Dossier Énergie 4/4: une installation autonome décroissante pour 4 personnes

9 avril 2021,

Voici le dernier volet de notre étude sur le solaire photovoltaïque: une installation minimale autonome décroissante pour se passer du réseau électro-nucléaire.

Configuration et cahier des charges de la consommation

Photo: un mix énergétique vu du ciel….

Pour cette étude, nous simulons les besoins d’une famille de 4 personnes dont l’habitat dispose d’une ressource solaire bien exposée. Famille décroissante, car vivant simplement, ou désirant vivre bien plus en accord avec la sobriété nécessaire pour les années à venir. Famille conscientisée sur la technologie utilisée, car une consommation minimale nécessite de suivre une “hygiène énergétique” rigoureuse, afin de coller aux caprices du soleil sans épuiser les batteries. Nous ne sommes pas dans la facilité électro-nucléaire, dans laquelle il suffit d’appuyer sur le disjoncteur, payer sa facture, et fermer le yeux sur le reste.

Bien que ce dispositif soit mieux adapté à une maison, on pourrait éventuellement le configurer pour un appartement avec large balcon très bien orienté et exposé plein sud avec possibilité d’accroche au mur.  Le volume d’énergie consommée ne dépend que de vos équipements ET de leur durée en usage. On découvrira cependant que des équipements sont plus économes que d’autres. Certains sont dédiés au marché des bateaux de plaisance, du camping, ou au marché de pays pauvres, qui ne comptent que sur le photovoltaïque (12V et 24V). Certains sont cependant hybrides 12V / 24V / 230V.

On considère que l’eau chaude (voir volet 2), le chauffage et la cuisson des aliments, autrement dit les besoins énergétiques les plus élevés et les plus inadaptés au photovoltaïque, ne font pas partie du cahier des charges. Sans parler de la climatisation, un gouffre ! Il subsiste malgré tout un gros consommateur d’électricité, quasi indispensable en famille, mais très intermittent, la machine à laver.

Un choix: on utilisera préférentiellement des équipements en basse tension, c’est à dire dans la tension du stockage en 12 ou 24V (courant continu), plutôt qu’en 230V (alternatif), afin d’avoir le minimum de pertes.

 

Les besoins

Il est préférable de passer par un calcul de votre consommation, au pire moment de l’année pour la captation d’énergie photovoltaïque, l’hiver. A partir de ce premier calcul, on pourra calculer le volume de batteries nécessaire. A partir de ce volume de batteries, on pourra calculer le nombre de panneaux nécessaires pour le remplir en hiver. Si le nombre de panneaux possible est limité par la configuration des lieux, il faudra forcément réduire sa consommation. Il existe toute sorte d’outils en ligne pour calculer sa consommation, plus ou moins précis et plus ou moins configurables…

 

Éclairage

Une ampoule de puissance 10W (watts) blanc chaud (équivalente aux anciennes ampoules incandescente de 75w) utilisée 4h par jour, donne une consommation quotidienne de 40Wh. (watts/heure). Ne pas confondre les watts (puissance) et les Watts par heure, Wh, consommation. On utilisera judicieusement des ampoules directement en 12V ou 24V.

Imaginons que vous ayez 4 pièces à éclairer, de 17H à 22H, puis, le matin, de 7H00 à 8H en hiver, cela fait 240 Wh/jour maxi.

Réfrigération

On pourrait avoir un mini/petit réfrigérateur adapté au solaire (haute isolation= basse consommation, classe SN+T) et directement branché sur les batteries (Steca, Frima, 12V ou 24V), ou même directement branché sur les panneaux (Freecold),  Ils consomment, selon la température extérieure et le modèle, entre 200 et 400 Wh par jour. Si vous voulez un équipement en 230V, sachant que vous aurez une perte de 10 à 30% maxi de votre énergie solaire à la conversion en 230V, il vous faut viser le très haut de gamme, classe de consommation A+++ au moins, classe d’isolation  SN+T, Liebherr par exemple. Vous pouvez atteindre en dessous de 300 Wh, 24/24, même pour des réfrigérateurs plus conséquents ou des congélateurs. Il est à noter que toutes ces performances ont un coût très élevé. Aucun modèle de réfrigérateur à bas coût ne sera adapté: ils consomment bien trop !

Astuce, voir photo: on peut aussi ré-isoler un réfrigérateur/congélateur déjà économe, avec un isolant naturel en plaques, en liège ou fibre de bois compressée, par exemple, sur toutes les faces, sauf la face du radiateur (arrière). On pourra mettre deux couches d’isolant-en-couches-minces aluminisé entre le radiateur du réfrigérateur et le corps du réfrigérateur (derrière le réfrigérateur), à la condition que l’isolant ne touche pas les tubulures du radiateur, et que rien ne s’oppose à la circulation de l’air. On doit aussi isoler au mieux les parois qui entourent le compresseur, sans isoler le compresseur, qui doit refroidir à l’air extérieur, comme le radiateur. La porte sera également isolée. Gain, jusqu’à 30% !

Dans notre simulation, nous prendrons 300 Wh/jour

Numérique et communication

Imaginons que vous ayez une box internet, une tablette ou un ordinateur portable, et autre smartphone: on ne peut pas se fier aux puissances indiquées sur les étiquettes de ces objets, car la consommation est dépendante de l’usage et de leur configuration.

Un wattmètre

Il est préférable de mesurer la consommation avec un petit boitier à brancher sur la prise électrique, un Wattmètre. Branchez tous vos équipements numériques sur cette prise, pendant une semaine, et vous aurez la consommation journalière moyenne en divisant par 7.

A noter que si vous coupez le wifi et tout ce qui est “sans fil” sur votre box ET vos appareils, et privilégiez les connexions Ethernet, vous faites chuter votre consommation d’au moins 30%.  Dans une configuration moyenne, on oscillera de 50Wh au grand mini avec des équipements économes, à 150Wh ou plus selon le nombre d’équipements. Pour ceux qui travaillent à la journée sur ordi, il est à noter que les mini PC à base de Raspberry Pi, sous Linux, consomment moins de 5 watts/heure, et qu’on trouve de très bons écrans LCD de 17 pouces consommant 7 à 8 watts/heure ! Il est à noter qu’on peut couper la box la nuit et ne pas laisser les appareils en veille tout le temps….

Comme indiqué dans le dossier précédent, il serait préférable d’alimenter directement ces équipements en courant continu, afin de ne pas faire une double conversion “Continu vers alternatif” puis “Alternatif vers continu” ce qui fait d’énormes pertes. Il existe des centaines d’adaptateurs permettant de convertir les 12 ou 24V en n’importe quelle tension.

Dans notre configuration de simulation, nous choisirons 80W pendant 3 heures, soit 240Wh/jour

La machine à laver

La machine à laver, avec son gros moteur et sa résistance de chauffage de l’eau, sera le poste le plus consommateur.  Il faudra convertir le courant continu des batteries en 230V alternatif, avec un onduleur capable d’encaisser le démarrage du moteur. Il existe des machines moins consommatrices que d’autres, qui utilisent des moteurs à aimants permanents. Il existe des machines en 12 ou 24V continu, pour le marché du camping ou de la plaisance. Par contre, la résistance qui chauffe l’eau consommera autant. Il vaudra mieux dans certains cas de pénurie de stockage, laver à froid ou à basse température. Il faudra aussi, sous peine de “sécher” la batterie, programmer sa lessive pour un jour de grand soleil, entre 11H et 13H solaires. Enfin, on pourra, avec diverses astuces, comme un trempage en bassine, avant la machine, utiliser les programmes courts. L’essorage pourra également être réduit (en vitesse). On oubliera les machines sécheuses, énormes gouffres énergétiques.

Un mitigeur thermostaté précisément réglable, utilisable en 12V

Dans notre configuration, nous choisissons une machine économe ( A++ au moins), sur un cycle à 60°, qui consomme 2000W pendant la chauffe de l’eau (dimensionnement de l’onduleur 3000W) , et 1000 Wh en tout sur le cycle. Des modèles optimisés et plus couteux descendent jusqu’à 600Wh.

Mais si on a de l’eau chaude solaire, voir volet 2, on peut aussi utiliser un mitigeur, manuel ou thermostaté, qui enverra l’eau à la température désirée, sur un cycle “froid”. Il existe même des mitigeurs de précision dédiés à l’usage solaire autonome, qui peuvent tous seuls faire un rinçage à froid après le lavage à chaud.  Dans le cas où votre eau chaude est solaire, on ne compte que la consommation électrique du moteur, à mesurer par le Wattmètre.

Appareils divers en 230V

Mixeur pour la soupe, rasoir, radio, aspirateur, TV, Hifi, tout dépend également de leur puissance et de votre consommation. Un Wattmètre vous permettra également de faire le point. Les TV (60 à 300Wh et plus) et Hifi peuvent être très gourmands et représenter les 3/4 de cette consommation. Imaginons 200 Wh/jour (= configuration sans TV). L’aspirateur consomme jusqu’à 800W ou plus selon modèle…Là aussi, un wattmètre vous donnera des chiffres correspondant à votre réalité.

Les appareils avec adaptateur secteur

De nombreux appareils électroniques ont un adaptateur secteur, qui transforme le 230 V alternatif en courant continu. Les “box” internet, par exemple, sont toutes sous 12V continu. Le continu, c’est le courant de nos batteries en 12V, 24V ou 48V.  A quoi servirait-il de transformer le courant 12V ou 24V des batteries en 230V alternatif, puis rebrancher dessus un transformateur vers le 12V ? Chaque transformation fait perdre de l’énergie.

Nous allons donc utiliser directement notre courant continu, pour tous nos appareils ayant un adaptateur secteur.

Un adaptateur universel livré avec 34 embouts, compatible ordinateur portable/

Il faudra juste utiliser des adaptateurs universels comme on en trouve à très bas prix, du plus simple, sans boitier, de 2cm sur 3cm, avec les fils à visser soi-même, et tension à régler au tournevis, pour 4 euros, au plus sélect, pour 8 à 15 euros, selon puissance, avec des connecteurs pour tous les types de prises. Il sera nécessaire de câbler un fil à basse tension, avec son fusible, vers les pièces où vous désirez utiliser ces matériels.

 

Le dimensionnement

 

Ce qui change par rapport au 3ème volet de notre dossier, petite installation autonome de secours, c’est le volume de panneaux et de batteries, éventuellement le type de batteries, la puissance du régulateur chargeur, qui peut aussi intégrer un onduleur, et l’ajout de plusieurs sécurités électriques à tous les niveaux, car la quantité d’énergie gérée devient importante.

La somme des puissances mesurées par le wattmètre (en watts) vous donnera la puissance maximale si vous branchez tout en même temps. Cette valeur vous servira à dimensionner l’onduleur, en rajoutant la moitié de cette somme, par sécurité. La somme des quantité consommées (en Watts/heure) vous donnera la consommation journalière. Il faut y rajouter les consommations exceptionnelles (lave-linge, aspirateur) à ventiler sur une semaine puis à diviser par 7 pour calculer le dimensionnement des batteries. Mais on ne consommera jamais la totalité de l’énergie d’une batterie, si on veut la garder longtemps…La meilleure durabilité s’obtient en ne déchargeant les batteries que de 20%, c’est très peu ! (voir volet 3)

En rajoutant d’inévitables pertes et incertitudes sur les matériels, les imprévus, on arrive à l’ordre de grandeur de 1000Wh/jour à 2000wh/jour (installation sobre). Compter autant en puissance totale de panneaux (1000 W à 2000W). Compter  400Ah de batteries, pour 1000W de panneaux, à 800Ah de batteries pour 2000W de panneaux. Ce type de dimensionnement est destiné à préserver au mieux la durabilité des batteries. On peut s’inspirer des très nombreux “Kits pour sites isolés“, qui existent à tous les prix, et avec tout type de matériel, du chinois à l’européen ou l’américain. A ces mots-clés on peut rajouter le nom d’une marque européenne de régulateurs et onduleurs, pour être sûr de la qualité. On découvrira rapidement les marques phare. Mais attention, certains marchands sous-dimensionnent le volume de stockage, au détriment de la vie des batteries. Faites vos propres comparatifs à puissance de panneaux égales.  Pour les batteries, évitez le lithium anti-écologique, comparativement au plomb qui est à 99% recyclable, ce qui est un record industriel.  Attention, quelques très rares régulateurs-chargeurs-onduleurs ne chargent que le lithium et pas le plomb.

L’installation

Le principe de base est toujours le même:  les panneaux envoient du courant continu à un régulateur chargeur qui charge des batteries ( 12v ou 24v ou 48V) en courant continu. Les équipements en courant continu peuvent directement utiliser le courant des batteries, avec une simple transformation de tension, ou non. Les consommateurs en courant alternatif 230V seront branchés sur un onduleur 230V pur sinus. Vous pouvez vous inspirer du volet 3 et augmenter simplement la taille des éléments.

L’installation devenant plus conséquente et coûteuse, un certain nombre de choix d’optimisation doivent être faits pour les batteries et l’onduleur:

Pour les batteries, c’est une question de prix.

Par ordre de prix décroissant: si on veut des batteries pour 15 à 20 ans, selon utilisation, il faut choisir des batteries à électrolyte liquide type OPZS, très lourdes et volumineuses, nécessitant une à deux heures d’entretien par an. Si on veut des batteries pour 10 à 15 ans, selon utilisation, on choisira des OPZV, aussi lourdes, sans entretien. Si on veut des batteries pour 8 à 12 ans, selon utilisation, on choisira des plombs-carbone, sans entretien. Si on veut des batteries pour 5 à 10 ans, selon utilisation, des AGM ou des Gel, sans entretien. On rappelle que la durabilité des batteries plomb est totalement dépendante de la profondeur de décharge, voir volet 3

Pour le Régulateur-Chargeur et l’Onduleur, c’est un choix entre un boitier faisant toutes les opérations, ou bien un assemblage de deux ou trois boitiers.

Ces onduleurs sont en général décrits par leur puissance de sortie en 230V: par exemple 3Kw  (3000 Watts) ou 5KW (5000 Watts). Ce qui signifie qu’on peut brancher jusqu’à 3000 ou 5000 W de consommation simultanée maximale, à condition de les avoir en stockage ou en production !  Cependant, il n’est pas bon pour leur durabilité, de fonctionner proche de leur valeur maximale.

Onduleur hybride MPPT avec deux entrées de panneaux différenciées ( deux orientations possibles de deux groupes de panneaux)

Certains régulateurs-chargeurs-onduleurs, la plupart venus de Chine, sont dits “hybrides”, et permettent de concilier une installation utilisant le solaire et/ou les batteries quand ils sont disponibles, en déconnexion totale du réseau, ou bien une installation connectée au réseau, par une simple commande sur le boitier.  Ces onduleurs peuvent en tout temps privilégier le solaire, et basculer sur le réseau si le solaire et les batteries sont défaillants. Avec un ensemble de panneaux et batteries bien calculé, on pourra se mettre en autonomie totale.

Ces nouveaux onduleurs hybrides n’injectant rien sur le réseau, ils sont dispensés d’autorisation de votre régie d’électricité. Nous manquons de recul, en 2021, pour savoir s’ils peuvent tenir plusieurs décennies sans panne.  Cependant des constructeurs européens, Steca, Fronius, Imeo et Effekta, sortent leur premiers modèles. Les deux grands leaders historiques de la qualité, Victron et SMA, vendent ces technologies séparément, en plusieurs boitiers à associer, avec nécessité d’une autorisation pour l’injection ou revente des surplus sur le réseau.

Pour notre étude, nous allons décrire deux configurations: un onduleur hybride sachant tout faire, puis, la solution d’un régulateur chargeur associé à un onduleur. Les deux solutions officient sans autorisation.

L’onduleur hybride

Il est nécessaire de le fixer, au mur en général, à proximité des batteries. On le connecte ou non au réseau. On le connecte aux panneaux et aux batteries. Un câble 230V (courant alternatif) le reliera au reste de l’installation, par le boitier des disjoncteurs du domicile, le “tableau électrique”, ce qui permet de sélectionner les circuits à alimenter (éclairage), et ceux à ne pas relier (four, cumulus, etc). Voici le schéma général.

Avantage: gestion efficace des ressources, des batteries, de la consommation. Bascule automatique sur le réseau (si connecté) si les batteries sont déchargées (dans ce cas, on n’est pas en autonomie solaire…).

Inconvénient: technologie récente, manque de recul sur la durabilité, une panne de l’électronique de contrôle paralyse l’installation.

 

Régulateur + onduleur

C’est la solution la plus résiliente, avec plus de 50 ans d’expertise, des matériels européens éprouvés et des réparateurs dans chaque région. Il n’est pas rare de voir des installations sans panne depuis des décennies, les propriétaires se contentant de changer les batteries en fin de vie. Ces matériels simples sont réparables et facilement remplaçables si besoin.

 

Quel que soit le choix, il faut rajouter des fusibles, des sécurités et des protections contre la foudre, pour tous les fils conducteurs.

Se faire aider

Plusieurs sites de vente très didactiques présentent des dossiers complets, à lire abondamment. Il est nécessaire de comprendre ce que l’on fait, avant de faire appel à un quelconque électricien amateur ou professionnel. De nombreux aigrefins surfent sur la peur (justifiée) de manquer de courant dans les années à venir. Le marché du Kit pour site isolé/autonome étant en train de s’ouvrir, quelques entreprises récemment apparues vendent un peu rapidement, sans vraiment suivre leurs client, sans vraiment bien les conseiller, notamment dans le dimensionnement. Le risque est de “flinguer” rapidement ses batteries, car ils tablent sur des taux de décharge plus élevés, jusqu’à 50%. Par ailleurs, leur intérêt commercial est de vendre plutôt de la technologie lithium, et non du plomb.

D’autres vendeurs en ligne, avec pignon sur rue, et de nombreuses années d’expérience, ont des installateurs partenaires dans chaque région. Certains peuvent même vous conseiller sur votre éventuel désir d’auto-réalisation, ou de réalisation avec votre électricien habituel. Certains organisent même des stages de formation destinés aux particuliers, sans oublier le secteur associatif. Voir volet 3

D’autres configurations

Si vous désirez partir en autonomie, mais sans rien changer à votre consommation, les principes seront les mêmes, mais il faudra prévoir une production, un stockage et un budget conséquents, du double au triple selon vos besoins actuels. Ce qui monte facilement à plusieurs dizaines de milliers d’euros, notamment en raison du coût des batteries. Si vous ne faites pas vous-même votre installation, de nombreuses entreprises en France sont spécialisées sur ce créneau. Elles équipent généralement des chalets ou refuges de montagne, des sites isolés en Europe ou en Afrique, pour des prix non négligeables. Il n’y a généralement pas de subventions si vous désirez vous couper du réseau. Ce sont de gros investissements, que vous n’amortirez éventuellement qu’au bout de 20 ans, au moment de changer les batteries :-), ou jamais, pour lesquels il vaut mieux choisir du matériel de qualité. L’indépendance est à ce prix. N’oublions pas les difficultés croissantes pour l’approvisionnement en énergie en France, voir volet 1, ainsi que le coût général de l’énergie, qui pourrait nous réserver beaucoup d’imprévus dans les années à venir.

Les 3 volets précédents:

  1. Le solaire photovoltaïque en France en 2021
  2. Du thermique avant le photovoltaïque !
  3. Une installation électrique autonome de secours