L’analyse technique du Oak Ridge National Laboratory met en évidence les impacts pratiques des pompes à chaleur géothermiques sur le réseau électrique. Le déploiement massif peut électrifier les bâtiments américains sans surcharger le système électrique.
Selon une analyse technique approfondie du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), le déploiement national de pompes à chaleur géothermiques (GHP) pourrait créer d’importants avantages pour le secteur du bâtiment aux États-Unis, notamment lorsqu’il est associé à la rénovation énergétique des maisons individuelles. Cette technologie présente plusieurs avantages, tels que des coûts d’électricité et des émissions de dioxyde de carbone (CO2) réduits, ainsi qu’une réduction du stress sur le réseau électrique et de l’expansion de la transmission.
Un système de pompe à chaleur géothermique sous une maison. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL
L’étude a modélisé une période allant de 2022 à 2050, dans laquelle les pompes à chaleur GHP remplacent les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) conventionnels, ainsi que les sources de chauffage à combustion utilisant le gaz, le propane et le fioul. Les chercheurs ont simulé le déploiement des pompes à chaleur GHP sur 68 % de la surface au sol des bâtiments commerciaux et résidentiels neufs et existants. Trois scénarios ont été appliqués :
- Le scénario de base de l’exploitation du réseau électrique
- La décarbonisation, visant une réduction de 95 % des émissions d’ici 2035 et une électricité entièrement propre d’ici 2050
- Un scénario élargi d’électrification à l’échelle de l’économie, incluant le chauffage des bâtiments
Les modèles ont intégré l’impact de la rénovation énergétique des maisons individuelles, qui consiste à réduire la ventilation extérieure et à réduire les fuites des conduits de CVAC, une pratique courante dans les rénovations avec les pompes à chaleur.
Dans tous les scénarios, le déploiement annuel de 5 millions de GHP a entraîné une réduction substantielle des émissions de CO2 en évitant la combustion de combustible sur site. Les émissions ont diminué de 7 351 millions de tonnes métriques (MMT), dont 4 318 MMT provenant d’une baisse de 26 % du secteur du bâtiment et 3 033 MMT de l’électricité.
Le déploiement à grande échelle des pompes à chaleur GHP a également permis d’économiser 300 milliards de dollars de services au réseau électrique. Les GHP réduisent le coût global du réseau électrique et le coût du système électrique, permettant ainsi des économies supplémentaires en éliminant la consommation de combustible pour le chauffage de l’espace.
Évolution de la consommation des bâtiments et des émissions de carbone avec l’installation de systèmes GHP à l’échelle nationale. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL (Figure ES-1, Page 16)
Que sont les pompes à chaleur géothermiques ?
Les GHP sont une technologie bien établie en matière d’efficacité énergétique. Aux États-Unis, elles sont utilisées depuis les années 1940, lorsque qu’un scientifique de l’Ohio a créé la première pompe à chaleur géothermique pour sa maison. Selon le département de l’Énergie, environ 50 000 GHP sont installées chaque année.
Les GHP exploitent les températures géothermiques relativement constantes de la terre en transférant la chaleur dans et hors du sol en faisant circuler de l’eau dans des tuyaux souterrains. Dans les régions froides où la rupture des tuyaux est un problème, l’eau peut être remplacée par une solution antigel.
Dotées d’une grande efficacité et d’un chauffage sans utilisation de combustible, les GHP réduisent les coûts énergétiques des bâtiments et ne produisent aucune émission sur place. Elles peuvent également être utilisées toute l’année. En hiver, la chaleur est prélevée dans le sol pour réchauffer les bâtiments. En été, le sol sert de source de chaleur.
Les installations réparties des GHP sont généralement associées à un système d’air extérieur dédié (DOAS) dans une configuration qui sépare la ventilation extérieure du contrôle de la température dans chaque zone du bâtiment.
Un système GHP réparti couplé à un DOAS. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL (Figure 3-1, Page 36)
Bien que traditionnellement considérée comme une technologie du bâtiment, l’étude de l’ORNL affirme que les GHP réduisent les coûts et réduisent considérablement les émissions de CO2 lorsqu’ils sont associés à la rénovation énergétique des maisons individuelles.
Avantages techniques des GHP pour les opérations du réseau
Les GHP peuvent renforcer le système électrique en atténuant les besoins de production et de capacité.
L’analyse de l’ORNL a révélé que, dans le scénario de décarbonisation, le déploiement de 2050 GHP nécessitait environ 593 TWh de production en moins par an, soit une valeur proche du scénario de base de 585 TWh. Cela s’explique par des réductions des productions d’énergies renouvelables variables et des turbines à combustion d’hydrogène, avec de légères augmentations de la production d’électricité nucléaire. Le scénario d’électrification nécessitait 937 TWh de production en moins par an, avec des réductions similaires des turbines à combustion d’hydrogène mais des réductions accrues des énergies renouvelables.
Production annuelle d’électricité en 2050 selon les scénarios impliquant le déploiement de GHP et l’expansion de la rénovation énergétique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL (Figure ES-2, Page 19)
Les GHP permettent également de réduire les exigences en matière d’adéquation saisonnière des ressources. L’augmentation du chauffage électrifié par le déploiement de GHP est compensée par les économies d’électricité résultant de la performance élevée des GHP en matière de refroidissement estival et de la réduction des charges thermiques résultant de la rénovation énergétique des maisons individuelles.
L’utilisation des GHP pour remplacer les chaudières à gaz naturel et réduire la consommation de chauffage électrique présente d’autres avantages pour les opérations du réseau. Certaines régions pourraient réduire la demande de pointe jusqu’à 28 %, évitant ainsi la nécessité d’installer des capacités de production supplémentaires. Étant donné que les GHP sont plus efficaces que les systèmes de climatisation traditionnels, ils peuvent réduire la charge avec une demande de refroidissement plus élevée dans les États du sud. De même, les GHP peuvent réduire les charges de pointe en hiver pour la plupart des régions, notamment le sud-est, qui utilise largement le chauffage électrique.
Facilitation de l’expansion de la transmission
Les GHP à haute efficacité combinées à la rénovation énergétique, qui réduit les charges thermiques, offrent un autre avantage en ce qui concerne l’infrastructure de transmission. La modélisation de l’ORNL a montré que la nécessité d’expansion de la transmission diminuait de 33 % dans le scénario de décarbonisation et de 37,6 % dans le scénario d’électrification, par rapport à 17 % pour le scénario de base prenant en compte le déploiement des GHP.
En termes concrets, environ 24 000 miles de lignes de transmission peuvent être évités dans le scénario de décarbonisation et près du double (43 500 miles) dans le scénario d’électrification. Ces baisses supposent que les lignes de transmission disposent d’une capacité de 1,5 GW.
Expansion interrégionale de la transmission avec et sans GHP dans les scénarios de base et de décarbonisation du réseau. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL (Figure 4-3 et Tableau 4-1, Page 49)
Des réductions plus importantes sont attribuées aux lignes de transmission plus longues nécessaires pour relier les ressources renouvelables aux centres de consommation, ainsi qu’au besoin croissant de transfert d’énergie flexible sur de longues distances.