Le stockage d’énergie intégré dans une PAC – Besoins de chauffage dans les Bâtiments à Basse Consommation

L’offre et la demande en énergie électrique étant soumise à des aléas (indisponibilité des moyens de production, climat) et l’électricité ne se stockant pas facilement, il est difficile d’assurer en toutes circonstances leur adéquation. Aujourd’hui, en France, le principal aléa pesant sur la consommation d’électricité est la température extérieure avec une sensibilité atteignant 2 300 MW.°C-1 en hiver contre moins de 1 500 MW.°C-1 il y a quelques années. Le principal responsable de cette thermo-sensibilité étant le chauffage par effet Joule, il est urgent de lui trouver des solutions de substitution et mieux encore des solutions pilotables. En effet, le constat d’une certaine érosion du potentiel d’effacement consenti volontairement par les consommateurs amène à chercher de nouveaux gisements d’effacement de consommation, dans le cadre d’une gestion intelligente des systèmes. Cette thèse vise à mettre au point une solution couplant une pompe à chaleur air/air et un stockage thermique par des matériaux à changement de phase (solide /liquide et vice versa) pour répondre à la demande d’effacement de la pointe entre 18 h et 20 h (Figure I-1). Le fait de savoir si cette solution technologique peut être utilisée aussi bien en rénovation, par remplacement du chauffage effet Joule du parc existant, que pour les bâtiments à basse consommation de demain dépend, bien sûr, des questions de coûts des équipements de chauffage qui sont en concurrence sur ces marchés. Concevoir des pompes à chaleur effaçables en y associant des stockages thermiques locaux introduit un nouveau levier d’optimisation aval de l’équilibre offre et demande d’électricité. Bien à l’opposé du stockage saisonnier, la gestion délocalisée de la pointe journalière, dont la durée est de l’ordre de une à deux heures, présente des enjeux multiples, notamment en termes d’impact environnemental, de dimensionnement et de sécurité des réseaux.

Il est important de noter aussi le fait que cette thèse cherche, en plus de l’effacement des pics d’appel de puissance, à améliorer l’efficacité des systèmes de Pompe A Chaleur (PAC). Ceci est en effet possible, et compatible avec l’effacement, en faisant fonctionner la PAC pendant les périodes les plus favorables de la journée, c’est-à-dire la fin de l’après-midi (Figure I-2), juste avant le pic d’appel. De plus, la capacité de stockage de l’énergie thermique devrait améliorer le COefficient de Performance (COP) saisonnier en faisant fonctionner la PAC de manière plus continue pour les faibles charges thermiques et pendant les heures où la température d’air extérieur est la plus élevée. C’est l’objet du chapitre 4 d’analyser ce que le stockage thermique peut amener pour améliorer l’efficacité énergétique du système PAC, alors qu’a priori l’introduction d’un Matériaux à Changement de Phase (MCP) entre l’air et le fluide frigorigène introduit non seulement, un écart de température supplémentaire entre le fluide frigorigène et l’air, mais aussi un seuil en température qui n’est pas forcément optimum pour l’obtention d’un COP saisonnier au moins égal à celui de la même PAC sur l’ensemble de la saison de chauffe.

Enjeux économiques, sociétaux et environnementaux

Les évolutions réglementaires européennes (Paquet Energie Climat, Directive Européenne sur les Energies renouvelables [ENCL]) ou française (Grenelle de l’environnement et réglementation thermique RT 2012) conduisent à une amélioration très significative de l’efficacité énergétique des bâtiments neufs et dans une moindre mesure des bâtiments existants. La réglementation française est beaucoup plus exigeante pour les bâtiments neufs avec des objectifs de consommation qui obligent à disposer de bâtiments qui ont une enveloppe avec une résistance thermique dont les valeurs dépendent des parois (Tableau I-1), mais qui sont remarquablement faibles par rapport aux valeurs des précédentes réglementations. exprimé par la RT 2012 en énergie primaire, est modulable en fonction de la région et de l’altitude. Ce niveau est exigé pour les bâtiments neufs appelés désormais BBC (bâtiments à basse consommation) et couvre les cinq usages : chauffage, eau chaude sanitaire, éclairage, ventilation mécanique contrôlée et climatisation éventuelle. Dès maintenant, des spécifications apparaissent où les objectifs sont ceux de la RT 2012, -20 % voire -50 % et, dans certains cas, l’objectif est d’intégrer chauffage dans la région parisienne peut être réduite à moins de 1 kWhep.m-2.an-1. Ce niveau change totalement la conception des pompes à chaleur et amène à les intégrer dans le système aéraulique.