De nouvelles recherches menées par des scientifiques en sciences atmosphériques de l’Université d’Hawaï (UH) à Mānoa ont révélé que l’indicateur centenaire utilisé dans de nombreux secteurs pour estimer la demande énergétique de la climatisation et de la réfrigération — appelé degrés-jours de refroidissement — omet un élément fondamental. Leur étude, publiée récemment dans Nature Communications, présente une nouvelle version de cette métrique basée sur la physique — les degrés-jours de refroidissement effectifs — qui capture l’impact combiné de la température et de l’humidité sur le travail réel d’un système de refroidissement. En l’appliquant à l’Amérique du Nord, ils ont constaté que l’efficacité du refroidissement a diminué silencieusement de 2 à 4 % par décennie depuis 1971, et que l’ancien indicateur basé uniquement sur la température sous-estime ou surestime les besoins de refroidissement selon les régions.
« Les estimations des degrés-jours de refroidissement sont utilisées partout », a déclaré Jake Casselman, chercheur postdoctoral en sciences atmosphériques à l’École des sciences océaniques et de la Terre et de la technologie (SOEST) de l’UH Mānoa. « Les compagnies d’électricité, les gestionnaires de réseau, les planificateurs énergétiques et les ingénieurs les utilisent pour anticiper la demande d’électricité, et les marchés financiers échangent des contrats à terme sur ces données pour se prémunir contre les étés anormalement chauds. Si cet indicateur est biaisé en fonction du climat régional, alors les décisions de planification fondées sur lui le sont aussi. Cela peut conduire à construire une capacité de production électrique inadéquate au mauvais endroit, ou à mal évaluer les risques pour le réseau lors d’une canicule. »
Remettre en question une vieille hypothèse
L’approche précédente pour estimer les besoins de refroidissement supposait que chaque degré de chaleur nécessite la même quantité d’énergie pour refroidir, quelles que soient les conditions. Mais les systèmes de refroidissement réels ne fonctionnent pas ainsi : ils deviennent moins efficaces à mesure qu’il fait plus chaud, et l’humidité aggrave la situation, car le système doit dépenser de l’énergie pour extraire l’humidité de l’air, et pas seulement pour abaisser la température.
Casselman et Christina Karamperidou, professeure de sciences atmosphériques à la SOEST, ont combiné la science du climat avec l’ingénierie de la réfrigération pour développer une nouvelle métrique de la demande de refroidissement qui prend explicitement en compte la variation de l’efficacité des systèmes de refroidissement en fonction de la température et de l’humidité. Leur approche intègre un modèle simplifié du cycle de réfrigération — la même physique qui régit tous les climatiseurs et réfrigérateurs — pour estimer l’efficacité avec laquelle un système de refroidissement peut évacuer la chaleur dans différentes conditions atmosphériques. Ils ont appliqué cette nouvelle métrique à cinquante années de données météorologiques haute résolution (1971-2020) à travers l’Amérique du Nord pour quantifier comment les changements d’efficacité du refroidissement liés au climat ont déjà remodelé la demande de refroidissement dans les régions. Ils ont ensuite répété l’analyse en utilisant les projections de 19 modèles climatiques dans un scénario à fortes émissions pour évaluer les changements futurs. Enfin, ils ont cartographié les résultats sur le réseau électrique américain, en tenant compte de l’endroit où les gens vivent, afin d’identifier les régions et les systèmes électriques les plus susceptibles de connaître les plus fortes variations de la demande de refroidissement.
« Nos résultats montrent que les régions confrontées aux plus fortes augmentations futures de la demande de refroidissement sont le Nord-Ouest, les Grands Lacs et le Mid-Atlantique, où certaines régions du réseau devraient voir la demande d’électricité liée au refroidissement plus que doubler d’ici le milieu du siècle dans ce scénario à fortes émissions “du pire cas” », a partagé Karamperidou. « Bien évaluer la demande de refroidissement n’est pas un exercice académique ; cela affecte directement la façon dont nous planifions, dimensionnons et exploitons les futures infrastructures énergétiques à mesure que le climat change. »
Nouvelles perspectives grâce à une approche plus élégante
Si les chercheurs n’ont pas été surpris que le refroidissement devienne moins efficace à mesure que les températures augmentent, car c’est une question de thermodynamique de base, l’impact de l’humidité a introduit une véritable surprise. Ils ont rapporté que dans certaines régions, comme le désert du Sud-Ouest, ils s’attendaient à une baisse de l’efficacité, mais une fois pris en compte le fait que l’air devient également plus sec, la baisse a parfois disparu, et dans quelques endroits, l’efficacité est même restée stable ou s’est améliorée. Un air plus sec est réellement plus facile à refroidir, ce qui compense en partie la pénalité due aux températures plus élevées. L’inverse était tout aussi frappant : dans les régions humides, la chaleur et l’humidité se combinent, de sorte que la charge énergétique est plus importante que ne le suggère la seule température.
« Voir ces deux effets agir en sens inverse à travers le continent, ce que nous avons appelé un “tug-of-war”, est quelque chose qu’une vision uniquement basée sur la température n’aurait jamais révélé », a déclaré Casselman.
Ce projet a relié la science climatique fondamentale à des défis concrets. Il a été à la fois motivé et rendu possible par les interactions des chercheurs avec des ingénieurs en gestion thermique du pôle technologique sur les réfrigérants écologiques appliqués (NSF ERC EARTH) financé par la National Science Foundation, dont l’UH est une institution partenaire clé.
Comme les systèmes de refroidissement sont véritablement complexes, Casselman et Karamperidou ont dû intégrer un modèle de réfrigération suffisamment simple pour être appliqué partout, mais assez fidèle pour capturer la physique réelle de la façon dont la température et l’humidité modifient l’efficacité. Grâce à leurs collaborations interdisciplinaires avec des chercheurs travaillant sur les technologies de refroidissement de nouvelle génération au NSF ERC EARTH, ils ont pu trouver le bon équilibre : suffisamment de détails techniques pour être significatif et assez de simplicité pour être calculable à l’échelle climatique.
Ce projet est un exemple de scientifiques de l’UH Mānoa s’attaquant à un problème qui touche presque tout le monde sur la planète — comment rester au frais alors que le climat se réchauffe — et le résolvant en reliant les disciplines, de la physique atmosphérique à l’ingénierie.
Article : Efficiency-weighted cooling degree days reveal opposing temperature and humidity effects on energy deman – Journal : Nature Communications – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : Hawaii à Manoa U.
