Avec son projet OPERA, le CSEM a cherché à améliorer la gestion énergétique des bâtiments résidentiels collectifs en coordonnant trois éléments : la production photovoltaïque, la pompe à chaleur et le système de distribution de chaleur (les vannes des radiateurs ou du chauffage au sol).
Dans le secteur du bâtiment, pour décarboner la production de chaleur, une solution par excellence se démarque : les pompes à chaleur, aussi appelées PAC par les professionnels. Elles sont en effet particulièrement adaptées aux usages à basse et moyenne température, jusqu’à environ 70 °C, ce qui correspond à l’essentiel des besoins résidentiels.
Malgré son potentiel, cette solution peine encore à s’imposer avec quelque 20 % des maisons individuelles équipées d’une pompe à chaleur (contre 5% en 2000). Et les estimations sont encore plus faibles pour les immeubles résidentiels collectifs puisque le taux se situe actuellement autour de 12%. « Cette différence s’explique par plusieurs facteurs : les rénovations y sont moins fréquentes, les systèmes sont plus complexes et nécessitent souvent plusieurs pompes à chaleur distinctes (par exemple pour le chauffage et pour l’eau chaude sanitaire), et il existe peu de solutions sur le marché pour coordonner efficacement leur fonctionnement », explique Tomasz Gorecki, ingénieur sénior en R&D au Centre suisse d’innovation technologique (CSEM).
Identifié comme une source freinant le déploiement des pompes à chaleur en Suisse, cette complexité technique a représenté le point de départ d’un projet démarré au CSEM quelques années plus tôt et baptisé OPERA. Au cœur de ce projet : le développement d’une approche de gestion de l’énergie simplifiée et réplicable à grande échelle, sans ajout de matériel complexe, afin de faciliter son adoption par les installateurs et les exploitants.
Pour comprendre la valeur ajoutée de l’approche du CSEM, un pas en arrière est nécessaire. Depuis toujours, dans les systèmes traditionnels, le fonctionnement de la pompe à chaleur et celui du bâtiment agissent indépendamment l’un de l’autre. La pompe à chaleur est pilotée par une « courbe de chauffe » qui définit la température de l’eau produite en fonction de la température extérieure. Les pièces, quant à elles, sont régulées par des radiateurs (ou chauffages au sol) qui ouvrent ou ferment des vannes selon la température intérieure.
« Le problème est que ces deux niveaux de contrôle ne communiquent pas : la pompe à chaleur ne sait pas si le bâtiment a réellement besoin de chaleur, et les thermostats ignorent la manière dont la chaleur est produite », indique Tomasz Gorecki en rajoutant que cette absence de coordination est particulièrement problématique lorsque l’on souhaite valoriser l’électricité photovoltaïque produite localement.
D’après le chercheur, les solutions existantes cherchent souvent à « consommer l’électricité solaire » en forçant la pompe à chaleur à produire davantage de chaleur, en augmentant par exemple la température du ballon d’eau chaude. Or cette stratégie dégrade l’efficacité de la pompe à chaleur. « Plus elle produit de l’eau chaude à haute température, plus son coefficient de performance diminue », explique Tomasz Gorecki.
De plus, les ballons de stockage sont généralement de petite taille (200 à 300 litres) et ne sont pas conçus pour stocker de grandes quantités d’énergie, mais seulement pour assurer la disponibilité d’eau chaude sanitaire. Augmenter leur température de 5 à 10 °C permettrait certes de stocker un peu plus d’énergie, mais au prix d’une perte d’efficacité pouvant atteindre 10 à 20 %.
« Selon les conditions du jour, notre algorithme peut privilégier l’utilisation de l’électricité solaire ou décider qu’il est plus avantageux de déplacer la consommation vers les périodes à bas tarif», explique Tomasz Gorecki, ingénieur sénior en R&D au CSEM.
Le projet OPERA propose une approche différente : stocker l’énergie directement dans le bâtiment en modulant légèrement la température intérieure, par exemple de quelques dixièmes de degré, plutôt que dans le ballon d’eau chaude. Cette stratégie permet de conserver une meilleure efficacité de la pompe à chaleur tout en augmentant l’autoconsommation de l’électricité photovoltaïque. Elle repose sur une coordination optimale entre trois éléments : la production photovoltaïque, la pompe à chaleur et le système de distribution de chaleur (les vannes des radiateurs ou du chauffage au sol).
Cette coordination est assurée par un algorithme de gestion énergétique intégré dans un système de type EMS (Energy Management System). Contrairement aux algorithmes classiques basés sur des règles fixes, l’algorithme OPERA évalue en permanence les différentes options possibles et choisit celle qui minimise les coûts. « Selon les conditions du jour, il peut privilégier l’utilisation de l’électricité solaire ou décider qu’il est plus avantageux de déplacer la consommation vers les périodes à bas tarif. Il dispose ainsi d’une liberté d’adaptation qui constitue une rupture avec les approches statiques », résume Tomasz Gorecki.
Du point de vue de l’implémentation, la solution se veut volontairement simple : il s’agit principalement d’ajouter un EMS capable d’exécuter l’algorithme et d’envoyer les bons signaux aux équipements. La principale difficulté réside dans l’interface avec les pompes à chaleur. Sur des installations récentes (moins de cinq ans), la plupart des marques offrent une connectivité suffisante. Par contre, pour les pompes à chaleur plus anciennes, leur fonctionnement ne permet généralement pas d’agir sur leur contrôleur interne. « La situation la plus délicate concerne celles installées il y a dix à quinze ans puisqu’elles sont trop récentes pour être remplacées, mais pas assez connectées pour être pilotées efficacement » regrette Tomasz Gorecki.
Après avoir été développée au CSEM, la solution a été testée sur un bâtiment pilote à Neuchâtel, un immeuble locatif rénové énergétiquement. Un hiver complet de mesures a permis de comparer un fonctionnement standard à celui géré par OPERA dans des conditions météorologiques équivalentes. Les résultats ont montré une baisse d’environ 12 % des coûts d’électricité liés au chauffage. Cette réduction provient notamment du déplacement d’une partie de la consommation des heures à tarif élevé vers les heures à tarif réduit, ainsi que d’une meilleure adéquation avec la production photovoltaïque.
Reposant sur un système de licences, l’algorithme peut être acquis et utilisé par des entreprises actives dans la production d’EMS. Dans le cas d’OPERA, l’intégration commerciale passe notamment par l’entreprise partenaire Soleco. Cette dernière verse des frais de licence en fonction des ventes. L’ambition n’est pas de créer une entreprise dédiée à la vente d’EMS, mais de transférer la technologie à l’industrie, conformément à la mission du CSEM. D’autres partenaires pourront ainsi adopter la technologie selon leurs besoins et leur modèle d’affaires.
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