Pompes à chaleur intelligentes: où en sommes-nous?
Nécessité d'une interface standardisée et bien contrôlable
Les pompes à chaleur sont une technologie importante pour rendre le secteur du chauffage et du refroidissement neutre en CO2 et réaliser la transition énergétique. Elles présentent toutefois un avantage supplémentaire: leur connexion au réseau électrique. Par conséquent, les pompes à chaleur peuvent également être utilisées pour apporter de la flexibilité afin de soutenir le réseau électrique. Cet article jette un regard critique sur la faisabilité pratique et les perspectives d'avenir des pompes à chaleur intelligentes sur base d'un doctorat à la KU Leuven(1) et donne un aperçu de résultats expérimentaux.
Importance des pompes à chaleur intelligentes dans la transition énergétique
Selon les chiffres de l'Agence internationale de l'énergie(2), le secteur du bâtiment représente 30% de la consommation mondiale d'énergie et 26% des émissions mondiales liées à l'énergie. Pour endiguer le réchauffement climatique, il est indispensable de passer aux techniques énergétiques renouvelables. Si elles sont alimentées par de l'électricité renouvelable, les pompes à chaleur peuvent jouer un rôle important à cet égard, mais ce n'est qu'une partie du tableau d'ensemble.
Grâce à sa connexion électrique au réseau électrique, la pompe à chaleur peut également être utilisée pour relier le secteur du chauffage et de la climatisation au secteur de l'électricité. Ce couplage sectoriel est une nécessité absolue pour maintenir un réseau électrique fiable et abordable, et la pompe à chaleur sera utilisée pour apporter de la flexibilité au réseau électrique. En effet, le réseau électrique nécessite un équilibre exact entre l'offre et la demande à chaque seconde. D'autres solutions telles que les interconnexions avec d'autres pays, le renforcement de nos réseaux et le stockage d'énergie à grande échelle sont également nécessaires(3).
La commande intelligente est rarement appliquée
Cependant, cet article se concentre sur la flexibilité de la pompe à chaleur avec un modèle de consommation ajusté sur base d'un signal externe. Ce signal peut avoir plusieurs objectifs, notamment l'amélioration de la consommation de l'énergie solaire autoproduite, la limitation du tarif capacitaire, la réduction des coûts dans le cadre d'un tarif d'énergie dynamique, etc.
Il est frappant de constater que la commande intelligente des pompes à chaleur est rarement appliquée. Par exemple, une étude menée aux Pays-Bas(4) a montré qu'en 2021, seuls 17% des pompes à chaleur installées étaient connectés à Internet. Par conséquent, le potentiel de flexibilité perdu était de 1,2 GW, soit plus que la capacité de 1 GW du réacteur 4 de la centrale nucléaire de Doel.
En outre, le plan EHPA(5) de l'Association européenne des pompes à chaleur présente cinq points d'action pour atteindre les objectifs européens en matière d'installation de pompes à chaleur. L'un de ces points d'action souligne la nécessité d'améliorer l'intégration des systèmes de pompes à chaleur intelligentes et vise à obtenir un standard de communication uniforme pour les pompes à chaleur. On peut donc se demander pourquoi il est si difficile d'implémenter des pompes à chaleur intelligentes.
Rôle du contrôle interne de la pompe à chaleur
La principale raison pour laquelle la commande externe de la pompe à chaleur est entravée est la présence de stratégies de contrôle interne. Ces stratégies de contrôle sont mises en place par le fabricant pour garantir un fonctionnement sûr et fiable. Elles comprennent, par exemple, le contrôle de la vitesse du compresseur, la vitesse minimale du compresseur, les durées minimales de marche et d'arrêt du compresseur, le contrôle de la pompe, les cycles anti-légionelles, etc. En général, il n'est pas possible de passer outre ces stratégies sans perdre la garantie d'usine de la pompe à chaleur.
Une étude détaillée(6) de l'impact de chaque stratégie de contrôle individuelle a montré que le comportement des pompes à chaleur présente des changements significatifs à la fois en fonctionnement normal et pendant la fourniture de services de flexibilité au réseau électrique.
Une comparaison entre un modèle simplifié mais fréquemment utilisé et un modèle détaillé pour chaque minute d'une année complète a ainsi révélé un écart de 10% pendant 20% de l'année. Une valeur non négligeable lorsque le réseau électrique exige une prédiction et un contrôle précis de la pompe à chaleur. Les principales influences se situent au niveau de la régulation de l'eau chaude sanitaire et de la régulation de la vitesse du compresseur.
Point de consigne vs point de consigne thermique
Les options de commande restent assez limitées
La commande directe du compresseur et d'une éventuelle résistance de back-up n'est généralement pas possible. Afin d'offrir quand même aux utilisateurs des possibilités de commande de leur pompe à chaleur, les fabricants prévoient généralement des interfaces de communication sur leurs pompes à chaleur.
Une interface courante est l'interface Smart Grid Ready (SG-Ready), qui permet de commander la pompe à chaleur selon quatre modes (fonctionnement normal, marche recommandée, marche forcée et arrêt forcé). Malgré ces quatre modes, des expérimentations (1),(7) ont déjà montré le potentiel limité d'un contrôle de puissance souple. Plutôt que de permettre un contrôle continu de la puissance, les quatre modes fonctionnent de manière discrète. En outre, l'implémentation exacte varie considérablement d'un fabricant à l'autre.
D'autres interfaces telles qu'une limitation temporaire de la puissance électrique ou l'utilisation de la fonction booster pour l'eau chaude sanitaire sont souvent disponibles. Outre un éventuel surcoût pour l'équipement supplémentaire, les possibilités sont plutôt limitées, même avec ces interfaces.
L'utilisation de limites de puissance sur la pompe à chaleur permet uniquement d'éviter une puissance de prélèvement élevée, mais la désactivation de la limite n'entraîne pas toujours le démarrage de la pompe à chaleur. Par conséquent, s'il est possible d'empêcher l'utilisation d'électricité coûteuse avec un tarif d'électricité dynamique, il n'est pas possible d'activer l'unité pour utiliser de l'électricité bon marché ou de l'énergie solaire autoproduite.
L'investissement dans un module de communication est difficile à récupérer
De meilleurs résultats peuvent être obtenus lorsque les points de consigne pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux peuvent être contrôlés. Néanmoins, une telle approche nécessite souvent des modules de communication supplémentaires via Modbus, BACnet ou 0 - 10 V, ce qui augmente encore le coût global et la complexité.
Une étude financière(8) portant sur un contrôle relativement simple a permis de réaliser des économies d'énergie annuelles de 25 à 89 euros, alors que le module de communication requis coûtait environ 300 euros. Il ne faut pas non plus négliger l'augmentation de la consommation d'électricité de la pompe à chaleur lorsque les températures d'alimentation sont fortement augmentées. Cela pourrait éventuellement conduire à un scénario où le gain lié au transfert de la consommation d'énergie de l'électricité chère vers l'électricité bon marché serait annulé par l'augmentation de la consommation totale d'électricité de la pompe à chaleur.
Une bonne conception de la stratégie de contrôle sous-jacente dans le système de gestion de l'énergie est donc nécessaire. Le contrôle simultané de plusieurs points de consigne est également nécessaire pour que la pompe à chaleur obtienne la réponse souhaitée de la manière la plus optimale possible. Enfin, ce contrôle intelligent via des points de consigne de température nécessite un modèle en temps réel de la pompe à chaleur, également connu sous le nom de jumeau numérique.
Ce modèle prédictif doit alors prendre en compte l'état actuel et la réponse souhaitée de la pompe à chaleur afin de déterminer les points de consigne nécessaires par le biais d'un processus itératif. Toutefois, les modèles disponibles à cet effet sont actuellement limités et l'utilisation de l'intelligence artificielle à cette fin fait également l'objet d'un examen plus approfondi.
Perspectives d'avenir
Les interfaces de commande des pompes à chaleur varient considérablement d'un fabricant à l'autre. Il n'existe actuellement pas d'interface standardisée et facilement contrôlable utilisée par les différents fabricants. Cette diversité d'interfaces rend difficile l'adoption d'une approche universelle par les gestionnaires de réseau, les fournisseurs d'énergie, les installateurs et les utilisateurs. Par exemple, un gestionnaire de réseau qui souhaite exploiter cette flexibilité ne peut pas développer un module de communication distinct pour chaque type de pompe à chaleur ou de fabricant.
Plusieurs initiatives telles que le Standard S2, EEBUS, OpenTherm et le Code of Conduct for Energy Smart Appliances via (SAREF) sont en cours de développement ou ont même déjà progressé grâce à des exemples pratiques. Il faut aussi continuer à développer la communication bidirectionnelle des pompes à chaleur. Cela pourrait permettre à un gestionnaire d'énergie de prévoir le comportement réel de la pompe à chaleur et de prendre les mesures de pilotage nécessaires pour les services de flexibilité.
[1] M. Evens, “Heat pump control and behavioural characterisation under energy flexibility services,” KU Leuven, 2024.
[2] International Energy Agency, “Energy system: Buildings,” 2023. https://www.iea.org/energy-system/buildings.
[3] CEDEC, EDSO, Eurelectric, and GEODE, “Flexibility in the energy transition: A toolbox for electricity DSOs,” 2018. [Online]. Available: http://www.geode-eu.orghttps://static.pmg.be/uploads/GEODE Publications/2018/Flexibility in the energy transition - A tool for electricity DSOs - 2018.pdf.
[4] “Connected heat pumps in the Netherlands – update 2023,” 2023. [Online]. Available: https://flexible-energy.eu/wpcms/wp-contenthttps://static.pmg.be/uploads/2023/08/Final-report_Connected-HPs-in-NL-FAN-version-1.02.pdf.
[5] P. Nuttall et al., EU Heat Pump Accelerator. European Heat Pump Association, 2023.
[6] M. Evens and A. Arteconi, “Influence of Internal Control Simplifications in Heat Pump System Modelling for Energy Flexibility Evaluations,” in Proceedings of Building Simulation 2021: 17th Conference of IBPSA, 2021, pp. 1–8.
[7] S. Göbel, C. Vering, and D. Müller, “Experimental Investigation of Rule-Based Control Strategies for Hybrid Heat Pump Systems Using the Smart Grid Ready Interface,” in Proceedings of ECOS 2022, 2022, pp. 1–12.
[8] M. De Pauw, N. Van den Bulck, M. Evens, and A. Arteconi, “Rapport: Onderzoek naar vervanging fossiele verbrandingstoestellen door warmtepomp in een residentieel gebouw,” 2022.
