POMPES À CHALEUR
Install Magazine 978 – septembre 2021

Combinaison d’énergie solaire et de pompes à chaleur

Le projet SunHorizon étudie les systèmes hybrides

Quand on évoque la combinaison d’énergie solaire et de pompes à chaleur, on pense avant tout à des panneaux photovoltaïques destinés à alimenter en courant une PAC électrique. D’autres méthodes sont toutefois envisageables. Celles-ci recourent notamment à de la chaleur solaire afin de créer un système intégré dans lequel on met le plus possible à profit l’énergie renouvelable.

Projets de démonstration

Le programme SunHorizon comprend 5 packages technologiques innovants et 8 projets de démonstration dans différents pays européens soumis à des climats divers. Ce programme rassemble 21 partenaires issus tant de l’industrie que du monde académique. L’objectif consiste à chaque fois à atteindre le Technology Readiness Level (TRL) 7 avec des packages technologiques : cela correspond à la démonstration de la validité d’un système à l’aide d’une application concrète dans un environnement opérationnel réel.

Atteindre ce stade est très important en termes d’opportunités offertes aux techniques. Cela offre non seulement la possibilité de traduire un concept en une application pratique utilisable, mais c’est aussi un signal envoyé au monde politique. Personne ne sait en effet précisément à quoi ressemblera le paysage énergétique du futur. Cela permet de prendre des décisions à propos des techniques qui auront le plus d’impact, et qui mériteront donc le plus de soutien pour leur introduction sur le marché. En accumulant de l’expérience avec des systèmes dans des conditions pratiques, il est ainsi possible de collecter des données destinées à fonder des décisions politiques ou d’investissements.

Cinq concepts

Les cinq concepts recourent à de l’énergie solaire thermique en combinaison avec des pompes à chaleur à moteur thermique, afin de couvrir les besoins en chauffage, le tout complété ou non par du refroidissement. Le premier concept comprend des panneaux solaires à tubes sous vide performants de TVP Solar qui, en combinaison avec une PAC gaz de BoostHeat, alimentent un ballon de stockage Ratiotherm, qui à son tour fournit de l’énergie pour le chauffage et l’ECS. Ce concept est appliqué dans des projets à Berlin et Verviers.

Le deuxième est d’une conception équivalente : il se compose également d’une PAC BoostHeat, d’un ballon de stockage Ratiotherm et de panneaux solaires. Il s’agit toutefois dans ce cas de panneaux solaires hybride (PV et thermiques) de Dualsun. Le système couvre ainsi non seulement les besoins en chaleur, mais également une partie de la consommation électrique. Ce concept est appliqué à Nuremberg, Riga et Verviers. Dans le ce dernier cas, il s’agit aussi d’un chauffage de piscine.

Le troisième package recourt également à des panneaux solaires thermiques et à du stockage de chaleur, mais cette fois avec un chiller à moteur thermique, soit une configuration quelque plus complexe. Les panneaux solaires de TVP Solar fournissent de la chaleur à un ballon de stockage Ratiotherm. Ce dernier gère la production d’ECS ainsi que le chauffage en hiver. En mode été, il sert à la production d’ECS et alimente le chiller à adsorption de Farenheit, qui recharge un deuxième ballon de stockage Ratiotherm en eau froide. Le ballon de stockage froid couvre alors les besoins en refroidissement du bâtiment. Ce package technologique est appliqué à Sant Cugat, près de Barcelone. Les besoins en chaleur y sont plutôt limités, mais les besoins en refroidissement sont par contre beaucoup plus élevés.

Le package technologique quatre est d’une conception plus simple : des panneaux solaires hydrides PVT de DualSun sont raccordés à un ballon de stockage de Ratiotherm, qui est également couplé à une PAC géothermique réversible de BDR Thermea. En fonction des besoins, l’électricité des panneaux solaires peut être utilisée pour actionner la PAC ou pour couvrir la consommation du bâtiment. La PAC peut aussi fonctionner en mode refroidissement en été. Ce concept est appliqué dans deux projets en Espagne : Piera et Madrid.

Le cinquième package technologique est le plus complexe : ici, tant des panneaux solaires thermiques de TVP qu’une PAC de BoostHeat alimentent un ballon de stockage Ratiotherm. Ce ballon de stockage assure le chauffage et la production d’ECS. En mode été, ce ballon fournit également la chaleur nécessaire pour faire tourner un chiller à adsorption de Farenheit, qui lui alimente en froid un deuxième ballon de stockage Ratiotherm destiné à assurer le refroidissement. Contrairement au précédent, ce concept n’a pas été converti dans la pratique et est exclusivement étudié à l’aide de simulations, qui reposent sur l’hypothèse d’un immeuble à appartements et d’un bureau, à chaque fois en trois endroits différents.

Les rendements attendus divergent fortement selon le lieu, l’application et le système. On escompte toutefois une réduction comprise entre 33 et 70% des émissions de gaz à effet de serre, et de 30 à 85% des frais de fonctionnement.

Alternatives au cycle de compression

Deux types de PAC à moteur thermique ont été utilisées dans les projets. L’appareil de BoostHeat recourt à la compression mécanique au CO₂ comme mode de fonctionnement, alors que la solution de Farenheit est basée sur l’adsorption de la vapeur d’eau à l’aide de zéolithe. Ces principes de fonctionnement offrent une réponse aux deux défis de la transition énergétique. Ils n’utilisent en premier lieu que peu d’’électricité. Il s’agit donc d’une méthode qui produit de la chaleur verte, sans charger le réseau électrique. Deuxièmement, on n’a guère besoin de fluides frigorigènes synthétiques : on utilise en effet des réfrigérants naturels comme l’eau ou le CO₂, qui n’entrent donc pas dans le champ d’applications des réglementations relatives aux gaz fluorés.

Dans le système de Farenheit, de l’eau s’ évapore à basse pression, de sorte que la température d’évaporation reste peu élevée. La vapeur d’eau est adsorbée par le zéolithe. Il s’agit d’un type de minéral capable de capter beaucoup d’eau. Au cours de ce processus, de l’énergie est extraite de l’environnement par l’évaporateur. Une fois que la capacité de remplissage du zéolithe est atteinte, de la chaleur est fournie afin de sécher le zéolithe. La vapeur est alors à nouveau chassée du zéolithe, et peut alors se condenser dans la chambre d’évaporation. Le processus peut ensuite recommencer. Dans la mesure où le processus comporte deux phases distinctes (évaporation/régénération), on a besoin de deux modules pour pouvoir refroidir en continu. Lorsque l’un des modules refroidit, l’autre peut alors se régénérer, etc.

BoosHeat utilise un piston à entraînement thermique qui, à son tour, active un cycle de compression avec du CO₂ comme fluide frigorigène. Dans ce processus, de la chaleur est extraite de l’environnement et restituée au circuit de chauffage. Le système est commercialisé sous la forme d’une solution de chauffage hybride, composée d’une PAC BoostHeat et d’une chaudière à condensation conventionnelle comme appoint pour les pointes et pour la production d’ECS. Par rapport à une chaudière classique, il serait ainsi possible d’économiser jusqu’à 50% de la consommation de gaz, Sous sa forme actuelle, l’appareil fonctionne au gaz naturel, mais il est parfaitement possible de passer au propane ou au gaz vert. Les avantages du systèmes BoostHeat sont une grande fiabilité (le piston ne nécessite quasiment pas d’entretien) et un faible impact environnemental grâce à l’utilisation d’un fluide frigorigène naturel.

Ces projets démontrent qu’il existe des méthodes alternatives capables d’extraire de la chaleur verte de l’environnement, sans présenter les inconvénients qui sont associés au scénario du tout électrique.

Par Alex Baumans

Figures: SunHorizon