Ces pompes à chaleur des années 1800 qui se transforment en technologie du futur

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

C'est un problème d'ingénierie qui préoccupe Zhibin Yu depuis des années - mais il a maintenant l'occasion idéale de le résoudre. Coincé chez lui pendant le premier confinement britannique de la pandémie de Covid-19, l'ingénieur thermicien a soudain eu tout le temps nécessaire pour améliorer l'efficacité des pompes à chaleur : des appareils électriques qui, comme leur nom l'indique, transportent la chaleur de l'extérieur vers les maisons.

Les pompes sont beaucoup plus efficaces que les chauffages au gaz, mais les modèles standard 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 a lu de nombreux articles. Et puis il a eu une idée. La plupart des pompes à chaleur gaspillent une partie de la chaleur qu'elles génèrent. S'il pouvait capturer cette chaleur perdue et la détourner, il a compris que cela pourrait résoudre le problème du 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 extraordinaire".

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. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les pompes à chaleur ne couvrent à ce jour qu'environ 10 % des besoins en chauffage des locaux dans le monde. 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 dispositifs sont sans doute plus cruciaux que jamais.

Depuis sa séance de remue-méninges de 2020, Yu et ses collègues ont construit un prototype fonctionnel de pompe à chaleur qui stocke la chaleur résiduelle dans un petit réservoir d'eau. Dans un article publié à l'été 2022, ils décrivent comment leur conception permet à la pompe à chaleur de consommer moins d'énergie. De plus, en réacheminant séparément une partie de cette chaleur résiduelle vers la partie de la pompe à chaleur exposée à l'air froid, le dispositif peut se dégivrer lui-même lorsque cela est nécessaire, sans avoir à interrompre l'alimentation en chaleur de la maison.

L'idée repose sur le principe même du fonctionnement des pompes à chaleur : Si vous pouvez saisir la chaleur, vous pouvez l'utiliser. La particularité des pompes à chaleur réside dans le fait qu'au lieu de se contenter de produire de la chaleur, elles captent également la chaleur de l'environnement et l'introduisent dans votre maison, en la transférant éventuellement vers des radiateurs ou des systèmes de chauffage à air pulsé, par exemple. Cela est possible grâce au réfrigérant qui circule à l'intérieur d'une pompe à chaleur. Lorsque le réfrigérant rencontre de la chaleur - même une quantité infime dans l'air par temps froid - il absorbe ce minimum de chaleur.

Un compresseur porte alors le réfrigérant à une pression plus élevée, ce qui augmente sa température jusqu'au point où il peut chauffer votre maison. Cela fonctionne parce que l'augmentation de la pression rapproche les molécules de réfrigérant, ce qui augmente leur mouvement. Par la suite, le réfrigérant se dilate à nouveau, ce qui le refroidit, et le cycle se répète. Le cycle complet peut également fonctionner en sens inverse, ce qui permet aux pompes à chaleur de fournir du froid lorsqu'il fait chaud en été.

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.

Il s'agit d'un concept puissant, mais aussi d'un concept ancien. En 1852, le mathématicien, physicien et ingénieur britannique Lord Kelvin a proposé d'utiliser des systèmes de pompe à chaleur pour le chauffage des locaux. La première pompe à chaleur a été conçue et construite quelques années plus tard et utilisée industriellement pour chauffer de la saumure afin d'en extraire le sel. Dans les années 1950, les membres du Parlement britannique ont discuté des pompes à chaleur lorsque les stocks de charbon étaient en baisse. 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", écrivait un commentateur dans l'Annual Review of Energy de 1977.

Aujourd'hui, le monde est confronté à un autre problème d'approvisionnement en énergie. Lorsque la Russie, l'une des plus grandes sources de gaz naturel au monde, a envahi l'Ukraine en février 2022, le prix du gaz a grimpé en flèche - ce qui a propulsé les pompes à chaleur sous les feux de la rampe car, à quelques exceptions près, elles fonctionnent à l'électricité et non au gaz. Le même mois, l'écologiste Bill McKibben a écrit un billet de blog largement partagé intitulé "Les pompes à chaleur pour la paix et la liberté" dans lequel, faisant référence au président russe, il affirmait que les États-Unis pourraient "frapper pacifiquement Poutine dans les reins" en déployant les pompes à chaleur à grande échelle tout en réduisant la dépendance des Américains aux combustibles fossiles. Les pompes à chaleur peuvent être alimentées par des panneaux solaires domestiques, par exemple, ou par un réseau électrique alimenté principalement par des énergies renouvelables.

Faire fonctionner les appareils à l'électricité verte peut également contribuer à lutter contre le changement climatique, note Karen Palmer, économiste et chargée de recherche principale à Resources for the Future, un organisme de recherche indépendant de Washington, qui a cosigné une analyse des politiques visant à améliorer l'efficacité énergétique dans l'Annual Review of Resource Economics de 2018. "L'évolution vers une plus grande utilisation de l'électricité pour les besoins énergétiques des bâtiments va devoir se produire, à défaut d'une percée technologique dans autre chose", dit-elle.

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 ont du mal à se généraliser dans certains pays. L'une des raisons en est le coût : Les appareils sont nettement plus chers que les unités 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 également longtemps pensé que les pompes à chaleur ne fonctionnaient pas aussi bien dans les climats froids, en particulier dans les maisons mal isolées qui ont besoin de beaucoup de chaleur. Au Royaume-Uni, par exemple, où les maisons ont tendance à avoir des courants d'air, certains propriétaires ont longtemps considéré que les chaudières à gaz étaient plus sûres, car elles peuvent fournir de l'eau plus chaude (environ 140 à 160 degrés Fahrenheit) aux radiateurs, ce qui permet de chauffer plus facilement une pièce. En revanche, les pompes à chaleur ont tendance à être plus efficaces lorsqu'elles chauffent l'eau à environ 100 degrés Fahrenheit.

Le problème du climat froid est toutefois moins important que certains ne le pensent, étant donné qu'il existe sur le marché de nombreux appareils modernes à air qui fonctionnent bien même lorsque la température extérieure descend à moins 10 degrés Fahrenheit. La Norvège, par exemple, est considérée comme l'un des leaders mondiaux en matière de déploiement de pompes à chaleur. Palmer dispose d'une pompe à chaleur dans sa maison aux États-Unis, ainsi que d'une chaudière de secours. "S'il fait vraiment froid, nous pouvons compter sur la chaudière", explique-t-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. Par exemple, M. Yu explique que la nouvelle conception de la pompe à chaleur à air que ses collègues et lui ont mise au point pourrait améliorer le COP de 3 à 10 %, tout en étant moins coûteuse que les pompes à chaleur existantes aux fonctionnalités comparables. Ils cherchent maintenant à commercialiser cette technologie.

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

Et il y a beaucoup d'autres idées en cours. Greenough, par exemple, a expérimenté le stockage de la chaleur dans le sol pendant les mois chauds, où elle peut être exploitée par une pompe à chaleur lorsque le temps se rafraîchit. Il utilise un fluide circulant pour transférer l'excès de chaleur des panneaux solaires à 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. Ensuite, en hiver, une pompe à chaleur peut puiser 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 M. 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 pleines de courants d'air devront peut-être assumer le coût supplémentaire de l'isolation lorsqu'ils installeront une pompe à chaleur. Heureusement, une solution pourrait voir le jour : les pompes à chaleur haute température.

Nous nous sommes dit : "Pourquoi ne pas fabriquer une pompe à chaleur capable de remplacer une chaudière à gaz sans qu'il soit nécessaire d'isoler complètement la maison ?", explique Wouter Wolfswinkel, responsable du développement commercial de la société énergétique suédoise Vattenfall, qui fabrique des pompes à chaleur. Vattenfall et sa filiale néerlandaise Feenstra se sont associées pour développer une pompe à chaleur haute température, dont la commercialisation est prévue en 2023.

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 pour 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 située 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 elle peut aussi envoyer l'eau plus chaude du haut du réservoir vers les radiateurs, à des températures pouvant atteindre 185 degrés Fahrenheit.

L'appareil est légèrement moins efficace qu'une pompe à chaleur classique à température plus basse, reconnaît M. Wolfswinkel, offrant un COP d'environ 265 % contre 300 %, selon les conditions. Mais c'est toujours mieux qu'une chaudière à gaz (dont le rendement ne dépasse pas 95 %), et tant que les prix de l'électricité ne sont pas beaucoup plus élevés que ceux du gaz, la pompe à chaleur haute température pourrait être moins chère à utiliser. De plus, la température plus élevée signifie que les propriétaires n'ont pas besoin d'améliorer leur isolation ou d'augmenter la taille de leurs radiateurs tout de suite, note M. Wolfswinkel. Cela pourrait aider les gens à passer plus rapidement au chauffage électrifié.

L'un des principaux tests consistait à savoir si les propriétaires néerlandais étaient prêts à se lancer dans l'aventure. 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, en juin 2022, ils ont donné aux propriétaires la possibilité de reprendre leur ancienne chaudière à gaz, qu'ils avaient conservée chez eux, ou d'utiliser la pompe à chaleur haute température de manière permanente. "Tous ont opté pour la pompe à chaleur", affirme M. Wolfswinkel.

Dans certaines situations, l'installation de pompes à chaleur maison par maison peut être moins efficace que la construction d'un grand système pour desservir tout un quartier. Depuis une dizaine d'années, la société Star Renewable Energy, basée à Glasgow, construit des systèmes de chauffage urbain qui tirent leur chaleur d'une rivière ou d'un bras de mer voisin, notamment un système de chauffage urbain relié à un fjord norvégien. Un fjord scandinave n'est peut-être pas la première chose qui vous vient à l'esprit lorsque vous prononcez le mot "chaleur", mais l'eau qui se trouve au fond du fjord a une température assez stable de 46 degrés Fahrenheit, que les pompes à chaleur peuvent exploiter.

Par un très long tuyau, le système de chauffage urbain aspire cette eau et l'utilise pour chauffer le réfrigérant, en l'occurrence l'ammoniac. Ensuite, une forte augmentation de la pression du réfrigérant - jusqu'à 50 atmosphères - porte sa température à 250 degrés Fahrenheit. Le réfrigérant chaud transmet ensuite sa chaleur à l'eau dans la boucle de chauffage urbain, ce qui porte la température de cette eau à 195 degrés Fahrenheit. Ce système tentaculaire fournit 85 % de l'eau chaude nécessaire au chauffage des bâtiments de la ville de Drammen.

"Ce genre de choses est très excitant", déclare M. Greenough.

Toutes les maisons ne sont pas adaptées à une pompe à chaleur. Et tous les budgets ne peuvent pas non plus en accueillir une. M. Yu lui-même affirme que le coût du remplacement de la chaudière à gaz de sa propre maison reste prohibitif. Mais c'est une chose qu'il rêve de faire à l'avenir. Avec des rendements toujours meilleurs et des ventes en hausse dans de nombreux pays, les pompes à chaleur sont de plus en plus difficiles à rejeter par leurs détracteurs. "Un jour," dit Yu, "je pense que tout le monde passera aux pompes à chaleur".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.