Des fenêtres photovoltaïques chauffent l’eau dans un appartement de Bucarest depuis deux ans

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Un projet pilote de deux ans à Bucarest utilise des fenêtres photovoltaïques semi-transparentes pour chauffer directement l’eau domestique en courant continu, transformant ainsi un réservoir d’eau ordinaire en système de stockage thermique sans inverseur solaire ni batterie.

Par Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL

Pour les personnes vivant en immeubles d’appartements, l’utilisation de l’énergie solaire n’est pas aussi simple que pour les propriétaires disposant de leur propre toit.

Des millions d’habitants d’appartements ne disposent pas d’une surface de toit utilisable. Dans de nombreux cas, les seules surfaces directement accessibles sont les balcons, les balustrades et les fenêtres.

Les systèmes photovoltaïques sur balcon en format plug-in constituent une réponse importante à ce problème. Mais ils soulèvent également une autre question : que se passe-t-il avec l’électricité solaire produite à un moment où l’appartement n’en a pas besoin ?

Pendant plus de deux ans, nous avons testé une approche différente dans un appartement réel à Bucarest, en Roumanie.

Au lieu d’alimenter l’installation électrique de l’appartement en électricité photovoltaïque, des fenêtres photovoltaïques semi-translucides fournissent directement un chauffe-eau électrique ordinaire en courant continu.

L’idée est simple : utiliser le chauffe-eau lui-même comme stockage d’énergie.

L’électricité solaire produite sur plusieurs heures au cours de la journée est directement convertie en chaleur et stockée sous forme d’eau chaude pour être utilisée plus tard.

Il n’y a ni batterie photovoltaïque ni onduleur solaire entre les vitrages photovoltaïques et l’élément de chauffage. Le côté PV fonctionne hors réseau et ne fournit pas d’électricité au réseau public.

Lorsque l’énergie solaire est insuffisante, le régulateur passe le même chauffe-eau sur le réseau électrique alternatif normal après le coucher du soleil afin qu’il puisse atteindre la température désirée par le thermostat.

Deux ans d’utilisation réelle dans un foyer

Le système est installé sur un balcon vitré orienté vers le sud à Bucarest.

La vitrerie photovoltaïque a une capacité nominale installée d’environ 845 Wp et fournit de l’eau chaude sanitaire pour un ménage de quatre personnes, l’eau chaude étant utilisée tous les jours, y compris une douche par personne par jour.

La documentation du projet précédente indiquait une capacité nominale de 683 Wp, basée sur la fiche technique du fabricant de 2021 disponible au moment de la commande en 2022. Le fabricant a depuis confirmé que la vitrerie livrée correspond à des modèles plus récents et plus puissants. En recalculant la même configuration de 11 fenêtres avec la fiche technique actuelle, on obtient environ 845 Wp. Cette correction modifie la valeur nominale STC, mais elle n’affecte pas l’énergie mesurée fournie au chauffe-eau ni la couverture en eau chaude indiquée ci-dessous.

Nous avons surveillé le système sur deux périodes consécutives allant d’octobre à septembre.

Pendant la période 2023–2024, les fenêtres photovoltaïques ont fourni 446 kWh au chauffe-eau, couvrant ainsi 46,7 % de la demande énergétique en eau chaude sanitaire du ménage.

Pendant la période 2024–2025, elles ont fourni 462 kWh, couvrant 43,7 % de cette même demande en énergie pour l’eau chaude sanitaire.

Pendant ces deux périodes, la famille était absente pendant environ un mois, ce qui signifie que chaque période de mesure d’octobre à septembre correspond en réalité à environ 11 mois d’utilisation effective au sein du ménage.

Ces résultats sont importants car l’objectif du système n’est pas d’obtenir une production photovoltaïque instantanée maximale. L’objectif est plutôt d’utiliser autant que possible l’énergie solaire disponible à l’intérieur de l’appartement.

La puissance nominale corrigée des panneaux photovoltaïques n’affecte pas non plus les analyses distinctes relatives à l’économie d’eau et au refroidissement présentées plus loin dans cet article : le calcul de la consommation d’eau se base sur le débit mesuré et le temps d’attente, tandis que le modèle de refroidissement prend en compte la surface des vitrages et les caractéristiques d’absorption de chaleur solaire, plutôt que la puissance électrique nominale des panneaux photovoltaïques.

Le problème de l’autonettoyage solaire sur balcon

L’Umweltbundesamt, ou UBA — l’Agence allemande pour l’environnement, autorité fédérale chargée de l’environnement en Allemagne — offre un point de référence intéressant.

Pour un système photovoltaïque de 800 W monté verticalement et orienté vers le sud sur un balcon, l’UBA estime une production annuelle d’environ 532 kWh. Elle estime également qu’en l’absence de batterie, environ 240 kWh par an — soit près de 45 % — peuvent être consommés directement dans l’appartement.

La raison en est facile à comprendre.

Un système photovoltaïque classique avec panneaux supplémentaires fournit l’énergie nécessaire aux charges électriques qui fonctionnent au moment même où le soleil produit de l’électricité.

Si le système photovoltaïque génère 500 W tandis que l’appartement n’en consomme que 150 W, le ménage ne peut pas utiliser les 500 W en même temps, à moins qu’une autre charge ne s’allume, que l’énergie ne soit stockée ou que l’excédent ne soit exporté.

Notre approche modifie cette relation.

Au lieu de tenter de faire en sorte que la production solaire suive la demande électrique instantanée de l’appartement, nous le connectons à une charge capable d’absorber de l’énergie sur le long terme.

Un chauffe-eau constitue en fait une batterie thermique.

Il peut recevoir 100 W, 300 W ou 500 W sur plusieurs heures, accumuler cette énergie sous forme de chaleur et fournir de l’eau chaude stockée plus tard dans la journée.

Cela permet une production solaire et un utilisation réelle à des moments différents, sans avoir recours à une batterie électrochimique.

Pourquoi les fenêtres photovoltaïques diffèrent électriquement de deux panneaux classiques pour balcon

Il existe un autre aspect important de ce concept qui est facile à négliger.

Le système fonctionne particulièrement bien non pas simplement parce que les panneaux photovoltaïques sont connectés à un chauffe-eau, mais parce que les vitrages photovoltaïques peuvent offrir une compatibilité électrique bien meilleure pour le chauffage d’eau en courant continu direct qu’un système photovoltaïque classique de un ou deux panneaux pour balcon.

Un chauffe-eau électrique dispose d’un élément de chauffage résistif fixe.

Prenons, à titre d’exemple, un chauffe-eau standard de 3 kW et 230 V. Le même principe électrique s’applique aux chauffe-eaux ayant d’autres puissances nominales ; la valeur de 3 kW est utilisée ici uniquement à des fins d’exemple clair.

Si les modules photovoltaïques sont connectés directement à cette résistance de chauffage, sans onduleur ni convertisseur DC/DC MPPT actif, le point de fonctionnement dépend de la relation entre la tension du panneau photovoltaïque et la résistance de l’élément chauffant.

Cela signifie que le wattage indiqué sur le module photovoltaïque n’est pas automatiquement celui qui atteint le chauffage.

Considérons deux modules photovoltaïques modernes conventionnels ayant une capacité nominale combinée d’environ 800 Wp.

Avec les caractéristiques de modules utilisées dans notre comparaison, la connexion directe de ces deux modules à l’élément chauffant d’un chauffe-eau de 3 kW et 230 V ne permet qu’un transfert maximal d’énergie d’environ 300 W, malgré la capacité nominale de près de 800 Wp du couple de modules.

La valeur exacte dépend des caractéristiques courant-tension des modules, mais le problème de base reste le même : deux modules conventionnels fonctionnent à une tension continue relativement faible par rapport à celle nécessaire pour s’adapter correctement à la résistance d’un chauffe-eau classique de 230 V.

Notre installation de fenêtres photovoltaïques se comporte différemment.

Bien que la capacité nominale installée corrigée soit d’environ 845 Wp, nous avons mesuré un pic de 499 W fourni directement au chauffe-eau.

Cela ne signifie pas que le verre photovoltaïque soit intrinsèquement plus efficace que les modules conventionnels en silicium cristallin. Cela signifie simplement que la configuration électrique est mieux adaptée à la charge.

Au lieu d’un ou deux modules à puissance relativement élevée fonctionnant à basse tension et forte intensité, le vitrage photovoltaïque offre un plus grand nombre d’éléments générateurs à faible puissance.

Ces éléments peuvent être connectés électriquement de manière à ce que le réseau atteigne une tension continue beaucoup plus utile, tout en maintenant une puissance totale installée modérée.

Puissance modérée + tension continue adaptée + chauffage résistif + stockage thermique.

Cette combinaison convient particulièrement bien à un élément de chauffage d’eau résistif.

Pourquoi un MPPT actif n’est pas essentiel ici

Cependant, cette augmentation de la puissance instantanée ne se traduirait pas directement par une énergie annuelle utile supplémentaire. Le réservoir d’eau possède une capacité thermique finie, et une fois que la température cible fixée par le thermostat est atteinte, le chauffage cesse d’absorber de l’énergie. Une puissance supplémentaire en milieu de journée peut donc faire atteindre au réservoir sa température de coupure plus tôt, sans augmenter proportionnellement la consommation annuelle.

Dans notre configuration, le panneau photovoltaïque et la résistance de chauffage sont déjà suffisamment bien adaptés l’un à l’autre pour que l’utilisation d’une étape MPPT active ne soit pas indispensable afin d’atteindre l’objectif de conception. Tout gain supplémentaire utile doit également être évalué en fonction de la consommation propre du convertisseur, des pertes de conversion, du coût supplémentaire et de la complexité ajoutée.

Le pic mesuré de 499 W provenant d’un système de fenêtre photovoltaïque d’environ 845 Wp montre que l’énergie utile peut déjà être transférée directement au chauffage grâce à une architecture très simple.

Cela diffère de l’exemple avec deux panneaux conventionnels. Avec deux modules conventionnels totalisant environ 800 Wp, la moindre adéquation en termes de tension avec un élément chauffant de 3 kW/230 V rend la conversion active d’énergie beaucoup plus importante si l’objectif est d’obtenir une puissance proche de celle produite par les panneaux photovoltaïques.

Alternativement, plusieurs modules conventionnels peuvent être connectés en série pour augmenter la tension du panneau.

Mais une fois que plusieurs modules photovoltaïques conventionnels à haute puissance sont installés, la puissance totale disponible devient beaucoup plus importante. À ce stade, l’utilisation d’un onduleur pour alimenter plusieurs charges électriques domestiques est généralement plus judicieuse que de consacrer tout le panneau à un seul chauffe-eau.

C’est pourquoi nous considérons les vitrages photovoltaïques et le chauffage par courant continu comme une combinaison particulièrement naturelle.

Volets photovoltaïques → courant continu → élément chauffant → eau chaude stockée.

Ce n’est pas un argument contre les panneaux photovoltaïques traditionnels pour balcons

Les panneaux photovoltaïques traditionnels pour balcons constituent une solution excellente et ont permis d’ rendre la production solaire accessible aux personnes ne possédant pas de toit.

Nous ne disons pas non plus que les modules conventionnels ne peuvent pas être utilisés pour le chauffage par courant continu. Ils le peuvent.

Avec suffisamment de modules en série, une résistance de chauffage appropriée ou des électroniques d’alimentation DC/DC actives, les modules conventionnels peuvent également chauffer l’eau de manière efficace.

La différence réside dans le fait qu’un système de balcon typique composé d’un ou deux modules conventionnels à haute puissance n’est pas naturellement adapté à un élément chauffant d’eau standard de 230 V.

Les vitrages photovoltaïques occupent une niche électrique différente.

Une façade ou un balcon peut contenir plusieurs éléments de vitrages photovoltaïques, fournissant la tension nécessaire pour un chauffage direct sans créer en même temps un panneau photovoltaïque de plusieurs kilowatts.

Cela rend ce concept particulièrement intéressant pour les appartements.

Stocker de l’énergie dans l’eau plutôt que dans une batterie

Le réservoir d’eau modifie également la façon dont nous devrions envisager la dimensionnement des systèmes photovoltaïques.

Avec un système électrique conventionnel, les utilisateurs se concentrent souvent sur l’atteinte de la puissance instantanée la plus élevée possible.

Pour le chauffage d’eau solaire direct, cela n’est pas nécessairement souhaitable.

Si un grand panneau photovoltaïque chauffe complètement le réservoir à midi, la production supplémentaire en fin de journée ne peut plus être utilisée par cette charge dédiée.

Un système photovoltaïque plus modéré peut, en revanche, fournir de l’énergie pendant de nombreuses heures. Le chauffe-eau accumule progressivement cette énergie.

La quantité importante n’est donc pas seulement le pic en watts, mais aussi les kilowattheures utiles stockés au cours de la journée.

Les résultats de Bucarest illustrent bien cela. Le système de fenêtre photovoltaïque d’environ 845 Wp, avec un pic mesuré de 499 W au niveau du chauffe-eau, a fourni 446 kWh pendant la première période d’observation et 462 kWh pendant la seconde.

Cela a suffi pour couvrir respectivement 46,7 % et 43,7 % des besoins en énergie pour l’eau chaude sanitaire d’un ménage de quatre personnes.

Il y a également un avantage en termes d’économie d’eau

L’expérience a révélé un autre avantage qui n’a que peu à voir avec l’efficacité photovoltaïque.

Au préalable, l’appartement comptait sur de l’eau chaude sanitaire fournie en central.

Comme c’est le cas dans de nombreux immeubles d’appartements, les résidents devaient laisser l’eau couler en attendant que celle-ci atteigne une température suffisamment élevée pour l’utiliser sous la douche.

Dans notre étude de cas à Bucarest, une mesure a montré un débit de douche de 6,7 litres par minute et environ cinq minutes pour atteindre une température d’environ 43 °C à la fin du mois de septembre.

Sur la base de cette mesure et des temps d’attente extrapolés selon les saisons, soit environ cinq à huit minutes, le modèle d’étude a estimé qu’environ 62,1 mètres cubes d’eau par an s’écoulaient pendant les périodes d’attente pour un ménage de quatre personnes prenant une douche par personne par jour.

Ce n’est pas une valeur universelle. Les temps d’attente varient considérablement en fonction du bâtiment, de la longueur des tuyaux, du système de circulation et des conditions d’exploitation.

Mais le mécanisme est universel.

Si l’eau chaude est produite localement et stockée à courte distance de la douche, le temps d’attente peut devenir pratiquement négligeable.

Dans notre cas, le chauffe-eau local de 80 litres offre donc un avantage supplémentaire par rapport à l’énergie solaire : il réduit considérablement la quantité d’eau gaspillée en attendant l’arrivée de l’eau chaude centralisée.

Les vitrages photovoltaïques servent également de protection solaire

Les fenêtres photovoltaïques présentent une autre caractéristique que les modules PV opaques conventionnels lorsqu’ils sont simplement fixés à un balcon : elles font partie de l’enveloppe du bâtiment.

Le même verre qui génère de l’électricité réduit également les rayonnements solaires pénétrant dans l’appartement.

Nous avons modélisé séparément cet effet pour l’appartement de Bucarest.

La façade vitrée orientée vers le sud compte environ 12,9 m² de verre, dont 7,92 m² de verre photovoltaïque semi-transparent.

Au vu des hypothèses utilisées dans l’étude, le remplacement du verre transparent conventionnel par du verre photovoltaïque réduit l’apport thermique solaire à travers toute la façade vitrée d’environ 40 %.

Pour l’appartement spécifique et les hypothèses de fonctionnement de la climatisation utilisées dans le modèle, cela correspond à une réduction estimée de la consommation d’électricité pour le refroidissement d’environ 433 à 481 kWh par été, avec une valeur centrale d’environ 457 kWh.

Ces chiffres sont des estimations calculées, et non des économies réelles de consommation mesurées. Cette distinction est importante.

Néanmoins, ce calcul illustre une caractéristique majeure des photovoltaïques intégrés aux bâtiments.

Les vitrages peuvent produire de l’électricité tout en réduisant la charge de refroidissement.

Pour les appartements disposant de grandes surfaces vitrées orientées vers le sud, l’est ou l’ouest et souffrant d’un surchauffage important en été, cet avantage secondaire peut être particulièrement pertinent.

Les fenêtres et les balcons sont des surfaces que les résidents d’appartement peuvent réellement utiliser

Le toit n’est pas le seul endroit où un bâtiment reçoit des rayonnements solaires. Les façades des appartements en reçoivent également.

Les vitrages photovoltaïques peuvent être intégrés dans des fenêtres fixes, des encadrements de balcons ou des balustrades vitrées.

Ils exploitent donc des surfaces qui ont déjà une fonction architecturale.

Cela ne signifie pas pour autant que les vitrages photovoltaïques conviennent à toutes les façades. L’orientation, l’ombrage, la transparence, l’apparence architecturale et les coûts doivent tous être pris en compte.

Mais pour les appartements disposant de grandes surfaces vitrées exposées au soleil, la façade peut devenir une surface productrice d’énergie sans nécessiter d’accès au toit.

Lorsque cette électricité est utilisée localement pour l’eau chaude sanitaire, le système n’a pas besoin de dépendre d’une consommation électrique domestique simultanée.

Préserver une architecture simple

L’un des objectifs de notre projet pilote était d’éviter les composants inutiles.

D’un point de vue photovoltaïque, il n’y a ni batterie ni onduleur solaire. L’électricité photovoltaïque est utilisée directement en courant continu par un élément de chauffage résistif.

Lorsque l’énergie solaire est insuffisante, le régulateur passe automatiquement le chauffage sur le réseau en courant alternatif après le coucher du soleil, afin qu’il puisse atteindre la température définie par le thermostat de la chaudière.

Le concept de commutation automatique entre l’alimentation en courant continu photovoltaïque et le réseau en courant alternatif a également été inclus dans une demande de brevet roumaine publiée par l’Office d’État roumain pour les inventions et les marques.

Mais la partie la plus importante de ce concept est plus simple que le système de commutation lui-même.

Il s’agit de la combinaison d’un générateur photovoltaïque intégré à la façade, doté de caractéristiques électriques en courant continu adaptées, d’une charge résistive simple, ainsi que d’un système de stockage thermique peu coûteux dont les ménages ont déjà besoin au quotidien.

Les appartements devraient faire partie de la transition solaire

La plupart des discussions sur les systèmes photovoltaïques résidentiels commencent encore par le toit.

Cela fonctionne bien pour les maisons individuelles. Pour des millions de personnes vivant dans des immeubles d’appartements, cela ne résout pas le problème.

Les systèmes solaires sur balcon ont déjà montré que les résidents d’appartement souhaitent disposer de leur propre production d’énergie renouvelable.

La question suivante est de savoir comment exploiter au mieux la surface solaire limitée à leur disposition.

Notre projet pilote à Bucarest propose une approche possible.

Au cours de deux périodes de mesure consécutives, des fenêtres photovoltaïques ont fourni 446 kWh et 462 kWh directement pour l’eau chaude sanitaire, couvrant respectivement 46,7 % et 43,7 % de la consommation d’énergie nécessaire à cette fin dans le foyer.

Ce foyer est composé de quatre personnes qui utilisent quotidiennement de l’eau chaude.

Cette même installation offre également une protection solaire, tandis que la production locale d’eau chaude permet de réduire les pertes d’eau liées à l’attente de l’eau chaude centralisée.

Le plus important est que ce système montre que l’électricité photovoltaïque n’a pas toujours besoin d’être convertie en courant alternatif, stockée dans une batterie ou exportée vers le réseau avant de devenir utile.

Parfois, le système de stockage le plus efficace se trouve déjà à l’intérieur de l’appartement.

Il s’agit d’un réservoir d’eau.

Quant aux vitrages photovoltaïques, la combinaison d’une tension continue plus élevée, d’une puissance modérée et d’un stockage thermique peut faire du courant continu direct l’une des façons les plus naturelles d’utiliser l’électricité qu’ils génèrent.

L’hectowattheure solaire la plus précieuse n’est pas nécessairement celle produite par le système le plus grand ; elle peut être celle générée sur un balcon, stockée sous forme d’eau chaude et utilisée par la même famille quelques heures plus tard.

Des mesures mensuelles ainsi que des calculs détaillés sont disponibles auprès de l’auteur sur demande.