Les pompes à chaleur : une opportunité négligée ?

Récupérez l'énergie, ne la gaspillez pas !

Qu'ont en commun un fjord norvégien, une brasserie belge, une usine laitière danoise, un centre de données finlandais, un immeuble de bureaux allemand et un centre sportif français (et bien d'autres) ? Ils utilisent des pompes à chaleur - et personne ne le sait.

La technologie des pompes à chaleur est bien connue pour la fourniture efficace et fiable de chauffage, de refroidissement et d'eau chaude aux bâtiments résidentiels. Les grands cousins des pompes à chaleur résidentielles - lesunités industrielleset commerciales- sont moins connus. Bien qu'elles fournissent les mêmes services primaires, elles ajoutent un facteur important aux systèmes énergétiques des villes, des grands bâtiments ou des processus industriels : Les grandes pompes à chaleur ferment les boucles d'énergie.

Partout où les humains sont actifs, ils ont besoin d'énergie. L'énergie "circule" toujours d'un niveau de température plus élevé à un niveau plus bas. Il en résulte un surplus d'énergie à un niveau généralement jugé inutile. Dans un bâtiment résidentiel typique, les utilisateurs ont besoin de chauffage et de refroidissement, d'éclairage, de divertissement, etc. et, alors que les habitants bénéficient de ces services, l'énergie est finalement perdue. Il en va de même pour les bâtiments commerciaux, les hôpitaux, les écoles.

Les pompes à chaleur peuvent fournir de l'énergie, mais elles peuvent aussi contribuer à réduire la demande énergétique absolue en étant intégrées dans des systèmes de récupération de chaleur. Dans les grands bâtiments, une gestion intelligente de l'énergie basée sur les pompes à chaleur peut répartir l'énergie entre les parties du bâtiment qui ont besoin de chauffage et celles qui ont besoin de refroidissement. Cela peut également se faire entre différents bâtiments.

L'effet est encore plus important dans l'industrie. Outre la nécessité de chauffer/refroidir les bâtiments et de fournir de l'eau chaude pour la cuisine et les douches, de nombreux procédés industriels fonctionnent aujourd'hui à des températures inférieures à 100 °C. Cela les rend adaptés à l'utilisation de pompes à chaleur. Les prototypes peuvent même fournir des températures allant jusqu'à 170°C. Une évaluation du potentiel technique des pompes à chaleur dans les applications industrielles a révélé un potentiel d'économie d'énergie de 174TWh, soit environ 10% de la demande d'énergie de chauffage de l'industrie. Le montant des économies est encore plus important, si l'on considère l'intégration des processus de refroidissement et de réfrigération dans le système.

La connexion des points est un défi clé pour utiliser pleinement le potentiel.

Les flux d'énergie dans l'industrie sont souvent complexes. Ils nécessitent et fournissent de l'énergie à différents moments, endroits et niveaux de température ainsi qu'en différentes quantités .

Chaque apport d'énergie entraîne un gaspillage d'énergie à un niveau inférieur, chaque processus de refroidissement/réfrigération produit de la chaleur per due et même si une pompe à chaleur est utilisée pour le chauffage, elle entraîne un refroidissement des déchets. Cette énergie peut être soit rejetée dans l'environnement, soit récupérée pour améliorer l'efficacité énergétique globale.

Les gens doivent comprendre ce processus pour décider favorablement de sa mise en œuvre. Les experts responsables de la conception et de l'exploitation des processus industriels peuvent également ne pas connaître les possibilités offertes. Un commentaire typique d'un directeur d'usine était : "un sous-produit de notre processus principal est l'énergie à 50°C mais il nous est inutile. Pire encore, il devient un facteur de coût, car nous devons investir dans des installations pour nous en débarrasser".

Le défi consiste à relier les domaines d'application et à trouver une utilisation pour la chaleur résiduelle d'un processus de refroidissement ou pour le froid résiduel d'un processus de chauffage. Parfois, il suffit de faire preuve de créativité, parfois il faut repenser l'ensemble du processus de production. En cas de succès, les améliorations de l'efficacité sont considérables. Jusqu'à un point que les bénéficiaires de ces améliorations ne veulent pas que les autres sachent, préférant en tirer un avantage en termes de coûts le plus longtemps possible.

Les pompes à chaleur deviennent le nec plus ultra des applications commerciales

Les immeubles de bureaux, les hôtels, les restaurants, les hôpitaux et les installations sportives ont tous besoin de chauffage et de refroidissement - bien souvent, ils nécessitent plus de chauffage que de refroidissement. La plupart d'entre eux ont également besoin d'eau chaude à différentes fins. L'installation d'une pompe à chaleur comme solution autonome ou dans une configuration hybride est de plus en plus courante. L'utilisation d'une seule machine pour le chauffage et le refroidissement est encore plus efficace d'un point de vue économique

Procédés industriels

Les pompes à chaleur peuvent être utilisées dans de nombreux processus de production industrielle. Les domaines d'application comprennent :

• Chauffage / refroidissement de bâtiments
• Nettoyage
• Séchage- généralement, les boucles d'énergie sont fermées en reliant le côté énergie perdue au côté énergie source et en comblant la différence de température par la pompe à chaleur. Si nécessaire, un brûleur fossile est ajouté comme source d'énergie de secours ou pour couvrir les pics de demande.
• Production et transformation desaliments (flocons, brassage, maltage, fruits et légumes, nouilles à la levure, pommes de terre ainsi que viande, lait et fromage),
• Production générale (comme le textile, les industries du bois, le caoutchouc et les plastiques, le papier, la brasserie, la production de briques de maltage et le revêtement métallique).

Relier les boucles énergétiques en utilisant l'énergie résiduelle d'un processus, la faire passer à un niveau utile et la fournir à un autre processus est le véritable graal de la conception de processus efficaces.

Les exemples suivants donnent un aperçu des avantages réalisés par les grandes installations de pompes à chaleur dans divers domaines d'application pour les immeubles de bureaux, le chauffage urbain, les papeteries, les foyers et la production laitière. Ils ne peuvent qu'être inventifs pour envisager d'autres applications de la pompe à chaleur. Pour exploiter pleinement ce potentiel, il faudra non seulement que l'industrie développe encore plus la technologie, mais aussi que les décideurs politiques aient un poids politique, en créant des cadres et des marchés qui favorisent les systèmes basés sur les pompes à chaleur comme solutions les plus durables. Ils devraient favoriser la réduction de la demande d'énergie en utilisant l'énergie récupérée de la même manière qu'ils favorisent l'utilisation des énergies renouvelables aujourd'hui.

Enfin, et ce n'est pas le moins important, la fixation du mécanisme actuel du marché est l'éléphant dans la pièce. Les délais de récupération des pompes à chaleur qui sont acceptables pour l'industrie ainsi que la disponibilité des options de financement dépendent largement de la comparaison avec le coût des alternatives aux combustibles fossiles. Si les décideurs politiques veulent utiliser le mécanisme du marché pour la transition énergétique, ils doivent fixer un signal de prix correctif.

Les chefs d'État et de gouvernement ont signé les accords de la COP21 pour limiter le réchauffement climatique à un niveau nettement inférieur à 2 degrés Celsius en décembre dernier à Paris.

L'exploitation du potentiel des grandes pompes à chaleur dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, les processus industriels et les villes facilitera grandement la réalisation de cet objectif, mais plus encore : une décarbonisation du système énergétique est impossible sans décarbonisation du secteur du chauffage ; une décarbonisation du secteur du chauffage et du refroidissement est impossible sans pompes à chaleur.

Contexte : La technologie des pompes à chaleur

Les pompes à chaleur transforment l'air, la chaleur du sol et l'eau en énergie - c'est aussi simple que cela ! Le principe général de la technologie est identique et indépendant de l'application. Une pompe à chaleur peut fournir du chauffage, du refroidissement et de l'eau chaude sanitaire pour des applications résidentielles, commerciales et industrielles. Les pompes à chaleur transforment l'énergie provenant de sources d'énergie renouvelables (air | aérothermique, sol | géothermique et eau | hydrothermique) en chaleur utile. Elles peuvent également utiliser l'énergie récupérée des processus industriels, des installations d'infrastructure (égouts, métro, parking souterrain) ou de l'air évacué des bâtiments. La transformation se fait via le cycle de réfrigération. Il se compose d'une source de chaleur, de la pompe à chaleur et d'un système de distribution pour chauffer/refroidir le bâtiment, généralement des conduits d'air ou des conduites d'eau.

Bien qu'il existe un certain nombre de variantes techniques pour la technologie des pompes à chaleur, le cycle de compression électrique est le plus couramment utilisé. Dans une pompe à chaleur à compression électrique, un fluide de transfert (réfrigérant) transporte la chaleur d'une source d'énergie faible vers un puits d'énergie plus élevé. Une énergie auxiliaire - généralement de l'électricité ou du gaz - est nécessaire pour faire fonctionner le compresseur et les pompes à chaleur.

Le cycle du fluide frigorigène assure le chauffage et le refroidissement, en continu

Les systèmes de pompes à chaleur sont optimisés pour le chauffage ou le refroidissement. En mode chauffage, l'énergie ambiante est la source de chaleur et le bâtiment/processus est le puits de chaleur. En mode refroidissement, le bâtiment/processus est refroidi en utilisant l'extérieur comme dissipateur de chaleur. Il est évident que l'efficacité d'un système augmente considérablement dans les domaines d'application où la demande de chauffage et de refroidissement est parallèle, ce qui donne à ces systèmes un avantage économique supplémentaire.

Les effets secondaires positifs de l'utilisation de la pompe à chaleur sont l'emploi local, la réduction de la dépendance à l'égard des importations, la stabilisation et la prévisibilité des coûts énergétiques, et le rapprochement des secteurs électrique et thermique en offrant un potentiel de réponse à la demande et en stabilisant le réseau électrique.

Les pompes à chaleur sont un élément transversal du système énergétique moderne et tourné vers l'avenir. La décarbonisation nécessaire du système énergétique ne peut être réalisée sans décarboniser le secteur du chauffage. Le secteur du chauffage ne peut pas être décarbonisé sans pompes à chaleur !

Cet article a été publié pour la première fois dans Revolve "Renewing Energy", été 2016