Avec un grand sens de la durabilité et du mode de construction typique de la région, Daniel Zeitler a rénové la maison d’artisan de ses grands-parents pour en faire son logement d’habitation. Afin d’être armé contre les hivers parfois rudes qui sévissent à Nesselwang, en bordure des Alpes, ce technicien en informatique a non seulement fait installer un nouveau chauffage il y a près de trois ans, mais aussi tout un système énergétique pour le chauffage et l’électricité. Celui-ci se compose d’un chauffage à pellets produisant de l’électricité et d’une installation photovoltaïque avec batterie de stockage et thermoplongeur électrique pour l’eau chaude.

"Un system parfait"
„En hiver, la chaudière à pellets chauffe la bâtisse tout en produisant de l’électricité. En été, je profite de l’énergie photovoltaïque que j’utilise aussi pour produire de l’eau chaude. Pour moi, il s’agit d’un système parfait“, se félicite Daniel Zeitler. Un système que Fritz Epple qualifie de „système de couplage sectoriel harmonieux“, utilisant des ressources présentes en abondance dans l’Allgäu : le bois et l’énergie solaire. Fritz Epple dirige l’entreprise de technologie énergétique qui a conçu l’installation de Daniel Zeitler.

215 m² de surface habitable
Daniel Zeitler a conservé la maçonnerie de moellons du bâtiment construit il y a 140 ans et rénové les pièces du rez-de-chaussée : l’ancien atelier de menuiserie accueille désormais la cuisine et le salon. L’étage supérieur en bois, y compris le toit, a été démoli et remplacé par une construction moderne à ossature bois. Ainsi, la maison dispose désormais d’une surface habitable de 215 m², dont 71 m² pour un appartement indépendant au deuxième étage. Daniel Zeitler occupe les étages inférieurs avec son amie Victoria Krämer. Au début de la planification, le maître d’ouvrage s’est informé auprès du „Naturbauforum“ de Nesselwang avant de prendre contact avec la société Epple.

Solaire, pompes à chaleur et chauffage au bois
L’entreprise Epple GmbH, située dans la forêt toute proche, couvre les domaines du sanitaire, du chauffage, de la climatisation et de l’électrotechnique en misant entièrement sur les énergies renouvelables, notamment le solaire, les pompes à chaleur et le chauffage au bois. Dans le domaine des pellets, l’entreprise, qui emploie 50 personnes, travaille principalement avec le fabricant autrichien Ökofen. Pour chauffer le bâtiment administratif, elle exploite elle-même dans sa salle d’exposition la chaudière Ökofen Pellematic Condens_e à production d’électricité. Daniel Zeitler a donc pu découvrir le chauffage à pellets avec moteur Stirling tout près de chez lui.

Moteur Stirling Microgen
Dans ce système, un moteur Stirling Microgen est placé sur la chaudière à condensation de série avec une puissance de pointe allant jusqu’à 16 kWth. Les moteurs Stirling sont des „moteurs à air chaud“ sans gaz d’échappement qui fonctionnent avec la chaleur fournie par l’extérieur. Fonctionnant en circuit fermé, à l’image d’un réfrigérateur, ils nécessitent moins d’entretien que les moteurs à combustion : les moteurs Stirling modernes se passent entièrement d’huile lubrifiante. Dans le moteur Stirling Microgen, le gaz de travail, l’hélium, est chauffé par la combustion des pellets, ce qui provoque sa dilatation. „Le refroidissement du côté opposé crée une onde de pression qui déplace un piston de travail. Le piston induit directement un courant alternatif dans la bobine de cuivre qui l’entoure“, explique Philipp Tomaschko, chef de produit chez Ökofen Allemagne à propos de la technologie à pistons libres utilisée ici.

Tête de chauffage adaptée à la combustion de pellets
Le siège de Microgen Engine Corporation se trouve aux Pays-Bas et les moteurs sont produits en Chine. Comme le précise Philipp Tomaschko, Ökofen a adapté la tête de chauffage à la chaudière à pellets en collaboration avec Microgen, afin d’éviter l’adhérence des particules de cendres volantes. De plus, un système de nettoyage spécial a été développé : „Après chaque redémarrage de l’installation et à chaque processus d’aspiration de la chaudière, un dispositif de levage et d’abaissement fait monter et descendre le moteur Stirling. Les particules adhérant à la tête de chauffage sont ainsi nettoyées et transportées dans le tiroir à cendres. Ces perfectionnements permettent de conserver le même intervalle d’entretien que pour une chaudière à pellets à condensation, à savoir une fois par an“.

800 watts maximum
Selon sa plaque de série, le Stirling Microgen présente en fait une puissance de 1,0 kWel. L’appareil de Zeitler atteint au maximum 800 watts en mode pellets. „La puissance dépend de la différence de température“, précise Fritz Epple, „lorsque la température de retour est plus élevée, la puissance diminue. Avec des radiateurs, le Stirling n’aurait que 600 watts.“ Depuis sa rénovation, la maison de Daniel Zeitler est dotée d’un chauffage au sol. Avec nettement moins de 10%, le rendement électrique du Stirling est très faible. Philipp Tomaschko de préciser : „Grâce à sa faible puissance, jusqu’à 800 watts, l’installation est conçue de manière optimale pour une maison individuelle. En combinaison avec une installation photovoltaïque et un accumulateur à batterie, il est ainsi possible de produire toute l’année sa propre électricité à partir du soleil et des pellets.“

Une indépendance de 100 % grâce au complément hivernal
Philipp Tomaschko considère le moteur Stirling du chauffage à pellets comme un très bon complément du système pour les mois d’hiver : „Une installation photovoltaïque permet de couvrir environ 30 % des besoins en électricité d’une maison individuelle. Le complément idéal est l’accumulateur d’électricité, qui permet d’atteindre environ 70 % d’indépendance, car l’électricité solaire peut ainsi être utilisée même lorsque le soleil a terminé sa journée depuis longtemps“, explique l’ingénieur en technique environnementale et technologie des processus. „Avec le moteur Stirling entraîné par le chauffage à pellets, on atteint jusqu’à 100 % d’indépendance.“ Chez Ökofen, ce concept énergétique est appelé „myEnergy365“. Il peut également être réalisé étape par étape : „Il est possible d’intégrer une installation PV existante ou d’ajouter ultérieurement un moteur Stirling.“ Pour cela, la chaudière Pellematic Condens est proposée dans une version „eReady“ avec des interfaces préparées au niveau de la commande et de l’hydraulique, pour un prix à peine plus élevé.

3.8 kW de photovoltaïque
Daniel Zeitler a toutefois décidé de mettre en place un „système toutes saisons“ dans le cadre de la rénovation. Sur le toit sud, il a fait construire une installation photovoltaïque de 3,8 kWel intégrée au toit. Il est conscient que c’est relativement petit pour une maison de deux appartements : „A moyen terme, j’ai prévu d’installer un deuxième champ solaire de la même taille sur un bâtiment annexe. Mais il faudra d’abord rénover son toit“. Grâce à un onduleur hybride Fronius, le courant continu excédentaire de l’installation photovoltaïque est directement chargé dans un accumulateur à batterie. Outre la conversion en courant alternatif, l’onduleur hybride sert également de régulateur de batterie pour l’accumulateur de 11 kWh du fabricant BYD.

Les systèmes Fronius et Ökofen communiquent entre eux
La combinaison Fronius/BYD a déjà pu produire du courant de secours lors d’une brève panne d’électricité à Nesselwang : „Notre maison était la seule à être éclairée loin à la ronde“, explique Daniel Zeitler, „le point d’entrée du système est un compteur intelligent (Smart Meter). Les régulations de Fronius et d’Ökofen communiquent entre elles et gèrent les flux d’énergie selon les besoins“. Sur l’application de visualisation, il montre le déroulement d’un samedi ensoleillé d’avril : „Le matin, le moteur Stirling démarre. Ensuite, l’installation solaire commence à produire de l’énergie si bien que la batterie est chargée aux alentours de midi. L’énergie est alors transférée vers le thermoplongeur jusqu’à ce que la température limite de l’accumulateur tampon soit atteinte. C’est seulement ensuite que l’électricité est injectée dans le réseau“.

Un taux d’autoconsommation de 97% et un degré d’autonomie de 74%
Le système dispose d’un thermoplongeur triphasé qui charge un ballon tampon de 1000 litres. En raison de la priorité accordée au réseau domestique, à l’accumulateur à batterie et au thermoplongeur, l’injection d’électricité à partir du Stirling à pellets tend vers zéro. „Comme l’installation photovoltaïque est très petite et la batterie de stockage relativement grande, je consomme pratiquement tout ce que je produis“, souligne Zeitler, „j’ai un taux d’autoconsommation de 97 % et un degré d’autarcie de 74 %.“ Fritz Epple souligne que ces valeurs se rapportent à deux ménages : „Le degré d’autonomie est très bon pour une si petite installation photovoltaïque. Une installation PV plus grande permettrait certes d’améliorer cette valeur qui passerait à près de 90 %, mais on injecterait aussi plus d’électricité, ce qui ne serait pas vraiment rentable“. Daniel Zeitler reçoit 8,4 cents/kWh pour l’électricité excédentaire injectée dans le réseau. Pour les nouvelles installations, le tarif est similaire.

„Un produit de niche“
En termes de coûts, le système énergétique de Daniel Zeitler se divise en une partie chauffage aux pellets et une partie électricité solaire. La première comprend toute l’installation située dans la chaufferie – essentiellement une chaudière à pellets de 12 kWth avec moteur Stirling, un réservoir tampon et un module d’eau sanitaire – et elle coûte un peu plus de 40’000 euros. Le chauffage à pellets a servi à remplacer une chaudière à mazout et Zeitler a pu bénéficier d’une subvention dans ce cadre. Le moteur Stirling coûte environ 12’000 euros. Selon Philipp Tomaschko, le responsable des produits Ökofen, son prix s’élève désormais à plus de 13’000 euros. „En raison de sa durée d’amortissement relativement longue, la Pellematic Condens_e avec moteur Stirling n’est pas un produit destiné au grand public, mais un ‘produit de niche’ pour les personnes qui souhaitent produire de l’électricité et de la chaleur de manière indépendante et écologique dans leur propre maison“, explique-t-il.

Batterie de stockage et thermoplongeur électrique
Daniel Zeitler a investi environ 22’000 euros dans l’installation PV, y compris la batterie de stockage et le thermoplongeur électrique. Comme l’appartement n’a été loué qu’à l’automne dernier, on ne peut estimer que grossièrement sa consommation de pellets à trois tonnes par an. Le moteur Stirling n’entraîne guère de dépenses supplémentaires en matière d’entretien et Fritz Epple estime la consommation supplémentaire de pellets à moins de 200 kg/an. Au cours des trois dernières périodes de chauffage, le moteur Stirling a fonctionné 4520 heures. Fritz Epple compte également sur une moyenne de 1500 heures par an dans ses calculs de rentabilité. „Il faut sortir une certaine somme au début mais ensuite, mon fort degré d’autonomie me prémunit contre les prix élevés de l’énergie“, argumente Daniel Zeitler, qui a calculé que l’investissement serait tout juste amorti sur une durée d’environ 20 ans si les prix de l’électricité restent inchangés. En cas de hausse des prix, l’ensemble du système est clairement rentable et les derniers mois lui donnent bien sûr raison : „Quand je vois la hausse des prix de l’électricité, je me dis que j’ai pris la bonne décision.“

Exigences en matière d’autarcie
Les conditions requises pour un fonctionnement entièrement autonome et indépendant du réseau en combinaison avec la chaudière à pellets avec moteur Stirling Pellematic Condens_e d’Ökofen sont les suivantes :

• Les besoins en chauffage du bâtiment sont d’environ 10-16 kWth.
• Le dimensionnement minimal de l’installation PV doit être de 5 kWel.
• Le volume tampon minimum est de 1000 l
• La capacité nominale de l’accumulateur d’électricité est d’au moins 12 kWh (9,6 kWh utilisables).
• A partir de deux jours consécutifs de faible ensoleillement, la consommation d’électricité ne doit pas dépasser 10 kWh/jour.
• Pour prolonger la durée de fonctionnement et pour les périodes de mauvais temps, un puits de chaleur est nécessaire (piscine, cave chauffée ou autre).
• L’installation PV ne doit pas être recouverte de neige de manière prolongée.

Achat d’une voiture électrique
Tôt ou tard, Daniel Zeitler envisagera aussi d’acheter une voiture électrique. C’est à ce moment-là qu’il ne faudra pas tarder à installer un deuxième champ PV. En attendant, l’habitant de l’Allgäu ne voit pas la nécessité d’étendre son système énergétique. Même s’il aspire à une indépendance maximale vis-à-vis des fournisseurs d’énergie, il n’a pas l’intention de faire fonctionner sa maison de manière totalement autonome et de la déconnecter du réseau électrique. Pour une exploitation sans raccordement au réseau, il faudrait encore respecter une série d’exigences minimales (voir encadré).

Ajouter ultérieurement un moteur Stirling ?
„Le fonctionnement en îlot a d’autres exigences. Il faudrait configurer le système tout autrement“, précise Fritz Epple. Un autre de ses clients approvisionne une maison de deux familles hors-réseau, ce qui nécessite beaucoup plus de puissance photovoltaïque et de capacité de stockage que chez Daniel Zeitler. „Nous disposons ici d’un onduleur pouvant fonctionner en îlot et d’une technique de stockage au lithium de 48 volts“, explique l’expert en énergies renouvelables. Le client possède déjà la chaudière à pellets. Il envisage maintenant d’ajouter le moteur Stirling. Fritz Epple de conclure : „Il est difficile de s’approvisionner à 100% en courant photovoltaïque. Le Stirling peut constituer une aide notable dans ce sens. Les clients qui souhaitent être totalement indépendants du réseau sont encore rares mais ils deviennent peu à peu plus nombreux.“

©Texte : Christian Dany