La pompe à chaleur haute température à compression électrique devient une technologie essentielle à la décarbonation de l’industrie. Cette innovation permet désormais de récupérer et valoriser la chaleur fatale et la chaleur renouvelable à des niveaux de température compatibles avec les exigences de l’industrie. Vous avez dit haute température » ? Les pompes à chaleur PAC sont largement utilisées pour chauffer et/ou climatiser les bâtiments. Elles permettent également de produire l’eau chaude sanitaire, on parle alors de chauffe-eau thermodynamiques. Les PAC sont également utilisées dans l’industrie depuis longtemps pour le chauffage des locaux mais également pour les procédés. C’est par exemple le cas de la préparation d’eau de lavage, de la cuisson, de la fermentation en agroalimentaire ou du séchage par air chaud. On les rencontre également en mode thermofrigopompe, lorsqu’elles produisent simultanément du chaud et du froid pour chauffer et refroidir un procédé. Ces PAC dites standard sont capables de produire de la chaleur jusqu’à 70 °C, ce qui couvre 100 % des besoins dans le résidentiel et le tertiaire, mais seulement 4 % des besoins dans l’industrie. Ces dernières années, des travaux de R&D ont permis d’atteindre des températures plus élevées et les PAC sont aujourd’hui capables de fournir de la chaleur jusqu’à 90 °C. On parle alors de PAC haute températureHT et, pour des températures encore supérieures, de PAC très haute température. Le laboratoire d’EDF Lab Les Renardières Dans ses laboratoires de recherche & développement, EDF conçoit et teste des prototypes de PAC haute température. Il s’agit de montrer la faisabilité et les performances de ces PAC. Ce travail est mené en collaboration avec des industriels du secteur en réalisant des machines à l’échelle 11 capable d’être installées sur des sites industriels. Le laboratoire réalise aussi des essais de PAC disponibles sur le marché pour en vérifier leurs performances et leur fiabilité en réponse à des variations de température et de puissance que l’on rencontre sur les sites. Le laboratoire est un élément clé de dérisquage » des projets innovants d’intégration de ces PAC autour des procédés industriels. Une double innovation Innovation technologique Les PAC utilisent l’air ambiant, la géothermie ou la chaleur fatale comme source de chaleur basse température. Le compresseur permet d’élever cette température mais le coefficient de performance COP de la PAC est inversement proportionnel à cette élévation. Le travail d’ingénierie pour permettre à ces machines de monter en température en gardant de bonnes performances a consisté à adapter les compresseurs et leur étanchéité, les réfrigérants à faible impact environnemental, les huiles moteur et les condenseurs. Ainsi, les COP varient aujourd’hui de 2,4 à 5,8 pour des élévations de température allant de 40 à 95 °C. Innovation d’ingénierie Les premières réalisations ont été mises en oeuvre dans des réseaux de chaleur. 143 PAC sont à ce jour installées sur 80 réseaux de chaleur répartis dans onze pays européens, représentant une puissance de 1,6 GW thermiques. Ces PAC haute température y jouent différents rôles injection de chaleur fatale ou renouvelable sur le retour, production de chaleur entre le retour et l’aller abaissant ainsi la température de retour et augmentant l’efficacité des chaudières, ou encore production de chaleur de réseau secondaire ou en sous-station pour un usage dédié. La PAC HT répond également au souci de récupération de chaleur dans l’industrie. Ce gisement, jusqu’à maintenant peu exploité, consiste en l’installation d’échangeurs pour chauffer des locaux ou préchauffer de l’eau chaude. La récupération de chaleur, outre la simultanéité, pose le problème des différents niveaux de température entre la source à récupérer et le besoin à satisfaire. C’est ce verrou que la PAC HT permet de lever, en élevant la température de chaleur récupérée, sous forme liquide, dans des eaux usées, des circuits de refroidissement, des condenseurs de groupes froids, ou sous forme gazeuse, dans l’air extrait des locaux ou des procédés, des buées des sécheurs, des fumées de chaudières ou de fours… à la température du besoin. L’intégration énergétique consiste à concevoir les procédés et les utilités en optimisant les flux énergétiques. En Norvège, où l’électricité est peu chère et décarbonée, situation équivalente à la France, cela a conduit à la conception et à la réalisation de la première laiterie 100 % électrique. Les ingénieurs ont pour cela utilisé une cascade de production de chaleur et de froid à l’aide d’un groupe froid, d’une thermofrigopompe et d’une PAC HT. Lire aussi Tout savoir sur les pompes à chaleur… Des atouts indéniables qui confèrent à la PAC un rôle central dans la transition énergétique Les PAC haute température présentent de nombreux avantages qui en font les championnes de la transition énergétique. Leur COP supérieur à 2,3 permet de réaliser des économies d’énergie les rendant éligible aux aides publiques CEE, fonds chaleur. Il permet également d’effacer la différence de prix entre le gaz et l’électricité avec une réduction de la facture énergétique rendant possible l’amortissement de l’investissement. Le remplacement de l’énergie fossile par l’électricité permet également des réductions massives des émissions de CO2. En France, le contenu carbone de l’électricité est, pour les usages industriels, de l’ordre de 55 g CO2/kWh. La valeur pour le gaz naturel est de l’ordre de 220 g CO2/kWh PCI, soit quatre fois plus. Ce rapport combiné à un COP de 4 conduit à une division par 16 des émissions de CO2, et donc une réduction supérieure à 90 % ! Enfin, la PAC HT permet l’intégration des EnR thermiques géothermie, solaire thermique, chaleur fatale et des EnR électriques solaire photovoltaïque qui contribuent à la couverture du talon de consommation électrique. Lire aussi La pompe à chaleur au cœur des stratégies bas carbone Projet Transpac PAC pour les opérations de séchage 500 kWth, 160 °C.© DR Un marché qui s’ouvre, dopé par le plan de relance Les PAC HT sont aujourd’hui capables de se substituer à 15 voire 30 TWh de chaleur annuellement produits par des énergies fossiles dans l’industrie. Leur utilisation peut s’étendre à des procédés jusqu’ici non regardés et dans des secteurs où elles sont restées peu répandues. C’est plus particulièrement le cas des industries agro-alimentaires et chimiques et des papeteries, pour récupérer de la chaleur fatale ou autour des procédés de stérilisation, d’évaporation, de séchage… Ce marché qui s’ouvre, tiré par leur utilisation dans les réseaux de chaleur, conduit les constructeurs à étoffer leur gamme d’équipement et à offrir aujourd’hui des produits allant en température jusqu’à 120 °C. Le plan de relance, à travers l’appel à projets décarbonation de l’industrie » 1,2 milliard d’euros investis entre 2020 et 2022, vient doper ce secteur et les dispositifs incitatifs mis en place permettent de ramener les temps de retour brut à 24 mois, pour des durées de vie 15 à 20 ans. La technologie continuera d’évoluer vers des températures toujours plus hautes 150 °C et vers les réfrigérants naturels NH3, CO2 ouvrant encore plus largement les usages à ceux de la vapeur basse pression. Les premières réalisations sont en cours sous forme de démonstrateurs. Jean-Luc LabordeEDF, Développement de solutions innovantes bas carbone