Pompes à chaleur : vision contre réalité

Vision contre réalité - pourquoi l'intervention politique est essentielle pour libérer le potentiel d'économies d'énergie des pompes à chaleur dans les applications industrielles et commerciales.

Les bâtiments ont besoin d'une température intérieure et d'une qualité de l'air confortables, les niveaux de température dans les processus industriels doivent être régulés au point près, les marchandises stockées et transportées nécessitent une atmosphère contrôlée - ce ne sont là que quelques exemples où le chauffage et le refroidissement sont essentiels dans une société moderne.

Bien trop souvent, ces deux services sont encore traités séparément. Des chaudières sont installées pour chauffer, des équipements de climatisation et de réfrigération pour refroidir. Il est rare que les deux soient considérés comme les deux faces d'une même pièce. En conséquence, l'énergie stockée dans l'air ou l'eau usée est rejetée dans l'environnement et donc perdue pour une utilisation ultérieure.

Si dans un bâtiment, l'eau chaude est chauffée par une chaudière et qu'un système de climatisation est utilisé pour refroidir la température de l'air intérieur, de l'énergie est gaspillée. Si, dans un processus industriel, de l'énergie fossile est brûlée pour fournir du chauffage lors de la première étape et qu'ensuite un produit intermédiaire ou final est refroidi, de l'énergie est gaspillée. Si les installations de production industrielle sont refroidies par des équipements de refroidissement/réfrigération ou si des bureaux proches sont chauffés par des appareils séparés, de l'énergie est gaspillée. En bref, lorsque les besoins de chauffage et de refroidissement sont résolus indépendamment l'un de l'autre, sans adopter une perspective systémique, la probabilité de gaspillage d'énergie est élevée. La technologie des pompes à chaleur fournit du chauffage et

refroidissement en même temps, toujours. Il s'agit d'une question de bonne conception du système pour utiliser les deux côtés et ainsi transformer la voie à sens unique de l'utilisation de l'énergie en une économie d'énergie circulaire. Le potentiel des cycles fermés est particulièrement élevé dans les applications industrielles. En 2015, le groupe de travail sur les pompes à chaleur industrielles et commerciales (ICHP) de l'Association européenne des pompes à chaleur a étudié le potentiel des applications non domestiques des pompes à chaleur pour le chauffage et le refroidissement. Les auteurs de cette étude, Philippe Nellissen et Stefan Wolf, ont qualifié le rapport de "potentiel pour une révolution industrielle" [1].

Les technologies des pompes à chaleur sont reconnues pour leur contribution aux objectifs énergétiques et climatiques de l'UE. Elles

• réduire la demande d'énergie et les émissions de CO2.
• intégrer les énergies renouvelables et contribuer à la décarbonisation du système.
• peuvent utiliser la chaleur perdue.
• fournir un potentiel de réponse à la demande et aider à stabiliser le réseau électrique.
• fournir des emplois locaux et conserver le savoir-faire en matière de R&D
• utiliser l'énergie locale et réduire la dépendance à l'égard des importations.

La technologie des pompes à chaleur est largement acceptée comme une solution réalisable dans le secteur résidentiel où elles utilisent principalement des énergies renouvelables provenant de l'air, de l'eau et du sol pour fournir du chauffage et de l'eau chaude. La possibilité de valoriser les flux de chaleur résiduelle en améliorant leur température et donc de les utiliser pour couvrir les demandes de chaleur des utilisateurs situés à proximité est beaucoup moins connue. Cela s'applique partout où le refroidissement et le chauffage sont nécessaires simultanément, par exemple dans de nombreux processus industriels des industries alimentaire, papetière ou chimique.[1]

La technologie des pompes à chaleur peut augmenter ou diminuer le niveau d'énergie de ces sources jusqu'au niveau souhaité d'une autre application, reliant ainsi les différentes boucles d'énergie en une cascade qui peut éventuellement être refermée. Alors que le marché des pompes à chaleur résidentielles est dominé par les pompes à chaleur électriques à compression, diverses technologies de pompes à chaleur sont utilisées dans des applications industrielles et commerciales (voir fig. 1).

Figure 1 : Classification des technologies de pompes à chaleur. Source : Wolf/Nellissen 2015 [1]

Avec la technologie actuellement disponible, les pompes à chaleur peuvent fournir de la chaleur à des niveaux de température allant jusqu'à 100°C avec un écart entre la température de la source et celle du puits d'environ 50 K par étage. Il est important de le noter, car les installations de pompes à chaleur à deux étages peuvent couvrir un écart plus important.

L'utilisation de pompes à chaleur pour des applications dont la demande de chaleur est supérieure à 100°C reste un défi. Bien que les principes de base de ces pompes à chaleur soient connus et qu'il existe des prototypes pour ces niveaux de température, ils ne sont pas encore disponibles dans des produits standard. Le niveau actuel des projets de recherche et de développement ainsi que l'intérêt accru de nouveaux acteurs pour s'engager dans le segment des grandes pompes à chaleur laissent place à l'optimisme. Dans les années à venir, un certain nombre de nouveaux produits sont attendus sur le marché.

En l'absence de solutions existantes pour les applications de pompes à chaleur pour des niveaux de température supérieurs à 150°C , ce segment n'a pas été inclus dans l'évaluation actuelle du potentiel. Dans cette optique, les données disponibles d'Eurostat ont été évaluées afin de déterminer le potentiel d'application des pompes à chaleur dans ces secteurs industriels :

1. Fer et acier/métaux non ferreux
2. Chimie et pétrole
3. Minéraux non métalliques
4. Papier, pâte à papier et imprimerie
5. machines pour l'industrie alimentaire et du tabac
6. Le bois et les produits du bois
7. Matériel de transport
8. Textile et cuir
9. Autres

Les données de 2012 pour l'UE-28 révèlent que l'industrie utilise 3200 TWh d'énergie finale et une demande de chaleur d'environ 2000 TWh. La figure 2 montre la répartition de cette demande de chaleur par secteur analysé et par plage de température couverte.

Figure 2 : Distinction de la demande de chaleur dans l'industrie par secteur et par plage de température. [1]

Cette évaluation révèle un potentiel pratiquement réalisable pour les pompes à chaleur dans la plage de température allant jusqu'à 100°C de 68 TWh, principalement dans les industries chimique, papetière, alimentaire/tabac et du bois (voir les barres ombrées en bleu dans la fig. 2). En ajoutant les secteurs de l'eau chaude et du chauffage des locaux, on obtient 74 TWh supplémentaires (voir les barres ombrées en orange dans la fig. 2). Avec le progrès technique, un potentiel supplémentaire de 32 TWh dans la plage de température de 100 à 150°C peut être rendu accessible (voir la barre bleue la plus foncée dans la fig.2). Au total, 174 TWh, soit 8,7 % de la demande totale de chaleur dans l'industrie, peuvent être fournis par des pompes à chaleur.

Les plages de température plus élevées indiquées en gris dans le graphique ci-dessus restent inaccessibles pour la technologie des pompes à chaleur.

Le résultat de cette évaluation montre le potentiel réaliste des applications de pompes à chaleur. Une analyse plus fine , basée sur un modèle, réalisée par Wolf et Blesl, conclut que le potentiel technique de l'utilisation des pompes à chaleur dans l'industrie des 28 États membres de l'UE est de 1717 PJ (477 TWh), dont seulement 270 (75 TWh) ou 15 % sont accessibles si l'on tient compte des considérations économiques et pratiques. Ainsi, l'approche basée sur le modèle conduit à un potentiel technique plus important, mais à un potentiel économique beaucoup plus faible.

Les principaux facteurs qui influencent la perspective économique du fonctionnement des pompes à chaleur sont

• Coût des combustibles fossiles
• Coût de l'électricité
• Taux d'intérêt
• Efficacité du système de pompe à chaleur
• Disponibilité simultanée de l'offre et de la demande de chaleur, demande simultanée de chauffage et de refroidissement
• Différences de coûts d'investissement.

Les économies de coûts d'exploitation liées à l'utilisation de la pompe à chaleur sont possibles, si le coût relatif des combustibles fossiles et de l'électricité est inférieur au rendement du système de pompe à chaleur. Avec un prix de l'énergie plutôt faussé, cela est de plus en plus difficile, car de nombreux gouvernements récupèrent le coût de l'écologisation du système électrique via le coût de l'électricité lui-même. En même temps, le prix des combustibles fossiles ne reflète pas l'impact négatif de leur utilisation sur l'environnement. Ainsi, le coût relatif de la fourniture de chaleur penche en faveur des combustibles fossiles.

Figure 3 : Potentiel de la pompe à chaleur industrielle dans l'UE-28 [2]

Comme il existe une relation directe entre la réduction de la demande d'énergie et les émissions de CO2, l'extension du potentiel économique de réduction de la demande permettra également de réduire les émissions de CO2 du secteur industriel. L'étude conclut à un potentiel total de réduction des émissions de CO2 de 86,2 Mt, dont 21,5 Mt (25 %) sont économiquement viables.

Obstacles, défis et opportunités

Les principaux obstacles limitant l'utilisation de la pompe à chaleur dans l'industrie sont les suivants :

• Des exigences extrêmes en matière de retour sur investissement, souvent pas plus de 2 ans, sont acceptées. La situation est encore compliquée par le prix relativement bas de l'énergie fossile.
• L'aversion au risque, en particulier par rapport aux pompes à chaleur qui ne sont pas fiables, mais qui sont perçues comme une nouvelle technologie non éprouvée.
• La disponibilité limitée ou inexistante d'exemples de meilleures pratiques susceptibles de susciter la confiance dans les nouvelles solutions.
• Obstacles structurels dans l'industrie

o

Coût de transaction élevé pour la conversion des procédés, car de nombreux anciens procédés sont basés sur la vapeur

o

Nécessité d'intégrer les compétences et les responsabilités pour réaliser une perspective systémique afin d'optimiser énergétiquement les processus industriels et les applications commerciales

Le potentiel d'économie d'énergie et de réduction des émissions de CO2 des pompes à chaleur dans les applications industrielles est encore largement inutilisé. La création de conditions cadres politiques plus favorables permettra d'inverser cette tendance. Ces conditions sont les suivantes

• Ajouter un signal de prix à l'utilisation des combustibles fossiles
• Réduire la charge fiscale et les prélèvements sur une électricité de plus en plus propre
• Offrir des taux d'intérêt bas et des garanties de prêts aux investissements dans l'efficacité énergétique utilisant des technologies à faible émission de carbone telles que les pompes à chaleur
• Accroître la recherche et le développement de solutions standardisées de pompes à chaleur pour les secteurs industriels identifiés
• Fournir davantage d'exemples de meilleures pratiques.

Un effort conjoint est nécessaire de la part des décideurs politiques et de l'industrie pour développer le potentiel technique et économique des applications des pompes à chaleur dans l'industrie. Il faut à la fois tirer sur la même corde (et dans la même direction) pour libérer pleinement le potentiel.

Auteur : Thimas Nowak, EHPA

L'auteur remercie Stefan Wolf, Université de Stuttgart et les membres du groupe ICHP de l'EHPA pour leur contribution.

Sources :

1] Nellissen, P. ; Wolf, S. : Les pompes à chaleur dans les applications non domestiques en Europe : Potentiel d'une révolution énergétique. Présentation donnée lors du 8e Forum européen des pompes à chaleur de l'EHPA, 29.5.2015, Bruxelles, Belgique .

2] Wolf, S. ; Blesl, M. : Model-based quantification of the contribution of industrial heat pumps to the European climate change mitigation strategy. En : 2016 : Actes de la conférence sur l'efficacité industrielle de l'ECEEE 2016. Berlin, 12-14.09.2016. Stockholm, 2016

Note sur l'Association européenne des pompes à chaleur (EHPA) aisbl :

L'EHPA est une association industrielle basée à Bruxelles qui vise à promouvoir la sensibilisation et le bon déploiement de la technologie des pompes à chaleur sur le marché européen pour les applications résidentielles, commerciales et industrielles. L'EHPA apporte une contribution technique et économique aux autorités européennes, nationales et locales en matière de législation, de réglementation et d'efficacité énergétique. L'EHPA a récemment mis en place un groupe de travail sur les pompes à chaleur industrielles et commerciales (ICHP) afin d'accroître la reconnaissance de ce domaine d'application et de son potentiel de contribution aux objectifs de l'UE en matière de climat et d'énergie.