Pompes à chaleur Pompes à chaleur pour les procédés industriels et les réseaux de chauffage

Les processus industriels nécessitent d'importantes quantités de chaleur, souvent sous forme d'eau chaude, d'eau chaude sous pression ou de vapeur. Les pompes à chaleur de grande puissance et à haute température sont considérées comme la principale alternative à la production de chaleur à partir de combustibles fossiles. Pour cela, les installations, les composants et la gestion de l'exploitation doivent être conçus pour fonctionner à des températures élevées et dans des conditions d'utilisation dynamiques.

Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires (ISE) ont analysé en détail, dans un nouveau banc d'essai dédié aux pompes à chaleur à haute température, la production de vapeur industrielle pouvant atteindre 160 °C ainsi que d'eau chaude sous pression. De plus, la surveillance de cinq pompes à chaleur de grande puissance dans des réseaux de chauffage urbain a permis de tirer des enseignements sur la conception et la gestion opérationnelle à partir de l'exploitation réelle des installations. Il est apparu que les pompes à chaleur de grande puissance fonctionnent de manière fiable en conditions réelles et atteignent les points de fonctionnement requis, à condition que les composants, la régulation, l'intégration hydraulique et la stratégie d'exploitation soient correctement dimensionnés et mis en œuvre.

Dans le cadre de plusieurs projets de recherche, le Fraunhofer ISE étudie la conception et le fonctionnement des pompes à chaleur afin de simplifier et d'optimiser leur utilisation dans l'industrie et les réseaux de chaleur. Il apparaît clairement que, pour la décarbonisation de la chaleur de procédé, des composants sur mesure, une conception systémique et des concepts de sécurité adaptés sont essentiels. Il ne suffit pas de simplement adapter à plus grande échelle des composants individuels issus de la réfrigération ou de la technique du bâtiment. L'interaction entre la source de chaleur, le fluide frigorigène, l'échangeur de chaleur, l'intégration hydraulique, la régulation et la stratégie d'exploitation économique doit être examinée au cas par cas.

Banc d'essai pour pompes à chaleur destiné à la production de vapeur industrielle et d'eau chaude sous pression

Dans le cadre du projet collaboratif « Approvisionnement en chaleur à distance et industrielle par pompes à chaleur en remplacement de la combustion du charbon (FernWP)« , l’institut Fraunhofer ISE a mis en place un banc d’essai en laboratoire dédié aux pompes à chaleur à haute température afin de faire le lien entre le développement thermodynamique du concept, les essais des composants et la conception pratique du système. « Pour une application industrielle, la température maximale atteignable n’est pas le seul critère déterminant. Une pompe à chaleur à haute température doit également fournir de manière efficace et fiable de la vapeur industrielle ou de l’eau chaude sous pression, même en cas de variation des sources de chaleur, des charges et des modes de fonctionnement », explique le Dr Ursula Wittstadt, ingénieure senior et cheffe de projet FernWP au Fraunhofer ISE. « Grâce à notre banc d’essai, nous rendons ces interactions mesurables et créons ainsi une base pour le développement ultérieur des composants et des systèmes dans leur ensemble. »

Le nouveau banc d'essai du Fraunhofer ISE permet de mesurer des pompes à chaleur jusqu'à 160 °C afin d'en dégager des potentiels d'optimisation en matière de conception et de gestion d'exploitation. Dans le cadre du projet en cours, l'étude s'est concentrée sur les pompes à chaleur fonctionnant au butane comme fluide frigorigène, ce qui a également conduit à prendre en compte les aspects liés à la sécurité et aux conditions d'installation, en raison de la nature inflammable de ce gaz. Pour les fabricants de pompes à chaleur et les concepteurs d’échangeurs de chaleur, ces données de mesure constituent une base solide permettant de concevoir des composants de manière plus ciblée pour des températures élevées, des puissances importantes et des points de fonctionnement variables.

Données de surveillance provenant de cinq grandes pompes à chaleur dans des réseaux de chauffage urbain

Environ 16 % des foyers allemands sont actuellement alimentés en chauffage urbain. Afin de décarboner la production de chaleur, la conversion des centrales de chauffage urbain vers des systèmes d’approvisionnement basés sur l’électricité et reposant essentiellement sur des pompes à chaleur de grande puissance constitue une option majeure. Dans le cadre du projet « Reallabor GroßWP », l’institut Fraunhofer ISE recueille depuis 2023 des données d’exploitation exhaustives issues du fonctionnement réel de cinq pompes à chaleur de grande puissance, afin d’optimiser leur conception, leur intégration hydraulique et leur gestion opérationnelle pour répondre aux exigences des réseaux de chauffage urbain allemands.

« Le suivi des cinq installations montre que les pompes à chaleur industrielles fonctionnent bien en conditions réelles et sont capables d’atteindre les points de fonctionnement prévus », constate Axel Oliva, chef de projet du laboratoire en conditions réelles « GroßWP » au Fraunhofer ISE. « Cependant, l’efficacité et la disponibilité ne dépendent pas uniquement de la pompe à chaleur, mais aussi de la source de chaleur, de l’intégration hydraulique, du système de production existant et de la stratégie d’exploitation concrète. Nous avons par ailleurs constaté que l’exploitation au sein d’un réseau de centrales électriques nécessite une bonne connaissance du parc d’installations existant, du réseau de chauffage urbain ainsi que des installations des clients. »

Dans le cas des installations utilisant des cours d'eau comme source de chaleur, il est par exemple apparu que la puissance thermique diminue lorsque la température de l'eau est basse et en fonctionnement à charge partielle. Une baisse de puissance a été observée lorsque la température à la source était inférieure à environ 6 °C. Une autre conclusion concerne la stratégie d’exploitation : alors que les premières études prévoyaient souvent une utilisation essentiellement saisonnière de la pompe à chaleur de grande puissance, les installations sont désormais de plus en plus souvent exploitées en fonction des profils journaliers et des conditions-cadres en matière d’économie d’énergie. Cela entraîne une augmentation des exigences en matière de cycles de démarrage et d’arrêt, de temps d’arrêt, de maintenance et de disponibilité des installations. Les enseignements tirés du projet peuvent aider les exploitants à optimiser la gestion de leur installation.

Développement de modèles à partir de données de mesure et concepts de sécurité pour les réfrigérants naturels

À partir des résultats intermédiaires des deux projets visant à optimiser l'utilisation des pompes à chaleur de grande puissance, la prochaine étape consistera à fournir une description plus détaillée des interfaces de ces pompes au sein d'un réseau de centrales électriques. Cela permettra ensuite de développer des méthodes de modélisation et d'établir des recommandations pratiques pour un mode de fonctionnement économiquement optimal. Par ailleurs, le Fraunhofer ISE souhaite perfectionner ses bancs d’essais de sécurité afin de pouvoir définir des concepts de sécurité pour les fluides frigorigènes utilisés dans les pompes à chaleur de grande puissance et à haute température.

Le projet collaboratif « FernWP », qui se poursuivra jusqu'en septembre 2027, bénéficie d'un financement du ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWE). Outre le Fraunhofer ISE, il regroupe le Fraunhofer IEG, le Fraunhofer ISI, le

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