Dans le cadre du programme national de recherche "Virage énergétique" PNR 70, le Fonds national suisse (FNS) soutient le projet de recherche interdisciplinaire «THRIVE» où des chercheurs** développeront jusqu’en 2017, une pompe à chaleur alimentée par des rejets thermiques.
Comparée aux pompes à chaleur à compression actuelles, cette technologie ne nécessite que très peu d’électricité et permet par ailleurs d’utiliser efficacement les rejets thermiques pour la climatisation d’immeubles. Le projet d’association fait partie de l’initiative FNS de soutien à la «stratégie énergétique 2050» de la Confédération et reste ouvert à la collaboration avec d’autres partenaires industriels intéressés.
Selon une étude commandée par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), la production de chaleur, par exemple pour le chauffage ou pour divers procédés techniques tels que sécher, forger ou fondre, représente près de la moitié de la consommation énergétique totale de Suisse. Actuellement, ces besoins énergétiques sont majoritairement couverts par des énergies fossiles. Le plus souvent, les rejets thermiques ainsi créés se dispersent dans l’environnement sans être utilisés. L’on constate que la production de chaleur et de froid représente encore près de 40% de la consommation totale en électricité. La stratégie énergétique 2050 prévoit l’abandon de l’énergie nucléaire, qui fournit aujourd’hui 40% de l’électricité suisse, ainsi qu’une réduction drastique des émissions de CO2. Afin d’atteindre cet objectif, il est indispensable d’utiliser plus efficacement les ressources énergétiques disponibles et de réduire durablement la consommation en électricité.
Pour permettre cela, des chercheurs se penchent, dans le cadre du projet «THRIVE» («Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels»), sur des nouvelles pompes à chaleur dites d’adsorption. Étant donné que ces dernières fonctionnent à base de chaleur et non d’électricité, cette technologie pourrait, d’une part, décharger le réseau électrique et, d’autre part, rendre utilisables les rejets thermiques provenant d’usines, de centrales électriques et de centres de données ou les sources énergétiques renouvelables, telles que l’énergie solaire, la géothermie et la biomasse.
[ Une simple démonstration d’une pompe à chaleur d’adsorption ]
«Les rejets thermiques sont actuellement trop peu utilisés, étant donné qu’aussi bien les possibilités techniques pour une utilisation écologiquement et économiquement judicieuse que la nécessité d’une telle utilisation manquent», dit Bruno Michel, manager du groupe «Advanced Micro Integration» du Centre de recherche IBM à Rüschlikon et l’un des chefs de projet. «L’utilisation à grande échelle de pompes à chaleur d’adsorption, telles que nous aimerions les développer dans le cadre du projet «THRIVE», permettrait théoriquement une réduction de près de 65% des besoins en électricité pour le chauffage et la climatisation et de près de 18% de la consommation de combustibles fossiles pour la production de chaleur d’ici 2040.» Cela correspondrait à des économies de près de 1,8 million de tonnes de CO2.
Les pompes à chaleur servent actuellement le plus souvent à revaloriser de la chaleur ambiante d’une température située entre -5 et 15°C afin de la transformer en chaleur pour des locaux ou des processus. Les pompes à chaleur traditionnelles soutirent de la chaleur à l’environnement, par exemple du sol ou de l’air, afin d’évaporer un réfrigérant dans un évaporateur. La chaleur générée monte dans un compresseur électrique, qui la condense et la chauffe ainsi. La vapeur se liquéfie ensuite à nouveau dans le condensateur et transmet la chaleur à un circuit de chauffage. Ce processus permet de produire aussi bien de la chaleur pour la climatisation de pièces que du froid tel que dans un réfrigérateur.
[ Revêtement de l’échangeur de chaleur d’adsorption testé à l’Institut de Technologies solaires de Zurich ]
Alimentation à base de chaleur au lieu d’électricité
La pompe à chaleur à adsorption, alimentée thermiquement, a un fonctionnement similaire. La grande différence réside dans le fait que le compresseur est remplacé par un échangeur thermique à adsorption, qui utilise de la chaleur à partir d’une température de 60°C au lieu de l’électricité comme énergie d’entraînement. Au cours du processus dit d’adsorption, l’échangeur thermique à adsorption accueille (adsorbe) des quantités considérables de vapeur de l’évaporateur et les condense, ce qui dégage de la chaleur. La transmission de chaleur à partir d’une source externe expulse à nouveau de l’échangeur thermique à adsorption le réfrigérant adsorbé auparavant. La vapeur chaude ainsi libérée se liquéfie à nouveau dans le condensateur et la chaleur de condensation correspondante est transmise au circuit de chauffage. La pompe à chaleur à adsorption peut aussi bien chauffer que refroidir. Étant donné que la production de chaleur se fait de manière discontinue, le fonctionnement sans interruption nécessite au moins deux échangeurs thermiques à adsorption travaillant en parallèle.
Grâce à leur faible consommation énergétique, les pompes à chaleur à adsorption peuvent fournir, par rapport à la puissance électrique utilisée, un multiple de la puissance de refroidissement ou de chauffage fournie par des pompes à chaleur conventionnelles. Par ailleurs, de l’eau pure peut être utilisée comme réfrigérant, au lieu des réfrigérants parfois peu respectueux de l’environnement. Un autre avantage de la technologie est le fait que des sources de chaleur renouvelables peuvent être utilisées, comme par exemple des installations solaires thermiques, produisant typiquement des températures allant jusqu’à 90°C.
[ Structures de grille d’impression 3D en tant que structures modèle d’adsorption ]
Chauffer et refroidir des bâtiments avec un centre de données
De par l’utilisation de la chaleur, il existe pour la pompe à chaleur à adsorption plusieurs cas d’application intéressants, auxquels les pompes à chaleur conventionnelles ne seraient pas adaptées. La pompe à chaleur à adsorption pourrait par exemple utiliser les rejets thermiques provenant de futures installations photovoltaïques concentrées activement refroidies ou de centres de données refroidis à l’eau chaude, afin de climatiser des immeubles de bureaux ou d’habitation. Le système informatique Aquasar, développé par des chercheurs d’IBM en collaboration avec l’EPF Zurich, est un précurseur du refroidissement à eau chaude de systèmes informatiques, qui non seulement réduit massivement les besoins en énergie pour le refroidissement de centres de données, mais permet également une utilisation des rejets thermiques. Pour les chercheurs d’IBM, «THRIVE» représente la prochaine étape dans la réalisation de ce projet. Les centres de données pourraient alors pratiquement se refroidir eux-mêmes à l’aide de leurs rejets thermiques. «Avec le projet «THRIVE», nous avons la possibilité unique d’allier les dernières connaissances issues de la science des matériaux, de l’optimisation technologique des échangeurs de chaleur et de la réunion de techniques de systèmes et de centrales de diverses disciplines», dit Elimar Frank de la Haute École technique de Rapperswil et co-responsable du projet «THRIVE»
Haute interdisciplinarité
Dans THRIVE, les chercheurs et partenaires industriels analysent les possibilités d’utilisation et les conditions du marché pour les pompes à chaleur à adsorption en Suisse et développent les technologies systématiques et matérielles pour les pompes à chaleur à adsorption futures. Des chercheurs de la division «Building Energy Materials and Components» de l’Empa, du département des sciences des matériaux de l’EPF Zurich et de l’Institut pour la Technologie Solaire de la Haute École technique de Rapperswil collaborent avec les fournisseurs de matériaux Zeochem et MOF Technologies, ainsi qu’avec le fabricant ETS Energie-Technik-Systeme, afin de développer des matières de sorption, des échangeurs thermiques et d’autres composants d’une pompe à chaleur compacte d’une capacité de refroidissement de 10 kilowatts (kW) et de chauffage de 30 kW. «Le développement de nouveaux matériaux d’adsorption à base de carbone ou de silicate permet de considérablement augmenter leur densité énergétique thermique, ce qui rend le système nettement plus efficace et rentable dans l’ensemble», explique le chercheur de l’Empa Matthias Koebel.
Le «Laboratoire d’énergétique solaire et de physique du bâtiment» de la «Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud» (HEIG-VD) se penche, en collaboration avec l’opérateur énergétique ewz, Danfoss et l’association InfraWatt, sur l’identification de scénarios d’application pour des pompes à chaleur thermiques en Suisse. Le Technology Assessment Group de l’Institut Paul Scherrer (PSI) effectue une évaluation de durabilité et des coûts de la technologie des pompes à chaleur d’adsorption et les compare avec des technologies conventionnelles.
** Sous la direction de IBM Research – Zurich et de la Haute école technique de Rapperswil et en collaboration avec des partenaires industriels, des chercheurs de l’Empa, de l’EPF Zurich, de la HEIG-VD et du PSI
Un procédé qui existe depuis des lustres: quand j’étais étudiant (vers 1970), j’avais dans ma piaule un “frigo à adsorption” au rendement déplorable ! Mais la “redécouverte” du procédé permet d’empocher des subventions pour un procédé qui n’offre aucun avantage: la consommation d’électricité est “faible”, mais le rendement et l’investissement rendent le procédé non compétitif. Enfin, si la récupération de chaleur sur les rejets thermiques n’est pas plus développée, ce n’est pas parce qu’on ne sait pas la récupérer techniquement, mais plutôt parce qu’on ne sait pas la transporter de manière économique à l’utilisateur. Un exemple: les centrales thermiques fossiles ou nucléaire dégagent des quantités énormes de chaleur (eau à 20 / 25°C) qui seraient parfaites comme source froide pour des pompes à chaleur pour le chauffage d’appartements (en remplacement de l’air ambiant à 0 / 10°C ou d’eau puisée dans le sol à 10 / 15°C), mais on ne sait pas transporter les quantités correspondantes d’eau à un coût économiquement acceptable.
Sujet déjà maintes fois abordé, mais difficile : Question : En France, comment récupérer 800 TWh/an déjà produits et payé ? Si on ne trouve pas la réponse, on peut déjà commencer par le soutirage d’un “peu” de vapeur à haute température.
Soutirer un peu de vapeur à haute température, ça ne pose aucun problème. D’ailleurs, ça existe déjà dans toutes les centrales pour réchauffer les condensats, préchauffer l’air de combustion, etc. La vraie question est: POUR EN FAIRE QUOI (en plus de l’existant) ? Y-a-t-il quelque chose à chauffer à proximité ? Quoi, combien d’heures par an, combien de MWhth ?
Les réponses se trouvent en partie dans les liens que j’ai déjà donné. Voir notamment, Bugey, Nogent et Loviisa.
Je prends un de vos exemples: transport de chaleur entre Bugey et Lyon (40 à 50 km). Vous en connaissez des réseaux de chaleur desservis par une source à plus de 40 km ? Vous avez calculé l’investissement et les frais de pompage / entretien, estimé les pertes ? Pour en revenir à des solutions plus réalistes, plutôt que de laisser les écolos, quand ils n’ont pas réussi à les interdire, repousser les usines d’incinération à plusieurs km des villes, pourquoi ne pas en autoriser la construction à proximité, comme cela se faisait avant les écolos (exemples: Paris, Lyon, Rennes, Limoges, Monaco …). Il n’y a pas besoin de subventions, ni de pari technologique, … juste la volonté de dire m… aux écolos !
Je suis allé en Chine, il y a des écolos …. comme il y en avait à Toulouse au moment de l’explosion d’AZF ! Ne confondons pas le matraquage idéologique des écolos (doués pour ramasser les subventions destinées à servir quelques intérêts “amis”) avec le vrai travail que font des organismes comme l’INRS, les inspecteurs du travail … auxquels ont coupe les vivres ! Un exemple du souci des écolos vis à vis de la sécurité. Je reste dans le domaine des déchets ménagers (que je connais bien !). Les écolos veulent promouvoir le compostage et la méthanisation … mais voilà, faire fermenter (pourrir) des ordures, ça pue ! Pas grave disent les écolos … on va enfermer tout ça dans des bâtiments … ça ne gênera plus ! Sauf que dans les bâtiments, il y a des gens qui travaillent, et que pour ne pas rendre les coûts insupportables, on réduit les renouvellements d’air. Je connais au moins un cas où des personnes ont perdu connaissance (heureusement sans suites graves après un petit séjour à l’hôpital) suite à la respiration d’air appauvri en oxygène, et inutile de parler des quantités de poussières que ces pauvres travailleurs sont contraints d’avaler ! Un autre exemple: les écolos font leur cirque autour des centrales nucléaires (pensez-donc, la catastrophe de Fukushima c’est tout de même … zéro victimes dues à la radioactivité – je ne parle pas des victimes du séisme ou du tsumani). Par contre, est-ce que ces mêmes écolos se préoccupent de la santé des gens soumis chaque jour à des doses de rayonnement bien plus importantes que celles reçues par les employés d’EDF comme le personnel des hôpitaux ou ceux qui pratiquent des contrôles radiographiques dans l’industrie ? Pourtant, je vous assure que les doses reçues n’ont rien à voir !
En complément à mon commentaire précédent, une notice de l’INRS relative à la méthanisation: D’après vous, les écolos ils vont pousser pour que ces recommandations deviennent d’application obligatoire et contrôlée, … ou bien ils vont pousser pour que leur application soit facultative ?
A Papijo Ma réponse n’était pas celle d’un écolo… ou alors je ne sais plus qui je suis ! En revanche, je vous disais de regarder les documents cités car il existe des évaluations chiffrées. Cela ne rend pas le problème plus facile ou plus rentable, mais cela rend l’hypothèse plus appréhendable.
Effectivement en suivant les liens, on trouve quelques remarques sensées dont celle-ci d’un certain “Dan1”: “Ceci dit, des études ont été faite sur la cogénération nucléaire et on voit qu’il y aurait des possibilités (certes plus modestes mais énormes compte tenu des quantités d’énergie en jeu) à condition de maîtriser le transport de cette énergie thermique et sa distribution à l’utilisateur final”. Pour ma part, je disais: “il ne sert à rien de se polariser sur le procédé de récupération de la chaleur de ces centrales, puisqu’on est incapable de la transporter à l’utilisateur final”, mieux vaut déplacer la centrale !. J’avais donné l’exemple des usines d’incinération, mais on pourrait aussi construire de petites centrales nucléaires à réacteur-piscine pour alimenter ces réseaux de chauffage à T
Je me suis déjà exprimé sur le sujet ( voir les liens proposés par Dan1), mais ce n’est pas la peine d’y penser ( à la cogénération “nucléaire”) en France.. Saur à titre anecdotique ( serres, fermes à crocodile, aquaculture,…). Trop loin, trop cher, trop tard et j’imagine mal de futures centrales se rapprocher des grandes agglomérations par rapport à la situation actuelle. Le chauffage urbain est historiquement limité en France. D’ores et déjà, beaucoup de réseaux existants sont alimentés à environ 50% par de la biomasse ( dont des ordures ménagères qui ne sont pas uniquement de la biomasse mais personnellement je rejoins Papijo pour dire que c’est loin d’être con de tout bruler (après tri selectif) plutôt que d’avoir des compostages qui fonctionnent mal. Viser environ 90% de “non-fossile” dans les réseaux de chauffage urbains, avec juste un petit complément gaz, ma parait tout-à-fait réaliste à un horizon raisonnable, +/-20ans.
J’ai oublié de vous répondre concernant les victimes de Fukushima. Je confirme le “zéro mort”. L’OMS ne dit pas autre chose: L’OMS admet cependant qu’une partie du personnel pourrait connaitre une augmentation (faible) du taux de cancer. L’OMS estime, avec des hypothèses pessimistes, pour le cas des travailleurs les plus exposés (moins de 1%) l’augmentation du risque de cancer aux alentours de 5%, et bien sûr tous les cancers ne sont pas mortels, surtout si ces employés sont bien suivis (pour mémoire, en France, le risque “naturel” de mourir d’un cancer est de 33%)! C’est bien sûr regrettable, mais pour la même production il y a combien de morts / blessés / cancers professionnels chez les industriels qui fabriquent les panneaux photovoltaïques, les éoliennes ou chez les mineurs de charbon ?
A Papijo “on trouve quelques remarques sensées dont celle-ci d’un certain “Dan1″” Méfiez-vous quand même de ce Dan1 qui n’a pas la dimension des chelya et autres qui, eux, comprennent parfaitement les problèmes de l’énergie et affichent une capacité d’anticipation que ne possède pas Dan1 qui est irrémédiablement tourné vers le passé !
A Papijo “NB: Je n’ai pas trouvé parmi les liens d’étude économique chiffrée.” Henri SAFA donne des éléments de coût dans son étude sur Nogent et Paris :
est je le répète complètement “hors sol”, car il part d’une hypothèse de fourniture d’eau surchauffée à environ 120°C alors que le réseau de chaleur parisien ( celui de la CPCU) est alimenté en vapeur légèrement surchauffée à environ 25bar et 240°C. Refaire complètement le réseau de chauffage parisien est certes possible, au-delà de ce ça couterait il faudrait juste interdire quasi complètement la circulation à Paris pendant 3 à 4 ans…Chiche!
Il y a d’autres incohérences, comme la température des retours à 60°C seulement, des pertes thermiques de 2% à pleine charge (on semble oublier que un réseau de chaleur est beaucoup plus souvent au-dessous de 5 à 10% de charge qu’au delà de 90%), absence de “solution de secours” en cas d’incident et enfin les hypothèses de calcul de coût qui ne sont pas présentées (combien pour l’investissement, pour la maintenance …). Tout celà pour arriver (page 26/31) à un prix “de gros” de 30 €/MWh (qui devrait certainement être doublé pour tenir compte de ces incohérences), à peine au-dessous du prix de gros sur le marché de l’électricité qui est de 40 à 50 €/MWh !
Nous sommes d’accord sur le fait qu’utiliser de l’énergie potentiellement disponible en masse n’est pas aussi facile que cela quand on prend tous les paramètres en compte : Mais ce qui vaut pour la cogénération nucléaire, vaut évidemment pour d’autres filières énergétiques et il ne suffit pas de dire…. la technique suivra ou l’énergie du soleil est gratuite. Entre la théorie et la pratique il y a parfois un abîme que les siècles ont du mal à combler. Pour exemple, l’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 et en 2015, la majorité de l’électricité mondiale est produite à partir des FOSSILES !
En Autriche on fait 30 km pour la centrale charbon de Dürnrohr, contruite juste à coté de la centrale nucléaire annulée de Zwentendorf. Peut-être que ce serait plus envisageable pour Gravelines avec Calais et Dunkerque à 15 et 20 km ? La CPCU de son coté se vante de développer progressivement des BEC ( Boucle d’Eau Chaude) qui utilisent une ressource d’eau à beaucoup plus basse température.
L’UNSCEAR est parvenue à des conclusions sensiblement moins pessimistes, expliquant que sa méthodologie ne différait pas de celle de l’OMS, mais qu’ayant terminé son rapport plus tard, elle avait eu accès à des données plus précises sur les rejets, et avait pu constater que c’était moindre que les évaluations initiales encore imprécises, cf . L’augmentation du risque cancer de 5%, ça parait bien élevé, car il faut être exposé à presque 1 Sv pour cela, or ce n’est pas le cas même des quelques ouvriers les plus exposés. Les mesures sur les enfants donnent aujourd’hui moins de 1 mSv par an pour plus de 99% d’entre eux, soit pas plus que ce que recoivent les enfants français en Corse et dans quelques une des zones les plus naturellement radioactives. Une étude a montré que ce résultat était à peu près 3 fois inférieur à l’estimation initiale d’après la taux de radiation atmosphérique mesuré dans la zone, ce qui s’explique par le fait qu’à l’intérieur des batiments l’exposition est plus faible.