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Aug 01, 2023

Les pompes à chaleur électriques pour les maisons pourraient être une technologie propre et verte du futur

CRÉDIT : DANA SMITH Les pompes à chaleur offrent un moyen écologique et efficace de chauffer les maisons en utilisant

CRÉDIT : DANA SMITH

Les pompes à chaleur offrent un moyen écologique et efficace de chauffer les maisons à l'électricité, et non aux combustibles fossiles. De nouvelles conceptions les rendent plus efficaces et adaptées à davantage de conditions.

La pensée innovante a éliminé les problèmes qui ont longtemps obsédé les appareils électriques - et les scientifiques et les écologistes sont enthousiasmés par les possibilités

Par Chris Baraniuk 01/11/2023

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C'était un problème d'ingénierie qui avait embêté Zhibin Yu pendant des années - mais maintenant il avait la chance parfaite de le réparer. Coincé chez lui lors du premier verrouillage britannique de la pandémie de Covid-19, l'ingénieur thermicien a soudainement eu tout le temps nécessaire pour affiner l'efficacité des pompes à chaleur : des appareils électriques qui, comme leur nom l'indique, transfèrent la chaleur de l'extérieur vers les habitations.

Les pompes sont beaucoup plus efficaces que les radiateurs à gaz, mais les modèles standards qui absorbent la chaleur de l'air ont tendance à se givrer, ce qui réduit considérablement leur efficacité.

Yu, qui travaille à l'Université de Glasgow, au Royaume-Uni, a réfléchi au problème pendant des semaines. Il lisait papier après papier. Et puis il a eu une idée. La plupart des pompes à chaleur gaspillent une partie de la chaleur qu'elles génèrent - et s'il pouvait capter cette chaleur perdue et la détourner, réalisa-t-il, cela pourrait résoudre le problème de dégivrage et améliorer les performances globales des pompes. "J'ai soudain trouvé une solution pour récupérer la chaleur", se souvient-il. "C'était vraiment un moment incroyable."

L'idée de Yu est l'une des nombreuses innovations récentes qui visent à rendre la technologie des pompes à chaleur vieille de 200 ans encore plus efficace qu'elle ne l'est déjà, ouvrant potentiellement la porte à une adoption beaucoup plus large des pompes à chaleur dans le monde. À ce jour, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), seuls 10 % environ des besoins en chauffage des locaux dans le monde sont satisfaits par des pompes à chaleur. Mais en raison de la crise énergétique actuelle et de la pression croissante pour réduire la consommation de combustibles fossiles afin de lutter contre le changement climatique, ces appareils sont sans doute plus cruciaux que jamais.

Depuis son brainstorming de confinement en 2020, Yu et ses collègues ont construit un prototype fonctionnel de pompe à chaleur qui stocke la chaleur restante dans un petit réservoir d'eau. Dans un article publié à l'été 2022, ils décrivent comment leur conception aide la pompe à chaleur à consommer moins d'énergie. De plus, en redirigeant séparément une partie de cette chaleur résiduelle vers une partie de la pompe à chaleur exposée à l'air froid, l'appareil peut se dégivrer au besoin, sans avoir à interrompre l'alimentation en chaleur de la maison.

L'idée repose sur le principe même de fonctionnement des pompes à chaleur : si vous pouvez saisir la chaleur, vous pouvez l'utiliser. Ce qui rend les pompes à chaleur spéciales, c'est le fait qu'au lieu de simplement générer de la chaleur, elles captent également la chaleur de l'environnement et la déplacent dans votre maison, transférant éventuellement cette chaleur vers des radiateurs ou des systèmes de chauffage à air pulsé, par exemple. Ceci est possible grâce au fluide frigorigène qui circule à l'intérieur d'une pompe à chaleur. Lorsque le réfrigérant rencontre de la chaleur - même une infime quantité dans l'air par temps froid - il absorbe ce minimum de chaleur.

Un compresseur force alors le réfrigérant à une pression plus élevée, ce qui élève sa température au point où il peut chauffer votre maison. Cela fonctionne parce qu'une augmentation de la pression rapproche les molécules de réfrigérant, augmentant leur mouvement. Plus tard, le réfrigérant se dilate à nouveau, se refroidissant, et le cycle se répète. L'ensemble du cycle peut également fonctionner en sens inverse, permettant aux pompes à chaleur de fournir un refroidissement lorsqu'il fait chaud en été.

Les pompes à chaleur à air, la conception la plus courante, captent la chaleur de l'air extérieur.

La magie d'une pompe à chaleur est qu'elle peut déplacer plusieurs kilowattheures de chaleur pour chaque kWh d'électricité qu'elle utilise. L'efficacité des pompes à chaleur est généralement mesurée en fonction de leur coefficient de performance (COP). Un COP de 3, par exemple, signifie que 1 kWh de jus produit 3 kWh de chaleur, soit une efficacité de 300 %. Le COP que vous obtenez de votre appareil peut varier en fonction de la météo et d'autres facteurs.

C'est un concept puissant, mais aussi ancien. Le mathématicien, physicien et ingénieur britannique Lord Kelvin a proposé d'utiliser des systèmes de pompe à chaleur pour le chauffage des locaux dès 1852. La première pompe à chaleur a été conçue et construite quelques années plus tard et utilisée industriellement pour chauffer la saumure afin d'extraire le sel du fluide. Dans les années 1950, les membres du Parlement britannique discutaient des pompes à chaleur lorsque les stocks de charbon s'épuisaient. Et dans les années qui ont suivi la crise pétrolière de 1973-74, les pompes à chaleur ont été présentées comme une alternative aux combustibles fossiles pour le chauffage. "L'espoir repose sur la future pompe à chaleur", a écrit un commentateur dans l'Annual Review of Energy de 1977.

Aujourd'hui, le monde est confronté à un autre bilan de l'approvisionnement énergétique. Lorsque la Russie, l'une des plus grandes sources mondiales de gaz naturel, a envahi l'Ukraine en février 2022, le prix du gaz a grimpé en flèche, ce qui a à son tour mis les pompes à chaleur sous les projecteurs car, à quelques exceptions près, elles fonctionnent à l'électricité et non au gaz. Le même mois, l'écologiste Bill McKibben a écrit un article de blog largement partagé intitulé "Pompes à chaleur pour la paix et la liberté" dans lequel, se référant au président russe, il a fait valoir que les États-Unis pourraient "putine pacifiquement dans les reins" en déployant des pompes à chaleur à grande échelle tout en réduisant la dépendance des Américains aux combustibles fossiles. Les pompes à chaleur peuvent tirer leur énergie de panneaux solaires domestiques, par exemple, ou d'un réseau électrique alimenté principalement par des énergies renouvelables.

Faire fonctionner les appareils à l'électricité verte peut également aider à lutter contre le changement climatique, note Karen Palmer, économiste et chercheuse principale à Resources for the Future, un organisme de recherche indépendant à Washington, DC, qui a co-écrit une analyse des politiques visant à améliorer l'efficacité énergétique dans l'examen annuel 2018 de l'économie des ressources. "Il va falloir s'orienter vers une plus grande utilisation de l'électricité pour les besoins énergétiques des bâtiments, en l'absence d'une percée technologique dans autre chose", dit-elle.

Cette vidéo illustre le principe des pompes à chaleur.

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L'AIE estime qu'à l'échelle mondiale, les pompes à chaleur ont le potentiel de réduire les émissions de dioxyde de carbone d'au moins 500 millions de tonnes métriques en 2030, soit l'équivalent des émissions annuelles de CO2 produites par toutes les voitures en Europe aujourd'hui.

Malgré leur longue histoire et leurs vertus potentielles, les pompes à chaleur peinent à se banaliser dans certains pays. L'une des raisons est le coût : les appareils sont nettement plus chers que les appareils de chauffage au gaz et, comme le gaz naturel est resté relativement bon marché pendant des décennies, les propriétaires n'ont guère été incités à changer.

On a aussi depuis longtemps l'impression que les pompes à chaleur ne fonctionneraient pas aussi bien dans les climats froids, en particulier dans les maisons mal isolées qui nécessitent beaucoup de chaleur. Au Royaume-Uni, par exemple, où les maisons ont tendance à être plutôt sujettes aux courants d'air, certains propriétaires ont longtemps considéré les chaudières à gaz comme un pari plus sûr car elles peuvent fournir de l'eau plus chaude (environ 140 à 160 degrés Fahrenheit) aux radiateurs, ce qui facilite le chauffage d'une pièce. En revanche, les pompes à chaleur ont tendance à être plus efficaces lorsqu'elles chauffent l'eau à environ 100 degrés Fahrenheit.

Cependant, le problème du climat froid est sans doute moins problématique que certains ne le pensent, étant donné qu'il existe sur le marché de nombreux appareils à source d'air modernes qui fonctionnent bien même lorsque les températures extérieures chutent jusqu'à moins 10 degrés Fahrenheit. La Norvège, par exemple, est considérée comme l'un des leaders mondiaux du déploiement de pompes à chaleur. Palmer a une pompe à chaleur dans sa maison aux États-Unis, ainsi qu'une fournaise en secours. "S'il fait vraiment froid, nous pouvons compter sur la fournaise", dit-elle.

Les innovations dans la conception des pompes à chaleur conduisent à des unités encore plus efficaces, mieux adaptées aux maisons à faible niveau d'isolation et, potentiellement, moins chères également. Par exemple, Yu dit que sa nouvelle conception de pompe à chaleur à air et celle de ses collègues pourraient améliorer le COP de 3 à 10 %, tout en coûtant moins cher que les conceptions de pompes à chaleur existantes avec des fonctionnalités comparables. Ils cherchent maintenant à commercialiser la technologie.

Le travail de Yu est innovant, déclare Rick Greenough, ingénieur en systèmes énergétiques maintenant retraité de l'Université De Montfort au Royaume-Uni. "Je dois admettre que c'est une méthode à laquelle je n'avais pas vraiment pensé", dit-il.

Cette nouvelle conception de pompe à chaleur, par l'ingénieur thermique Zhibin Yu de l'Université de Glasgow, stocke la chaleur résiduelle qui serait autrement gaspillée et l'utilise pour aider à chauffer la maison ou à dégivrer une partie de la pompe elle-même. Cela rend le système plus efficace.

Et il y a plein d'autres idées en cours. Greenough, par exemple, a expérimenté le stockage de la chaleur dans le sol pendant les mois les plus chauds, où elle peut être exploitée par une pompe à chaleur lorsque le temps se refroidit. Sa conception utilise un fluide en circulation pour transférer l'excès de chaleur des panneaux solaires d'eau chaude dans des trous de forage peu profonds dans le sol. Cela augmente la température du sol d'environ 22 degrés Fahrenheit, jusqu'à un maximum d'environ 66 degrés Fahrenheit, dit-il. Puis, en hiver, une pompe à chaleur peut extraire une partie de cette chaleur stockée pour fonctionner plus efficacement lorsque l'air se refroidit. Cette technologie est déjà sur le marché, proposée par certains installateurs au Royaume-Uni, note Greenough.

Mais la plupart des pompes à chaleur actuelles ne génèrent encore que des températures de sortie relativement basses, de sorte que les propriétaires de maisons à courants d'air peuvent devoir assumer le coût supplémentaire de l'isolation lors de l'installation d'une pompe à chaleur. Heureusement, une solution émerge peut-être : les pompes à chaleur haute température.

"Nous avons dit : 'Hé, pourquoi ne pas fabriquer une pompe à chaleur capable de remplacer une chaudière à gaz sans avoir à isoler vraiment, vraiment complètement votre maison ?'", explique Wouter Wolfswinkel, responsable du programme de développement commercial de la société énergétique suédoise Vattenfall, qui fabrique des pompes à chaleur. Vattenfall et sa filiale néerlandaise Feenstra se sont associés pour développer une pompe à chaleur haute température, qui devrait faire ses débuts en 2023.

Comme les climatiseurs fonctionnant à l'envers, les pompes à chaleur comme celle qui est installée ici utilisent des réfrigérants pour capter la chaleur de l'extérieur et la déplacer à l'intérieur pour chauffer la maison.

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Dans leur conception, ils utilisent le CO2 comme réfrigérant. Mais comme les conditions de fonctionnement chaudes et à haute pression du système de pompe à chaleur empêchent le gaz de se condenser ou de se refroidir très facilement, ils ont dû trouver un moyen de réduire la température du réfrigérant afin qu'il puisse à nouveau absorber suffisamment de chaleur de l'air lorsqu'il retourne au début de la boucle de la pompe à chaleur. À cette fin, ils ont ajouté un "tampon" au système : un réservoir d'eau où une couche d'eau plus froide repose sous l'eau plus chaude au-dessus. La pompe à chaleur utilise la couche inférieure d'eau plus froide du réservoir pour ajuster la température du réfrigérant selon les besoins. Mais il peut également envoyer l'eau plus chaude au sommet du réservoir vers les radiateurs, à des températures allant jusqu'à 185 degrés Fahrenheit.

L'appareil est légèrement moins efficace qu'une pompe à chaleur conventionnelle à basse température, reconnaît Wolfswinkel, offrant un COP d'environ 265 % contre 300 %, selon les conditions. Mais c'est toujours mieux qu'une chaudière à gaz (pas plus de 95% d'efficacité), et tant que les prix de l'électricité ne sont pas significativement plus élevés que les prix du gaz, la pompe à chaleur à haute température pourrait toujours être moins chère à faire fonctionner. De plus, la température plus élevée signifie que les propriétaires n'ont pas besoin d'améliorer leur isolation ou de redimensionner leurs radiateurs tout de suite, note Wolfswinkel. Cela pourrait aider les gens à faire la transition vers le chauffage électrique plus rapidement.

Un test clé était de savoir si les propriétaires néerlandais opteraient pour cela. Dans le cadre d'un essai pilote, Vattenfall et Feenstra ont installé la pompe à chaleur dans 20 foyers de tailles différentes dans la ville de Heemskerk, non loin d'Amsterdam. Après quelques années de test, ils ont proposé en juin 2022 aux propriétaires de reprendre leur ancienne chaudière au gaz, qu'ils avaient conservée dans leur logement, ou d'utiliser la pompe à chaleur haute température de manière permanente. "Tous sont passés à la pompe à chaleur", explique Wolfswinkel.

Dans certaines situations, les installations de pompes à chaleur maison par maison peuvent être moins efficaces que la construction d'un seul grand système pour desservir tout un quartier. Depuis environ une décennie, Star Renewable Energy, basée à Glasgow, construit des systèmes de district qui tirent la chaleur d'une rivière ou d'une entrée de mer à proximité, y compris un système de chauffage urbain connecté à un fjord norvégien. Un fjord scandinave n'est peut-être pas la première chose qui vous vient à l'esprit si vous prononcez le mot "chaleur" - mais l'eau profonde du fjord détient en fait une température assez stable de 46 degrés Fahrenheit, que les pompes à chaleur peuvent exploiter.

Les pompes à chaleur géothermiques et à eau diffèrent des pompes à air en captant la chaleur du sol ou des masses d'eau.

Via un très long tuyau, le système de chauffage urbain aspire cette eau et l'utilise pour chauffer le réfrigérant, dans ce cas l'ammoniac. Une augmentation ultérieure et sérieuse de la pression du réfrigérant - à 50 atmosphères - élève sa température à 250 degrés Fahrenheit. Le réfrigérant chaud transmet ensuite sa chaleur à l'eau dans la boucle de chauffage urbain, élevant la température de cette eau à 195 degrés Fahrenheit. Le système tentaculaire fournit 85 % de l'eau chaude nécessaire pour chauffer les bâtiments de la ville de Drammen.

"Ce genre de chose est très excitant", déclare Greenough.

Toutes les maisons ne seront pas adaptées à une pompe à chaleur. Et tous les budgets ne peuvent pas non plus en accueillir un. Yu dit lui-même que le coût de remplacement de la chaudière à gaz de sa propre maison reste prohibitif. Mais c'est quelque chose qu'il rêve de faire dans le futur. Avec des efficacités en constante amélioration et des ventes en hausse dans plusieurs pays, les pompes à chaleur deviennent de plus en plus difficiles à rejeter pour leurs détracteurs. "Finalement", dit Yu, "je pense que tout le monde passera aux pompes à chaleur."

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Chris Baraniuk est un journaliste scientifique indépendant et un amoureux de la nature qui vit à Belfast, en Irlande du Nord. Ses travaux ont été publiés par la BBC, le Guardian, le New Scientist, le Scientific American et le Hakai Magazine, entre autres publications.

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