Stockage de l'électricité par pompage turbinage thermique
Sans une bonne batterie, les énergies renouvelables ne seront jamais crédibles. Et pour stocker toute l'électricité dont nous aurons besoin, il faudra de très grandes batteries. .C'est pourquoi j'aimerais vous présenter une batterie qui semble promise à un bel avenir et qui fonctionne suivant le principe du pompage turbinage thermique. Ce stockage a été breveté en 1929 par Marguerre. Cependant, il est méconnu de nos jours, alors qu'il est le complément indispensable des énergies renouvelables. Voici de quoi il s'agit.
Vous connaissez le pompage turbinage par gravité, les STEP : on pompe l'eau d'un lac inférieur dans un lac supérieur lors du stockage, et pour récupérer l'électricité, on fait redescendre l'eau au travers d'une turbine hydraulique. Le pompage turbinage thermique est similaire, mais au lieu de pomper de l'eau, on pompe des calories avec une pompe à chaleur en créant un réservoir très froid et un réservoir très chaud. Pour récupérer l'électricité, cette différence de températures est appliquée à une turbine à vapeur. L'avantage est que les dimensions des réservoirs sont beaucoup plus réduites que celles d'un lac et qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un site au relief bien particulier. Cela vient du fait que beaucoup plus d'énergie peut être stockée dans la chaleur que dans les masses. Faisons un petite comparaison : prenons un mètre cube d'eau et chauffons-le de 15 °C à 95 °C d'une part et d'autre part une grue soulève ce mètre cube (qui pèse une tonne) à une hauteur de 100 mètres. Dans ces conditions, on a stocké 341 fois plus d'énergie dans la chaleur que dans les masses. Nous voyons donc qu'il faut privilégier le thermique.
Cette batterie peut également s'appeler batterie de Carnot avec pompe à chaleur. Il existe aussi des batteries de Carnot sans pompe à chaleur où on se contente de chauffer un matériau, mais elles sont beaucoup moins efficaces et nécessitent l'utilisation d'aéroréfrigérants qui peuvent causer la légionellose. Cette batterie avec pompe à chaleur est composée de 4 éléments : un réservoir chaud, un réservoir froid, une pompe à chaleur et une turbine à vapeur. Un réservoir coûte d'autant moins par rapport à ce qu'il contient qu'il est grand, car la surface d'un cube et donc la quantité de matériaux à acheter pour le fabriquer est proportionnelle au carré de son côté, tandis que son volume et donc la quantité d'énergie qu'il peut contenir est proportionnelle au cube de son côté. Cette batterie est donc particulièrement indiquée pour stocker de très grandes quantités de kWh. Il existe à Krems, en Autriche, un stockage de chaleur dans un grand réservoir d'eau de 50 000 m³ pour le chauffage urbain d'une capacité de 2.000.000 KWh. Wikipedia nous montre une photo de ce réservoir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_thermique
L'efficacité aller-retour de cette batterie, c'est-à-dire ce qu'on peut retirer de ce qu'on a stocké, se situe entre 50 % et 60 %, ce qui est mieux que les 25 % de l'hydrogène. De plus, l'hydrogène se conserve à une pression énorme de 700 bar ou à une température très basse de -253 °C, ce qui rend impossible sa conservation dans de très grands réservoirs et complique l'isolation thermique. Le rendement d'un moteur à essence est de 25 % tandis qu'une batterie au lithium a une efficacité aller-retour de 92 %. Compte tenu du coût au kWh conservé de la batterie de Carnot avec pompe à chaleur, nous pouvons dire qu'elle est une solution d'avenir pour stocker de grandes quantités d'électricité.
La pompe à chaleur extrait les calories d'un réservoir qui devient très froid et y ajoute la chaleur produite par son compresseur pour placer le tout dans un réservoir qui devient très chaud. En fait, si le compresseur peut produire de la chaleur, c'est avec l'électricité qui vient des panneaux photovoltaïques ou des éoliennes et c'est justement cette l'électricité qu'il faut stocker. Elle est donc stockée sous forme de chaleur. Pour récupérer l'électricité, la différence de température entre le réservoir chaud et le réservoir froid est appliquée à une turbine à vapeur.
Le refroidissement du condenseur ne doit pas se faire en évaporant de l'eau dans l'atmosphère puisque les circuits de la batterie de Carnot avec pompe à chaleur sont complètement fermés. Il n'y a donc pas de légionellose à craindre. Cette batterie n'a donc pas besoin d'être à proximité d'une grande quantité d'eau, contrairement aux centrales nucléaires. Les centrales thermiques ne seront donc jamais en nombre suffisant pour couvrir tous les besoins d'un pays, car les sites favorables manqueront nécessairement. Surtout que pour remplacer toute notre dépendance aux énergies fossiles, il faudra construire des centaines de centrales nucléaires. De ce point de vue, le renouvelable a plus d'avenir, car couplé à nos énormes batteries, il peut être multiplié à l'envi. Et on ne pourra plus lui reprocher son intermittence. Voici une confirmation de tout cela : https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/secheresse-crise-energetique-et-nucleaire-en-france-quels-liens De plus, par rapport à sa capacité, cette batterie par pompage turbinage thermique occupe peu de place au sol : nous verrons ci-dessous qu'une batterie d'une capacité de 3,3 GWh n'occupe qu'une surface de moins de 50 ares.
Prenons un exemple.
Supposons que l'énergie stockée dans une batterie par pompage turbinage thermique est de 3.300.000 kWh.
La température dans le réservoir chaud va évoluer entre 500 °C et 300 °C. Cette température de 500 °C doit être atteinte grâce à la pompe à chaleur. Ces pompes à chaleur existent. La température moyenne dans le réservoir chaud est donc 400 °C. Le réservoir froid contiendra de l'eau qui est constamment en train de congeler et de décongeler. Ce réservoir contient donc un mélange d'eau liquide et de glace en proportions variables suivant les calories qui auront été extraites. Ce réservoir est donc toujours à 0°C.
Si nous appliquons ces températures de 400 °C et 0 °C à une turbine à vapeur, on peut calculer son rendement de Carnot, un rendement théorique qu'il n'est pas possible de dépasser. Ce rendement est dépendant uniquement des températures et il vaut (400 - 0) / (400 + 273) = 59,4 %. Nous avons ajouté 273 ° aux 400 °C pour obtenir les températures en degrés Kelvin. Si nous voulions stocker la chaleur dans de l'eau, la température ne pourrait pas dépasser 100 °C, sinon elle devient de la vapeur et provoque des pressions très dangereuses. Mais l'efficacité aller-retour ne serait que de 20 %, tandis qu'à 400 °C, cette efficacité se situe entre 50 % et 60 %.
Dans notre exemple, la batterie doit fournir 3.300.000 kWh, ce qui correspond aux 59,4 % utiles. Le réservoir froid doit refroidir la turbine en lui enlevant 100 % - 59,4 % = 40,6 % de l'énergie apportée à la turbine. Le réservoir froid devra donc contenir 40,6 / 59,4 * 3.300.000 kWh = 2.250.000 kWh. De façon théorique, le réservoir chaud devra apporter à la turbine 2.250.000 + 3.300.000 = 5.550.000 kWh.
Malheureusement, ceci serait exact si la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique était parfaite. Or, quand la vapeur frappe les aubes de la turbine, il y a des turbulences qui provoquent des pertes. Supposons que celles-ci s'élèvent à 20 %. On dira alors que la turbine a un rendement isentropique de 80 %, un chiffre généralement cité. Cette perte doit permettre d'obtenir en sortie de la turbine 3.300.000 kWh consommés + le froid retiré au condenseur de la turbine, soit 2.250.000 kWh. Le réservoir chaud devra donc fournir à la turbine 5.550.000 kWh / 0,80 = 6.900.000 kWh. La perte isentropique dans la turbine vaut donc 6.900.000 - 5.550.000 = 1.350.000 kWh.
La perte dans le compresseur étant immédiatement dissipée dans celui-ci au moment où l'énergie à stocker entre dans la batterie, elle ne doit donc pas être stockée.
Supposons que le rendement isentropique du compresseur de la pompe à chaleur est également de 80 %. Le compresseur reçoit les calories du réservoir froid (2.250.000 kWh) et y ajoute l'énergie à stocker qui vient des panneaux solaires (3.300.000 kWh). Les panneaux solaires doivent aussi lui fournir la perte isentropique dans la turbine (1.350.000 kWh) ainsi que sa propre perte. Le compresseur va devoir traiter 2.250.000 kWh + 3.300.000 kWh + 1.350.000 kWh = 6.900.000 kWh. Avec la perte isentropique dans le compresseur, l'énergie qui va le traverser est 6.900.000 kWh / 0.80 = 8.625.000 kWh. La perte isentropique dans le compresseur est donc 8.625.000 kWh - 6.900.000 kWh = 1.700 kWh. Les éoliennes devront apporter à la batterie 3.300.000 kWh + 1.350.000 kWh + 1.700 kWh = 6.350.000 kWh. La batterie va restituer 3.300.000 kWh. L'efficacité aller-retour de notre batterie sera 3.300.000 kWh / 6.350.000 kWh = 52 %. Si les rendements isentropiques sont de 85 %, le même calcul donne une efficacité aller-retour de 60 %. La littérature annonce généralement une efficacité comprise entre 40 et 70 %.
La chaleur qui est retirée au condenseur de la turbine ne quitte pas la batterie et ne doit donc pas être apportée de l'extérieur. Dans une centrale nucléaire ou au charbon, le chaleur retirée au condenseur est dissipée dans les grandes cheminées hyperboliques et est donc perdue. Il faut donc continuellement apporter cette chaleur perdue, ce qui n'est pas le cas avec notre batterie de Carnot avec pompe à chaleur, puisque la chaleur retirée du réservoir chaud retourne dans le réservoir froid et vice-versa.
Le volume du réservoir froid sera de 2.250.000 kWh / 93 kWh/m³ nécessaires pour congeler 1 m³ d'eau, soit un réservoir froid de 24.000 m³. Le réservoir chaud contiendra un lit de roche, comme le basalte par exemple. Les dimensions du réservoir chaud contenant du basalte seront données par
6.350.000 kWh / (500 °C - 300 °C) / 2.800 kg/m³ poids spécifique du basalte / 0,2 chaleur massique basalte * 860 kcal/kWh = 49.000 m³. Cependant, calculons quelle seront les déperditions de chaleur au travers des parois du réservoir chaud. S'il mesure 50 m long * 50 m large * 20 m haut, sa surface extérieure sera de 9.000 m².
Pour connaître les déperditions au travers des parois, j'utilise la formule : Surface * différence de température / épaisseur de l'isolant * coefficient de l'isolant * durée, soit après 6 mois de conservation :
9.000 m² * 400 °C / 2 m isolant * 0,04 coefficient laine de roche * 6 mois * 30 jours/mois * 24 heures / 860 kcal/kWh = 360.000 kWh, alors que 6.900.000 kWh se trouvent dans le réservoir chaud, soit une perte de 6 % en 6 mois. La perte est donc extrêmement réduite. Physiquement, on peut imaginer que la chaleur au centre de cet immense réservoir mettra énormément de temps pour atteindre la paroi extérieure. Cette batterie convient donc très bien pour un stockage de très longue durée, donc un stockage intersaisonnier, par exemple pour utiliser en hiver la production estivale des panneaux solaires.
Un petit dessin vaut mieux qu'un long discours :
D'abord quand les panneaux solaires chargent la batterie.
Ensuite, lorsqu'on récupère l'électricité stockée.
Les pompes à chaleur qui chauffent nos maisons se caractérise par leur COP, le coefficient de performance. Les pompes à chaleur air-air ont souvent un COP de 3. Cela signifie que si 3 arrive dans notre living pour le chauffer, nous aurons consommé seulement pour cela 1 en électricité, la différence de 2 étant puisée gratuitement dans l'air extérieur. Donc, ce 1 doit être le plus petit possible. Dans notre batterie de Carnot avec pompe à chaleur, c'est le contraire. Le réservoir froid dans lequel on puise doit être le plus petit possible afin de coûter moins et le compresseur doit développer un travail maximum, puisque ce travail, c'est l'électricité que nous devons stocker. Ce qu'on puise dans le réservoir froid n'a d'autre utilité que de créer ce froid dont on a besoin pour créer une aspiration au sortir de la turbine.
Cette batterie serait vraiment une avancée significative en vue de rendre les énergies renouvelables crédibles, car elle est constituée d'acier, de roches et d'eau, tous des éléments abondants dans la nature (il y a 2.000 fois plus de fer que de lithium dans le monde) et facilement recyclables.
Deux entreprises utilisent cette technologie : le Français Stolect et l'Américain Malta Inc. qui a des implantations en Espagne et en Allemagne. Voici un peu de documentation.
Stolect
Malta Inc.
Je voudrais poser une drôle de question, et la réponse sera tout aussi farfelue, surtout que n'étant pas un spécialiste en la matière, je ne peux qu'être très maladroit. La question : combien faudrait-il installer de batteries de Carnot avec pompe à chaleur de 3 GWh en Belgique, sachant qu'en 2023, on y consommait 400 TWh par an d'énergies sous toutes les formes. Supposons qu'on continue à produire 400 TWh par an mais qu'on doive stocker 200 TWh répartis sur toute l'année et que la durée de stockage est de 1 mois. La capacité de stockage devrait donc être environ de 20.000 GWh, et comme nos batteries ont une capacité de 3 GWh, cela signifie qu'il faudrait construire 7.000 batteries. La Belgique a une superficie de 30.000 km². Il y aura donc une batterie tous les 4 km² qui occupe une surface de 50 ares. Par contre, une centrale nucléaire de 1 GW fonctionnant en continu pendant 12 mois produit 1 GW * 24 heures/jour * 365 jours = 8.760 GWh. Il faudrait donc construire 400.000 GWh / 8.760 GWh/centrale nucléaire = 46 centrales comme à Tihange. Aurons-nous assez de fleuves pour refroidir toutes ces centrales ? Quand je lis https://www.rtbf.be/article/pas-de-nouvelles-grandes-centrales-nucleaires-avant-2039-au-plus-tot-11655356 cela laisse rêveur. Si ce sont des SMR de 0,3 GW, il en faudra près de 150. Bref, la possibilité d'avoir une épidémie de légionellose est accrue, surtout qu'avec des plus petites centrales thermiques, les aéroréfrigérants seront plus proches du sol. Voyez https://reglementation-controle.asnr.fr/information/archives-des-actualites/prevention-des-risques-resultant-de-la-dispersion-de-microorganismes-pathogenes ou https://www.sortirdunucleaire.org/Legionelles-la-centrale-nucleaire Quand je vous disais que ce serait biscornu, mais la Belgique est le pays du surréalisme.
Néanmois, ceci m'interpelle :
Aperçu IA L'affirmation selon laquelle un faible taux de charge (ou facteur de charge) rend les centrales nucléaires peu économiques est correcte, car le nucléaire est une énergie à forte intensité de capital (coûts de construction très élevés) et à faibles coûts opératoires.
Cependant, dans la pratique, le nucléaire est généralement conçu pour fonctionner avec un taux de charge élevé, ce qui en fait une source de production de base compétitive, contrairement à cette affirmation dans un scénario de fonctionnement optimal.
Voici l'analyse détaillée du lien entre le taux de charge nucléaire et l'économie :
1. Pourquoi un faible taux de charge = Pas économique
- Coûts fixes élevés : La majorité des coûts du nucléaire (construction, démantèlement, maintenance, sûreté) sont fixes. Qu'une centrale produise 100 % ou 50 % de sa capacité, ces coûts restent les mêmes.
- Amortissement difficile : Si le taux de charge est faible (centrales fonctionnant peu), le coût par mégawattheure (MWh) produit explose, rendant l'énergie produite très chère.
- Le nucléaire n'est pas "flexible" : Contrairement aux centrales à gaz qui peuvent s'allumer/s'éteindre rapidement, forcer un réacteur nucléaire à moduler sa puissance (suivi de charge) réduit son efficacité économique et technique.
2. Le scénario réel : Un haut taux de charge est économique
- Taux de charge élevé : Le nucléaire possède l'un des taux de charge les plus élevés de toutes les énergies (plus de 92% aux USA en 2024), fonctionnant presque en continu.
- Coût de production compétitif : Grâce à ce fonctionnement en base, le coût du nucléaire est compétitif, surtout lorsque l'on prend en compte les coûts système (coûts de transport, de stockage et de secours nécessaires pour les EnR intermittentes).
- Compétitivité avec les EnR : Avec un taux de charge supérieur à 68 %, le nucléaire est souvent moins cher que le charbon ou le gaz, selon les analyses.
3. Les nuances et contextes
- Concurrence des EnR (effet de "cannibalisation") : Si le marché est inondé d'énergies renouvelables (solaire/éolien) à coût marginal très faible, le taux de charge du nucléaire peut être forcé à la baisse (par exemple de 90 % à 60 %), ce qui nuit fortement à sa rentabilité.
- Coûts de construction : Le surcoût de construction des nouveaux réacteurs (EPR2 par exemple) peut rendre le nucléaire peu compétitif même avec un fort taux de charge si les coûts d'investissement sont trop élevés.
Conclusion
Le nucléaire est très économique en base (fort taux de charge) mais non rentable en pilotage flexible ou si contraint à une faible production (faible taux de charge). L'enjeu économique est de maintenir le réacteur le plus longtemps possible à pleine puissance.
Avec de très nombreuses batteries de Carnot avec pompe à chaleur d'une capacité de 3 GWh, le coût du stockage est très bas et l'intermittence des énergies renouvelables n'est plus un problème.
"Début 2026, le prix d'unTesla Megapack (version 2 heures) se situe aux alentours de 1,1 à 1,3 million de dollars par unité, des montants pouvant fluctuer selon la configuration, le lieu d'installation et les coûts de projet. Ces batteries industrielles visent le stockage d'énergie à grande échelle (1 MW / 3,9 MWh à 5 MWh).
- Coût unitaire : Estimé à environ 1,12 million d'euros ou plus de 1,2 million de dollars par Megapack.
- Capacité : Les modèles récents atteignent 3,9 MWh (version 4h) à 5 MWh (Megapack 3) par unité.
- Usage : Destiné au stockage d'énergie pour le réseau, les énergies renouvelables et les entreprises.
Le prix peut varier en fonction des frais de transport, de l'installation sur site et des mises à jour technologiques de Tesla.", soit 1.120.000 € / 4.000 kWh = 250 €/kWh".
Par contre,
"Comparaison technique : Batterie de sable vs Lithium-ion
Critères Batterie de sable Batterie Lithium-ion
Coût d'installation < 10 €/kWh 150-300 €/kWh
Durée de vie > 20 ans 10-15 ans
Matériaux Sable industriel, acier Lithium, cobalt, nickel
Température de fonctionnement 600°C -20°C à +60°C""
Les réservoirs thermiques coûtent très peu et d'autant moins qu'ils sont grands.
"Le prix d'une turbine à vapeur Siemens de 20 MW en 2026 s'inscrit dans une fourchette large,
estimée entre 6 et 50 millions de dollars (USD) pour des installations à cycle combiné. Ces coûts varient considérablement selon les spécifications techniques, les accessoires, l'installation, et les conditions du marché en 2026.
Facteurs clés influençant le prix (Estimations 2026) :
- Puissance et Type : Une turbine de 20 MW est dans la moyenne basse des grandes installations, souvent utilisée pour des applications industrielles ou de cogénération."
J'ai trouvé une turbine vendue en occasion :
Siemens 60Hz 22 MW Vapeur Gaz Turbine SST-600 12 MW Compresseur 10 MW Générateur : 184 587,66 EUR
Pour une batterie de Carnot avec pompe à chaleur d'une capacité de 3,3 GWh, un coût inférieur à 50 €/kWh stocké semble plausible. A comparer avec les 250 €/kWh du lithium. Si le nombre de ces batteries de Carnot commercialisées est important, leur prix ne peut que diminuer.
La puissance des batteries électro-chimiques telles que celles au lithium est liée à leur capacité. Pour les batteries de Carnot, il n'en est rien. En effet :
"La puissance d'une batterie lithium est liée à sa capacité car une plus grande capacité (Ah) implique une plus grande surface d'électrodes et plus de cellules actives, permettant de libérer plus d'ions lithium simultanément. Une capacité élevée augmente la densité énergétique, autorisant un débit de courant plus intense sans surcharge, crucial pour les moteurs."
Une ville d'un million d'habitants comme Bruxelles devrait compter quelque chose comme 250.000 ménages. Un ménage consomme 3.500 kWh d'électricité par an, soit 3.500 kWh / 365 jours = 10 kWh/jour. Une voiture électrique consomme 20 kWh pour rouler 100 km. Supposons que tous ces ménages aient cette voiture électrique (c'est exagéré, mais Allons-y Chochotte, allons-y, une chanson d'Erik Satie). Pour alimenter Bruxelles pendant un jour, il faudrait donc (10 kWh + 20 kWh) * 250.000 ménages = 7,5 GWh, soit 2 batteries de Carnot avec pompe à chaleur de 3,3 GWh qui occupent une surface au sol de 1 hectare. Pour avoir une réserve d'électricité pour une semaine, une surface au sol de 7 hectares serait suffisante. Et ce, pour une ville de un million d'habitants. Mais tous n'auront pas une voiture électrique.
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Si nous pouvons stocker l'électricité sur le long terme et en grandes quantités, je me pose la question de savoir si isoler les maisons drastiquement pour avoir un PEB A est souhaitable. Je me demande ce qui est le moins cher : isoler les maisons parfaitement ou garder des passoires qu'on chauffe avec une éolienne supplémentaire.
Isoler une maison de cette façon coûte 150.000 € d'après le représentant de la Confédération de la Construction en Belgique en 2023.
En Belgique, une maison-passoire consomme environ 20.000 kWh pour le chauffage, supposons pendant 150 jours d'hiver. Cette maison a donc besoin de 20.000 kWh / 150 jours = 133 kWh/jour.
Une éolienne terrestre a une puissance d'environ 2 MW à terre et 6 MW en mer. Prenons une moyenne de 4 MW. L'IA me dit ceci :
"Le taux de charge (ou facteur de charge) des éoliennes en mer du Nord est élevé, généralement entre 40 % et 65 %, bien supérieur à celui des éoliennes terrestres (environ 25 %), grâce à des vents plus forts et réguliers, avec des parcs récents atteignant souvent 40-50 %, et des records comme 57 % pour un parc écossais, démontrant une production presque continue, parfois 95 % du temps, tout en s'ajustant aux besoins du réseau."
Prenons un taux de charge de 40 %. Par jour, une éolienne produit donc 4.000 kW * 24 heures * 0.4 = 38.400 kWh/ jour.
Cette éolienne pourra donc assurer le chauffage de 38.400 kWh / 133 kWh = 288 maisons qui, si elles avaient été bien isolées auraient coûté 150.000 € * 288 = 43,2 millions d'euros.
"Le prix d'une éolienne varie énormément selon la puissance (de quelques MW à 10+ MW) et le type (terrestre ou en mer), une éolienne terrestre de 4 MW coûtant environ 4,8 millions d'euros, tandis que les projets en mer (offshore) sont bien plus chers (milliards d'euros pour des parcs) en raison des coûts d'installation et des technologies spécifiques, les prix remontant récemment pour l'offshore à cause des goulets d'approvisionnement."
"Les sept premiers projets de parcs éoliens en mer posés français et leurs raccordements ont coûté entre 1,4 et 2,2 milliards d'euros par projet, pour des puissances comprises en 450 et 600 MW.", soit 4 MW / 500 MW * 2 milliard d'euros = 16 millions d'euros pour une éolienne de 4 MW.
Comme l'isolation de 288 maisons aura coûté 43,2 millions d'euros, nous voyons qu'isoler les maisons de façon poussée coûte près de 3 fois plus cher à l'économie nationale que de construire une éolienne supplémentaire. Un juste milieu est probablement souhaitable, car une maison très mal isolée mais chauffée de façon intense est malgré tout moins confortable qu'avec un peu d'isolation.
Pour assurer tous les jours un chauffage continu de ces maisons peu isolées, il faut disposer constamment d'une réserve d'électricité importante. Avec les batteries électriques par pompage turbinage thermique, cela devient possible, même avec le renouvelable.
Vouloir que toutes les maisons aient un PEB A signifie que toutes ces maisons doivent être des maisons passives. Mais une maison passive n'est pas seulement une maison bien isolée. Elle doit répondre à des critères bien précis pour arriver à cette performance. Elle sera principalement chauffée par la chaleur dégagée par ses occupants et par les apports du soleil. Depuis de nombreuses années, je constate qu'en cas d'anticyclone en hiver, le temps reste couvert, les nuages étant plaqués au sol, alors qu'il devrait faire beau. Et cela dure souvent un mois. Donc, pendant ce temps, pas de soleil. Il faut aussi que le soleil entre dans la maison. Il faut donc que les ouvertures soient bien orientées vers le Sud. Il faudra donc faire pivoter toutes les maisons existantes. Derrière chez moi, on a construit une maison passive dont les plus grandes fenêtres sont orientées ... au Nord. Compter sur la chaleur humaine quand on vit seul et qu'on ne dégage qu'une puissance de 100 W par personne est une utopie. Dans les maisons passives, une ventilation à double flux est obligatoire, mais elle consomme malgré tout par an environ 1.000 kWh. Ce n'est donc pas si passif que ça. Résultat : mes voisins avaient froid et ont dû placer un poêle à pellets.
Les autorités veulent aussi imposer les pompes à chaleur comme moyen de chauffage. Pour la plupart d'entre nous, elles seront du type air-air ou air-eau. Or, il faut savoir que ces PAC sont inopérantes lorsque la température extérieure descend sous + 7 °C, ce qui est très souvent le cas en hiver en Belgique. D'ailleurs, la documentation sur les PAC air-air qu'on peut trouver sur internet indique souvent qu'elles sont équipées d'une résistance électrique d'appoint qui doit prendre le relais quand la température est trop basse. Donc un appoint qui est pratiquement permanent. Dès lors, pourquoi acheter une PAC qui coûte entre 10.000 et 20.000 €, alors qu'un petit convecteur électrique à 60 € convient tout aussi bien. Donc, si on peut chauffer des maisons peu isolées avec un ou deux convecteurs électriques, on évitera bien des dépenses inutiles. Imaginez si tout le monde doit s'équiper d'une PAC et que la facture annuelle ne répond pas aux promesses des autorités. Il y aura de la contestation. Les maisons en ville sont alignées en quadrilatère autour de petits jardins qui ensemble occupent un espace clos relativement petit entouré de hautes constructions. Si ces maisons et appartements sont tous équipés de pompes à chaleur qui extraient beaucoup de calories dans cet espace restreint, les jardins vont se refroidir jusque – 40 °C en hiver. En été, ce sera le contraire. Tous les appartements vont chauffer les petits jardins avec la chaleur retirée des maisons. Il y aura +50 °C dans les jardins.
Nous pouvons chiffrer ce que coûte une PAC. Le gain apporté par une pompe à chaleur est donné par son COP, le coefficient de performance. Avec les pompes à chaleur accolées contre les façades de nos maisons qui prélèvent les calories dans l'air extérieur, le COP est généralement de 3. Cela signifie que pour un apport de 3 kWh dans le living, il a suffit que de prélever 1 kWh d'électricité sur le réseau. L'occupant de la maison a dû payer 1 kWh d'électricité mais a bénéficié de 2 kWh gratuits venant de l'extérieur.
Dans https://www.quelleenergie.fr/magazine/pompe-chaleur-efficace-zero nous pouvons lire : "Par temps froid, la performance des pompes à chaleur air/air et air/eau se dégradera en conséquence directe de la baisse de la température, pour devenir médiocre sous 0°C (COP proches de 2 voire inférieurs par grands froids) et inopérante sous -7°C environ. Une résistance chauffante prend alors le relais sur beaucoup de modèles. Les échangeurs extérieurs ont également tendance à givrer à l’approche de 0°C, d’où la nécessité d’un système de dégivrage qui amputera d’autant le bilan global du dispositif."
Une maison assez bien isolée a besoin de 8.000 kWh/an pour son chauffage. Avec un COP de 1,7 , 8.000 kWh * 0,7/1,7 = 0,4 * 8.000 kWh = 3.200 kWh seront puisés depuis l'extérieur et il faudra acheter 1 /1,7 * 8.000 kWh = 0,6 * 8.000 kWh = 4.800 kWh. En 2.025, mon électricité a coûté 0.37 €/kWh pour l'électricité et 0,17 kWh/an pour le gaz. La facture pour le chauffage s'élèvera à 4.800 € * 0,37 €/kWh = 1.776 € pour l'électricité avec pompe à chaleur et 8.000 kWh * 0.17 €/kWh = 1.360 € pour le gaz. Nous voyons que la pompe à chaleur n'apporte aucun avantage financier. Toutefois, il faudrait vérifier tout ceci, car toutes les indications qu'on peut trouver sur internet sont données par des vendeurs de pompes à chaleur qui n'ont pas intérêt à les dénigrer. Mais même avec un COP de 2, on perd de l'argent avec la pompe à chaleur et son investissement ne sera jamais financé. Si les habitants avaient utilisé des convecteurs électriques à 60 €, ils devraient payer 8.000 kWh *0.37 €/kWh = 2.960 € par an soit 2.960 € - 1.776 € = 1.184 € en plus que s'ils avaient une pompe à chaleur. Si la pompe à chaleur a coûté 13.000 € installation comprise, il faudra 13.000 / 1.184 = 11 ans pour la financer, en comparant avec un convecteur électrique, une manière de se chauffer qui est très coûteuse. Ce petit calcul bien maladroit montre qu'il faut être prudent avant d'imposer les pompes à chaleur à grande échelle.
De très nombreuses batteries utilisant le pompage turbinage thermique disséminées sur tout le territoire d'un pays permettent de ne pas avoir recours à ces techniques sujettes à caution. Nous obtenons alors une infrastructure décentralisée qui est beaucoup plus robuste qu'un système centralisé.
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Nous avons vu que sous + 7 °C, une pompe à chaleur ne fonctionne pas bien. Les pompes à chaleur à géothermie horizontale prélèvent la chaleur dans le sol du jardin, à une profondeur de 1,2 mètre où il y a toujours plus de 10 °C, même quand il gèle à pierre fendre. Cette pompe à chaleur est donc toujours performante. Mais pour installer la géothermie horizontale, il faut un grand terrain. Je me suis donc demandé si accumuler la chaleur dans un réservoir d’eau en été pour la restituer en hiver en étant secondé par une pompe à chaleur ne serait pas une bonne idée.
Je lis : « Aperçu IA. La consommation de chauffage pour une seule pièce (chambre ou petit salon de 15-20 m²) se situe généralement entre 1 000 et 2 500 kWh/an, selon l'isolation et la fréquence d'utilisation. » Il n’est pas nécessaire de chauffer entièrement une maison de façon continue. Chauffer un nombre de pièces limité est plus sage. Nous y serons obligé dans le futur quand le pétrole bon marché aura disparu.
Les panneaux photovoltaïques sur le toit d’une maison ont généralement une superficie de 20 m². Ces panneaux produisent en Belgique 200 kWh/m² et par an. La production annuelle d’électricité solaire de cette maison est donc de 4.000 kWh. C’est trop peu pour chauffer une maison. Une maison avec 35 m² de panneaux bénéficie de 7.000 kWh/an. Si la maison n’est pas trop mal isolée, cela pourrait aller.
Un mètre cube d’eau chauffé entre 10 °C et 90 °C a emmagasiné (90 – 10 ) * 1 chaleur spécifique de l’eau * 1.000 kg eau/m³ / 860 kWh/kcal = 93 kWh/m³. Pour stocker 7.000 kWh, il faudrait donc un réservoir de 7.000 kWh / 93 kWh/m³ = 75 m³, soit 4 m large * 4m haut * 4,7 m long. Cela pourrait se mettre dans un jardin.
La pompe à chaleur ne fonctionnera pas lorsque la température dans le réservoir est comprise entre 50 °C et 90 °C. Elle entrera en action sous 50 °C. Mais comme elle prélève les calories dans le réservoir où la température de l'eau ne descend pas sous + 10 °C, son COP sera toujours excellent. Cette solution devrait donc être très économique.
La chaleur contenue dans ce réservoir doit être conservée pendant 6 mois. Calculons sommairement la déperdition de chaleur pendant tout ce temps si le réservoir est isolé avec une épaisseur de 1 mètre de laine de verre. La surface du réservoir est 107 m². La température moyenne dans le réservoir est (90 + 10)/2 = 50 °C et la température moyenne à l’extérieur est (24 + 0)/2 = 12 °C. La déperdition de chaleur sera donc 107 m² * (50 - 12) / 1 m épaisseur isolant * 0,04 coefficient isolant * 6 mois * 30 jours/mois * 24 heures/jour / 860 kWh/kcal = 817 kWh perdus en 6 mois sur les 7.000 kWh contenus dans le réservoir, soit 11,7 %. La pompe à chaleur apportera un peu de chaleur avec l’électricité qu’elle consomme sur le réseau. Admettons que cela compense cette perte. La pompe à chaleur ne devra fonctionner que si la température dans le réservoir descend sous 50 °C.
Le taux d’autoconsommation des panneaux photovoltaïques est d’environ 33 %. Cela signifie que les appareils ménagers fonctionnent un tiers du temps quand il y a du soleil. Le reste du temps, les panneaux produisent de l’électricité qui est généralement injectée dans le réseau à un prix dérisoire. Ces 66 % seront mieux valorisés s’ils sont stockés dans le réservoir d’eau chaude.
La plupart des toits sont trop petits pour chauffer les maisons. On pourrait remplacer les chaudières au mazout ou au gaz chez les particuliers (qui devront de toute façon disparaître en même temps que les énergies fossiles vont devenir rares) par un grand boiler d'eau chaude placé dans le jardin qui sera chauffé à l'électricité prélevée sur le réseau pendant les heures creuses. Dans les pays ayant opté pour le tout nucléaire, le problème est de pouvoir lisser la consommation d'électricité entre les heures pleines et les heures creuses, car les centrales nucléaires ne sont que modérément modulables et sont une aberration économique si elles ne fonctionnent pas à plein régime de façon permanente. Le renouvelable quant à lui est intermittent. Avec de très nombreux boilers dans les jardins, la gestion du réseau électrique s'en trouverait fort simplifiée. Et répétons-le, le mazout et le gaz vont disparaître. Et que faisons-nous alors ?