Critères d’évaluation des performances

Les performances peuvent être évaluées selon plusieurs critères. L’aspect énergétique à travers la réduction de la consommation des énergies primaires est une possibilité tandis que le concept d’exergie permet d’ajouter l’aspect qualitatif et d’en décrire la bonne utilisation. L’aspect écono- mique a une part importante dans le choix des systèmes et peut être le critère de sélection princi- pal (prix total par exemple). Finalement, le critère environnemental peut également intervenir, il se caractérise généralement par une diminution des émissions de gaz à effet de serre. De manière générale, les évaluations énergétique et économique représentent la majorité des études.

À travers l’analyse d’un système PV/T, Coventry & Lovegrove [81] ont comparé la valeur de l’électricité et de la chaleur en analysant les différents critères d’évaluation mentionnés ci-dessus. Ils ont exprimé leur résultats sous la forme d’un rapport du type « valeur de l’électricité / valeur de la chaleur ». Celui-ci met en relief la différence d’importance accordée à l’électricité vis-à-vis de la chaleur, il est ainsi aisé d’en déduire l’impact sur les résultats des analyses et du choix de

2 _{Marque de commerce de SunMaxx Solar}

3 _{Marque de commerce de Matrix Energy Inc.}

4 _{Marque de commerce de Solar Design}

5 _{Marque de commerce de Click-Air Climatisation Inc.}

6 _{Marque de commerce de Climatisation Nouvel Air}

7 _{Marque de commerce d’AirTechni}

8 _{Marque de commerce de L&L Ecocity Group Inc.}

l’équipement énergétique. Tout d’abord, Coventry & Lovegrove [81] ont estimé la valeur de l’énergie convertie par un module photovoltaïque/thermique où à la fois électricité et chaleur, énergies de qualité différente, sont générées simultanément. D’un point de vue énergétique, l’efficacité d’un système hybride peut être définie comme la somme des rendements thermique (𝜂_𝑡ℎ) et électrique (𝜂_{𝑒𝑙𝑒𝑐}) [82-83] (une unité de chaleur est équivalente à une unité d’électricité) mais elle ne tient pas compte de la valeur de l’énergie. Une autre formulation de l’efficacité éner- gétique a ainsi été présentée pour souligner la qualité de l’électricité sans pour autant effectuer une analyse exergétique [84] :

𝜂_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} = 𝜂_𝑡ℎ+ 𝜂_{𝑒𝑙𝑒𝑐}/𝜂_𝑝 (1.21)

où 𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 est le rendement total et 𝜂𝑝 le rendement d’une centrale au charbon, soit 0.38. La valeur de cette efficacité est généralement inférieure à 1.00 [35] ; toutefois, cette limite peut être dépas- sée avec par exemple une efficacité de 1.05 obtenue à partir d’un rendement thermique de 0.55 et électrique de 0.19. Ces deux efficacités, ajoutées au concept d’exergie, correspondent aux critères thermodynamiques proposés par Coventry & Lovegrove [81]. D’un point de vue économique, l’approche classique, présentée à la Section 1.3, se base sur le coût en dollars de l’énergie, qu’elle soit thermique ou électrique (Équation 1.20). Une approche plus propice aux énergies renouve- lables peut être suivie en tenant compte des mesures politiques pour les promouvoir (ou dissuader l’usage des énergies fossiles) et des conséquences économiques qui en découlent [81]. Finale- ment, l’évaluation environnementale se base sur la réduction des gaz à effet de serre. En considé- rant que les émissions associées à l’utilisation de l’énergie solaire sont nulles, la manière la plus simple est de comparer les émissions évitées grâce aux installations de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires par rapport aux systèmes conventionnels. Toutefois, les émissions asso- ciées à l’analyse du cycle de vie au complet permet d’avoir une vue plus globale des gains envi- ronnementaux associés à chaque unité (panneau photovoltaïques, capteurs solaires). Les rapports obtenus pour les différentes approches sont illustrés sur la Figure 1.12. La large gamme de va- leurs obtenue (1 jusqu’à 17) souligne l’importance du critère d’évaluation des performances et de ses répercussions sur les résultats d’optimisation de l’équipement.

Figure 1.12 : Résumé des définitions du rapport électrique/thermique présenté par Coventry & Lovegrove [81].

Plusieurs études essaient de tenir compte de l’ensemble de ces critères. Entre autres, Keçebas [85] a évalué les systèmes géothermiques tandis que Tolga Balta [86] et Abusoglu & Sedeeq [87] ont analysé plusieurs unités de chauffage (chaudières et pompes à chaleur). Gong & Wall [24] ont également analysé ce type de méthodes et indicateurs et ont introduit la notion de cycle de vie exergétique. D’après eux, l’exergie est un indicateur écologique approprié et des efforts devraient être effectués dans cette voie. Wall [88] a même proposé une taxe exergétique pour améliorer l’utilisation des ressources énergétiques et diminuer la destruction exergétique environnementale. Dans cet optique exergétique, El shenawy & Zmeureanu [89] ont également proposé un index exergétique pour évaluer la durabilité des bâtiments mettant en jeu la destruction d’exergie, liée à la construction et à l’opération du bâtiment, et l’exergie solaire qui aurait pu être récupérée sur la surface occupée par le bâtiment.

Les analyses exergo-économiques permettent d’évaluer simultanément et de comparer les per- formances exergétiques et économiques de l’équipement. L’approche SPECO associe un coût à chaque flux d’exergie [90]. Cette méthode a été appliquée à plusieurs systèmes énergétiques (cycles à la biomasse, au gaz naturel et cycles combinés) par Bagdanavicius et al. [91]. Elle a également été utilisée dans le cadre de l’optimisation du cycle d’une centrale solaire [92]. D’un autre côté, Rosen & Dincer [93-94] ont introduit un nouveau paramètre, le rapport 𝑅 des pertes thermodynamiques et du coût en capital et l’ont appliqué aux concepts énergétique (𝑅_𝑒𝑛) et exer- gétique (𝑅𝑒𝑥). De tels paramètres permettent d’afficher clairement le lien entre les aspects éner- gétique et économique, et exergétique et économique :

𝑅𝑒𝑛 = 𝐸_𝑝 𝐶𝑇

𝑅_𝑒𝑥= 𝐷𝑡𝑜𝑡

𝐶_𝑇 (1.23)

où 𝐸𝑝, 𝐷𝑡𝑜𝑡 et 𝐶𝑇 correspondent respectivement aux pertes thermodynamiques, aux irréversibili- tés et au coût total. Ces rapports proposés par Rosen & Dincer [93-94] reflètent donc un com- promis entre coût et efficacité des systèmes où les pertes sont généralement réduites en augmen- tant l’investissement. D’où les deux observations suivantes : a) l’exergie entrante est détruite si aucun investissement est effectué (ensoleillement perdu si aucun capteur solaire ou module PV n’est installé) et b) les performances tendent vers le système idéal (aucune perte) lorsque un in- vestissement conséquent est réalisé [93]. Un équilibre, illustré à la Figure 1.13, peut alors être atteint entre pertes exergétiques et coût en capital dans les systèmes réels. L’évaluation peut alors être effectuée en connaissant la valeur optimale 𝑅_𝑒𝑥∗ _.

Figure 1.13 : Analyse théorique des pertes exergétiques en fonction de l’investissement [93].

Des valeurs de ces deux rapports ont été calculées pour comparer des panneaux PV et des sys- tèmes hybrides PV/T [95] tandis qu’une telle approche a également été appliquée aux pompes à chaleur géothermiques [96]. Ozgener et al. [96] ont analysé la valeur de 𝑅_𝑒𝑥, calculée à partir des pertes totales (composants des pompes à chaleur, échangeur géothermique, pompes de circula- tion), en fonction de la température de l’environnement de référence et ont obtenu que le rapport décroît linéairement, ce qui leur permet de prédire le rapport pour différentes valeurs de réfé-

rence. Pour un même type de système, l’impact de la température de référence mais aussi des quantités d’énergie échangées et des débits d’opération sur les rapports 𝑅𝑒𝑛 et 𝑅𝑒𝑥 a également été évaluée [97] ; des approximations exponentielles et polynomiales ont ainsi pu être exprimées. Finalement, l’influence de ces paramètres respectivement sur les efficacités énergétique et exer- gétique a été évaluée par Ozgener & Ozgener [98] : les rendements diminuent quasi linéairement avec les rapports.

L’exergie tient compte de la qualité de l’énergie et caractérise donc la bonne utilisation de l’énergie et le gaspillage énergétique. C’est le critère qui a été retenu dans le cadre de cette thèse pour évaluer les systèmes. Les performances des unités individuelles et des différents arrange- ments de l’équipement sont présentées dans la section suivante.