Introduction
Les pompes à chaleur sont utilisées pour assurer le chauffage et l'eau chaude sanitaire. Leur utilisation est fortement encouragée afin de remplacer les systèmes fonctionnant à base de ressources fossiles (gaz, fioul), ce qui permet une réduction de rejets de gaz à effets de serre.
Cependant, les pompes à chaleur ont besoin qu’on leurs fournissent de l’énergie électrique pour faire fonctionner le compresseur. Le bilan en termes d’énergie renouvelable dépend donc de l’énergie primaire utilisée pour produire l’électricité. En général, le bilan est positif, c.à.d.
que l'énergie récupérer de l'environnement (chaleur) est supérieur à l'énergie fournit (électricité). Ceci peut paraitre improbable au vue de la 2ème loi thermodynamique. Or cela est possible car la 2ème loi thermodynamique ne tient pas compte de la qualité de l'énergie.
Dans certains cas, si le courant utilisé pour faire fonctionner le compresseur est produit à partir d'énergie fossile, les avantages environnementaux seront amoindrit ou nul, voir même néfaste. Cela dépend du bilan. De plus la Suisse étant interconnecté avec ces voisins européens, il est difficile de savoir si l'électricité réellement utilisé est produite en Suisse (mixte Suisse) ou ailleurs. L'utilisation des pompes à chaleurs est en forte croissance depuis 1998, cette technologie est la plus utilisé avec les maisons minergie. On le voit avec les graphiques ci-dessous qui montre l’explosion des ventes de pompe à chaleur.65 Cela contribue à réduire l’effet de serre, du smog, et des risques de pollution.
65 OFEN
En fonction du milieu de l’environnement d’où provient l’énergie et du fluide caloporteur, on distingue les pompes à chaleur
air-eau
sol-eau
eau-eau
On choisira le type de pompe à chaleur en fonction du milieu d'extraction.
Pompe à chaleur air-eau
L’énergie est extraite de l’air puis distribué dans un fluide caloporteur. La source de chaleur est l’air qui est disponible partout et à volonté. De plus on peut l'utiliser sans problème comme source d'énergie. Il est gratuit.
L'installation d'une pompe à chaleur air-eau ne nécessite pas d'autorisation et est assez simple. Ce type de pompes à chaleur s'utilise en plaine et jusqu'à 600-800 mètres comme système de chauffage monovalent ce qui signifie qu’elle subvient à la totalité des besoins
en chauffage. Au-dessus, il faut un complément de chauffage électrique, ou bois, ou une énergie fossile. Les pompes à chaleur air-eau détiennent en Suisse 52% des parts du marché.
On notera aussi son faible coût d’investissement.
Pompe à chaleur sol-eau
Avec une sonde, on récupère la chaleur de la terre en vaporisant un fluide calorifique. Par la suite la chaleur sera transmise à un fluide caloporteur d'eau. La source de chaleur est le sol.
En Suisse, la part de marché des pompes à chaleur sol-eau représente 43%. Les arguments en sa faveur sont :
Performances élevées à toutes altitudes (COPA de 4)
Niveau de bruit très faible (réfrigérateur)
Emprise au sol minimum (moins qu´une machine à laver)
Production d´eau chaude sanitaire favorable
Très longue durée de vie du captage (plus de 100 ans)
Pompe à chaleur eau-eau
L'énergie est récupérer dans l'eau de la nappe phréatique et transmise par la suite à un fluide caloporteur d'eau. La source de chaleur est l’eau. La température de la nappe phréatique est constante et élevée toute l'année (entre 8°C et 12°C). Cette source convient donc parfaitement au chauffage par pompe à chaleur. Il est également possible de capter la chaleur des eaux de
surface, telles que lacs, rivières, ruisseaux et eaux usées. En Suisse, la part de marché des pompes à chaleur sol-eau représente 5%. Les arguments en sa faveur sont :
Performances élevées à toutes altitudes (COPA plus de 4)
Niveau de bruit très faible (réfrigérateur)
Emprise au sol minimum (moins qu´une machine à laver)
Production d´eau chaude sanitaire avantageuse
Faible investissement pour les grandes puissances
Fonctionnement
Une pompe à chaleur est généralement constituée de quatre éléments, à savoir : un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur. Les quatre étapes de son fonctionnement sont :
I. On récupère de l’énergie à l’extérieur (sol, air, eau) grâce à l’évaporateur.
II. On augmente ensuite le niveau de température via le compresseur.
III. On transfère cette énergie grâce au condenseur.
IV. On abaisse la pression et la température du liquide frigorigène par le détendeur.
Le schéma ci-dessous résume le fonctionnement d’une pompe à chaleur.
Coefficient de performance
Le COP d’une PAC est : où : Tu : température finale
Tf : température source froide ηPAC : rendement technique
On voit que plus la différence entre la température de la source froide et finale est faible, plus le rendement sera élevé.
Le COP annuel moyen d'une installation est :
Où : Em : énergie prélevé dans l'environnement.
Ea : énergie électrique fournit au compresseur.
On peut dire que l’utilisation de PAC n'est pas conseillée dans un environnement très froid.
Dans ces cas, on peut l’utiliser en bivalence, c.à.d. avec un complément de chauffage électrique, ou bois, ou une énergie fossile.
Comparons le COP des différents types de PAC. D’après des mesures effectuées, on obtient la hiérarchie suivante : COPair-eau< COPsol-eau< COPeau-eau. Ci-dessous la comparaison des résultats de mesures entre 1993 et 2000.
Où : COPair-eau : coefficient de performance de l'aérothermie COPsol-eau : coefficient de performance de la géothermie COPeau-eau : coefficient de performance de la hydrothermie
On peut dire que l’hydrothermie possède le COP le plus élevé et est donc par conséquent le système le plus performant. C’est aussi le système le plus coûteux.
Central de chauffe de l’EPFL
Le développement qui suit est repris du document suivant : http://sce.epfl.ch/sce/CCT.pdf. Implantation
La Centrale de Chauffe par Thermopompes de l'EPFL est située au nord-est du site bâti de l'Ecole. Elle est distante d'environ un kilomètre du lac Léman (source froide) et de moins de cinquante mètres d'un petit ruisseau appelé la Sorge qui est utilisé en tant que "conduite"
naturelle pour le rejet des eaux au lac. Les thermopompes ou pompes à chaleur utilisent l'eau du lac, en tant que source froide. Pompée à 900 m du rivage, à une profondeur de 68 m, cette eau a, comme caractéristique principale, une température constante d'environ 6° à 7° toute l'année. Refoulée à une pression de 3.5 à 4.0 bars à la Station de Pompage, elle transite jusqu'à la centrale par une conduite de 750 mm de diamètre utilisant le réseau des galeries techniques de l'Université et de l'EPFL.
Après avoir traversé l'évaporateur des thermopompes, elle est rejetée à la Sorge sans altération ni modification chimique, à une température de l'ordre de 2 à 3°.
Fourniture
La centrale permet de fournir :
L'énergie thermique nécessaire aux besoins en chauffage de l'EPFL, distribuée par deux réseaux: l'un à moyenne température, destiné aux bâtiments de la première étape;
l'autre à basse température, destiné aux bâtiments de la deuxième étape de construction de l'EPFL à Ecublens.
L'eau de refroidissement (climatisation, refroidissement d'appareils scientifiques, etc.) pour les besoins de l'Université et de l'Ecole Polytechnique.
Équipement de la centrale de chauffe Machines
Deux thermopompes d’une puissance thermique de 4.5 MW. Le cycle de fonctionnement de la thermopompe est le suivant.
o Le compresseur, entraîné par le moteur électrique, augmente la pression et la température du fluide frigorigène (ammoniac NH
3).
o Dans le condenseur (échangeur de chaleur), le fluide frigorigène se condense au contact de la tuyauterie contenant l'eau de retour des bâtiments plus froide que lui et cède son énergie chaleur à l'eau de chauffage.
o La vanne de détente abaisse la pression et provoque une forte baisse de la température du fluide frigorigène.
o Dans l'évaporateur (échangeur de chaleur), le fluide frigorigène s'évapore au contact de la tuyauterie contenant l'eau du lac en provenance de la station de pompage plus chaude que lui en utilisant l'énergie chaleur de cette eau et provoque un abaissement de sa température.
Deux turbines à gaz d’une puissance de 3.0 MW électrique et de 5.0 MW thermique aux chaudières de récupération.
Réseaux hydrauliques
Un réseau moyenne température (MT) alimentant les bâtiments de la 1ère étape et délivrant une température de départ glissante allant de 28°C par 16°C ext. à 65°C par -10°C ext.
Un réseau basse température (BT) alimentant les bâtiments de la 2ème étape et délivrant une température de départ glissante allant de 26°C par 16°C ext. à 50°C par -10°C ext.
Un réseau de circulation interne entre les thermopompes et l’accumulateur de chaleur basse température (ABT)
Un réseau de circulation interne entre les récupérateurs de chaleur et les accumulateurs de chaleur haute température (AHT1 et AHT2)
Période de fonctionnement
La saison de chauffage commence au début du mois de septembre et se termine en général au mois de mai, en fonction des conditions météorologiques. Durant cette période, les
installations fonctionnent en mode automatique et sont soumises aux conditions climatiques.
Si la température extérieure est supérieure à 16°C, l’ordinateur de gestion commande une interruption de la production thermique et arrête les pompes de distribution de l’énergie. Si la température extérieure descend au-dessous de 16°C, la production d’énergie reprend après une temporisation de deux heures.
Contraintes impératives
La température de retour des réseaux, à l’entrée des thermopompes, ne doit jamais être supérieure à 45°C, sous peine d’une baisse de puissance disponible aux thermopompes, voire d’un arrêt des machines.
Le nombre de démarrages journaliers des turbines doit être limité autant que possible afin d'éviter une usure prématurée des machines.
Dès que la température extérieure dépasse 18°C, la production électrique ne peut plus être assurée.
Les tests mensuels de sécurité des groupes turbines-récupérateurs perturbent pendant deux jours la marche régulière de la centrale (obligation de l’ASIT).
Refroidissement et climatisation
La centrale assure également la distribution de l'eau du lac pour les besoins de refroidissement des processus de laboratoires (lasers, optiques, etc.) et de climatisation du site de l'EPFL et de l'UNIL. L'eau du lac est pompée à une profondeur de 68.80 m. à une température d'env. 6°C toute l'année par la SPP, Station de Pompage des Pierrettes (photo de droite), et amenée à la centrale au travers des galeries techniques de l'UNIL jusqu'à la CCT. Elle est ensuite surpressée par des pompes boosters à vitesse variable qui garantissent une pression constante de 5 bars. Dès la station de surpression, l'eau de refroidissement est appelée "eau industrielle"(photo de gauche). Après utilisation de l'énergie, cette eau est rejetée sans aucun traitement dans la Sorge (rivière courant au Nord de la centrale), à une température d'env. 12 à 14°C, et retourne au lac.
Exercices
1) L’énergie hydraulique et la biomasse ont la même origine. Laquelle? Expliquer Leur origine commune est le soleil. En effet, la biomasse est indirectement, de l’énergie solaire stockée sous forme organique grâce à la photosynthèse qui est la réaction permettant aux végétaux de transformer du CO2 et de l'eau en énergie et oxygène, cette réaction est catalysée par l'énergie solaire. Concernant l’énergie hydraulique (mise à part l'énergie marémotrice), son origine réside dans les phénomènes météorologiques et par conséquent du soleil. Ces phénomènes (évaporation, condensation, etc.) prélèvent de l’eau principalement dans les océans et en libèrent une partie sur les continents. C’est le cycle de l’eau. Ci-dessous le cycle bilan de la biomasse et le cycle de l’eau.
2) Pourquoi l’énergie hydraulique est-elle une énergie renouvelable?
Pour répondre à cette question, il faut se rappeler de ce qu’est une énergie renouvelable. Les énergies renouvelables sont des modes de production d'énergie utilisant des forces ou des ressources dont les stocks sont illimités. Ce sont donc des énergies inépuisables. Pour savoir si l’énergie hydraulique est une énergie renouvelable ou non, il faut aussi se rappeler de la définition de l’énergie hydraulique. L'hydroélectricité est la technique qui permet de produire de l'électricité à partir de courant d'eau résultant du cycle de l'eau. L'origine de ce cycle est les radiations solaires qui provoquent l'évaporation de l'eau entraînant ainsi les autres échanges. Le principe de production de l’électricité à partir de la force de l’eau est le suivant.
L'énergie cinétique est transformée en énergie électrique à l’aide de turbine. Celle-ci est composée d'un rotor qui tourne autour d'un stator ce qui produit de l'électricité. C'est l'énergie de l'eau qui entraine les palles de la turbine (solidaire du rotor). Comme le cycle de l’eau peut être considéré comme une constance sur notre planète et par conséquent disponible en quantité illimités, on peut conclure que l’énergie hydraulique est une énergie renouvelable. Cependant, on peut nuancer cela. En effet, lorsqu’on parle d’énergie renouvelable, on sous-entend une énergie durable. Or la durabilité de l’exploitation d’un
barrage peut être remise en question. En effet, la sédimentation peut provoquer des dysfonctionnements à moyen terme. Par exemple de nombreux barrages ont été fermés prématurément et ne produisent plus d'électricité.
3) La biomasse est-elle toujours une énergie renouvelable? Pourquoi?
Nous avons défini ce qu’était une énergie renouvelable à la question 2. La biomasse en ferait partie à conditions que cette énergie soit inépuisable, c.à.d. que les réserves de cette énergie restent constantes malgré son exploitation. Pour cela, il ne faudrait pas extraire plus d'énergie (combustion) que les quantités d’énergie produites. Si tel est le cas, la biomasse est une énergie renouvelable. Or si les quantités produites sont inférieurs aux quantités brûlées, la biomasse ne peut plus être considérée comme une énergie renouvelable en soit.
4) Décrire 5 modes de valorisation énergétique de la biomasse.
Les différentes voies de valorisation énergétique de la biomasse sont regroupés dans le schéma ci-dessous tiré de l’IFP.
5) L’Afrique est la première région en termes de contribution des énergies renouvelables à la consommation d’énergie. Discuter cette affirmation.
L’Afrique n’a pas pu lancer de grand programme de recherche concernant les sources d’énergie à cause de son retard au niveau du développement économique et le manque de recherche scientifique. Donc malgré que l’Afrique soit un continent riche en ressource fossile, elle reste très dépendante des pays industrialisés pour assurer ces besoins énergétique. Par exemple, l’Afrique dispose d’importante source d’uranium mais ne dispose pas du savoir-faire et des techniques nécessaires pour son exploitation. L’Afrique ne dispose pas non plus de grand réseau de distribution et de production d’électricité pour subvenir à ces besoins,
faute de moyen. En effet, seules les grandes villes sont alimentées en énergie moderne (électricité, pétrole).Ces raisons sont la cause du retard de l'Afrique dans les systèmes énergétiques.
En Afrique, la biomasse issu du bois est utilisé depuis des siècles ce qui peut expliquer son classement comme première région en termes de contribution des énergies renouvelables à la consommation d’énergie. Cependant, à l’heure actuelle, cette contribution ne suffit plus pour lui garantir un développement harmonieux. Afin d’améliorer les conditions de vies de la population et ainsi le développement du continent africain, les services énergétiques devront se développer rapidement afin d’augmenter l’accès à l’énergie pour tout le monde. Une solution envisageable réside dans les énergies renouvelables. Ils ne nécessitent pas de lourd investissement contrairement aux technologies conventionnelles. En effet la nature modulaire de certaines énergies renouvelables (développement progressif) permet un investissement faible et progressif particulièrement bien adapté au continent africain.
Les énergies renouvelables développées avec succès sont :
La géothermie, principalement dans les pays de la zone de la Vallée du Rift (essentiellement le Kenya où les centrales géothermiques représentent plus de 10 % de la capacité de production du pays).
La cogénération (principalement sur l’île Maurice, où la cogénération contribue à près de 40 % de l’électricité produite dans le pays).
La petite et moyenne hydraulique dans des zones rurales isolées, qui a joué un rôle important dans la fourniture d’une électricité à bon marché à des hôpitaux, à des usines de thé, et à d’autres institutions et entreprises rurales.
Les biocarburants, produits sous forme de sous-produits d’industries agroalimentaires existantes comme des usines de sucre et utilisés comme un mélange de carburant pour le transport (à hauteur de 10-15 %, ce qui ne nécessite pas de modification des réseaux de distribution de carburant existants ou de la flotte actuelle des véhicules), se sont avérés une réussite relative au Malawi.
L’énergie éolienne dans les zones littorales du nord et du sud de l’Afrique, où les vitesses de vents sont constamment élevées toute l’année, et des parties de l’arrière-pays comme le Nord du Kenya, où des vitesses de vents moyennes élevées sont disponibles et où l’infrastructure de transport d’électricité est déjà en place ou prévue Certains pays parallèlement aux développements des "nouvelles énergies renouvelables", continue d'intégrer le développement de la filière bois-énergie. Comme le Bénin qui dans sa
"STRATEGIE POUR LA FOURNITURE D’ENERGIE NECESSAIRE POUR L’ATTEINTE DES OMD "(2006) définit les priorités pour le sous-secteur de la biomasse :
Améliorer l'efficacité de la consommation du bois-énergie au niveau des usagers domestiques et dans le secteur de la production artisanale par une politique favorisant l'accès à des foyers économiques de cuisson ;
Remplacer une partie des consommations du bois-énergie par des produits de substitution (gaz butane, pétrole lampant) en vue de réduire la dépendance excessive des ménages du bois-énergie notamment dans les centres urbains;
Réorganiser l'exploitation forestière sur la base de schémas directeurs d'approvisionnement des centres urbains et par la création en zones rurales de marchés contrôlés de bois-énergie;
Développer des actions de récupération-valorisation des différents types de déchets végétaux produits en zone forestière et dans les centres urbains qui sont gaspillés actuellement ;
Encourager les activités de plantation de bois qui vise à promouvoir une offre additionnelle de bois. »