Solutions énergétiques pour l’autosuffisance énergétique

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L’autosuffisance énergétique devient un sujet pertinent pour un nombre croissant de personnes. Une plus grande indépendance, la protection de l’environnement et des coûts réduits sont les raisons les plus fréquentes pour lesquelles les gens cherchent des solutions énergétiques alternatives.

Selon une étude récente de l’Institut de novembre 2023, plus de la moitié des maisons individuelles européennes pourraient être entièrement auto-alimentées en énergie. Le stockage à long terme de l’énergie sous forme d’hydrogène, supposé dans les calculs, est actuellement encore considéré comme beaucoup trop coûteux. En outre, on peut se demander à quel point il est judicieux que de nombreux consommateurs se « déconnectent » du réseau électrique public avec leurs solutions énergétiques privées. Le fait est toutefois qu’un approvisionnement à 100 % en énergies renouvelables n’est pas une vue de l’esprit, mais est réalisable. Et il est également clair que l’auto-approvisionnement au moins partiel des ménages jouera un rôle décisif en tant que solution énergétique pour l’avenir.

Où l’énergie est-elle nécessaire dans un ménage ?

où l'énergie est elle nécessaire dans un ménage

Appareils électriques et chaleur

Les ménages utilisent l’énergie dans trois « secteurs » : sous forme d’électricité, de chaleur et pour la mobilité. De nombreux appareils ménagers fonctionnent à l’électricité, l’électricité est indispensable à la vie moderne. Mais l’électricité est également nécessaire pour des tâches « supérieures » comme les différentes formes de commande, le fonctionnement des pompes d’un chauffage ou pour notre communication. La chaleur, quant à elle, est surtout utilisée pour le chauffage des locaux et sous forme d’eau chaude. Sous nos latitudes, ces deux éléments sont essentiels pour le bien-être et l’hygiène.

Le cas particulier de la mobilité

Lorsque nous parlons de mobilité, nous faisons souvent référence au « transport individuel motorisé » (TIM), c’est-à-dire à la voiture utilisée à des fins privées ou professionnelles. Bien que la tendance soit à l’abandon de la voiture individuelle, il existera toujours à l’avenir des solutions de mobilité individuelles qui continueront à nécessiter de l’énergie.

Nous achetons une partie non négligeable de nos prestations de mobilité sous forme de services auprès d’entreprises, comme le trajet en bus ou en train. Dans ce cas, le ménage engage surtout des ressources financières, une substitution 1:1 par l’autosuffisance n’est généralement pas judicieuse. Au contraire, il est plus efficace de passer du transport individuel aux transports publics : Transporter une personne avec un véhicule d’une tonne consomme en moyenne plus d’énergie que de transporter 20 personnes avec un véhicule de 10 tonnes.

Décarbonisation grâce au couplage des secteurs

Jusqu’à présent, de grandes quantités d’énergie sont encore mises à disposition par la combustion de matières premières fossiles dans les trois secteurs, mais surtout pour l’approvisionnement en chaleur et pour les transports, mais cela doit changer. Les énergies renouvelables ont le vent en poupe. Le couplage sectoriel permet en outre de faire progresser l’électrification. Cela signifie que l’énergie nécessaire est alors mise à disposition sous forme d’électricité propre et produite de manière écologique. Cela permet au ménage d’être nettement plus autonome, car aucune énergie n’est aussi facile à produire que l’électricité. Mais il est également possible de produire de la chaleur à partir de l’énergie solaire et de l’utilisation de la biomasse sans grands efforts techniques dans le ménage. Il existe en outre d’autres solutions énergétiques durables pour l’autosuffisance.

Quelles sont les solutions énergétiques pour les ménages ?

L’autosuffisance en électricité

De l’électricité sur son propre toit

électricité sur son propre toit

Le moyen de choix pour une autosuffisance au moins partielle en électricité est le photovoltaïque. De nombreux toits peuvent être équipés de modules solaires qui produisent du courant électrique à partir de la lumière du soleil. Les toits en pente avec une inclinaison de 30 à 35 % et une orientation vers le sud sont considérés comme optimaux pour la mise en place d’une installation solaire, mais cela ne signifie pas que les autres toits ne conviennent pas. Même les toits orientés vers le nord, dont on peut attendre un rendement solaire inférieur d’environ 30 à 40 %, peuvent être utilisés pour le photovoltaïque. Toutefois, pour que cela soit économiquement rentable, les coûts du photovoltaïque doivent encore baisser. La combinaison de deux installations partielles sur un toit à deux pans orienté vers l’est et l’ouest peut aujourd’hui déjà rivaliser avec un toit orienté vers le sud. L’avantage des installations est-ouest réside dans le fait que l’électricité solaire est produite en fonction des besoins, c’est-à-dire le matin et le soir, lorsque le ménage en a besoin pour son autosuffisance. Dans le cas des installations PV du sud, le rendement le plus élevé est obtenu pendant la journée, c’est-à-dire lorsque la consommation est généralement plutôt faible. L’électricité est alors souvent encore injectée dans le réseau public et utilisée ensuite par d’autres consommateurs. Dans l’optique de l’autosuffisance, il est en revanche judicieux d’augmenter la consommation propre par un stockage de l’électricité ou l’utilisation de gros consommateurs comme une pompe à chaleur. 

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En revanche, dans l’optique de l’autosuffisance, il est judicieux d’augmenter la consommation propre par un stockage de l’électricité ou l’utilisation de gros consommateurs comme une pompe à chaleur. Dans ce dernier cas, l’installation photovoltaïque contribue également à l’approvisionnement en chaleur du ménage.

Alors que l’inclinaison et l’orientation des toits inclinés sont fixes, les toits plats offrent davantage de possibilités. Tant que ceux-ci répondent aux exigences statiques, l’installation photovoltaïque peut y être « configurée » relativement librement. En d’autres termes, l’orientation et l’inclinaison peuvent être adaptées aux souhaits de chacun par le choix de la surélévation. Il faut en tenir compte : Plus les modules sont inclinés, plus il faut de place entre les différentes rangées de modules pour éviter qu’ils ne se fassent de l’ombre, et plus la puissance de l’ensemble de l’installation diminue.

La contribution du photovoltaïque à l’autosuffisance dépend non seulement de l’orientation et de l’inclinaison du toit (des modules), mais aussi de sa taille, c’est-à-dire du nombre de modules pouvant être installés et de leur puissance. La puissance à installer est également déterminée par les moyens financiers disponibles, c’est-à-dire par le montant que l’on peut dépenser pour l’installation photovoltaïque. Bien entendu, la quantité d’électricité nécessaire joue également un rôle, mais les besoins augmentent justement dans le cadre du couplage sectoriel et il est de plus en plus intéressant de couvrir le toit le plus complètement possible avec des modules.

Mais le toit de la maison n’est pas le seul à se prêter à l’installation d’un système photovoltaïque : L’abri de voiture solaire et le toit de la terrasse, la façade PV ou les installations au sol (pour lesquelles des autorisations sont souvent nécessaires) peuvent contribuer à l’autosuffisance en électricité solaire.

L’électricité issue de l’énergie éolienne, de l’eau et de la géothermie

Comme alternative au photovoltaïque, l’alimentation électrique du ménage peut également être assurée par une éolienne privée. Or, celles-ci fournissent entre 2 500 et 10 000 kWh avec une puissance nominale de 5 kW par exemple. Comme le montre la grande fourchette, la contribution concrète à l’autosuffisance dépend beaucoup des conditions locales. Les petites éoliennes devraient également être installées sur un mât séparé ; installées sur le toit, elles n’offrent généralement pas de rendement élevé. Tant que la hauteur totale de l’installation est inférieure à 10 mètres, les éoliennes peuvent être installées sans autorisation dans de nombreux Länder. Mais l’utilisation de l’énergie éolienne à cette échelle n’est généralement pas rentable sur le plan économique.

Du point de vue de l’autosuffisance, les deux solutions énergétiques se complètent toutefois parfaitement, tout comme dans le système énergétique global, car le vent et le photovoltaïque fournissent les plus grandes quantités d’électricité à des moments différents. La production d’énergie est « lissée » par la combinaison, c’est-à-dire qu’il y a moins de « creux » et de « pics » dans l’autoproduction et que le rendement global est plus stable.

L’énergie hydraulique est également utilisée à l’échelle industrielle pour produire de l’électricité. Cette possibilité ne représente une option que pour très peu de ménages privés, car rares sont ceux qui ont un ruisseau ou une rivière à proximité de leur maison qu’ils peuvent utiliser. De plus, l’exploitation d’une installation hydroélectrique nécessite une autorisation au titre de la législation sur l’eau. L’obtention de celle-ci peut être compliquée et coûteuse. sans offrir de sécurité à long terme. L’autorisation d’utiliser l’eau n’est pas un droit et peut être retirée à tout moment, sans dédommagement, si une raison valable est donnée.

En théorie, il serait également possible de produire de l’électricité à partir de la géothermie, en utilisant de l’eau à plus de 100 °C comme vapeur pour faire tourner des turbines. L’utilisation industrielle n’est pas encore très avancée dans notre pays, et ce procédé n’est pas une solution pour l’auto-approvisionnement privé en raison des coûts d’investissement élevés et de la faible applicabilité.

Besoin en énergie et adaptation au couplage de secteurs

La quantité d’énergie nécessaire sous forme d’électricité dépend bien entendu également du degré de couplage des secteurs – on peut également inclure ici la production d’eau chaude par chauffe-eau instantané, etc. qui est techniquement assez simple. Selon CO2-Online.de, la consommation annuelle moyenne d’électricité se situe, en fonction du nombre de personnes, entre 2.400 kWh (ménage d’une personne sans production d’eau chaude) et 6.300 kWh (ménage de 5 personnes avec production d’eau chaude), ce qui correspond à un ordre de grandeur pouvant être fourni par une installation de 10 kWp. Cependant, en raison des profils de consommation typiques, cela n’est généralement pas possible sans stockage. A l’avenir, les besoins continueront d’augmenter, la puissance des installations et la capacité de stockage devront croître en conséquence.

Auto-approvisionnement en chaleur

Une norme dépassée : la combustion des sources d’énergie

La chaleur est typiquement produite par la combustion. D’un point de vue chimique, il s’agit d’une oxydation (réaction avec l’oxygène) et, pour produire de la chaleur, on brûle généralement des substances organiques. Celles-ci sont composées d’hydrocarbures à longue chaîne et/ou de carbone, qu’il s’agisse de charbon, de pétrole, de gaz ou de bois. La combustion produit donc toujours du CO₂, un gaz à effet de serre, raison pour laquelle la production de chaleur par combustion doit généralement être considérée de manière critique. Dans le cas de la biomasse, dont fait partie le bois, on part uniquement du principe qu’elle fixe autant de CO₂ au cours de sa croissance qu’elle en libère lors de la combustion, que le processus est donc un jeu à somme nulle et qu’il ne conduit pas à une augmentation de la teneur en CO₂ dans l’atmosphère. Toutefois, cela n’est correct que si la quantité de biomasse brûlée est égale à celle qui repousse. Actuellement, on abat parfois de vieilles forêts pour produire de l’énergie « écologique », « sans CO₂ » ; bien entendu, c’est tout le contraire qui se produit.

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Biogaz : méthaniser au lieu de brûler

La nouvelle loi sur l’énergie dans le bâtiment prévoit désormais de remplacer progressivement les solutions énergétiques fossiles. Certes, la biomasse est ensuite autorisée, mais brûler une matière première précieuse comme le bois n’est pas la solution miracle et devrait plutôt rester l’exception. Mais il peut en être autrement pour les résidus de l’agriculture et de la sylviculture. S’ils ne peuvent pas être recyclés, les brûler est une option tout à fait raisonnable. La fermentation en biogaz offre la possibilité de produire nettement plus d’énergie (électricité et chaleur) par cogénération que par simple incinération, raison pour laquelle cette solution énergétique est préférable. Jusqu’à présent, les installations de biogaz mentionnées sont généralement de grandes installations qui ne fournissent pas seulement de l’électricité et de la chaleur à un seul ménage, mais à un grand nombre. La plupart du temps, la livraison se fait par gazoduc ou en citerne. Mais entre-temps, il existe aussi des mini-installations de biogaz pour l’auto-approvisionnement, des solutions énergétiques proposées principalement par des start-ups.

Solaire thermique : utiliser directement l’énergie solaire

L’énergie solaire thermique a fait ses preuves depuis de nombreuses années. Ce procédé techniquement relativement simple transforme directement le rayonnement thermique du soleil en chaleur utilisable dans le foyer pour l’autosuffisance. Pour ce faire, des capteurs sont installés sur le toit et un réservoir d’eau chaude est installé dans la maison. L’installation et le réservoir/chauffage doivent ensuite être reliés par de nouvelles conduites d’eau. Comme le photovoltaïque, le solaire thermique fournit les meilleurs rendements en été, mais en hiver, il ne peut plus couvrir qu’environ 20 % des besoins en chaleur. En règle générale, il n’est pas possible d’assurer une autosuffisance totale en chaleur au moyen de l’énergie solaire thermique. Néanmoins, cette solution énergétique efficace peut contribuer à l’approvisionnement en chaleur du ménage même pendant la saison froide.

Pompes à chaleur : récupérer efficacement la chaleur de l’environnement

Les pompes à chaleur sont une solution particulièrement efficace pour obtenir de la chaleur pour l’auto-approvisionnement. Selon le milieu qui fournit la chaleur, elles sont classées en pompes à chaleur à air, à eau ou géothermiques. Dans ce dernier cas, on parle également d’utilisation de la géothermie. La solution énergétique est vraiment écologique si l’on utilise de l’électricité produite proprement pour faire fonctionner la pompe à chaleur. L’installation photovoltaïque et la pompe à chaleur forment justement un tandem imbattable sur le plan économique dans les ménages privés. Les frais courants pour la production de chaleur sont très faibles si l’on utilise de l’électricité solaire.

L’autosuffisance en chaleur uniquement avec un stockage à long terme

En 2020, la consommation des 40,5 millions de ménages allemands s’élevait à un total de 608 milliards de kilowattheures (503 pour le chauffage des locaux + 105 pour l’eau chaude). En moyenne, les besoins en chaleur par ménage étaient donc d’environ 15.000 kWh. Les besoins concrets en chaleur d’un ménage dépendent bien entendu de la surface habitable chauffée et du nombre de personnes. En utilisant une pompe à chaleur avec un coefficient de performance annuel de 3, il faut utiliser environ 5.000 kWh d’électricité pour produire 15.000 kWh de chaleur. En théorie, ceux-ci peuvent certes provenir de l’installation photovoltaïque, mais celle-ci ne produit souvent pas assez d’électricité, surtout en hiver. L’eau chaude peut être conservée dans le réservoir tampon, et un réservoir supplémentaire permet de consommer davantage d’électricité photovoltaïque. Mais il sera difficile d’assurer l’autosuffisance pendant la saison froide sans un stockage à long terme.

Un approvisionnement à long terme avec des pertes d’efficacité

Les piles à combustible offrent une autre possibilité d’autosuffisance énergétique. Dans ces piles, c’est généralement l’hydrogène qui est utilisé comme « combustible », la réaction chimique contrôlée produisant de la chaleur et de l’eau. Pour une autosuffisance sérieuse, la question se pose évidemment de savoir d’où provient l’hydrogène utilisé. Jusqu’à présent, les utilisateurs privés ne peuvent pas se procurer ce gaz inflammable via le réseau de gaz. On ajoute certes déjà de l’hydrogène au gaz naturel ou au gaz de ville, mais ce mélange n’est pas adapté à la pile à combustible. Reste l’approvisionnement en gaz comprimé dans des bouteilles sous pression ou en livraison pour le réservoir. Outre le fait que l’hydrogène sous pression en grande quantité n’est pas sans danger, ce n’est pas non plus une solution énergétique pour l’autosuffisance. 

Pour produire soi-même l’hydrogène nécessaire, il faut à nouveau de l’électricité solaire excédentaire, qui permet de décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène par électrolyse. Bien entendu, cela n’a de sens que si l’hydrogène produit est stocké pour plus tard. Cela signifie qu’il doit être collecté et comprimé, ce qui réduit encore le rendement de l’ensemble du processus. 

L’électrolyse de l’eau étant en concurrence avec d’autres applications telles que la pompe à chaleur, la question se pose toujours de savoir si la production d’hydrogène est vraiment l’utilisation la plus judicieuse du surplus d’électricité solaire. Certainement pas pour le stockage à court terme de l’énergie, mais pour une utilisation pendant le semestre d’hiver peu ensoleillé, cette forme d’autosuffisance est tout à fait appropriée. Le grand avantage de la pile à combustible réside en outre dans le fait que la combustion d’hydrogène permet de produire non seulement de la chaleur, mais aussi de l’électricité. Néanmoins, la centrale des consommateurs de Rhénanie-Palatinat avertit que « l’hydrogène dans la chaufferie … n’est ni bon marché ni efficace ».

L’autosuffisance en matière de mobilité

véhicule électrique à la station de recharge

Pas d’option pour l’autosuffisance : Les carburants fossiles 

Aujourd’hui encore, les carburants utilisés pour la mobilité sont principalement des composés à base de pétrole. Rares sont ceux qui disposent d’un puits de pétrole dans leur jardin et, sans parler du fait que le produit brut doit encore être transformé en essence et en diesel, il n’est pas adapté aux moteurs à combustion. Il n’y aura jamais de solution simple pour traiter le pétrole dans un laboratoire « domestique ». Ne serait-ce que parce que cela coûterait beaucoup trop cher et que cela ne répondrait pas à la question de la source d’approvisionnement.

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E-fuels : les produire soi-même n’est pas réaliste

Outre l’inefficacité énergétique, il est également peu probable que les ménages privés parviennent à produire des e-fuels. Celui-ci devrait disposer d’énormes quantités d’électricité propre en surplus, avec lesquelles l’hydrogène pourrait être produit. Pour cela, il faudrait pouvoir séparer le dioxyde de carbone de l’air et disposer d’un récipient de réaction dans lequel celui-ci réagirait avec l’hydrogène, les conditions devant être réglées de manière à former les hydrocarbures à longue chaîne souhaités. À l’échelle industrielle, la réaction chimique ne pose aucun problème, la séparation du CO₂ est également possible, mais on est encore loin de disposer d’une électricité propre suffisante. Pour l’autosuffisance, les e-fuels ne joueront probablement jamais un rôle. D’une manière générale, on peut dire que les moteurs à combustion n’ont absolument pas leur place dans ce domaine. Les voitures à gazéification de bois, qui ont déjà circulé en grand nombre sur les routes allemandes dans les années suivant la Seconde Guerre mondiale, sont plus réalistes que l’utilisation de produits pétroliers artificiels ou naturels. Mais cette technique est difficilement envisageable pour une mobilité moderne, sans compter que la combustion produit des gaz à effet de serre et que le bois utilisé pourrait être utilisé de manière plus judicieuse.

Faire fonctionner les voitures à l’hydrogène 

La production d’e-fuels passe par l’étape intermédiaire de l’hydrogène – une raison de plus de renoncer à cette solution énergétique inefficace et d’utiliser plutôt le gaz combustible. L’hydrogène peut également être produit à la maison, mais on peut douter que les quantités soient suffisantes pour l’autosuffisance mobile. Il est bien plus efficace de faire le plein de la voiture électrique avec les excédents d’électricité solaire plutôt que de produire de l’hydrogène. De plus, un autre argument s’oppose encore aujourd’hui à la décision d’acheter une voiture à hydrogène : il n’existe pour l’instant que peu de stations-service à hydrogène, alors que l’infrastructure de recharge électrique est déjà bien développée.

Mobilité électrique : utiliser l’énergie à bon escient

La quantité d’électricité nécessaire à la mobilité en voiture électrique dépend essentiellement des données de consommation du véhicule et de la distance à parcourir. Selon l’Office fédéral allemand des véhicules à moteur, le kilométrage annuel moyen par voiture en 2020 se situait entre 15.000 et 20.000 km. La consommation d’une voiture électrique se situe entre 15 et 30 kWh pour 100 km. Entre 2.000 et 6.000 kWh par an sont donc nécessaires pour assurer l’autosuffisance en cas d’utilisation d’un véhicule électrique. Il est réaliste de produire cette quantité d’électricité à l’aide d’une installation photovoltaïque. Toutefois, dans la pratique, un stockage supplémentaire est généralement nécessaire, car la voiture électrique ne peut souvent pas être rechargée sur la Wallbox de la maison lorsque le soleil brille particulièrement fort. Si l’électricité est utilisée à d’autres fins que la mobilité, l’installation photovoltaïque et le stockage doivent être suffisamment importants.

Bon pour l’autosuffisance : Économiser l’énergie

Électricité, chaleur, mobilité : un ménage consomme plusieurs dizaines de milliers de kWh d’énergie par an et même si le couplage des secteurs est réussi, la consommation reste généralement à cinq chiffres. Depuis des années, des efforts sont faits pour réduire ces chiffres. Des mesures d’isolation, l’utilisation de techniques particulièrement efficaces et respectueuses de l’environnement, mais aussi des changements de comportement des habitants peuvent réduire les besoins, notamment pour le chauffage (70 % de la consommation). Sur le plan de la construction, cette exigence peut être mise en œuvre par des maisons efficaces et passives. Plus la consommation d’énergie est faible, plus l’autosuffisance est facile à atteindre. 

On peut par exemple économiser de l’électricité en utilisant des appareils plus efficaces, mais aussi en éteignant tout simplement les appareils électroniques inutiles, etc. De même, dans la cuisine ou dans la cave de bricolage, tous les appareils ne doivent pas fonctionner à l’électricité. 

La chaleur apporte du confort, mais la question se pose de savoir si l’on doit aussi se déplacer en hiver dans sa propre maison avec un T-shirt à manches courtes ou un short. Une règle générale dit que pour chaque degré de température ambiante économisé, les frais de chauffage sont réduits d’environ 6 %. 

En ce qui concerne la mobilité, la règle est la même : chaque kilomètre non parcouru permet d’économiser de l’énergie. C’est justement pour les trajets courts, sur lesquels on ne transporte pas de choses lourdes, que des formes alternatives de déplacement sont nécessaires. Cela permet non seulement de ménager son porte-monnaie et l’environnement, mais c’est aussi souvent bon pour la santé.

Conclusion : penser l’autosuffisance à plus grande échelle

Même si l’idée d’une autosuffisance énergétique est séduisante, elle ne peut être mise en œuvre que de manière limitée. La base ou l’élément essentiel de tous les concepts est l’électricité produite par la propre installation photovoltaïque – qui permet également de mettre à disposition de la chaleur et de la mobilité. Si l’autosuffisance ne pose pas de problème en été, à condition de disposer d’un accumulateur d’électricité, elle peut entraîner des goulets d’étranglement en hiver, car il n’existe pas encore d’accumulateur économique à long terme.

On peut en outre se demander si l’auto-approvisionnement complet d’un maximum de ménages est vraiment judicieux. C’est justement l’un des avantages de notre approvisionnement en énergie que les réseaux compensent les différents besoins. Il n’est pas non plus forcément souhaitable d’utiliser les ressources limitées de manière à ce que chaque ménage dispose de sa solution énergétique entièrement privée. Pour des raisons d’efficacité et de rentabilité, il semble beaucoup plus pratique et durable de penser l’autosuffisance à l’échelle communale ou régionale, notamment pour les techniques nécessitant un investissement important comme l’énergie éolienne. Alors que des panneaux solaires sur chaque toit sont raisonnables, l’éolienne de 10 m dans chaque préau n’est pas une solution souhaitable. Plusieurs exemples pratiques montrent déjà que l’autosuffisance communale fonctionne. Le fait que de nombreuses personnes vivent en location et n’ont donc pas de « propre toit » ou ne peuvent pas décider du chauffage de leur appartement plaide également en faveur de solutions énergétiques plus ambitieuses pour l’autosuffisance.

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JDN
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