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La pompe à chaleur, la cogénération et la trigénération, outils-clés du futur réseau intelligent combinant réseau électrique, réseau de gaz, réseau de chaleur, de froid intelligents sur un même territoire ?

Smart grids électriques, Smart gas grids et Smart grids thermiques peuvent être interconnectés, renforçant la souplesse du système énergétique. Les installations sont alors pilotées en fonction de l’état du système électrique et des prix de l’électricité et du gaz sur les marchés. Par exemple, l’excédent d’électricité produite à un instant donné peut être converti en chaleur, qui pourra être stockée s’il n’y a pas de besoin immédiat.

Trois technologies jouent un rôle majeur dans la mutualisation de ces trois réseaux : la pompe à chaleur, la cogénération et la trigénération. Elles constituent des solutions clés en main permettant de gérer à distance les pointes de consommation d’électricité et les variations de la production d’électricité issue des énergies renouvelables et d’arbitrer entre consommation d’électricité, de chaleur et de gaz.

Principe et fonctionnement des pompes à chaleur

Le système permet de récupérer de la chaleur dans l’air (grâce à un ventilateur), dans le sol ou l’eau (par le biais de capteurs) et de la transmettre à un fluide frigorigène.

Les variations de température et de pression font passer ce fluide d’un état de liquide froid à celui de gaz chaud et inversement.

Lorsque sa température est plus élevée, le fluide transmet sa chaleur au circuit de chauffage par le biais d’échangeurs. C’est un cycle thermodynamique simple (comme celui du réfrigérateur) qui permet d’amplifier les calories prélevées dans la nature.

Pour fonctionner, une alimentation électrique est nécessaire, même si généralement, 1 kWh d’électricité est consommé pour obtenir 3 à 4 kWh, voire plus de chaleur produite.

Principe et fonctionnement de la cogénération

La cogénération est un principe de production simultanée de deux énergies différentes dans le même processus. Le cas le plus fréquent est la production d’électricité et de chaleur, la chaleur étant issue de la production électrique ou l’inverse.

La chaleur est utilisée pour le chauffage et la production d’eau chaude à l’aide d’un échangeur. L’électricité peut être revendue au fournisseur d’électricité ou être consommée par l’installation. L’énergie utilisée pour faire fonctionner des installations de cogénération peut être le gaz naturel, le fioul ou toute forme d’énergie locale (géothermie, biomasse) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères, etc.). Cette source d’énergie fait fonctionner une turbine ou un moteur.

Principe et fonctionnement de la trigénération

La trigénération est une extension de la cogénération qui consiste à produire de l’électricité, de la chaleur et une troisième catégorie d’énergie, celle du froid. La trigénération est le procédé par lequel la chaleur produite par une centrale de cogénération est utilisée pour générer de l’eau réfrigérée pour la climatisation ou la réfrigération. Un refroidisseur à absorption est lié à la production combinée de chaleur-électricité pour fournir cette fonctionnalité. Plusieurs avantages sont associés à la trigénération, notamment :

  • production très efficace, sur place, d’électricité et de chaleur ;
  • réduction des coûts de combustible et d’énergie ;
  • utilisation électrique réduite durant la demande estivale ;
  • la chaleur du moteur peut être utilisée pour produire de la vapeur d’eau chaude pour une utilisation interne ;
  • importantes réductions des émissions de gaz à effet de serre ;
  • aucun polluant chimique nocif car l’eau sert d’agent réfrigérant.

Un exemple d’optimisation multi-énergies sur les réseaux d’électricité, de gaz et de chaleur : le réseau de chaleur solaire intelligent du Danemark

À travers le projet de Smart solar district heating Sunstore 4 à Marstal (île d’Ærø), le Danemark combine différentes technologies de production de chaleur (champs de panneaux solaires thermiques, réservoir de stockage d’eau chaude, pompes à chaleur et chaudières biomasse et fuel) qui permettent d’exploiter les fortes variations de prix de l’électricité, en raison de la prépondérance de l’éolien dans la production d’électricité, pour la production de la chaleur.

Ce réseau de chaleur est alimenté par une très grande installation solaire thermique : 18 300 m2 de panneaux solaires fournissent ainsi 40 % de la chaleur des 1 500 usagers du réseau, le reste étant assuré par une chaudière biomasse (pellet et paille) et une chaudière au fuel. Ce projet a débuté au printemps 2012 et il est financé par le 7e programme-cadre de recherche européen. Un autre projet intitulé Sunstore 3 est également en cours à Dronninglund.

Le fonctionnement de ces deux systèmes est rendu possible pour plusieurs raisons :

  1. les tarifs de l’électricité très variables en raison de la forte proportion de l’éolien dans la production électrique du Danemark ;
  2. la combinaison des différentes technologies ;
  3. des panneaux solaires efficaces et peu coûteux ;
  4. des technologies de stockage de chaleur améliorée ;
  5. de faibles pertes en raison de la grande taille du stockage.

Grâce à la combinaison des différentes technologies, il existe de multiples possibilités d’exploiter la flexibilité des prix de l’électricité :

  • en hiver :
    • lorsque le prix de l’électricité est élevé, l’énergie est produite grâce à la cogénération, il est possible de gagner de l’argent et de produire de la chaleur bon marché ;
    • lorsque le prix de l’électricité est plus faible ou à un niveau médian, la chaleur est produite grâce aux pompes à chaleur, à un prix relativement bon marché ;
  • en été :
    • lorsque le prix de l’électricité est bon marché, la chaleur est produite uniquement grâce au solaire thermique. Il est donc possible de produire gratuitement de la chaleur ;
    • lorsque le prix de l’électricité est très bon marché, la chaleur est produite par les pompes à chaleur gratuitement ou à un prix bon marché.

La présence de réservoirs de stockage de très grande capacité confère de la flexibilité au système et rend possible la combinaison des différentes technologies.

Pour en savoir plus :

Présentation du Smart solar district heating

Le 6 février 2014, le gouvernement a annoncé le lancement d’un appel à manifestations d’intérêt (AMI) « énergies renouvelables » dans le cadre du Programme d’Investissements d’Avenir (PIA) piloté par l’ADEME pour le compte de l’État. Cet AMI est dédié à quatre types d’énergies renouvelables : le solaire photovoltaïque, le solaire thermique, l’éolien et le froid renouvelable. L’hybridation des solutions renouvelables à la fois entre elles, avec les sources d’énergies traditionnelles mais également avec les moyens de stockage fait partie du lot. L’enjeu est de pallier au caractère variable de certaines sources de production renouvelables en misant sur la complémentarité et l’optimisation du fonctionnement conjoint des différentes sources d’énergie. L’AMI est, de fait, ouvert non seulement aux énergies renouvelables mais également à des systèmes hybrides qui permettent de mutualiser et de coupler plusieurs moyens de production d’électricité et de chaleur afin d’optimiser leur gestion et de réduire le coût de l’énergie. La date de clôture est fixée au 2 octobre 2015 avec deux échéances préalables (3 septembre 2014 et 3 mars 2015).

Pour en savoir plus :

Communique de presse du gouvernement
AMI sur le site de l’ADEME

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