Pompes à chaleur : technologie d’avenir venue du passé

Lors de l’un des premiers cours sur les techniques énergétiques, le professeur demande aux étudiants : « Si vous laissez la porte du réfrigérateur ouverte quand il fonctionne, va-t-il faire plus froid dans la cuisine ? » Connaissez-vous la réponse ? Réfléchissons.

Selon le principe de conservation de l’énergie, la chaleur extraite de l’intérieur du réfrigérateur doit être transférée quelque part. En fait, elle est rejetée dans l’air ambiant à l’arrière du réfrigérateur. Jusqu’à ce moment, la porte du réfrigérateur ouverte ne changerait rien. Il ne ferait donc pas plus froid dans la cuisine. Or, le réfrigérateur a besoin d’électricité pour le processus de refroidissement. L’électricité utilisée génère de la chaleur supplémentaire, transférée dans l’air ambiant. La chaleur dégagée à l’arrière du réfrigérateur est donc supérieure à celle absorbée à l’intérieur. Et la température ambiante augmente.

Les pompes à chaleur utilisent ce processus. Pourtant la chaleur produite n’est pas un « sous-produit », mais bien l’objectif premier. La dépense d’énergie électrique est donc justifiée et contribue au rendement souhaité. Grâce à l’alimentation électrique, la chaleur extraite est portée à une température raisonnable et rejetée sous forme de chaleur utile, permettant un processus de chauffage efficace et économe en ressources.

Comme à l’intérieur du réfrigérateur, la pompe à chaleur est plus froide du côté de l’énergie ambiante que du côté où la chaleur est émise. Ce, en raison de la physique du circuit frigorifique avec le réfrigérant en circulation. L’énergie thermique est « pompée » à un niveau de température plus élevé. De même que nous dépensons plus de calories en montant une pente raide, la pompe à chaleur a besoin d'autant plus d'énergie que la différence de température qu'elle doit combler est importante.

La pompe à chaleur utilise la chaleur ambiante disponible comme source d’énergie ; cette chaleur provient par exemple de l’air, de la terre ou des nappes phréatiques.

Si la température côté sortie de la pompe à chaleur est basse, la consommation d’électricité est réduite. Les pompes à chaleur conviennent donc parfaitement aux systèmes de chauffage fonctionnant avec des températures initiales basses, comme les chauffages au sol. Lors de la modernisation de bâtiments équipés de radiateurs, il est essentiel de vérifier ceux-ci pour s’assurer qu’ils fonctionnent bien aux températures initiales optimales pour les pompes à chaleur. L’efficacité de ce processus dépend de l’isolation : si le bâtiment est bien isolé, on peut utiliser de plus petites surfaces de chauffage.

Le type de pompe à chaleur dépend du support qui fournit l’énergie ambiante et du celui vers lequel la chaleur est restituée. On distingue les pompes à chaleur air-eau, eau-eau et sol-eau. Les premières entraînent des coûts d’investissement assez faibles par rapport aux autres. Mais elles nécessitent bien plus d’espace et consomment bien plus d’électricité, surtout en hiver, lorsque l’air, source de chaleur, est très froid. Elles peuvent être aussi assez bruyantes, nécessitant parfois des mesures d’insonorisation.

Les pompes à chaleur eau-eau et sol-eau nécessitent des mesures de construction supplémentaires pour la production d’énergie ambiante comme des captages d’eau ou des forages de puits ou de sondes, ce qui les rend plus onéreuses. Toutefois, elles fournissent de l’énergie ambiante à un niveau de température plus élevé que les systèmes à air, ce qui réduit grandement la consommation d’électricité. Elles sont également moins encombrantes et ne posent pas de problème en termes d'émissions sonores.

Les pompes à chaleur fonctionnent donc selon le principe des machines frigorifiques inversées. Cela signifie que leur développement est né de la demande en production de froid. Dans sa «Geschichte der Wärmepumpe» (« Histoire de la pompe à chaleur »), Martin Zogg écrit que la première machine frigorifique remonte à 1850. Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, les combustibles fossiles étaient rares, tandis que l’énergie hydroélectrique était abondante. La Suisse a ainsi pu se positionner comme pionnière dans le développement et l’implémentation des pompes à chaleur. En 1938 déjà, la première pompe à chaleur européenne a été mise en service avec succès à l’hôtel de ville de Zurich. L’énergie nécessaire provenait directement de la Limmat. En 1941, une autre pompe à chaleur a été installée à la piscine couverte de Zurich. Elle utilisait la chaleur résiduelle d’une station de transformation et l’eau du Schanzengraben comme source d’énergie. Ces deux projets novateurs ont été réalisés par l’entreprise Escher Wyss. En 2013, des pompes à chaleur alimentées avec l’eau du lac de Zurich ont été installées au siège principal de Swiss Life et au musée de la FIFA.

Comme elles se passent de combustibles fossiles et que, selon Martin Zogg, elles économisent jusqu’à 80% d’énergie électrique par rapport aux chauffages électriques traditionnels, les pompes à chaleur ont le vent en poupe à une époque où l'on s'intéresse de plus en plus à la décarbonisation. Ainsi, selon le Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur, 41 200 unités ont trouvé preneur en Suisse en 2022, soit une croissance annuelle supérieure à 20%. Selon Statista, le nombre de pompes à chaleur vendues en Allemagne était d’environ 236 000, soit une croissance annuelle de plus de 50%.