La recherche en matière de chauffage thermodynamique. Extrait de la stratégie nationale de recherche énergétique. Approche thématique : les énergies renouvelables.

Etat de l'art des technologies

Une pompe à chaleur (PAC) est un système thermodynamique qui puise la chaleur dans un milieu naturel appelé « source froide » (eau, air, sol) dont la température est inférieure à celle du local à chauffer. Il transfère ensuite cette énergie au fluide de chauffage (eau chaude, ou air).

Il y a diverses catégories de pompes à chaleur :

• les pompes géothermiques (ou « géothermales ») qui captent l'énergie du sol ;
• les pompes à chaleur sur l'eau qui utilisent l'eau  des rivières, nappes phréatiques ; …
• les pompes aérothermiques qui captent l'énergie de l'air extérieur ou extrait.

Caractéristiques des pompes à chaleur

Quand le fluide caloporteur est de l'eau, l'émetteur est, soit un plancher chauffant, à basse température, soit un radiateur à basse ou haute température. La diffusion d'air peut se faire par plénum⁽²⁾ ou par gaine.

On caractérise les performances d'une PAC par son COP (« Coefficient of performance ») dans des conditions données de température extérieure et de diffusion. Le COP est égal au rapport entre la quantité de chaleur produite (Q utile) et la quantité d'énergie électrique consommée (E).

COP = Q utile/E

Il existe deux grands types de pompes à chaleur : les pompes à chaleur à gaz et les pompes à chaleur électriques.

Une PAC électrique se compose des éléments suivants : un échangeur captant la chaleur dans le milieu extérieur (sol, eau ou air), un compresseur et un système de restitution (échangeur + pompe ou ventilateur) pour transférer la chaleur au milieu intérieur (eau,  air). Les PAC réversibles permettent d'assurer la climatisation en été.

Un fluide frigorigène parcourt ces composants en effectuant les phases suivantes d'un cycle thermodynamique : évaporation, compression, condensation, détente ; il permet ainsi de pomper la chaleur de la source froide vers les émetteurs de chaleur.

Pour les PAC géothermales, en moyenne, pour 1 kWh électrique consommé, une PAC produit 2 à 4 kWh de chaleur. Les facteurs influant sur le rendement d'une PAC sont : la température de la source de chaleur et du système de distribution, la consommation d'énergie auxiliaire (pompes, ...), le rendement nominal de la pompe, le dimensionnement de la PAC par rapport à la demande et aux conditions de fonctionnement ainsi que le contrôle de la PAC.

Sur le parc existant en 2005, le COP moyen est de 2,6 pour les applications en rénovation, 2,8 à 3 dans le neuf. Il devrait augmenter sous l'effet des incitations fiscales conditionnées à une performance minimale (COP > 3 en 2005 – 2006).

Les pompes à chaleur à gaz peuvent être de deux technologies : les PAC à moteur gaz et les PAC à absorption.

Pompe à chaleur à moteur gaz

Le fonctionnement d'une PAC à moteur gaz repose sur le même principe que celui d'une PAC électrique : le fluide frigorigène du cycle thermodynamique est mis en mouvement par un compresseur. La principale différence réside dans la source de production de l'énergie de compression. En effet, dans le cas de la PAC à compression gaz, c'est un moteur thermique qui fournit au compresseur son énergie mécanique par le biais d'un arbre ou de courroie(s). Les modèles actuellement distribués existent en version air/air ou air/eau. L'énergie thermique produite par le moteur peut être récupérée améliorant ainsi encore la performance du système. Celle-ci atteint aujourd'hui, en moyenne annuelle, un COP de 1,4 sur PCI.

Pompe à chaleur à absorption

Dans une PAC à absorption, la compression par moteur est remplacée par un système à absorption couplé à un générateur de chaleur (brûleur gaz). Le fluide véhiculé par le cycle thermodynamique d'une PAC à absorption est un couple frigorigène / absorbant, deux composants naturels qui permettent de s'affranchir des fluides fluorés (CFC, HCFC ou HFC). Le fonctionnement de ce type de PAC est directement lié à l'affinité de ces deux éléments. En effet, l'entraînement du circuit est assuré par le brûleur gaz qui réchauffe la solution frigorigène / absorbant. Le frigorigène ainsi évaporé échange de la chaleur avec le milieu extérieur et le local à chauffer, avant d'être à nouveau absorbé pour finaliser le cycle.

Les développements qui sont réalisés sur cette technologie portent sur des produits à la fois eau/eau et air/eau et montrent des COP atteignant 1,6 sur PCI (Pouvoir calorifique inférieur). L'absence de machine tournante rend par ailleurs le système particulièrement silencieux.

Il s'agit d'une technologie encore en développement ; les principaux travaux sont réalisés par ou en relation avec des constructeurs de chaudières gaz européens et japonais.

Marché

En France

En France, les premières installations de pompes à chaleur dans le secteur domestique sont apparues à la suite du 2^ème choc pétrolier, dans la période 1979-1985. Après un démarrage prometteur dans le cadre du programme PERCHE (installation de plus de 50 000 PAC en 1982 contre 16 000 trois ans avant), le marché a subi une forte régression (10 000 PAC en 1985), due d'une part à la chute du prix du fioul, d'autre part à des insuffisances en termes de qualité d'équipements et d'installations ; de plus, les installations étaient surtout faites dans l'existant, avec les difficultés techniques inhérentes non maîtrisées à l'époque par les installateurs.

La reprise du marché est intervenue progressivement à partir de 1997 grâce à un encadrement qualitatif (certification des équipements, charte des fabricants et installateurs …), qui se poursuit aujourd'hui, essentiellement sur le segment du neuf.

Le parc résidentiel individuel compte 130 000 PAC, dont 50 000 installées avant 1997 et 80 000 installées depuis, avec une croissance très forte depuis 2005 : le taux de croissance annuel du marché est passé de 13% en 2002 à plus de 45% en 2005. On note récemment une reprise du marché de la rénovation (relèves de chaudières).

La production de ce parc est estimée à 22,5 ktep en 2005.

Selon les perspectives de croissance les plus ambitieuses le parc en 2015 serait de 1,2 millions d'équivalent logements, dont la moitié pour les PAC géothermales (habitats individuels, collectifs et tertiaires), ce chiffre pourrait être porté à 1,6 millions d'équivalent logements si l'évolution technologique permet de diffuser très largement les PAC sur le marché de la rénovation. Compte tenu de ces perspectives, la structuration de la filière dans une démarche qualité est essentielle et doit être accompagnée par les principaux acteurs (formation, certification, ...).

Dans le monde

Du fait de modes de chauffage différents, les pompes utilisant l'air comme fluide caloporteur sont principalement développées aux Etats-Unis et en Asie (chauffage à air), tandis que les pompes utilisant l'eau comme fluide caloporteur sont installées principalement en Europe (chauffage central à eau).

Par ailleurs, le marché de la pompe à chaleur géothermale s'est plus développé en Europe que dans le reste du monde, avec au 1^er rang la Suède qui représente près de 50% du parc total installé, soit 380 000 équipements vendus en 2004. Elle est suivie par la France et l'Allemagne. Ces trois pays représentent à eux seuls 75% du marché européen⁽³⁾.

Tissu industriel et effort actuel de R&D en France

Des compétences en matière de recherche existent dans plusieurs laboratoires publics, en nombre restreint : Ecole des Mines de Paris, INSA de Lyon et Latep à Pau (Thermodynamique, modélisation, composants, fluide, cycle CO₂, Pompe à chaleur), Laboratoire TREFLE à Bordeaux (modélisation diphasique, échangeurs), CEA/Greth (échangeurs thermiques échangeurs microcanaux), BRGM (composante sous-sol).

Quatre principales catégories d'industriels sont présentes sur le marché :

• Des fabricants exclusifs de PAC (45% des parts de marché en France), qui représentent une douzaine d'entreprises de petite taille (300 à 5 000 PAC par an). ;
• Des fabricants de chauffage électrique et de ballon ECS (10% du marché) de taille plus importante. Il en existe 5 ou 6 en France ;
• Des climaticiens (35% du marché), une dizaine en France ;
• Des fabricants de chaudières (10% du marché) de plus en plus nombreux aujourd'hui.

Ce sont les industriels du froid, de la climatisation, qui sont les plus à même, compte tenu de leur taille, de lancer des actions de recherche mais ces recherches portent aujourd'hui essentiellement sur les machines produisant du froid. Ces recherches sont aujourd'hui principalement menées dans des centres à l'étranger (Europe, Etats-Unis ou Japon).

EDF mène depuis plusieurs années des actions de R&D pour promouvoir le marché de la pompe à chaleur, notamment pour la rénovation des installations de chauffage central équipée de chaudière combustible.

Les industriels français se positionnent plus sur les PAC électriques que sur les PAC à gaz.

Des efforts particuliers sont menés par les principaux acteurs pour améliorer la qualité des équipements : par l'AFPAC pour les PAC et par l'ADEME, le BRGM et EDF pour les forages des sondes géothermales et les capteurs horizontaux. Ces derniers mènent aussi des actions de formation et d'animation de la filière. Le BRGM réalise par ailleurs des actions d'inventaires des potentialités des aquifères superficiels pour les pompes à chaleur sur nappe aquifère, en vue de permettre le développement de la demande.

Partenariats internationaux

La France est membre de l'accord de coopération de l'agence internationale de l'énergie sur les pompes à chaleur (IEA HPC).

Elle participe à des travaux de recherche dans le 6^ème PCRD. On peut citer parmi les partenaires le R.U., l'Allemagne, la Suède, la Belgique, la Suisse, l'Espagne et l'Italie.

Perspectives de R&D

La politique nationale en faveur des énergies renouvelables thermiques envisage que la part des PAC performantes dans la production de chaleur soit multipliée par un facteur proche de 4 à l'horizon 2015.

Sans oublier la réduction de l'impact environnemental des PAC (fluides frigorigènes notamment), deux axes prioritaires de recherche sont :

• la réduction des coûts. Actuellement une PAC géothermale avec sonde verticale coûte de 9 000 à 11 000 € ;
• l'adaptation des PAC au marché de la rénovation.

Pour les PAC à gaz, les principaux axes de progrès se situent sur l'amélioration du rendement du moteur thermique ainsi que sur la réduction de ses émissions.

Les principaux freins technologiques se situent au niveau du couple frigorigène / absorbant : substitution de la solution eau ammoniac et des fluides frigorigènes (eau – ammoniac – hélium). Les marges de progrès portent sur la réduction de la quantité de fluides frigorigènes et l'optimisation du fonctionnement du système brûleur / échangeur et in fine la diminution des coûts d'investissement et de la maintenance.

Par ailleurs les performances et les impacts environnementaux des échangeurs souterrains restent un champ peu connu, qu'il convient de documenter. Le Conseil Régional Centre se prépare à lancer un pôle d'excellence technologique européen en géothermie. Dans ce cadre, une plate forme de R&D sur la performance et l'impact des échangeurs souterrains devrait être mise en place par le BRGM.

Priorités de recherche chauffage thermodynamique

CT : < 5 ans
MT : 5 – 10 ans
LT : > 10 ans

Notes :
(1) -  On appelle émetteur l'équipement de chauffage final : radiateur, plancher chauffant ou diffuseur d'air chaud (ou frais dans le cadre de climatisation).
(2) Plafond suspendu
(3) Source Observer'ER

© Ministère de l'Écologie, du Développement et de l'Aménagement Durables,
© Ministère de l’Économie, des Finances et de l’Emploi, DGEMP, 05/06/2007