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Nov 29, 2023

Les énormes pompes à chaleur qui réchauffent les villes

C'est une autre vague de froid et les champs de Cornouailles, dans le sud-ouest de l'Angleterre, sont

C'est une autre vague de froid et les champs de Cornouailles, dans le sud-ouest de l'Angleterre, sont recouverts de neige. Mais dans une ruelle venteuse, la maison de Ceri Simmons est bien au chaud. Son salon est une jungle de plantes suspendues et, à travers la cuisine, des aperçus d'un studio bordé de bois révèlent le travail de Simmons en tant que professeur de yoga aérien. "Ce n'est pas seulement agréable pour moi d'avoir une maison chaleureuse, c'est aussi important pour mes clients", dit-elle.

Le village isolé de Stithians, près de la pointe la plus au sud-ouest du continent britannique, où vit la famille Simmons, est devenu une frontière improbable dans la course à la décarbonisation du chauffage. Il pilote une nouvelle approche du chauffage à faible émission de carbone qui pourrait être la clé de la mise à l'échelle rapide nécessaire dans le monde entier.

Le projet s'éloigne des obstacles auxquels sont confrontés les propriétaires individuels et conçoit un système de pompe à chaleur qui peut être livré à grande échelle dans les rues, les villes et les villages. Ce faisant, il pourrait fournir un modèle aux espaces urbains du monde entier qui réfléchissent à la manière de décarboniser leurs systèmes de chauffage rapidement et efficacement.

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Au Royaume-Uni aujourd'hui, 74 % des personnes chauffent leur maison à l'aide de chaudières à gaz, le reste étant principalement composé de radiateurs électriques et de mazout. Cela conduit le secteur du chauffage à représenter un tiers des émissions de gaz à effet de serre du Royaume-Uni - comparable aux émissions de toutes ses voitures à essence et diesel. Des valeurs similaires sont observées aux États-Unis, où environ la moitié du chauffage provient du gaz.

Pour limiter le réchauffement climatique, cela doit changer radicalement, et dans de nombreux endroits, cela signifie installer beaucoup plus de pompes à chaleur. Selon l'organisme consultatif du gouvernement britannique sur le climat, d'ici 2030, environ un quart des bâtiments britanniques devraient être chauffés à l'aide de ces appareils, et ce chiffre passera à 52 % d'ici 2050. Selon Melissa Lott, directrice de recherche au Center on Global Energy Policy de l'Université de Columbia, le chauffage électrifié sera également essentiel pour décarboniser les bâtiments aux États-Unis. Une étude menée à San Francisco a qualifié les pompes à chaleur de « levier unique le plus efficace » pour réduire les émissions.

Plutôt que de brûler un combustible, les pompes à chaleur concentrent l'énergie thermique déjà présente dans l'air, le sol ou l'eau et la pompent à travers les tuyaux et les radiateurs d'un bâtiment.

Ils le font avec une efficacité incroyable, convertissant 1 kilowatt (kW) d'électricité en 3 à 5 kW de chaleur, contre 1 kW pour un chauffage électrique direct et 0,9 kW pour une chaudière à gaz. Cela signifie qu'ils fournissent pratiquement de la "chaleur gratuite", explique Lott. Cependant, comme pour tous les systèmes de chauffage, l'efficacité dépend de la qualité de l'isolation du bâtiment pour minimiser les pertes de chaleur, note-t-elle.

Si la source d'électricité est renouvelable, les pompes à chaleur elles-mêmes n'émettent pas de carbone. Au Royaume-Uni, près de la moitié de l'électricité fournie au réseau national provient de sources renouvelables, contre 20 % aux États-Unis. Les deux pays visent de fortes augmentations de ces pourcentages.

La pompe à chaleur de Ceri Simmons, vue ici à l'extérieur de sa maison, fournit désormais toute sa chaleur et son eau chaude à partir d'un réseau de tuyaux sous la rue (Crédit : Evie Townend)

Le projet Heat the Streets à Stithians fournit un tout nouveau modèle de fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques.

Les pompes à chaleur géothermiques sont plus efficaces que leurs homologues à air. Cela est dû au fait que le sol a une température constante. La plupart des pompes à chaleur géothermiques ont une tuyauterie verticale qui nécessite le forage d'un trou de forage profond et coûteux de 60 à 200 m (200 à 650 pieds) dans le sol. Alternativement, ils peuvent utiliser une boucle horizontale beaucoup moins profonde dans le sol mais nécessitant une grande surface que la plupart des gens n'ont pas, en particulier dans les villes.

De plus, l'installation de pompes à chaleur relève généralement de la responsabilité des propriétaires individuels. Malgré des incitations telles que le Boiler Upgrade Scheme du Royaume-Uni et les crédits d'impôt fédéraux américains en vertu de la loi sur la réduction de l'inflation de Biden, il reste des obstacles importants à un déploiement généralisé. Il y a souvent un manque de compréhension et de sensibilisation à la technologie, ce qui, combiné à des coûts initiaux élevés et à peu d'installateurs qualifiés, peut empêcher les propriétaires de faire le changement. L'architecture peut aussi être une barrière : les maisons ont aussi simplement besoin d'un espace extérieur suffisant pour installer les pompes à chaleur, ce qui manque évidemment dans les appartements et les milieux urbains denses.

Plutôt que chaque maison forant un seul trou de forage pour une seule pompe à chaleur, cependant, Heat the Streets utilise plus de 200 trous de forage forés à 100 m (330 pieds) sous la rue reliés à un immense réseau communal de tuyaux souterrains horizontaux juste en dessous du niveau de la rue, connu sous le nom de conduite de chaleur.

Le glycérol, un liquide inodore, non toxique et visqueux, est passé verticalement à travers les forages pour absorber la chaleur et la faire circuler dans ces tuyaux horizontaux, qui à leur tour alimentent les pompes à chaleur des propriétés individuelles le long de toute la rue et, éventuellement, de tout le quartier.

Les pompes à chaleur – pas plus grandes qu'une chaudière à gaz typique – sont installées à l'intérieur ou à l'extérieur des maisons individuelles, selon la taille de la propriété, son adéquation et la préférence du propriétaire.

À quelques mètres sous la surface de Cornwall, le sol a une température constante d'environ 11C (52F) à cause de l'absorption de la lumière du soleil pendant des millénaires, explique Max Bridger, responsable des opérations du projet de Heat the Streets, et c'est cette chaleur qui est récoltée par le heatmain.

Les pompes à chaleur fonctionnent plus efficacement lorsque les bâtiments sont isolés pour minimiser les pertes de chaleur (Crédit : Sturti/Getty Images)

Les pompes à chaleur effectuent alors une autre série d'échange, de compression et d'évaporation qui amène la température à environ 50C (122F). Enfin, cette chaleur est transférée à l'eau, qui est pompée à travers les tuyaux et les radiateurs spécialement mis à niveau d'une maison.

Kensa Utilities, la société en charge de l'installation du réseau à Stithians, restera propriétaire de l'infrastructure. Pour les résidents, la connexion au réseau de chaleur fonctionne comme avec d'autres services publics, tels que le haut débit ou l'eau. Les résidents sont propriétaires de leurs pompes à chaleur individuelles et paient des frais de connexion pour se connecter dès qu'ils sont prêts.

"Lorsqu'une chaudière [à gaz] tombe en panne, il y aura désormais une alternative au simple remplacement. Mais ce système signifie également que les gens n'ont pas à financer les importants coûts d'infrastructure initiaux ou à tout connecter en même temps", explique Bridger.

Les pompes à chaleur géothermiques fournissent tout le chauffage et l'eau chaude nécessaires à la maison et réduisent de 70 % les émissions de gaz à effet de serre qu'elles émettent. Les résidents gardent le contrôle total de leur chauffage et peuvent changer de fournisseur d'énergie quand ils le souhaitent.

La maison de Simmons était équipée d'une pompe à chaleur qui partage une conduite de chauffage avec plusieurs voisins. Il a fallu environ une semaine pour faire les travaux intérieurs et extérieurs et "ce n'était vraiment pas trop perturbant ou bruyant", dit-elle. Le cylindre d'eau, caché dans une vieille armoire à linge, a presque exactement la même taille qu'une chaudière moyenne.

Elle prévoit finalement d'utiliser ses panneaux solaires, actuellement installés pour vendre l'électricité au réseau national, pour alimenter directement la pompe à chaleur – ce qui, selon elle, rendrait sa maison presque entièrement autosuffisante.

Les travailleurs exploitent une foreuse pour un trou de forage à Enfield, Londres, où ils installent des pompes à chaleur géothermiques dans des immeubles de grande hauteur (Crédit : Kensa Utilities)

Ce concept d'une conduite de chauffage enfouie sous une rue communale n'est en aucun cas limité aux propriétés à un étage comme celle de Simmons. Un autre projet Kensa à Enfield, Londres, consiste à installer des pompes à chaleur géothermiques dans des immeubles de grande hauteur.

Des conduites de chaleur ont été développées sous chacune des huit tours, totalisant 400 appartements, utilisant leurs parkings pour forer les trous de forage nécessaires.

Un puits vertical utilisé pour transporter d'autres services publics dans tout le bâtiment, connu sous le nom de colonne montante de service, permet à la technologie utilisée à Stithians de fonctionner pour les bâtiments à plusieurs étages, explique Bridger. Avec des espaces plus petits, équiper chaque appartement d'une pompe à chaleur "boîte à chaussures" peut fournir suffisamment de chaleur tout en minimisant l'espace occupé à l'intérieur, ajoute-t-il.

L'avenir des pompes à chaleur dans les immeubles de grande hauteur fait l'objet d'une attention croissante dans le monde entier. À New York, ce sont les pompes à chaleur à air qui sont devenues le centre des efforts pour décarboner les 6 000 immeubles de grande hauteur de la ville.

Actuellement, la plupart d'entre eux disposent d'une seule grande chaudière à gaz qui contrôle le chauffage de l'ensemble du bâtiment. Chaque appartement individuel utilise également une unité de climatisation attachée à une fenêtre extérieure qui fonctionne séparément du système de chauffage.

En 2021, la New York City Housing Association a lancé le Clean Heat for All Challenge, un concours pour encourager l'innovation de l'industrie conformément à une prochaine loi locale qui limitera les émissions de gaz à effet de serre des bâtiments à partir de 2024. La conception qui a émergé comme le gagnant est une pompe à chaleur à air qui pend "comme des sacoches de cheval" à la base des fenêtres des appartements, ne bloquant aucune lumière ni ne prenant de place à l'intérieur des appartements, dit Lott.

"La beauté des pompes à chaleur est qu'elles peuvent à la fois chauffer et refroidir des espaces, en utilisant le même processus en sens inverse", ajoute Lott. "C'est une unité modulaire remplissant deux fonctions."

La conception donnerait également aux appartements le contrôle de leur propre chauffage et refroidissement. "C'est plus efficace parce que vous avez la possibilité de personnaliser votre appartement selon votre propre confort afin qu'il n'y ait plus de fenêtres ouvertes à cause des appartements surchauffés en hiver", explique Lott.

Les nouvelles pompes à chaleur sont déployées cette année pour un essai à Woodside Houses, un complexe de 20 bâtiments en briques dans le Queens où les résidents se sont retrouvés sans chauffage ni eau chaude l'hiver dernier après l'ouragan Ida.

Bien qu'il ne soit pas prévu que l'infrastructure du réseau local doive être mise à niveau immédiatement, une augmentation de la demande d'électricité est une considération importante dans l'utilisation accrue des pompes à chaleur en général.

Jan Rosenow, directeur des programmes européens au Regulatory Assistance Project (RAP), a déclaré que le Royaume-Uni pourrait voir la pression sur le réseau doubler, voire tripler au cours des 20 à 30 prochaines années. "Il devra y avoir des moyens de stocker l'électricité autrement que sous forme de grosses batteries dans les maisons des gens", dit-il. Il existe une gamme de technologies prometteuses, ajoute-t-il, telles que les batteries à flux et l'hydrogène vert.(En savoir plus sur la capacité des batteries à gravité à résoudre nos problèmes de stockage d'énergie).

Le réseau de chauffage urbain de Stockholm fournit de l'électricité à 800 000 foyers grâce à des pompes à chaleur à échelle industrielle et à d'autres sources de chaleur (Crédit : Christine Olsson/Getty Images)

En un sens, Heat the Streets puise dans une autre solution majeure pour chauffer les maisons dans un monde à faible émission de carbone : le chauffage urbain.

Essentiellement, les réseaux de chauffage urbain "ne font que frapper des vaisseaux vides qui relient les propriétés ensemble", explique David Barns, un expert en décarbonisation de la chaleur à l'Université de Leeds. "Comment vous obtenez de l'énergie thermique dans ce réseau de chaleur est une question connexe mais distincte."

Le chauffage urbain a explosé dans les pays nordiques pendant la crise pétrolière des années 1970, mais les systèmes étaient principalement alimentés par la combustion de combustibles fossiles dans de grandes centrales de cogénération. Pourtant, cette conception d'un système centralisé unique peut faciliter considérablement le passage d'un nombre important de maisons au chauffage à faible émission de carbone - sans que des milliers de chaudières ne soient "arrachées", explique Barns.

Les émissions du voyage qu'il a fallu pour rapporter cette histoire étaient de 3 kg de CO2. Les émissions numériques de cette histoire sont estimées entre 1,2 g et 3,6 g de CO2 par page vue. En savoir plus sur la façon dont nous avons calculé ce chiffre ici.

Par exemple, le réseau de chauffage urbain de Stockholm compte 3 000 km (1 860 miles) de canalisations et alimente désormais en électricité 800 000 foyers grâce à des pompes à chaleur à l'échelle industrielle qui captent la chaleur des eaux usées domestiques, des centres de données et de l'eau de mer, ainsi que des déchets incinérés non recyclables et des biocarburants forestiers.

Le modèle Heat the Streets à Stithians utilise le « chauffage urbain de cinquième génération », un réseau localisé associé à la technologie des pompes à chaleur. L'avantage de ce type de projet rue par rue est de pouvoir se concentrer sur toutes les ressources énergétiques à proximité pour faire le meilleur match, explique Caroline Haglund Stignor, chercheuse en technologies énergétiques au Rise Research Institutes of Sweden. "Vous commencez petit, puis vous construisez petit à petit", dit-elle.

Cela peut permettre des méthodes plus innovantes d'approvisionnement en chaleur, comme un réseau à Islington exploitant la chaleur des courants chauds des tunnels du métro de Londres, ou les eaux de crue dans les anciennes mines.

Au Royaume-Uni, cependant, il y a un manque de sensibilisation et de réglementation autour du chauffage urbain, ce qui retarde son expansion, dit Barns.

Le gouvernement britannique s'est engagé à désigner des zones de réseau de chaleur au plus tard en 2025 qui situeront les réseaux de chaleur aux meilleurs endroits et obligeront les gens à s'y connecter. Cela contribuera à rendre le modèle commercial de construction de réseaux de chaleur plus viable financièrement, explique Barns, car les investisseurs privés auront plus de certitude que les gens vont les utiliser.

Ce type de travaux à grande échelle peut être coordonné avec d'autres travaux de terrassement, tels que des câbles pour les bornes de recharge des véhicules électriques, afin de réduire les perturbations, explique Rosenow. Mais ces déploiements au niveau local nécessitent un "changement radical" de planification qui ne se reflète pas encore dans les politiques ou les cadres, ajoute-t-il.

Il est beaucoup plus courant de voir des pompes à chaleur à air sur des maisons individuelles que sur des immeubles d'habitation (Crédit : Mark Morgan/Alamy)

Pourtant, le chauffage urbain n'est pas nécessairement la bonne réponse partout. Il convient le mieux aux zones densément peuplées en raison de la perte de chaleur importante qui provient du transport de l'eau à des températures élevées sur de longues distances.

Le chauffage urbain existe déjà dans certaines villes américaines, telles que Milwaukee et Baltimore, mais le pays n'a pas la même densité de population que le Royaume-Uni et la majeure partie de l'Europe occidentale, à quelques exceptions près, explique Lott. "Pour la plupart des États-Unis, nous parlons de chauffer des bâtiments individuels et les réseaux de chauffage urbain n'ont donc aucun sens. Les pompes à chaleur [individuelles], à air ou au sol, sont une bien meilleure option pour nous."

La route vers un chauffage décarboné n'est pas simple, mais les pompes à chaleur sont une technologie plus ou moins prête et en attente, tant que les obstacles financiers peuvent être franchis. Mais alors même que des points d'interrogation pèsent sur la sécurité énergétique, les prix du carburant et les conditions météorologiques extrêmes liées au climat, le studio de yoga de la maison familiale des Simmons est un lieu invitant à affronter l'incertitude.

Cet article a été mis à jour le 02/02/23 pour clarifier une citation sur les solutions de stockage à long terme de Jan Rosenow.

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