Pompes à chaleur industrielles : une voie vers la décarbonation
Quand envisager une pompe à chaleur?
Premier constat : le sujet suscite un vif intérêt. Toutes les places pour cette masterclass ont été rapidement réservées. Face à cet engouement, Energik prévoit une seconde édition au printemps 2027.
Des experts issus de divers horizons (monde académique, ingénierie, installation et fournisseurs) ont partagé leurs points de vue sur le rôle des pompes à chaleur dans la décarbonation de l’industrie. Il convient toutefois de rappeler que cette technologie ne constitue qu’une des solutions permettant de remplacer les combustibles fossiles. D’autres options existent comme l’électrification directe, les carburants verts ou encore le captage et le stockage de CO2. C’est en fonction de l’application et des températures requises qu’il faut déterminer la technologie la plus appropriée.
À l’heure actuelle, la principale limite reste la température requise. Les applications nécessitant jusqu’à 150°C ne posent aucun problème aux pompes à chaleur. Les températures de l’ordre de 200°C restent envisageables, et certaines installations expérimentales peuvent même atteindre 240°C. Au-delà, d’autres solutions s’avèrent généralement plus adaptées. Mais même lorsque les applications s’inscrivent dans ces plages de températures, il n’est pas certain qu’une pompe à chaleur soit la technologie la plus pertinente. Si de la chaleur fatale est disponible, il convient d’abord de vérifier si elle ne peut pas être directement valorisée à l’aide d’un échangeur thermique. Cela permet de réaliser des gains énergétiques avec un minimum d’énergie motrice.
Le mot-clé dans tout cela est la chaleur résiduelle. Une pompe à chaleur est le moyen idéal pour exploiter cette ressource et concilier une demande en refroidissement avec une demande de chaleur. L’approche la plus efficace peut être déterminée avec une analyse pinch. Selon cette méthode, les besoins en froid et en chaleur sont représentés graphiquement, ce qui permet d’identifier le point où les températures des deux applications se rapprochent le plus, soit le pinch point. Il devient alors possible d’évaluer le potentiel de récupération de chaleur et de froid.
Analyse des possibilités
Le passage à une pompe à chaleur doit s’accompagner d’un exercice d’optimisation des processus. Avec une chaudière classique, les températures élevées ne posent aucun problème. Par commodité, de nombreuses entreprises ont pris l’habitude de travailler à des températures plus élevées que ce qui est strictement nécessaire. En commençant par optimiser les régimes de température, il est généralement possible de réduire la taille de la future pompe à chaleur. L’optimisation fonctionne toutefois dans les deux sens : une grande quantité de chaleur fatale peut indiquer un processus peu efficace. Améliorer le rendement réduira donc la chaleur résiduelle, ce qui pourrait nécessiter la recherche d’autres sources de chaleur.
Le ‘debottlenecking’ est une approche intéressante. Traditionnellement, la température la plus élevée requise détermine le régime de l’ensemble de l’installation. Cependant, si ce pic de température ne couvre qu’une demande limitée, il est souvent plus judicieux d’opter pour une autre solution alternative dédiée à cette application spécifique, comme un chauffage électrique direct. En isolant ce besoin particulier, une pompe à chaleur peut alors être déployée efficacement pour le reste du processus.
Quid des fluides frigorigènes?
Le règlement F-gaz impose des limites maximales plus strictes en matière de GWP. Et pour compliquer encore les choses, les seuils et échéances varient selon le type d’appareil et la puissance. À cela s’ajoute l’effet des quotas, qui doit restreindre les fluides frigorigènes à fort GWP en maintenance. Quiconque investit aujourd’hui dans une pompe à chaleur doit donc se demander dans quelle mesure le fluide frigorigène choisi sera disponible pendant la durée de vie de l’installation. Le GWP n’est d’ailleurs pas le seul critère à anticiper. Les HFO ont certes un GWP faible mais ils posent problème dans le cadre des futures réglementations européennes sur les PFAS. Par conséquent, les fluides frigorigènes synthétiques ne peuvent plus être considérés que comme une solution à court terme. Si leur utiliation s’avère indispensable, mieux vaut opter pour des substances pures plutôt que pour des mélanges (séries R400 et R500), ces derniers posant des défis de disponibilité plus importants. En définitive, les fluides frigorigènes naturels constituent, dans la mesure du possible, le choix le plus pérenne.
Flexibilité
Vient ensuite la question des prix de l’énergie. La part croissante des énergies vertes entraîne une volatilité plus importante sur le marché de l’électricité. Ceux qui peuvent décaler leur consommation en fonction un prix peuvent en tirer profit. Toutefois, cette approche comporte des inconvénients. Piloter une pompe à chaleur en fonction d’un prix de l’énergie plutôt que des besoins du processus en réduit le rendement. Se concentrer exclusivement sur la flexibilité peut empêcher d’atteindre les objectifs d’efficacité. De plus, il subsiste des contraintes techniques : les pompes à chaleur fonctionnent mieux à un régime aussi constant que possible, avec un minimum de cycles de démarrage-arrêt, ce qui va à l’encontre d’un fonctionnement dicté par les prix.
L’inconnu suscite la réticence
L’électrification est un thème majeur dans l’industrie et des avancées significatives sont observées, notamment dans le domaine des pompes à chaleur. Cependant, les connaissances sont trop peu partagées, ce qui suscite des hésitations chez certaines entreprises à l’égard de cette technologie. Les participants de la masterclass ont convenu qu’il fallait mieux faire connaître l’expérience disponible et renforcer le support à la conception, par exemple via des schémas standardisés. L’idée a été avancée d’inclure une obligation de communication comme condition préalable à l’octroi de mesures de soutien. C’est en apprenant les uns des autres que la technologie peut continuer à se développer.
Par Alex Baumans - Graphiques: Energik
