POMPES À CHALEUR
Install Magazine 945 – novembre 2017
Régulation à la demande de PAC comme réponse à l’offre variable d’énergie renouvelable
Étude sur le potentiel des installations résidentielles
Un des problèmes qui se pose lors de la conversion aux énergies renouvelables est que la production d’énergie due aux panneaux solaires et aux éoliennes varie et ne correspond pas toujours à la demande. Utiliser le chauffage domestique comme tampon à l’aide de pompes à chaleur peut constituer une solution partielle. Les PAC individuelles sont dans ce cas-ci reliées à un réseau intelligent qui enclenche l’installation lorsqu’il y a une offre importante d’électricité verte. On profite ainsi de manière optimale de la capacité de production en énergie renouvelable, et on évite aussi les pics dans la demande en électricité due au chauffage. Dieter Patteuw (KULeuven) a réalisé une étude pour estimer l’importance de l’impact d’un tel système.
Profiter de l’inertie thermique du bâtiment
Le déséquilibre entre la demande et l’offre empêche une utilisation optimale de l’électricité verte. D’un côté, il y a des pics dans l’offre d’énergie solaire et éolienne, à des moments où la demande est insuffisante. Il en résulte que l’on est parfois obligé d’arrêter les éoliennes parce qu’elles ne peuvent pas se débarrasser de leur électricité. D’un autre côté, il y a des pics de demande lorsque l’offre est insuffisante, par exemple lors des soirées d’hiver, quand la production d’électricité photovoltaïque est arrêtée. Dans ce cas, des centrales supplémentaires à énergie fossile doivent être mises en route pour compenser ces pics. Ceci se révèle non seulement cher, mais cela entraîne également des émissions supplémentaires.
En intervenant sur la commande des PAC, il est possible de mieux faire correspondre l’offre et la demande. On utilise pour faire la capacité de stockage thermique de l’habitation et de l’installation. Il s’agit en premier lieu de l’inertie thermique de la masse du bâtiment. Les installations de PAC modernes sont par ailleurs la plupart du temps couplée à un ballon tampon et raccordée à un système de chauffage par le sol, deux éléments qui possèdent également une capacité de stockage thermique considérable. Il y a en outre le boiler d’ECS, qui peut également être utilisé comme réservoir de stockage. Il est dès lors possible de décaler le cycle opératoire de la PAC de quelques heures sans perte de confort.
Concrètement, il en résulte que le ballon tampon, le boiler le chauffage par le sol et la masse du bâtiment sont réchauffés lorsqu’il y a une suroffre d’électricité verte, afin que la demande de chaleur soit couverte durant les heures à venir. Lorsqu’un pic de demande en électricité est attendu, on peut dès lors y répondre en chauffant préalablement la masse du bâtiment de quelques degrés supplémentaires. Ceci permet de résoudre les deux problèmes principaux de l’offre variable. On peut tout d’abord mieux utiliser l’offre d’électricité verte, et ensuite, les pics et chutes dans la demande d’électricité sont tassés. On peut ainsi gérer le réseau plus efficacement, et on ne doit pas mettre en route de coûteuses centrales pour couvrir les pics de demande.
Des pompes à chaleur comme solution ?
L’avantage d’utiliser des installations résidentielles avec des PAC comme méthode de stockage, est que les investissements supplémentaires nécessaires sont minimes. La plupart des installations de PAC recourent en effet à un ballon tampon, un boiler en ECS et à du chauffage par le sol. Il s’agit par ailleurs d’une technique connue : les seuls éléments supplémentaires qui sont nécessaires, sont les compteurs intelligents et les commandes intelligentes du chauffage. Ces deux techniques sont d’ores et déjà disponibles sur le marché. Il ne faut donc pas développer de nouvelles techniques, comme le stockage de chaleur avec des PCM. Les propriétaires de l’habitation ne doivent pas non investir en première instance dans des batteries électriques.
Restriction : le confort doit continuer à être garanti. Lors du glissement des cycles opératoires, on doit effectivement tenir compte des besoins calorifiques réels. Dans la pratique, on se limite à un glissement de quelques heures. On amène par exemple le bâtiment ou le ballon à température dans l’après-midi, lorsqu’il y a une suroffre d’électricité verte. De par l’inertie thermique, il y a encore suffisamment d’énergie stockée dans le ballon tampon et le chauffage par le sol lorsque les habitants rentrent à la maison, pour que la PAC ne doive pas être enclenchée.
Cela signifie toutefois qu’une certaine surchauffe va se manifester. Dans la mesure où l’installation est amenée à température avant qu’il n’y ait une demande en chaleur effective, les déperditions thermiques seront toujours plus élevées que dans le cas d’une stricte commande selon les besoins. Les gains en efficacité dans le production sont en principe suffisamment grands pour compenser largement cela.
Combien cela rapporte-t-il ?
On a jusqu’ici évoqué le principe, mais quel est maintenant le rendement réel ? Pour s’en faire une idée, Dieter Patteuw a réalisé une série de calculs de simulation à la KULeuven. Combiner un grand nombre de logements en un système commandé centralement est toutefois un problème compliqué. Si on doit tenir compte de tous les paramètres et de toutes les interactions, cela conduirait à un modèle complexe ingérable, qui exigerait beaucoup trop de capacité informatique. C’est pourquoi un certain nombre de scénarios simplifiés ont été calculés. Les hypothèse de base étaient les suivantes :
- Un parc de 250.000 PAC, avec une puissance électrique absorbée de 2 à 5 kW chacune.
- L’électricité est produite par 30% d’éoliennes et 10% de panneaux PV, le reste étant produit par un mix de turbines à gaz et de centrales STEG. Dans ce scénario, la sortie du nucléaire est déjà un fait.
- Le profil de consommation et les données météo sont basés sur ceux de 2013.
Pour le parc de bâtiments, on a défini trois types (bâtiments ouverts, semi-ouverts ou mitoyens) de six périodes différentes (avant 1945, 1945-70, 1971-90, 1991-2005, 2006-2012, après 2012). Deux niveaux de rénovation ont par ailleurs été déterminés (léger et profond), en partant du fait établi que tous les anciens bâtiments avaient, dans la simulation, déjà subi au moins une légère rénovation pour être mieux adaptés aux PAC.
Pour l’installation, on a noté trois variantes :
- Une PAC air-eau avec des radiateurs
- Une PAC air-eau avec du chauffage par le sol
- Une PAC géothermique avec du chauffage par le sol
On a alors à chaque fois calculé pour ces cas, quel serait l’effet si on faisait correspondre la demande à une suroffre d’électricité verte. Il a fallu ici faire attention à ce que la température ambiante reste dans les limites de confort. La conclusion général est que les émissions de CO2 ont pu être réduites de 10 à 20%. L’impact diffère toutefois selon le type d’installation : moins les bâtiments sont isolés, moins ils conviennent aux PAC. La réduction des émissions est d’une part due au fait qu’il y a une part moindre d’énergie renouvelable perdue parce que les éoliennes ont été débranchées, et d’autre part en raison du moins grand nombre de pics de demande, nécessitant le démarrage de centrales au gaz. Vu que l’introduction des PAC entraîne une consommation d’électricité plus élevée, le fait d’éviter les pics est une action tout à fait sensée.
Les producteurs et distributeurs ont intérêt à faire face à une demande plus régulière, parce qu’ils peuvent ainsi gérer la production de manière plus efficace. Un décalage de la demande entraîne par contre une consommation plus élevée et à des déperditions thermiques. La consommation d’électricité des PAC augmente de 1 à 10% pour compenser ces pertes.
L’influence de l’optimalisation de l’installation de stockage énergétique a été suivie, par exemple par l’adaptation des températures de consigne ou par un plus grand dimensionnement du ballon tampon. Cela n’a toutefois débouché que sur de faibles progrès. Le système peut donc parfaitement fonctionner sans adaptations à la pratique d’installation actuelle ; on évite du même coup des coûts supplémentaires pour le propriétaire.
Comment motiver le client ?
Une diminution des émissions de CO2 est positive, mais ce qui intéresse surtout les producteurs et les consommateurs d’électricité, c’est une diminution des coûts. On évalue également cela à l’aide d’une étude de cas. De celle-ci, il ressort que les économies opérationnelles peuvent atteindre 150 euros par participant par an. En évitant les pics de demande, l’économie totale par raccordement peut grimper jusqu’à 300 euros.
Afin de convaincre les propriétaires d’adopter un tel système, on doit élaborer un modèle économique adapté. Le gain revient en effet au producteur et au gestionnaire de réseau, alors que le client subit le désavantage d’une consommation plus élevée. On doit donc aboutir à un système qui récompense le consommateur lorsqu’il adapte son profil de consommation. L’économie potentielle reste ici limitée à quelques centaines d’euros par an à peine, ce qui n’est pas de nature à faire en sorte qu’un fournisseur d’électricité ou un gestionnaire de réseau puisse accorder de généreux avantages au client.
Les Etats-Unis constituent à ce titre une source d’inspiration potentielle. Là-bas, il existe des programmes destinés à éviter les pics de consommation en été. On y procède par analogie avec le trafic : quiconque ‘démarre avant les heures de pointe, afin d’éviter les bouchons’, et donc porte son habitation à température au préalable, se voit attribuer un bonus à la fin de l’année.
Plus il y a de participants, moins le gain est important
Une étude a été réalisée sur les effets du nombre de participants sur le gain financier. On est parti pour ce faire d’une situation comparable à celle de l’étude mentionnée ci-dessus, mais avec un parc d’un million de logements bien isolés et équipés d’une PAC. Le degré de participation variait ici entre 5 et 100%. Le gain ne croît toutefois pas proportionnellement au degré de participation. En chiffres absolus, il y a certes plus de gains, mais ceux-ci doivent être divisés par le nombre de participants. Si seulement 5% des candidats participent à un système de commande à la demande, le gain par participant est environ deux fois supérieur à celui qui correspond à une participation totale. Lors de l’introduction d’un tel système, on doit donc faire attention à ce que l’augmentation du nombre de participants ne soit pas contreproductive.
Très prometteur, mais il y a encore des défis à relever
Bien que l’étude n’intègre pas toute la complexité de la situation, il s’agit néanmoins d’une bonne indication du potentiel d’accroissement de la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique, sans que de lourds investissements dans de nouvelles technologies ne soient nécessaires à moyen terme. L’évolution vers un plus grand nombre de PAC jouera un rôle important en la matière.
Le défi consiste à traduire la baisse des émissions de CO2 en un avantage économique pour le consommateur. Cela fait partie d’une problématique plus large, dans laquelle des aspects comme la politique des prix du gaz et de l’électricité, la sortie du nucléaire et la stabilité du réseau interviennent également.
Nos remerciements à Dieter Patteuw
Par Alex Baumans
Graphiques: Dieter Patteeuw
En gérant la demande des PAC, on peut obtenir un meilleur équilibre.
Un modèle de la situation belge. Dans le graphique de gauche, la ligne en pointillés montre la consommation électrique sans PAC, la ligne bleue la consommation avec des PAC, et la ligne rouge la consommation avec régulation à la demande. L’effet de tassement des pics est clairement visible.
Le graphique du milieu montre la différence entre la demande en électricité avec (ligne rouge) et sans (ligne bleue) régulation à la demande, sur base d’une température ambiante constante de 22°C .
Le graphique de droite montre la différence entre la puissance de crête avec (rouge) ou sans (bleu) régulation à la demande.
RES: Renewable Energy Supply: production d’énergie renouvelable.
Un effet important de la régulation à la demande est que les sources d’énergie renouvelable doivent être moins souvent débranchées.
L’étude démontre que plus il y a de consommateurs qui adaptent ce système, plus le gain individuel est faible. Plus il y a d’énergies renouvelables dans le mix de production, plus l’effet est marqué.
RES: production d’énergie renouvelable.
DR: régulation à la demande
