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May 26, 2023

Dans la transition énergétique propre de l'Europe, l'industrie se tourne vers les pompes à chaleur

Avec la flambée des prix du gaz due à la guerre en Ukraine et les efforts de l'UE pour réduire

Avec la flambée des prix du gaz due à la guerre en Ukraine et les efforts de l'UE pour réduire les émissions, les industries européennes se tournent de plus en plus vers les pompes à chaleur à haute température et à haut rendement. Conjuguée à l'essor des usages résidentiels, l'UE espère désormais une révolution des pompes à chaleur.

Par Paul Hockenos

1 février 2023

Une pompe à chaleur industrielle à la confiserie Mars à Veghel, aux Pays-Bas. GEA

La briqueterie Wienerberger à Uttendorf, en Autriche, dans les Alpes tyroliennes, a toujours eu besoin d'un flux constant de chaleur à 194 degrés Fahrenheit pour sécher ses blocs de construction. Ce processus aurait été une proposition coûteuse pour l'entreprise après que la Russie ait réduit ses exportations de gaz vers l'Europe, comme c'était le cas pour la plupart de l'industrie européenne de la construction à forte intensité énergétique. Mais il y a quatre ans, Wienerberger - le plus grand producteur de briques au monde - a fait un investissement dans l'avenir qui porte ses fruits : il a remplacé la chaudière à gaz d'Uttendorf par une pompe à chaleur à l'échelle industrielle, ce qui réduit la facture énergétique de l'usine d'environ 456 000 $ par an.

Pendant des décennies, les pompes à chaleur électriques ont été utilisées dans les maisons et autres bâtiments européens pour le chauffage et la climatisation, mais elles n'ont jamais gagné beaucoup de terrain dans le secteur manufacturier, qui a des besoins énergétiques beaucoup plus élevés pour produire de l'eau chaude et de la vapeur. Et parce que les combustibles fossiles ont longtemps été relativement bon marché, les industries n'étaient guère incitées à remplacer les systèmes fonctionnant au gaz et au pétrole par des équipements plus écologiques. Aujourd'hui, avec le développement de pompes à chaleur capables de fournir des températures allant jusqu'à 320F à une fraction du prix des chaudières à gaz, et avec la montée en flèche des prix du gaz en raison de la guerre en Ukraine, ce calcul est bouleversé. De nombreuses entreprises européennes repensent leurs sources d'énergie tout en réduisant leurs émissions de gaz à effet de serre, une exigence de l'UE. L'industrie européenne est responsable de plus d'un quart des gaz à effet de serre du bloc.

Pour atteindre ses nobles objectifs énergétiques et rompre sa dépendance au gaz russe, l'UE ne compte rien de moins qu'une révolution des pompes à chaleur. Dans de nombreux pays, les ventes de pompes à chaleur - principalement à usage résidentiel - ont doublé au premier semestre 2022. En Allemagne, le plus grand consommateur européen de gaz russe, la demande a bondi de 52% l'année dernière, tandis que la croissance dans l'UE en 2021 était de 35%. Pendant ce temps, une transition un peu moins annoncée vers les pompes à chaleur pour la fabrication s'accélère. Wienerberger, par exemple, installe des pompes similaires dans ses fonderies de briques aux Pays-Bas, au Royaume-Uni, en Pologne, en Roumanie et ailleurs en Autriche.

"Il y a cinq ans, la plupart des entreprises ne connaissaient presque rien aux pompes à chaleur", explique Veronika Wilk, ingénieure de recherche senior à l'Institut autrichien de technologie. "Désormais, les entreprises en sont conscientes, et de plus en plus de pompes à chaleur sont installées dans l'industrie."

Une pompe à chaleur à compression peut à la fois réchauffer et refroidir l'air. En hiver, il augmente les températures intérieures en éliminant la chaleur de l'eau, des profondeurs de la terre ou de l'air extérieur, puis augmente sa température en utilisant une petite quantité d'électricité et déplace cet air à l'intérieur. Même l'air aussi froid que 10F contient suffisamment d'énergie pour qu'une pompe à chaleur puisse extraire et augmenter sa température. En été, les pompes à chaleur électriques abaissent les températures intérieures en éliminant la chaleur de l'air intérieur et en la déviant vers l'extérieur. Les pompes à chaleur à absorption ne fonctionnent pas avec de l'électricité mais avec une source de chaleur, qui peut être du gaz naturel, mais aussi de l'eau chauffée par le soleil ou même de la chaleur perdue provenant de centres de données ou d'égouts. Ils amènent cette chaleur à une température "utile", puis la restituent sous forme d'air chaud ou d'eau chaude.

Les pompes à chaleur utilisent l'électricité pour comprimer un réfrigérant, augmentant ainsi sa température.

Selon la manière dont la chaleur se déplace - à l'intérieur ou à l'extérieur - les pistons de la pompe à chaleur compriment ou dilatent un fluide, le faisant chauffer ou refroidir, respectivement. Étant donné que les pompes à chaleur ne font que déplacer des fluides, elles peuvent être plus de deux fois plus écoénergétiques que les appareils de chauffage qui brûlent du carburant.

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les pompes à chaleur sont trois à cinq fois plus efficaces que le gaz. Et s'ils fonctionnent à l'énergie solaire, éolienne, hydraulique ou de chaleur perdue, ils n'émettent aucune émission.

Contrairement aux pompes à chaleur résidentielles, dont les composants extérieurs ont à peu près la taille d'une machine à laver, les versions industrielles - aussi grandes qu'une maison - peuvent tirer parti de "l'énergie de traitement" gaspillée des usines pour augmenter la température de l'eau à plus de 374F. Dans les usines Wienerberger, par exemple, les séchoirs à briques consomment d'énormes quantités d'énergie, la chambre de séchage dégageant principalement de la vapeur d'eau. Celle-ci est condensée en eau chaude. Les pompes à chaleur augmentent ensuite sa température d'environ 104 F à environ 194 F et la renvoient au processus de séchage. Étant donné que la source d'alimentation de la pompe à chaleur est la chaleur résiduelle elle-même, cette séquence consomme près de 80 % d'énergie en moins que lorsque l'usine fonctionnait au gaz.

"Le système est une boucle fermée", explique Johannes Rath, directeur de la technologie de Wienerberger. "Parce que nous commençons avec des températures plus élevées, nous obtenons des températures plus élevées" que celles produites par les pompes résidentielles.

Les pompes à chaleur prototypes fabriquées en Norvège fonctionnent déjà à environ 356F, et les experts s'attendent à ce que les ingénieurs d'ici une décennie conçoivent une technologie qui atteint des températures supérieures à 392F. Cette avancée ouvrirait toujours plus de processus dans les secteurs de la chimie, du papier, de l'alimentation et de la raffinerie à forte intensité énergétique à la technologie des pompes à chaleur.

Ces types de pompes à chaleur à usage intensif sont utilisés dans les hôtels, les restaurants, les confiseries, les entrepôts, les piscines, les serres, la fabrication de produits chimiques et le séchage de matériaux tels que le papier et l'amidon. Les pompes à chaleur à absorption sont particulièrement adaptées aux installations qui utilisent à la fois le chauffage et le refroidissement.

L'entreprise finlandaise Kiilto, par exemple, fabrique des produits chimiques, tels que des colles, pour le secteur de la construction. Son usine de Lempäälä utilise une pompe à chaleur industrielle hybride pour récupérer la chaleur des processus de refroidissement électrique sur site, ainsi que d'une source géothermique à proximité, pour élever les températures jusqu'à 167 F.

À la confiserie Mars Wrigley aux Pays-Bas, la plus grande usine de chocolat au monde, la pompe à chaleur extrait et augmente la chaleur d'échappement autrement inutilisable de ses unités de réfrigération, produisant de l'eau aussi chaude que 145F. L'eau est acheminée par le réseau de canalisations de l'usine pour maintenir au chaud le chocolat et le sirop. La technologie a réduit la facture énergétique de l'usine de 6 % et a permis à l'usine d'économiser environ 26 térajoules de gaz, soit l'équivalent de la quantité d'énergie consommée par 625 foyers européens. Une deuxième pompe à chaleur chauffe l'eau pour le nettoyage à 176F, offrant une économie supplémentaire de 12,25 térajoules.

L'eau est une autre source de chaleur viable. Inntal Nursery (allemand) en Bavière, en Allemagne, utilise les eaux souterraines des puits près de la rivière Inn et une seule pompe à chaleur eau-air de la taille d'un réservoir Sherman pour chauffer 30 000 mètres carrés de serres toute l'année. L'eau est aspirée dans la pompe à chaleur, portée à 95F, envoyée dans le système de chauffage par le sol, puis refroidie et renvoyée à la rivière.

Un récent converti est le géant allemand de la chimie BASF, qui a engagé MAN, une société d'ingénierie allemande connue pour ses camions et ses bus, pour construire la plus grande pompe à chaleur du monde sur le site de BASF à Ludwigshafen, dans l'ouest de l'Allemagne. Le système, de la taille d'une centrale électrique conventionnelle, exploitera la chaleur résiduelle des processus de refroidissement pour produire 150 tonnes de vapeur par heure, empêchant ainsi environ 390 000 tonnes de dioxyde de carbone par an d'atteindre l'atmosphère.

Outre les avantages d'une exploitation plus efficace, les entreprises ayant des procédés à faible émission de carbone peuvent également réduire le coût de leurs émissions de CO2, pour lesquelles elles sont facturées à la tonne via le système d'échange de quotas d'émission de l'Union européenne. À environ 92 $ la tonne métrique de dioxyde de carbone – le prix de décembre – les économies sont importantes.

L'UE considère la construction de pompes à chaleur, tant pour les bâtiments industriels que non industriels, comme cruciale pour son objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre d'au moins 55 % avant 2030. Son initiative REPowerEU vise à accélérer le remplacement d'au moins un tiers des 150 millions de chaudières thermiques utilisées par des pompes à chaleur. Un nombre croissant de pompes à chaleur à grande échelle fourniront de la vapeur ou de l'eau chaude aux réseaux de chauffage urbain, comme c'est le cas en Norvège, en Suède et au Danemark. La rédaction de codes de construction respectueux du climat, l'utilisation de matériaux recyclés dans la construction de bâtiments, l'installation d'une isolation de pointe et l'intensification de la conservation de l'énergie pourraient encore stimuler les économies d'énergie.

Le groupe de réflexion allemand Agora Energiewende estime qu'une conversion généralisée aux pompes à chaleur résidentielles et industrielles, combinée à des mesures d'efficacité, pourrait réduire la consommation de gaz naturel de l'UE de 32 % en cinq ans. Avec l'augmentation de l'approvisionnement en gaz naturel liquide, cela pourrait complètement éliminer le besoin de gaz russe de l'Europe. Et comme les progrès de la technologie à l'échelle industrielle permettent aux pompes à chaleur d'atteindre des températures de 932F dans un avenir proche, le groupe de réflexion prédit que l'électricité pourrait supplanter le gaz encore plus largement.

Taux de croissance des ventes de pompes à chaleur 2020-2021 dans plusieurs pays.

Dans un article récemment publié, l'Agence internationale de l'énergie estime que l'UE pourrait réduire de 65 milliards de dollars ses importations de gaz si le bloc dans son ensemble passait aux pompes à chaleur - à usage domestique, commercial et industriel. Il soutient que d'ici 2050, les pompes à chaleur répondront à la plupart des besoins mondiaux de chauffage et de refroidissement.

Les incitations et subventions européennes et nationales devraient accélérer la transition de l'industrie européenne. Wienerberger, le briquetier, par exemple, prévoit de payer entre 2,72 et 3,26 millions de dollars chacun pour de nouveaux systèmes de pompes à compression à travers l'Europe, dont les subventions couvriront 20 à 40 % des coûts. Ils fonctionneront à l'électricité produite par des panneaux solaires.

Quant aux États-Unis, qui dépendent largement des combustibles fossiles pour le chauffage, un rapport montre que l'expansion des pompes à chaleur domestiques dans les maisons unifamiliales pourrait réduire les émissions de 142 millions de tonnes métriques par an, réduisant les émissions du secteur de l'énergie de 14 %. Pour les propriétaires américains, une pompe à chaleur à air standard coûte entre 3 500 $ et 7 500 $ environ. La loi sur la réduction de l'inflation du président Joe Biden prévoit des subventions et des crédits d'impôt pouvant aller jusqu'à 30 % du prix d'une pompe à chaleur domestique (ou plus pour les ménages à revenu faible ou moyen). La loi autorise également des incitations pour les installations industrielles. Mais pour beaucoup aux États-Unis, les coûts d'investissement restent un obstacle majeur, même avec les subventions.

En Europe, cependant, l'enthousiasme pour cette technologie - dans les maisons, les bâtiments commerciaux et l'industrie - est manifeste. Dans la plupart des endroits, il faut attendre un an pour installer une pompe à chaleur.

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