Technologies clés 2010

TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Energie – environnement

35. Valorisation et distribution de la chaleur à basse température par pompe à chaleur

Description

Les pompes à chaleur permettent de prélever des calories dans une source « froide », puis de les restituer à une source « chaude » à plus haute température, qui bénéficie donc d'un apport de chaleur. La source froide peut être l'air extérieur ou une masse d'eau (nappe phréatique, lac, cours d'eau ...) ; la chaleur est ensuite transférée à un fluide caloporteur : eau (circuit d'eau chaude) ou air (conduite d'air). Selon la combinaison adoptée, on parlera par exemple de pompe à chaleur air-eau ou de pompe eau-eau. La source peut également être le sol. On parle alors de pompe à chaleur géothermique, qui est une des applications les plus répandues.

Plus généralement, toute source de chaleur à basse température, donc non directement utilisable pour le chauffage ou la fourniture d'eau chaude sanitaire, peut être valorisée grâce aux pompes à chaleur. La source peut être naturelle, mais il peut également s'agir de chaleur « fatale », produite par exemple par un process industriel et habituellement perdue.

La plupart des pompes à chaleur sont d'une conception comparable à celle des machines frigorifiques. Le système comprend principalement des échangeurs, un compresseur et un circuit pour le fluide caloporteur. Ce type de pompe permet de produire en moyenne 2 à 4 kWh de chaleur en consommant 1 kWh d'électricité. Les pompes à chaleur à absorption, basées sur un cycle thermodynamique différent, sont d'une utilisation plus marginale.

Actuellement, les pompes à chaleur sont essentiellement utilisées dans le secteur résidentiel, pour le chauffage et éventuellement la climatisation (pompes à chaleur réversibles). Dans l'industrie, hors chauffage des locaux, les applications sont plus limitées, dans la mesure où la chaleur produite atteint au plus 100-120°C, ce qui est le plus souvent insuffisant pour les process industriels.

Les pompes à chaleur sont une technologie relativement « mûre », mais qui continue de bénéficier de multiples développements : augmentation du coefficient de performance, amélioration de la régulation, combinaisons à plusieurs compresseurs, remplacement des fluides ... Ainsi, le recours à des fluides tels que le CO₂ implique une modification en profondeur de la conception de la pompe à chaleur.

Degré de développement :
Emergence	Croissance	Maturité

Enjeux, Impact

Le bâtiment consomme chaque année 70 Mtep (dont 49 Mtep pour le chauffage), soit 43 % de la consommation totale d'énergie finale en France. La maîtrise des consommations d'énergie des bâtiments est donc un enjeu majeur. Les pompes à chaleur géothermiques permettent de réduire la dépendance aux combustibles fossiles (gaz naturel et fioul, largement utilisés pour le chauffage) et donc de réduire les émissions de CO₂.

Marché

Avec environ 24 000 unités vendues en 2004 (10 000 systèmes air-air, 9 000 pompes à chaleur géothermiques et 5 000 systèmes air-eau), la France constitue le deuxième marché en Europe pour les pompes à chaleur. Les systèmes réversibles chaud-froid y sont en forte progression. Néanmoins, en terme de parc installé, elle a encore un certain retard par rapport à des pays tels que l'Allemagne, la Suède ou la Suisse.

Degré de diffusion de la technologie :
Naissance	Diffusion	Généralisation

Domaines d'application :
industries des équipements du foyer ; industries des équipements mécaniques ; production et distribution d'électricité, de gaz et de chaleur ; bâtiment

Acteurs

Disciplines scientifiques : sciences des milieux naturels (terre, océans, atmosphère), énergetique, mécanique des fluides.

Compétences technologiques : moteurs - pompes - turbines, procédés thermiques, composants mécaniques.

Pôles de compétitivité : EnRRDIS (Rhône-Alpes), Énergies renouvelables-bâtiment (Languedoc-Roussillon).

Liens avec (technologies) : technologies d'intégration des ENR dans le bâtiment.

Principaux acteurs français

Centres de compétences : Cetiat, Costic, Greth (Groupement sur la recherche sur les échangeurs thermiques)

Industriels : EDF, Enalsa, Entropie, Erset, France Géothermie, Solterm ... ; Afpac (www.afpac.org) (Association française pour les pompes à chaleur).

Exemples d'acteurs dans le monde : Daikin (Japon), Stiebel-Eltron (Allemagne), Thermia (Suède), Toshiba (Japon), Trane (États-Unis), York (États-Unis) ... ; European Heat Pump Association (www.ehpa.org) ; IEA Heat Pump Centre (www.heatpumpcentre.org).

Commentaires

Le couplage d'une pompe à chaleur avec le stockage de calories dans les couches superficielles du sol est le principal concept d'application susceptible d'un très fort développement au cours des prochaines années. En particulier, les « pieux géothermiques » permettent de limiter le coût de l'accès au stockage de calories dans le sol, en combinant l'échangeur avec des fondations sur pieux. Ces technologies vont se développer dans la construction neuve, notamment dans le secteur tertiaire, mais aussi dans le résidentiel collectif.