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Pour réduire les émissions de CO2 de l'industrie, les pompes à chaleur montent en température

Pour réduire les émissions de CO2 de l'industrie, les pompes à chaleur montent en température

En poussant la température à la sortie du condenseur à plus de 80 °C, voire 100 °C, les pompes à chaleur haute température permettent de valoriser des gisements de chaleur fatale inexploités dans l’industrie, tout en réduisant les émissions de CO2.

Une pompe à chaleur (PAC) valorise d’autant plus un gisement de chaleur fatale qu’elle rehausse le niveau thermique. Le fluide frigorigène, qui circule en boucle entre l’évaporateur (source froide) et le condenseur (source chaude), gagne plusieurs dizaines de degrés sous l’action d’un compresseur mécanique – ou thermique dans une PAC gaz à absorption. Cette plus-value énergétique peut ensuite être mise à profit pour alimenter un réseau de chaleur, le chauffage d’un bâtiment, voire un processus industriel. Pour ce dernier usage cependant, le champ opérationnel de la PAC était restreint avant 2010, la température maximale à la sortie du condenseur se limitant à 70 °C. C’est suffisant pour sécher du malt, par exemple, mais guère plus… Les limites ont été repoussées chaque année depuis : les PAC dites à haute température (HT) approchent, atteignent voire dépassent 90 °C.

Cette évolution ouvre de nouvelles perspectives, car « elle coïncide avec les besoins des industriels », plaide Jean-Marie Fourmigué, chef de projet en R & D sur l’efficacité énergétique dans l’industrie chez EDF. Lors d’une présentation à Paris, en octobre, à l’initiative de l’Alliance industrielle pour la compétitivité et l’efficacité énergétique (Allice), cet ingénieur et docteur en physique prenait l’exemple d’un producteur de boissons, en Suisse. À la sortie des groupes frigorifiques dans les chambres froides, l’énergie calorique à 37 °C est transformée par une PAC en eau chaude à 95 °C, servant à la désinfection des récipients. Les émissions de CO2 ont été réduites de 40 %, grâce à une économie de combustible de 26 000 litres par an.

C’est un cas édifiant de réintroduction de chaleur fatale dans le process. Mais la PAC HT peut améliorer l’efficacité énergétique des installations de la production de chaleur, par exemple en relevant la température du retour d’eau dans une chaudière. Une PAC est d’autant plus efficace, donc rentable, que son coefficient de performance (COP) est élevé. Cet indicateur exprime le rapport entre l’énergie thermique produite et l’énergie électrique consommée par le compresseur. « Moyennant un COP de 4, une PAC remplace 1 MWh de gaz par 250 kWh d’électricité, évalue Jean-Marie Fourmigué. Même si l’électricité est deux fois plus chère que le gaz pour les industriels, l’amortissement est réalisé en quatre à cinq ans. De plus, l’électricité en France, d’origine essentiellement nucléaire et hydraulique, contient quatre fois moins de CO2.» Un terrain favorable pour la PAC.

De nombreux débouchés

«La température idéale de la source se situe entre 40 et 80 °C, estime Jean-Marie Fourmigué. Il s’agit des rejets liquides ou gazeux provenant des groupes frigorifiques, des buées de sécheurs ou des eaux de refroidissement. » Ces gammes de température s’observent dans l’agroalimentaire, la papeterie et certaines industries chimiques. Après l’augmentation de température produite par la PAC, les débouchés potentiels aux alentours de 80-90 °C sont nombreux : séchage d’aliments ou du papier-carton, pasteurisation, préchauffage ou chauffage de moules dans la plasturgie, nettoyage à l’eau chaude des équipements… Les aciéries, verreries et sites où la production est très exothermique n’ont en revanche aucun intérêt à choisir une PAC : les effluents à plus de 150 °C sont directement exploitables à l’aide d’un échangeur.

Les progrès de la PAC HT doivent aux recherches menées sur les fluides frigorigènes et l’utilisation de nouveaux compresseurs. Le fluide frigorigène idéal possède la température critique la plus élevée possible, une excellente enthalpie et satisfait dans le même temps les réglementations protégeant l’environnement. À cause de leur impact dévastateur sur la couche d’ozone, les chlorofluorocarbones (CFC) ont été bannis depuis la signature du protocole de Montréal, en 1985. Leurs successeurs, les HCFC et HFC (hydrofluorocarbones), sont quant à eux de puissants gaz à effet de serre, dont le développement a été freiné. Les pays signataires de l’accord de Kigali, en 2016, qui a amendé le protocole de Montréal, se sont engagés à réduire de 80 % la production et l’utilisation des HFC ces trente prochaines années.

L’avenir immédiat appartient désormais aux hydrofluoro-oléfines (HFO). « Ces fluides de quatrième génération possèdent un potentiel de réchauffement global (PRG) minime et leur potentiel de déplétion ozonique (PDO) est nul », précise Ismael Zaïd,[…]

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