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Nov 27, 2023

Remplacer les chaudières à gaz par des pompes à chaleur est le moyen le plus rapide de réduire la consommation de gaz en Allemagne

Communications Terre & Environnement

Communications Terre & Environnement volume 4, Numéro d'article : 56 (2023) Citer cet article

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La sécurité d'approvisionnement en gaz fossile a été perturbée par la guerre russo-ukrainienne. Les décisions de relocalisation de la production et du transport du gaz sont devenues si urgentes que de nouveaux contrats à long terme sont imminents, qui sapent l'accord de Paris sur le climat. Ici, nous simulons la rapidité avec laquelle l'ajout d'électricité renouvelable et l'installation de pompes à chaleur peuvent remplacer suffisamment de gaz pour réduire le risque d'approvisionnement, tout en franchissant une étape décisive vers le respect de l'Accord de Paris. Notre modélisation ascendante, utilisant l'exemple de l'Allemagne, montre des voies techniques sur la façon dont l'installation de pompes à chaleur est l'un des moyens les plus rapides de réduire la consommation de gaz, en plus de réduire les heures de charge des centrales électriques au gaz. Avec des efforts ciblés, jusqu'à 60 % du gaz de la Fédération de Russie peuvent être remplacés d'ici 2025 par des pompes à chaleur et des extensions de réseau, et suffisamment d'électricité restera disponible pour que l'élimination du charbon et l'entrée dans la mobilité électrique soient toujours réalisables.

Pour éviter une augmentation de la température moyenne mondiale au-delà de 1,5 °C au-dessus des niveaux préindustriels, une défossilisation rapide des systèmes énergétiques mondiaux est nécessaire1. La voie acceptée pour y parvenir de manière rentable2 dans le secteur de l'électricité est un remplacement rapide des combustibles fossiles par principalement le photovoltaïque (PV), l'énergie éolienne et un équilibrage supplémentaire à partir de diverses sources renouvelables3. Un autre secteur énergétique qui génère des émissions de gaz à effet de serre est le chauffage4. La réduction des émissions liées au chauffage peut devoir être obtenue par divers moyens simultanément, y compris l'isolation thermique des bâtiments, le solaire thermique et le remplacement des chaudières à gaz et à mazout par des pompes à chaleur5,6 alimentées par de l'électricité renouvelable, qui sont considérées comme un élément majeur de la défossilisation du système énergétique3,7,8. Le comportement conscient des consommateurs9, les réseaux de chauffage urbain basés sur l'utilisation de la chaleur résiduelle industrielle, l'énergie solaire thermique et géothermique ainsi que diverses technologies de stockage10 sont également importants pour une utilisation efficace de la chaleur. L'expansion du bois, des granulés et d'autres biomasses pour le chauffage est limitée et souvent non durable11. Il est largement admis que l'hydrogène renouvelable ne convient pas au chauffage domestique car il devrait être fourni à la moitié du prix de l'électricité (mais il faut environ trois fois plus d'électricité pour produire une quantité équivalente d'hydrogène) et le coût total du système serait environ deux fois plus élevé que pour les pompes à chaleur12,13. Avec toute cette diversité, la production de chaleur s'est vue attribuer une plus grande variété de trajectoires de développement dans les modèles d'évaluation intégrés4 que pour l'électricité.

La sécurité d'approvisionnement en gaz fossile a été soudainement perturbée par la récente guerre russo-ukrainienne. Les décisions de relocalisation tant de la production que de la logistique sont devenues tellement urgentes que de nouveaux contrats à long terme menacent de remettre en cause l'Accord de Paris sur le climat14. Dans cet article, nous développons une voie qui réduit le risque d'approvisionnement tout en franchissant une étape décisive vers le respect de l'Accord de Paris. Nous supposons que l'un des moyens les plus rapides consiste à installer des pompes à chaleur, car elles nécessitent peu de procédures de planification et d'approbation et sont modulaires, similaires au PV. Cependant, les pompes à chaleur sont en concurrence pour la même énergie électrique renouvelable que le remplacement de la production d'électricité au gaz. De plus, certains jours d'hiver où l'énergie solaire et éolienne sont insuffisantes, l'électricité des pompes à chaleur doit être fournie par des centrales électriques au gaz. Par conséquent, on ne sait pas quelle quantité de gaz peut être remplacée de cette manière, en particulier si l'isolation des bâtiments est modeste où les pompes à chaleur peuvent fonctionner de manière inefficace. Nous modélisons donc la consommation de gaz dans le parc immobilier, dans l'industrie ainsi que la production d'électricité en Allemagne en résolution horaire. La priorité est donnée au remplacement maximal du gaz fossile par de l'électricité renouvelable. Nous utilisons l'Allemagne comme étude de cas car l'accès aux données requises est largement disponible et le chauffage est principalement basé sur le gaz naturel (50%) et le mazout (25%)15. Cependant, notre méthodologie et nos résultats sont largement applicables à d'autres pays tempérés.

Nous explorons les goulots d'étranglement dans l'installation de pompes à chaleur en Allemagne de bas en haut en recueillant des récits d'artisans, équilibrés par une interview d'experts. A partir de là, nous élaborons des scénarios concrets pour accélérer l'installation des pompes à chaleur. Enfin, en intégrant ces contraintes dans nos scénarios pour notre modèle horaire, nous calculons la substitution du gaz fossile par l'électricité renouvelable dans les années à venir et l'impact associé sur la transition énergétique.

En 2020, un total de 285 TWh de gaz a été prélevé pour le chauffage et la cuisson des locaux dans les ménages privés en Allemagne16, que nous divisons en 273 TWh pour le chauffage des locaux et 12 TWh pour la cuisson, sur la base de valeurs empiriques statistiques.

Les plus grands consommateurs de gaz industriels17 en Allemagne sont les industries chimique, papetière et agro-alimentaire. Nous tenons à souligner que nous ne considérons que la chaleur au gaz en dessous de 100 °C, car elle peut être remplacée plus rapidement par des pompes à chaleur. Nous arrivons aux volumes de gaz annuels suivants en 2020 : industrie chimique 116,9 TWh, agro-alimentaire 38,6 TWh et industrie papetière 25,4 TWh (pour plus de détails, voir la partie méthode et la note complémentaire 1). Ces quantités comprennent environ les trois quarts de la chaleur industrielle inférieure à 100 °C18. Nous ne modélisons pas le secteur du commerce et des services car il est trop diversifié, même si des pompes à chaleur supplémentaires seront sûrement installées dans ces secteurs également.

Nous quantifions la variation de la consommation de gaz au cours de l'année par des profils de charge en fonction de la température moyenne journalière, individuellement pour chaque secteur industriel et pour le chauffage des locaux19,20. Une distinction est faite entre les jours ouvrables et les jours de week-end. Afin de bien prendre en compte la forte volatilité de la demande de chaleur mais aussi de la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables, des courbes de charge horaires sont extraites pour l'industrie à partir de réfs. 19,21, selon les saisons, et pour les pompes à chaleur à partir de la réf. 22, en fonction de la température extérieure moyenne quotidienne. Les données de la pompe à chaleur sont basées sur environ 600 ménages et tiennent compte de la formation de givre et du dégivrage à la pompe à chaleur. Voir la note complémentaire 2 pour plus d'informations.

Le point de départ de la modélisation de l'ensemble du réseau électrique public en Allemagne est constitué par les données de production horaire de toutes les centrales électriques, parcs éoliens et PV décentralisés, ainsi que les capacités de stockage pour l'année de référence 202023. Pour modéliser la production d'électricité dans le futur proche, nous incluons des ajouts à l'éolien terrestre et offshore et au PV conformément aux plans du ministère fédéral de l'Économie et de la Protection du climat24 (indiqués dans la note complémentaire 3). L'avantage de cette approche de modélisation est que tous les détails de l'ensemble du système sont inclus, ainsi que les données climatiques dans toute l'Allemagne. Les trois principales approximations et limitations associées sont discutées dans la section Méthode, par exemple que nous supposons des expansions de grille suffisantes.

Une question cruciale est de savoir si davantage de gaz peut être remplacé en installant des pompes à chaleur au lieu de continuer à chauffer au gaz et d'utiliser l'électricité renouvelable supplémentaire pour réduire les heures de charge des centrales électriques au gaz existantes. Cela dépend du coefficient de performance atteignable (COP) des pompes à chaleur, qui est la chaleur générée divisée par la puissance électrique requise25,26, et doit être comparé à l'efficacité des centrales électriques au gaz.

En Allemagne, les turbines à gaz à cycle combiné (CCGT) fournissent l'essentiel de l'électricité à base de gaz. Leur rendement annuel moyen en 2020 est le rapport entre leur production d'électricité, qui était de 95,0 TWh, et le gaz consommé, qui était de 171,4 TWh27, soit 55 %. Pour tenir compte des pertes de réseau, nous abaissons cette valeur à 50 %.

Pour la chaleur de process en industrie, on utilise un COP de 2 pour les pompes à chaleur industrielles, ce qui tient compte de la nécessité d'atteindre des températures assez élevées (associées à des valeurs de COP faibles), notamment pour le séchage, mais aussi du fait que la température de la source peut souvent être assez élevée du fait de l'utilisation de la chaleur résiduelle (permettant des valeurs de COP élevées)28.

Pour le chauffage des locaux résidentiels, nous trouvons un COP annuel moyen des pompes à chaleur trop approximatif, car les bâtiments moins isolés nécessitent des températures de chauffage plus élevées et produisent donc des valeurs de COP plus faibles. Nous modélisons donc le COP avec une résolution horaire et décliné en classes énergétiques des bâtiments qui reflètent l'état d'isolation29. Un paramètre commun pour quantifier l'isolation des bâtiments est la chaleur ambiante spécifique, qui est la chaleur annuelle utilisée par mètre carré de pièces chauffées. Nous avons recueilli des données à partir de la réf. 30 et les a consolidés, comme décrit dans la note complémentaire 4. La figure 1 montre la quantité de chaleur consommée en Allemagne dans chaque segment (classe énergétique), en distinguant les maisons individuelles des immeubles à appartements.

Les montants sont par an, dans les maisons individuelles et les immeubles d'habitation, respectivement, distingués dans les classes d'efficacité énergétique (isolation des bâtiments) de A à H31, exprimées en énergie de chauffage spécifique, à partir d'une compilation de données30. Les données sont répertoriées dans le tableau supplémentaire S3.

Le prochain paramètre d'entrée important pour notre modèle est la température de l'eau que la pompe à chaleur doit injecter dans le circuit de chauffage pour assurer un confort thermique adéquat. Outre l'isolation du bâtiment, cela dépend également de la conception du circuit de chauffage. Les systèmes de chauffage au sol ou à panneaux nécessitent les températures les plus basses et permettent les valeurs de COP les plus élevées, tandis que les radiateurs nécessitent des températures plus élevées et conduisent à des valeurs de COP plus basses. Nous nous appuyons sur un ensemble de données de centaines de bâtiments en Allemagne31. Avec une diffusion rapide des pompes à chaleur, on ne peut pas s'attendre à ce que le chauffage au sol ou à panneaux soit installé. Par conséquent, il est important de noter que nous ne considérons que les bâtiments de cet ensemble de données31 où les radiateurs sont encore utilisés malgré la pompe à chaleur. La figure 2 montre des exemples de température d'approvisionnement en eau en fonction de la température de prise d'eau extérieure dans de tels bâtiments (lignes fines), ainsi que notre ajustement linéaire conservateur pour le modèle (lignes en gras). Nous supposons que les bâtiments de la classe énergétique H ne seront pas équipés de pompes à chaleur sans amélioration préalable de l'isolation.

Traits fins : Mesure de la température d'alimentation d'eau du circuit de chauffage en fonction de la température extérieure d'admission de la pompe à chaleur31. Seuls les circuits avec radiateurs sont pris en compte. La température d'alimentation varie entre les bâtiments ayant l'efficacité énergétique indiquée (isolation du bâtiment) de A à G, qui est indiquée comme la plage de l'énergie de chauffage spécifique. Lignes en gras : notre ajustement linéaire pour le modèle. Pour les bourgeons mal isolés, il est prudent de considérer des circuits de chauffage peu performants. Les données sont répertoriées dans le tableau supplémentaire S4.

Les différences au sein des classes énergétiques individuelles résultent principalement des différentes tailles des radiateurs. Nous soulignons que dans de nombreux cas, l'augmentation stratégique de la taille d'un ou deux petits radiateurs réduit déjà considérablement la température de départ requise32 et, par conséquent, l'installation de pompes à chaleur ne doit souvent pas s'accompagner de travaux importants sur le circuit de chauffage. Ce constat systématique31 va à l'encontre des idées reçues de l'époque pionnière des pompes à chaleur. Néanmoins, pour rester conservateurs, nous ajoutons 10 °C à nos ajustements dans les classes d'énergie supérieures (voir la note complémentaire 5).

Enfin, nous prenons le COP d'une fiche technique d'une pompe à chaleur air/eau couramment vendue33 en fonction de la différence de température à laquelle une pompe à chaleur doit fonctionner, voir Fig. 3. Là encore, nous faisons une estimation prudente, avec le polynôme quadratique34. Nous considérons uniquement le COP des pompes à chaleur air/eau pour rester prudent et faciliter une installation rapide. Il existe des alternatives, telles que les pompes à chaleur air-air et eau-eau, qui ont des valeurs de COP encore plus élevées. Pour une analyse de sensibilité aux valeurs COP inférieures, voir la note complémentaire 6.

Le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur air/eau largement vendue pour différentes températures d'alimentation en eau du circuit de chauffage, en fonction de la différence de température à laquelle la pompe à chaleur fonctionne (c'est-à-dire la température d'alimentation en eau moins la température de l'air d'admission extérieur)33. Ligne en gras : notre estimation prudente avec un polynôme quadratique34, donnée dans la note complémentaire 6.

Pour l'eau chaude, nous supposons un COP moyen de 2,5, car les thermoplongeurs ou les chauffe-eau instantanés peuvent être utilisés pour le chauffage de l'eau ou pour chauffer l'eau des pompes à chaleur à des températures plus élevées.

Nous sommes conscients que l'installation de pompes à chaleur peut être limitée par les circonstances qui prévalent dans les entreprises de plomberie et de chauffage. En Allemagne, il existe actuellement environ 50 000 entreprises de plomberie/chauffage/climatisation avec environ 380 000 employés qui installent environ 1 million d'appareils de chauffage par an35. En moyenne, cela représente 7,6 employés par entreprise et seulement environ 3 unités de chauffage par employé et par an. De nombreuses entreprises préfèrent travailler dans le secteur sanitaire (par exemple, rénovation de salles de bains ou construction de nouveaux bâtiments). Sur l'ensemble des 50 000 entreprises, seules 10 à 20 % installent régulièrement des pompes à chaleur35 et bénéficient de la formation complémentaire nécessaire35.

Nous avons donc décidé de construire nos scénarios de manière ascendante en menant des entretiens qualitatifs semi-directifs avec certains propriétaires de telles entreprises. Ces entretiens d'experts n'ont aucune prétention à être représentatifs. Néanmoins, nous voulons reproduire des déclarations clés sélectionnées (transcription de mémoire) de propriétaires de deux entreprises tout à fait typiques. Les deux entreprises sont de taille moyenne, familiales et actives depuis plus de quatre décennies dans la région métropolitaine Rhin-Main. Ils donnent un aperçu important des points de vue des praticiens.

Énoncés clés du propriétaire (A), dont l'entreprise n'installe pas de pompes à chaleur :

A1). Le chauffage (quel que soit le type de chauffage) n'est actuellement attractif pour les plombiers que s'il y a trop peu de commandes dans le secteur sanitaire.

A2). Il y a trop peu d'employés. Le marché du travail est vide, les apprentis sont difficiles à trouver.

A3). L'offre de formation sur les pompes à chaleur est trop faible et la qualité de la formation est souvent médiocre.

A4). Les pompes à chaleur ne sont pas techniquement matures, elles causent souvent des problèmes, quel que soit le fabricant.

A5). Un problème sous-estimé avec l'installation d'une pompe à chaleur est que l'alimentation en eau chaude est souvent connectée au système de chauffage.

Le propriétaire (B) réalise environ 10 % de son chiffre d'affaires grâce à l'installation de pompes à chaleur, et la tendance augmente lentement depuis des années. La moitié des employés sont qualifiés pour installer des pompes à chaleur. Les principales déclarations du propriétaire (B) sont :

B1). Le manque de travailleurs qualifiés comme principal problème.

B2). Les formations proposées sont ennuyeuses et éloignées de la pratique.

B3). Les choses ne pourraient bouger rapidement que si des pompes à chaleur avec une température de sortie de 70 °C et plus s'établissaient : « Nous pourrions alors accéder aux anciens bâtiments sans efforts ni dépenses interminables. Après tout, les gens vivent dans de vieux bâtiments et les rénovations complètes de vieux bâtiments coûtent trop cher et prennent beaucoup trop de temps.

B4). "Si les politiciens veulent des pompes à chaleur dans les ménages, ils doivent rendre le chauffage au gaz et au mazout très cher, encore plus cher qu'aujourd'hui - mais en même temps, ils doivent plafonner le prix de l'électricité. Ensuite, tout ira bien." [Note : L'entretien a été réalisé après la flambée des prix due à la guerre russo-ukrainienne mais avant que le gouvernement fédéral n'annonce l'interdiction36 des systèmes de chauffage conventionnels utilisant moins de 65 % d'énergies renouvelables, pour début 2024].

B5). Une multiplication des pompes à chaleur d'ici 2030 est illusoire : "On n'y arrivera jamais ; quiconque dit que c'est possible est un 'danseur de rêves'."

Étant donné que ces propriétaires ont un intérêt direct, nous accompagnons ces déclarations d'une interview d'un expert économiquement indépendant37 :

E1) Il y a effectivement un manque de personnel (A2 et B1), mais récemment il y a eu une forte poussée d'opportunités de formation, dont une journée d'exercices pratiques organisée par les fabricants de pompes à chaleur (relativise A3 et B2).

E2) Concernant la rentabilité : Les circonstances ont complètement changé ces derniers mois (contrairement à A1). Ceux qui proposent d'installer des pompes à chaleur ont le choix entre des clients impatients et le temps d'attente est actuellement d'environ 12 mois. Cependant, de nombreux propriétaires d'entreprises semblent encore hésitants.

E3) Concernant la technologie : Les pompes à chaleur sont matures. Les problèmes initiaux ne surviennent que dans quelques cas en raison de réglages incorrects et d'éventuelles incompatibilités avec les réservoirs de stockage combinés. Il y a une opinion obsolète largement répandue depuis l'époque des pionniers dans les années 1980 selon laquelle la technologie est problématique (met les énoncés A4 et A5 en perspective).

E4) Des études systématiques sur 15 ans dans environ 350 bâtiments existants, dont 100 très anciens, ont prouvé à plusieurs reprises31 que les pompes à chaleur ont rarement besoin de fournir plus de 55 °C au circuit de chauffage des radiateurs et pratiquement jamais jusqu'à 70 °C (relativise B3). Dans la minorité des bâtiments anciens, un ou deux radiateurs peuvent devoir être remplacés par des plus gros, mais généralement, le chauffage au gaz existant et les radiateurs sont surdimensionnés.

Ces récits sont utilisés dans ce qui suit pour créer des scénarios.

Le nombre de pompes à chaleur à installer dans les maisons a été déterminé par la réf. 38 pour réf. 35 à 15-17 millions d'unités. C'est moins de 44 millions de foyers, car une seule grosse pompe à chaleur est généralement installée par immeuble, pour des raisons de coût, et les bâtiments sont également raccordés à un réseau de chauffage, qui est en partie alimenté par de grosses pompes à chaleur.

La figure 4 montre la croissance du parc de pompes à chaleur selon la feuille de route de l'Association allemande des pompes à chaleur (BWP), montrant une croissance annuelle d'environ 20 % en bleu foncé35. Il a été développé avant l'augmentation des prix du gaz et avant la guerre russo-ukrainienne. Cependant, les nouvelles technologies qui deviennent courantes arrivent généralement à un point où il est soit économiquement avantageux de passer aux nouveaux appareils, soit il y a une augmentation de l'utilité39. A partir de ce point, une pénétration plus rapide est déclenchée selon une courbe en S40. La guerre et les décisions politiques connexes rendent cela probable.

Le scénario très rapide prend en compte les récits des propriétaires d'entreprises de plomberie et de chauffage, les incitations gouvernementales nécessaires et une offensive de formation pour les professionnels. Les scénarios rapides et accélérés ne surmontent ces facteurs limitants qu'à des degrés moindres. La feuille de route des installateurs de l'Association allemande des pompes à chaleur35 a été élaborée avant le début de la guerre russo-ukrainienne38. Les données sont répertoriées dans le tableau supplémentaire S5.

Au niveau macro, une croissance rapide du nombre d'installations est possible car dans le monde environ 10 millions de pompes à chaleur sont produites chaque année, et rien qu'en Allemagne, des investissements de plus d'un milliard d'euros ont été réalisés cette année pour augmenter la production41. Comme le montrent les récits, le facteur limitant est la situation au niveau micro.

Sur la base des entretiens et des capacités de formation limitées, nous avons fixé le scénario très rapide d'ajouter un maximum de 4 millions de pompes à chaleur par an en Allemagne, ce qui nous paraît faisable pour les raisons suivantes. D'après les récits (A5 et B3), nous supposons une moyenne nationale de 4 à 6 jours-personnes par installation d'une pompe à chaleur42, ce qui est plus long qu'une installation dans un endroit approprié, et donne également le temps d'agrandir un ou deux radiateurs (E4), par exemple, ou de surmonter les difficultés d'intégration de la pompe à chaleur au système d'eau chaude (A5). Même dans une telle année de 4 millions de nouvelles pompes à chaleur, pas plus d'un quart des 380 000 employés à temps plein seront nécessaires pour installer des systèmes de pompes à chaleur. Compte tenu des affirmations (A2, B1 et E1) selon lesquelles le marché du travail est vide, nous n'ajoutons pas de nouveaux travailleurs. Sur la base de complications avec les bâtiments anciens (B3, E4), nous limitons la température d'alimentation en eau à 60 °C (Fig. 2), ce qui implique que lors de très rares jours d'hiver très froids (illustrés à la Fig. S8 dans le Supplément), la pompe à chaleur peut ne pas fournir une température ambiante de 20 °C pour toutes les pièces.

En ce qui concerne les formations complémentaires (A3, B2 et E1), nous supposons que les pompes à chaleur sont installées en petites équipes, il suffit donc qu'un seul artisan sur deux suive la formation complémentaire. Cette formation dure actuellement de 3 à 4 jours42 et les participants sont censés acquérir une expérience pratique par la suite. Dans ce scénario maximal, on suppose donc que ce cours est dispensé à un total d'environ 70 000 salariés au cours des premières années.

Pour toutes ces raisons, le scénario très rapide ne nous semble pas utopique, mais il nécessite des efforts concertés et une coopération entre le gouvernement, les entreprises et les clients. Dans les scénarios rapides et accélérés, un nombre proportionnellement plus petit d'employés doit être formé et affecté à l'installation des pompes à chaleur (pour plus de détails, voir la note complémentaire 7).

Pour les applications industrielles en dessous de 100 °C, nous supposons les mêmes scénarios proportionnels que pour le chauffage de la pièce, en notant qu'un nombre beaucoup plus petit de pompes à chaleur beaucoup plus grandes seront installées. Une évaluation des incitations gouvernementales favorables à l'industrie dépasse la portée du présent document.

La figure 5 montre la quantité de gaz remplacée par de l'électricité renouvelable grâce à l'installation de pompes à chaleur et à la réduction des heures de charge des centrales électriques au gaz, dans les quatre scénarios de la figure 4. La quantité est tracée par rapport au total de gaz importé en Allemagne en 2020, qui était de 971 TWh. Dans le scénario des installateurs, seule une petite partie est substituée, même d'ici 2030. Des efforts ciblés sont nécessaires, comme le scénario très rapide, qui réalise des économies de gaz fossile d'environ 30 % d'ici 2025 (environ 290 TWh ou 28 milliards de m3). Considérant qu'en 2020, environ 50 % du gaz était importé de la Fédération de Russie, le scénario très rapide peut économiser environ 60 % de ce gaz d'ici 2025. On peut donc s'attendre à ce que des efforts ciblés réduisent la volatilité des prix et le risque d'approvisionnement en gaz fossile, tout en faisant avancer de manière décisive l'Allemagne sur la voie du respect de l'Accord de Paris sur le climat. Le scénario très rapide permettra également d'économiser au moins 180 Mt d'émissions de gaz à effet de serre cumulées d'ici 2025 (pour plus de détails, voir la note complémentaire 8).

Pourcentage modélisé de gaz importé en Allemagne, remplacé par de l'électricité renouvelable grâce à l'installation de pompes à chaleur dans les ménages privés et dans les industries chimiques, papetières et agro-alimentaires, dans les quatre scénarios de la Fig. 4. Les colonnes en arrière-plan montrent la quantité de gaz remplacé sans installer de nouvelles pompes à chaleur (en utilisant la production photovoltaïque et éolienne nouvellement installée pour remplacer l'électricité des centrales électriques au gaz). La barre d'erreur en 2025 indique les fluctuations météorologiques d'une année à l'autre comme écart type, la barre d'erreur en 2026 les variations météorologiques locales en Allemagne (voir la note complémentaire 9). Ces variations sont relativement faibles et similaires pour toutes les années. Les données sont répertoriées dans le tableau supplémentaire S7.

La figure 6 montre comment l'électricité renouvelable nouvellement ajoutée (et non la totalité) est divisée et utilisée. Au cours des deux premières années, la capacité éolienne et photovoltaïque supplémentaire réduit principalement les heures de charge des centrales électriques au gaz (plutôt automatiquement sur les marchés concurrentiels quotidiens). Notre modélisation à résolution horaire montre que cela est dû au fait que ces premières années, il y a de nombreuses heures où le soleil brille et/ou le vent souffle, mais pas assez de parcs éoliens et de capacités photovoltaïques sont installés pour couvrir entièrement la demande du réseau (voir la note complémentaire 10). En 2024 et 2025, les pompes à chaleur puisent 70 % de l'énergie renouvelable nouvellement ajoutée dans le scénario très rapide, qui atteint clairement les limites du modèle car il suppose une expansion suffisante du réseau. Même si l'Agence fédérale des réseaux a mandaté l'expansion du réseau, cela ne signifie pas nécessairement qu'une capacité de réseau suffisante sera disponible partout en Allemagne en 2024 et 2025 (voir la section Méthodes). Au cours des années suivantes, les capacités d'énergie renouvelable sont suffisamment importantes pour que les centrales électriques au gaz n'aient besoin de fonctionner que dans des situations où des parcs éoliens et des capacités photovoltaïques supplémentaires installés ne seraient pas utiles, comme les nuits sans vent. Cette situation sera atteinte vers 2030, lorsque la part annuelle des énergies renouvelables dans la production d'électricité sera d'environ 80 %24 (voir note complémentaire 11).

L'énergie électrique renouvelable nouvellement ajoutée (et non la totalité) est utilisée dans des proportions différentes dans les quatre scénarios modélisés : pour les pompes à chaleur, pour réduire les heures de charge des centrales électriques au gaz et pour d'autres utilisations telles que l'élimination progressive du charbon et l'électromobilité. Les données sont répertoriées dans le tableau supplémentaire 7.

La figure 6 montre également qu'au fil des ans, de plus en plus d'électricité provenant d'énergies renouvelables sera disponible à d'autres fins, telles que l'élimination progressive des centrales électriques au charbon et l'électromobilité.

La note complémentaire 12 contient une quantification pour un ajout immédiat spécifique à l'Allemagne de capacités renouvelables pour remplacer le gaz à court terme.

Si des capacités électriques renouvelables sont installées, l'installation accélérée de pompes à chaleur est une option stratégique efficace pour réduire fortement la consommation de gaz fossile, même si les radiateurs restent installés dans la majorité des bâtiments et qu'une partie de l'électricité est produite par des centrales électriques au gaz fossile. Avec des efforts ciblés, environ 60 % au maximum de la quantité de gaz, importée en 2020 en Allemagne depuis la Fédération de Russie, peut être remplacée d'ici 2025 (environ 40 % dans un scénario moins ambitieux). Les scénarios supposent des efforts ciblés qui incluent une coopération entre le gouvernement, les entreprises et les clients pour s'assurer que l'installation de pompes à chaleur est lucrative pour les installateurs, une offensive de formation pour les installateurs est lancée et le réseau électrique est étendu aux endroits requis.

Les scénarios, développés ici pour l'Allemagne, doivent donc être adaptés aux spécificités d'autres pays, mais offrent des voies claires et tangibles pour réduire la volatilité des prix et les risques d'approvisionnement en gaz fossile tout en franchissant une étape décisive vers le respect de l'accord de Paris sur le climat.

L'objectif du modèle est d'estimer la substitution du gaz par des pompes à chaleur par de l'électricité renouvelable en Allemagne en résolution horaire. Nous utilisons donc une approche déterministe avec une seule réalisation nominale de la production renouvelable pour les pompes à chaleur. Les limites de cette approche sont évaluées de manière critique ci-dessous.

Pour modéliser la production d'électricité dans un futur proche, nous choisissons l'année de référence 2020, au cours de laquelle les capacités installées suivantes étaient disponibles : 55 GW pour l'éolien terrestre, 6,3 GW pour l'éolien offshore et 54 GW pour le PV. Pour les années entre 2022 et 2030, nous incluons l'ajout prévu de l'éolien terrestre et offshore et du PV illustré dans la Fig. S4 supplémentaire. L'avantage de cette approche de référence est que tous les détails du système global ainsi que les données climatiques pour l'ensemble de l'Allemagne sont inclus.

Trois approximations principales accompagnent ce choix de modèle :

Premièrement, le positionnement géographique des nouveaux parcs éoliens terrestres est important43, car le rendement est plus important dans le nord que dans le sud de l'Allemagne. Il est réaliste de supposer que le nouvel ajout de parcs éoliens se produira dans une répartition géographique similaire à celle de l'inventaire 2020, car la transition énergétique en Allemagne a tellement progressé que de nouveaux parcs éoliens sont réalimentés dans des emplacements optimaux et que davantage de parcs éoliens ont déjà été construits dans des emplacements sous-optimaux également. Multiplier la puissance éolienne terrestre de 2020 par un facteur proportionnel à la capacité nouvellement ajoutée dans le futur est néanmoins prudent, car les nouvelles éoliennes sont généralement plus grandes et plus hautes et entraînent plus d'heures de charge que les capacités en 2020. En revanche, la répartition géographique des centrales photovoltaïques nouvellement installées est moins importante et les valeurs horaires sont assez bien corrélées dans toute l'Allemagne (sauf pour le versant nord des Alpes bavaroises)44.

Deuxièmement, la production d'électricité par les centrales électriques autres que les unités éoliennes, photovoltaïques et au gaz reste inchangée pour toutes les années à venir. Il ressort des résultats de modélisation des Figs. 5 et 6 qu'en dehors du fonctionnement des pompes à chaleur et du remplacement des heures de charge des centrales électriques au gaz, une part croissante de l'énergie photovoltaïque et éolienne nouvellement ajoutée sera réservée à d'autres applications. Étant donné qu'une grande partie de l'électricité en Allemagne est échangée selon le principe de l'ordre de mérite, les centrales électriques au charbon seront remplacées par l'électricité restante, et non par l'électricité utilisée pour les pompes à chaleur et le remplacement du chauffage au gaz. Les évolutions futures de la production de charbon et d'autre électricité n'ont donc qu'une influence mineure sur nos résultats de substitution au gaz. Il en va de même pour l'apparition de l'e-mobilité.

Troisièmement, la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables fluctue d'une année sur l'autre, plus pour l'éolien que pour le photovoltaïque. Pour quantifier la variabilité climatique d'une année à l'autre, nous modélisons également les années 2017, 2018 et 201923 pour comparaison avec la référence 2020. Notre consommation de gaz modélisée se traduit par un écart type de 1,2 % par rapport au gaz importé en 2020 (970 TWh). Cela correspond à l'écart-type des importations de gaz16. Étant donné que nous dérivons l'écart type de seulement quatre ans, nous le multiplions par un facteur de deux pour être du côté des économies, comme l'indique la barre d'erreur en 2025 sur la Fig. 5. Certains hivers, les conditions météorologiques typiques à grande échelle45 peuvent conduire à un marasme noir46 dans lequel ni l'énergie éolienne ni le PV ne peuvent suffisamment répondre à la demande du réseau. De telles périodes ne réduiraient les économies de gaz que dans une certaine mesure, car ces conditions météorologiques typiques ne provoquent pas de températures très froides.

Le modèle se concentre sur les capacités de production d'énergie renouvelable nouvellement ajoutées et les pompes à chaleur nouvellement ajoutées et néglige les changements dans les capacités de production d'énergie fossile. Avec la sortie du charbon prévue uniquement pour 2030 et une surcapacité de terminaux méthaniers en cours d'installation du fait de la guerre russo-ukrainienne14, il est peu probable que la réduction des capacités de production fossile entraîne des allocations inattendues d'électricité renouvelable et ait ainsi un impact sur les résultats présentés ici. De plus, le modèle ne prend en compte que la production et la consommation d'électricité, et non les détails de la transmission d'électricité dans le réseau électrique, où la congestion peut se produire. Il s'agit d'une limite du modèle, en particulier dans le scénario très rapide pour 2024 et 2025, où 70 % de toute la nouvelle énergie renouvelable est utilisée par des pompes à chaleur. La courbe de charge de la Fig. S3 supplémentaire montre que les pompes à chaleur ne provoquent pas les pics de demande notoires, connus des climatiseurs les jours chauds, en partie à cause du stockage de chaleur dans les chaudières. De plus, les pompes à chaleur peuvent être exploitées de manière très flexible. Comme les bâtiments sont un important stockage d'énergie thermique et que de nombreux bâtiments sont équipés d'une chaudière, les pompes à chaleur peuvent fonctionner quelques heures avant la demande de chaleur, par exemple pendant la nuit lorsque l'énergie éolienne est souvent disponible et que la charge du réseau est faible. Au printemps et en automne47, le couplage des pompes à chaleur avec le PV local peut fournir de la chaleur pendant la journée. Cette flexibilité n'est pas intégrée dans la courbe de charge de la Fig. S3 supplémentaire. Si les pompes à chaleur sont exploitées de manière à fonctionner pendant les périodes de prix bas du marché, le réseau électrique est considérablement déchargé. Néanmoins, une combinaison d'expansion du réseau48,49 et de stockage d'électricité est nécessaire, comme l'exige l'Agence fédérale allemande des réseaux. Et en aucun cas le modèle ne devrait être utilisé plus longtemps dans le futur qu'au point d'environ 80 % d'énergie renouvelable dans le réseau. À des pourcentages plus élevés, les capacités d'équilibrage des moteurs à combustion interne multicombustibles/turbines à gaz à cycle ouvert (ICE/OCGT) doivent être ajoutées pendant les heures où il n'y a pas suffisamment de vent ou d'ensoleillement. Selon les plans du ministère fédéral de l'Économie et de la Protection du climat24, la barre des 80 % sera atteinte en 2030.

Pour quantifier la variation de la consommation de gaz, nous utilisons les profils de charge linéaires sigmoïdaux journaliers (sigLin) d du manuel Standard Load Profiles (SLP)19, qui dépendent de la température moyenne journalière Td comme suit :

Pour le chauffage résidentiel, nous utilisons le profil DE_HEF04 avec A = 3,1850191, B = –37,4124155 °C, C = 6,1723179 et D = 0,0761096, tandis que pour la cuisson au gaz, nous utilisons le profil DE_HKO03 avec A = 0,4040932, B = –24,4392968 °C, C = 6. 5718175 et D = 0,7107710. Les deux tous les jours de la semaine.

Étant donné que la température de l'air varie à travers l'Allemagne, nous avons modélisé avec les données de température horaires du Service météorologique allemand (DWD)50 dans les zones métropolitaines les plus peuplées, voir la note supplémentaire 10. Hanovre est la plus proche de la médiane de ces sites, et toutes les données ont été modélisées avec les données de température de Hanovre. L'écart type dû au choix de la localité (multiplié par un facteur 2 pour être du bon côté) est représenté sur la Fig. 5 par la barre d'erreur en 2026.

Comme indiqué dans la note complémentaire 2, les profils de charge horaires h sont pris en fonction de la température extérieure horaire Th et normalisés à 1.

La quantité de gaz Gi,2020 consommée à chaque heure de 2020 dans un secteur s = {chauffage des locaux résidentiels, cuisine, industrie chimique, papetière et agro-alimentaire} est : Gs,2020 = d(Td) * h(Th) * gs,2020, où gs,2020 est un facteur choisi pour que la somme de la consommation de gaz sur l'ensemble de l'année 2020 dans chaque secteur corresponde aux valeurs données dans le corps du texte. Veuillez noter que d et h n'ont pas d'unité, tandis que g a l'unité TWhg, g représentant le gaz.

Pour calculer la future quantité Gs,année de gaz substitué dans l'année = {2022, 2023 … 2030}, on multiplie Gs,2020 par un facteur fannée,scénario, qui dépend du scénario = {feuille de route des installateurs, accéléré, rapide, très rapide}. Notez que nous choisissons f comme étant le même pour tous les secteurs s, en utilisant les scénarios pour les pompes à chaleur dans le chauffage des locaux résidentiels illustrés à la Fig. 4 en unités de million. Pour obtenir f, nous mettons donc ces nombres à l'échelle afin que le facteur soit de 0 en 2020 et de 1 si 16 millions de pompes à chaleur sont installées, comme indiqué dans le tableau supplémentaire S5. Ensuite, Gs,2020 * fyear,scenario donne la quantité de gaz substitué en TWhg. Pour calculer l'électricité nécessaire en TWhe, Gs,2020 * fannée, le scénario est divisé par le COP (momentané). Pour le chauffage des locaux privés, Gs,2020 * fyear,scenario est divisé par un polynôme quadratique illustré à la Fig. 3, qui est 5,4 – 0,013 * (Theat − Th) − 0,00062 * (Theat − Th)2. Un paramétrage de la température de l'eau de chauffage (en fonction de Th) dans les différentes classes d'efficacité énergétique du bâtiment A à G est illustré à la Fig. 2 et répertorié dans le tableau supplémentaire S4.

La somme horaire de toutes ces valeurs TWhe requises par les pompes à chaleur, H, est comparée à l'électricité PV et éolienne ajoutée calculée selon la Fig. S4 supplémentaire, en particulier en multipliant les valeurs horaires de l'électricité PV et éolienne de 2020 par les facteurs indiqués dans le tableau supplémentaire S1. Si H est supérieur à l'électricité renouvelable ajoutée R, la quantité de gaz, Gpp, utilisée par les centrales électriques au gaz pour répondre à cette demande supplémentaire est calculée, en prenant un rendement de 50 % pour ces centrales, comme expliqué dans le corps du texte : Gpp = (H − R)/0,5. Dans ce cas, Gpp est soustrait du gaz remplacé par les pompes à chaleur, et la quantité nette est marquée comme "utilisée pour les pompes à chaleur" sur la Fig. 6. Si H est inférieur à R, Gpp est négatif, ce qui signifie qu'au moins une partie de R remplace le gaz en réduisant la production des centrales électriques au gaz. Ce montant est étiqueté comme "réduction des heures de charge dans les centrales électriques à gaz" sur la Fig. 6. S'il y a plus de R disponible que ce qui peut être utilisé pour réduire la production des centrales électriques au gaz, cette puissance restante est étiquetée comme "autre utilisation" sur la Fig. 6. Sur la Fig. 5, la somme de "utilisé pour les pompes à chaleur" et de "réduction des heures de charge dans les centrales électriques au gaz" est indiquée. Enfin, les colonnes de la Fig. 5 intitulées "pas de pompes à chaleur" sont un calcul avec H = 0. Les résultats de la modélisation sont répertoriés dans le tableau S7.

Nous ne calculons pas l'investissement et le prix. L'investissement privé, cependant, est réduit au minimum en limitant notre modèle à l'installation de pompes à chaleur avec seulement des modifications mineures du circuit de chauffage.

Toutes les données d'entrée et de sortie se trouvent soit dans le texte principal soit dans le Supplément. De plus, ils sont disponibles sous forme de fichier Excel sur https://doi.org/10.5281/zenodo.7559161. Les équations sont données dans la section Méthodes et dans le Supplément. Les données du système électrique allemand pour les années 2017 à 2020 ont été mises à la disposition des auteurs par la réf. 23 pour un usage non commercial, mais ne sont généralement pas accessibles au public (demandez ces données sur https://www.agora-energiewende.de).

Étant donné que les données du système électrique allemand pour les années 2017 à 2020 ne sont pas accessibles au public, nous ne sommes pas en mesure de publier le code original, mais il contient les équations données dans la section Méthodes et dans le Supplément.

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Nous remercions l'équipe Agora Energiewende pour la généreuse fourniture de données du réseau allemand. Nous remercions l'Association allemande des pompes à chaleur pour la généreuse mise à disposition de données sur les installations de pompes à chaleur, et le professeur Heiko Werdin de l'Université des sciences appliquées de Dresde pour avoir fourni des données sur les performances COP des pompes à chaleur. Nous remercions les trois relecteurs d'avoir amélioré les points faibles de cet article.

Scientifiques pour l'avenir, Berlin, Allemagne

Pietro P. Altermatt, Jens Clausen, Heiko Brendel, Christian Breyer, Christoph Gerhards, Claudia Kemfert & Urban Weber

Groupe mondial de simulation photovoltaïque, Genève 1, Suisse

Peter P. Altermatt

Institut Borderstep pour l'innovation et la durabilité, Berlin, Allemagne

Jens Clausen

Université de Tübingen, Geschwister-Scholl-Platz, Tübingen, Allemagne

Heiko Brendel

Université LUT, Lappeenranta, Finlande

Christian Breyer

Institut allemand de recherche économique (DIW) Berlin, Berlin, Allemagne

Claudia Kemfert

Université des sciences appliquées de Bingen, Bingen am Rhein, Allemagne

Urbain Weber

Département des matériaux, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni

Matthieu Wright

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PPA a développé le modèle et effectué les calculs. JC a contribué avec son expertise sur la transition thermique et sur l'adoption de la technologie. HB a mené les entretiens et a apporté son expertise en sciences sociales et en recherche quantitative générale. CB a contribué au développement du modèle grâce à son expertise dans la transition énergétique. CK a contribué avec son expertise sur le système de gaz. UW et CG ont apporté leur expertise dans les systèmes énergétiques et les bâtiments. MW a aidé à la conceptualisation et a validé le modèle. La première ébauche du document a été rédigée par PPA et tous les autres auteurs ont ajouté des sections avec leur expertise.

Correspondance à Pietro P. Altermatt.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Earth & Environment remercie Richard Lowes, Manfred Fischedick et Brage Rugstad Knudsen pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef de la gestion principale : Alessandro Rubino et Joe Aslin. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Altermatt, PP, Clausen, J., Brendel, H. et al. Remplacer les chaudières à gaz par des pompes à chaleur est le moyen le plus rapide de réduire la consommation de gaz en Allemagne. Commun Terre Environ 4, 56 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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Reçu : 14 juin 2022

Accepté : 15 février 2023

Publié: 03 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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