Exploitation optimale de la chaleur dissipée

En Suisse, beaucoup d’énergie se perd encore sous forme de chaleur dissipée. Si dans certains cas, par exemple dans les usines d’incinération d’ordures ménagères, la chaleur dissipée est déjà exploitée pour chauffer des bâtiments voire des quartiers entiers, la majeure partie s’évapore encore dans l’air, notamment celle générée par les usines ou les centres de calcul. Cela est dû, entre autres, au fait que la température de cette chaleur est souvent trop faible pour être utilisée directement. C’est précisément pour cette raison que les pompes à chaleur dites d’adsorption pourraient s’avérer utiles à l’avenir. À l’instar des pompes à chaleur à compression traditionnelles, elles sont capables de capter la chaleur et de la multiplier. De plus, les pompes à chaleur d’adsorption présentent un avantage par rapport aux pompes à chaleur par compression : elles ne consomment presque pas d’électricité, mais utilisent de la chaleur en guise de source d’énergie.

Jusqu’à présent, ces installations demeuraient toutefois relativement coûteuses. En outre, il n’existait pas de scénarios élaborés mettant en évidence dans quelles infrastructures thermiques existantes ce type d’installation pouvait s’intégrer au mieux. C’est pourquoi, avec son équipe de recherche, Stéphane Citherlet, physicien à la Haute école spécialisée de Suisse occidentale à Yverdon, a évalué les applications pratiques possibles et déterminé les exigences techniques auxquelles les pompes à chaleur doivent répondre dans chaque cas. Ces travaux s’inscrivaient dans le projet conjoint « Utilisation de chaleur avec des pompes à chaleur d’adsorption », dans le cadre duquel d’autres sous-projets portaient sur le développement technique des installations, leur impact sur l’environnement et leur rentabilité. L’objectif du projet conjoint était de perfectionner les pompes à chaleur d’adsorption jusqu’à atteindre la maturité commerciale.

Utiliser plus efficacement la ressource chaleur

À l’avenir, ces installations doivent contribuer à réduire les émissions du gaz à effet de serre qu’est le CO₂, ainsi que la dépendance vis-à-vis de l’énergie nucléaire. En effet, en Suisse, l’énergie servant au chauffage et au refroidissement de bâtiments ou pour les processus industriels reste majoritairement issue de ressources fossiles et représente plus de la moitié de la consommation totale d’énergie du pays. Si la consommation d’électricité est considérée séparément, 40 % découlent du chauffage et du refroidissement de locaux ou de matériaux. Environ la moitié de cette électricité provient aujourd’hui encore des centrales nucléaires. « C’est pourquoi, cela vaut la peine de gagner en efficacité dans l’utilisation de l’énergie thermique », explique M. Citherlet. « Une façon d’y parvenir consiste précisément à exploiter la chaleur dissipée à l’aide de pompes à chaleur d’adsorption. »

Afin de trouver les meilleurs scénarios d’application pour les pompes à chaleur, les chercheuses et chercheurs ont commencé par élaborer un modèle informatique leur permettant de représenter les caractéristiques techniques et thermodynamiques de ces systèmes. Par ailleurs, ils ont chiffré le potentiel inexploité de chaleur dissipée à l’échelle de la Suisse et ont déterminé les températures requises par les réseaux de chauffage à distance et d’autres consommateurs potentiels. En effet, les besoins de chauffage ne sont pas les mêmes dans les bâtiments modernes à plancher chauffant et les constructions plus anciennes, moins bien isolées et dotées de radiateurs.

Générer la température souhaitée

Dans ces scénarios, la pompe à chaleur doit faire face à différentes températures d’entrée et générer différentes températures de sortie. « Les processus et les températures de fonctionnement à l’intérieur de l’installation varient en conséquence », explique M. Citherlet. La chaleur entrante est tout d’abord utilisée pour vaporiser de l’eau. Puis, la vapeur d’eau est dirigée vers un échangeur de chaleur en vue d’y être adsorbée et comprimée par un matériau de sorption. Ce processus continue d’échauffer la vapeur, dont la température est ainsi démultipliée. Enfin, la vapeur échauffée est recondensée en eau, qui peut transporter et restituer la chaleur accumulée.

Des scénarios à la technique

Pour mettre en œuvre les pompes à chaleur dans les différents scénarios, il est nécessaire d’ajuster les trois températures de fonctionnement des systèmes : haute, moyenne et basse. Pour chacun des quatre scénarios, les chercheuses et chercheurs ont calculé les températures de fonctionnement qui assurent le meilleur rendement. À titre d’exemple, les températures optimales sont de 95, 40 et 16°C pour le premier scénario, mais de 82, 58 et 48°C pour le deuxième scénario. Les chercheuses et chercheurs ont transmis ces exigences de température de fonctionnement aux équipes des sous-projets associés, où elles ont servi de base au développement technique des installations.

Pour finir, l’équipe de M. Citherlet a calculé la quantité d’énergie susceptible d’être économisée à l’avenir grâce à l’utilisation des pompes à chaleur d’adsorption et l’impact que cela aurait sur l’environnement. Résultat : l’introduction des quatre scénarios envisagés dans toute la Suisse d’ici 2050 permettrait à elle seule de réduire les émissions de gaz à effet de serre de jusqu’à 5 %.