Tout d'abord, un petit rappel de physique : si vous plonger une résistance électrique dans un ballon d'eau, elle va consommer de l'électricité et fournir de la chaleur en échange. Cette énergie calorifique produite (Q) est proportionnelle à la puissance du corps de chauffe (P) et au temps de chauffe (t) :
Q = P x t
Pour élever en température n'importe quel corps, il faut lui fournir une énergie en quantité dépendant de sa masse (m), de son aptitude à être réchauffé (c : chaleur massique) et des températures initiale et finale (ΔT : différence entre température finale et température initiale) :
Q = m x c x ΔT
Avec ces deux formules, on peut alors obtenir la formule suivante :
P x t = m x c x ΔT
Pour l'eau, 1 litre=1kg et c=4.180J/(kg.°C) = 0,00116kWh/(kg.°C). Il faut donc :
1,162kWh pour chauffer 1000 litres d’eau de 1°C
Pour une résistance électrique dans un chauffe-eau, en considérant que le rendement est proche de 100% (toute la chaleur produite électriquement est communiquée à l'eau), pour chauffer 1m3 d'eau de 12°C (température moyenne de l’eau en entrée d’habitation, environ 10°C en hiver, 15°C en été) à 40°C (moyenne estimée de la température d'usage de l'eau chaude), soit un ΔT de 28° (40-12), il faut donc dépenser environ :
1,162 x 28° x 1000 = 33kWh pour chauffer 1m3 d'eau de 12 à 40°C
Attention toutefois, une production d’eau chaude sanitaire comporte toujours des pertes qui augmentent forcément la consommation :
- Les pertes dans l'enveloppe des ballons : Elle est indiquée par les fournisseurs dans les documentations techniques sous le terme de "consommation d'entretien". La consommation d'entretien type pour un ballon électrique de 200 litres est de l'ordre de 1,7kWh par jour (pour un ballon réglé à 65°C et dans une ambiance de 20°C), soit environ 620kWh/an. Attention, cette consommation peut aussi fortement augmenter en cas d’entartrage de la résistance du ballon ou de la position du chauffe-eau dans un local froid.
- Les pertes dans les tuyaux : elles combinent à la fois de la perte d’énergie (isolation des tuyauteries) et perte d’eau (distance du générateur d'eau chaude au point de puisage entraînant à puiser plusieurs litres d'eau avant d'obtenir de l'eau chaude au robinet).
- Les pertes dans la chaudière : que ce soit une chaudière à gaz, à fioul, ou à bois, destinée par ailleurs au chauffage de la maison, le rendement varie tout au long de l’année, puisque en été, la chaudière va être sollicitée de façon intermittente pour la préparation d'eau chaude, entraînant entre chaque sollicitation, le refroidissement de l'eau contenue dans le circuit de la chaudière.
Un ballon de base (résistance "blindé") de 100L à 60°C dans une ambiance à 10°C perd ainsi environ 0,5°C/heure (en prenant une constante de refroidissement de 0.28, fonction de l'isolation du ballon, à trouver dans ses caractéristiques). Attention, ceci est une simple estimation et ordre de grandeur, le calcul étant bien plus complexe que celui ci-dessous, et surtout variant dans le temps !
100L d'eau perd : 100L x (60°-10°) x 0,28 = 1.400Wh en une journée, soit 58Wh/h.
La capacité thermique massique de l'eau étant d'environ 1.162Wh/(kg.°C) :
une perte de 58Wh représente environ 0,5°C en une heure (100L d'eau = 100kg)
Attention à nouveau, cette valeur n'est pas constante dans le temps. En effet au bout d'une heure, la température de l'eau sera donc < 60°C et la perte ne sera plus de 58Wh par heure mais inférieure (le ΔT entre la température de l'eau et l'ambiance varie en permanence au fur et à mesure du refroidissement). Mais sur 24H, on peut estimer que l'eau chute d'environ 12°C.
Selon les sources, les régions, le type d'habitat, une famille de 4 personnes consomme en moyenne de l'ordre de 120 à 200m3 d'eau par an. Pour les calculs suivants, nous prendrons une moyenne de 160m3 : 40% de cette eau sert au bain et à la douche et 5% à la cuisine. On retiendra donc qu'environ 45% de la consommation d'eau est chauffée, soit environ 70m3.
Alors combien coûte cette quantité d’eau chaude pour une famille de 4 personnes avec les différentes énergies (sans compter le prix de l’eau en moyenne à 4 euros le m3). Avec prix énergie au 02/2017.
Chauffe-eau électrique
Dans le cas le plus défavorable, l'eau est chauffée par de l'électricité au tarif des heures pleines soit 0,1459€/kWh (contrat 6kVA).
(70 x 33 + 620) x 0,1459 = 428 euros / an en tarif de base
Avec une tarification heures pleines/heures creuses et un chauffe-eau électrique qui ne fonctionne qu'en heures creuses le coût de l'énergie devient :
(70 x 33 + 620) x 0,1270 = 372 euros / an en tarif HP/HC
NOTA : la différence entre un abonnement 6kVA "base" et "heures creuses" n'est que de 4,01€TTC/an pour un différentiel de consommation d'environ 56€/an, ce qui pousserai donc ce dernier à être souscrit. Mais attention, ceci est vrai pour une consommation d'environ 4 personnes (capacité de chauffe-eau importante), sachant aussi que le prix du kWh en heures pleines est pratiquement 1cts €TTC plus cher ! Ainsi, pour des chauffe-eau de faibles capacités (avec aussi une utilisation assez continu tout au long d'une journée) ou une faible utilisation d'eau chaude, si vous n'avez pas d'autres usages importants en électricité notamment la nuit, le tarifs HC/HP pour un chauffe-eau électrique n'est pas forcément adapté !
Gaz naturel
Si on considère un rendement moyen de chaudière de l’ordre de 85% (intégrant les différentes pertes), avec un tarif du kWh de gaz de l’ordre de 6cts€ pour un abonnement de plus 6.000 kWh/an (logement aussi chauffé au gaz - tarif B1) :
70 x 33 x 1,15 x 0,06 = 160 euros / an
Fioul
Le prix du fioul domestique est à 80cts€ le litre, le rendement des chaudières variant entre 75 et 95%, l'énergie récupérée est de l’ordre de 7,5 à 9,5kWh/litre. Nous prendrons comme pour le gaz 85% de rendement, soit 8,5kWh/litre :
70 x 33 x 0,8 / 8,5 = 217 euros / an
Chauffe-eau thermodynamique
Compte tenu de son coefficient de performance, une pompe à chaleur air/eau chauffant principalement l’eau, ce type de ballon peut engendrer jusqu'à 70% d’économie d’énergie, soit un coût annuel d’environ :
128€/an avec un tarif électrique de base
Comme vous avez pu vous en rendre compte, l’enjeu économique d’une famille de 4 personnes pour la production d’eau chaude sanitaire n’est pas très important (d’où le nombre très important de chauffe-eau électriques dans le parc français), et une amélioration de 30% de la consommation énergétique n’engendrait que quelques dizaines d’euros d’économies. Il faut donc clairement considéré en premier lieu cette amélioration comme un enjeu environnemental.
On peut cependant, et plus particulièrement dans les installations existantes, trouver des solutions pour consommer à la fois moins d'eau et moins d'énergie :
- isolation des tuyaux de l'installation
- amélioration de l'isolation des ballons, ou déplacement de ceux-ci dans des pièces chauffées
- installation d’un ballon thermodynamique (voir solaire) lors d’un remplacement de chauffe-eau électrique (voir amortissement chauffe-eau thermodynamique)
- utilisation de chauffe-eau instantanés ou de plusieurs ballons de tailles différentes en fonction des usages
- système de production d'eau chaude différent en été et en hiver
- réduction des délais d'attente de l'arrivée de l'eau chaude lors des puisages (ex. bouclage sanitaire).
