingrédients frais pour se passer de congélateur. S’équiper d’une chaudière solaire au lieu d’un chauffe-eau classique et se laver au lavabo lorsqu’il n’y a pas assez de soleil. Remplacer la voiture électrique par le vélo.

Pour explorer le champ des possibles, nous sommes en train de convertir le siège social de Low-tech Magazine en un système 12 V CC hors réseau vous en saurez plus dans le prochain article.

Il existe une similarité avec la puissance hydraulique : la tension correspond à la pression de l’eau, tandis que l’intensité correspond au débit de l’eau. Dans les années 1850, l’invention de l’accumulateur hydraulique a rendu possible l’augmentation de la pression de l’eau. Le transport de l’énergie hydraulique sur de longues distances était donc plus efficace. ↩︎
Study and simulation of a DC microgrid with focus on efficiency, use of materials and economic constraints (PDF), Simon Willems; Wouter Aerts, 2013-14 ↩︎ ↩︎
Direct Current supply grids for LED lighting, LED professional ↩︎
DC microgrids scoping study: estimate of technical and economic benefits, Scott Backhaus et al., March 2015 ↩︎
DC microgrids and the virtues of local electricity, Rajendra Singh & Krishna Shenai, IEEE Spectrum, 2014 ↩︎
Comparison of cost and efficiency of DC versus AC in office buildings (PDF), Giuseppe Laudani, 2014 ↩︎ ↩︎ ↩︎
Edison’s Revenge, The Economist, 2013 ↩︎
Catalog of DC appliances and power systems, Karina Garbesi, Vagelis Vossos and Hongxia Shen, 2011 ↩︎ ↩︎ ↩︎
DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015 ↩︎
However, DC power in data centers will not bring us a less energy-hungry internet – on the contrary ↩︎
Notez que l’efficacité des adaptateurs CA/CC pourrait nettement être amélioré, en particulier en ce qui concerne les appareils à faible puissance. De nombreux adaptateurs sont inefficaces, parce que les fabricants de ces appareils électriques veulent réduire les coûts. Si cela venait à changer, par exemple en raison d’une nouvelle réglementation, les avantages du passage à un réseau en courant continu seraient réduits. ↩︎
Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014 ↩︎
Dans cette étude, la distribution électrique des bâtiments est en 380 V CC afin de limiter les pertes en ligne. D’autre part, les appareils à faible puissance fonctionnent avec du 24 V CC et ceux à puissance élevée avec du 380 V CC. ↩︎
Electric power transmission and distribution losses (% of output), World Bank, 2014 ↩︎
Les pertes sont plus importantes dans les zones rurales que dans les zones urbaines. Une ligne électrique isolée avec des ramifications dans les zones rurales suscite des pertes conséquentes. ↩︎
Concept for a DC low voltage house (PDF), Maaike Friedeman et al, Sustainable building 2002 conference ↩︎
Une dernière méthode, assez désespérée, pour réduire les pertes en ligne serait d’utiliser des câbles plus épais. On peut diminuer la résistance des câbles électriques en raccourcissant leur longueur, mais aussi en augmentant leur diamètre (le diamètre fait ici référence à l’âme de cuivre). Si on utilise des câbles de 100 mm² au lieu de 10 mm², ils seront dix fois plus longs et la perte d’énergie sera identique. Distribuer l’électricité en 12V CC avec un câble de 100 mètres occasionnerait une perte d’énergie de seulement 3%. Le problème de cette stratégie est que le coût des câbles électriques augmente de façon linéaire avec le diamètre. Un mètre de câble de 100 mm² coûte environ 50€ contre 5€ pour un câble de 10 mm². La durabilité en pâtit également, car un usage accru du cuivre provoque des répercussions sur l’environnement. Des câbles plus épais sont par ailleurs plus lourds et donc moins maniables. Merci à Herman van Munster et Arie van Ziel pour leurs précisions sur le sujet. ↩︎
Our standards, Merge Alliance, retrieved April 2016 ↩︎