Les pompes à chaleur prennent une place croissante dans les projets de transition énergétique. En effet, le chauffage représente 55 % de la consommation d’énergie des bâtiments, il est donc logique de démocratiser des solutions thermiques efficaces dans le cadre de rénovations et constructions de bâtiments. Mais alors :

• Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
• Quelles sont les freins à son installation ?
• Quel avenir peut-on lui prédire dans les années futures ?

Comprendre la Pompe à Chaleur

Comment fonctionne-t-elle ?

Revenons d’abord sur ce qu’est une PAC ! Une Pompe à chaleur est une machine ayant pour but de capter, puiser la chaleur d’un milieu pour l’acheminer, la redistribuer vers un autre. Par opposition à une chaudière traditionnelle, elle ne « produit » pas de chaleur, elle la transfère de l’extérieur vers l’intérieur l’hiver, et de l’intérieur vers l’extérieur l’été.

Cela est rendu possible par l’exploitation d’un cycle thermodynamique, faisant subir à un système une alternance de réactions endothermiques (absorbant de la chaleur, comme l’évaporation) et exothermiques (émettant de la chaleur, comme la liquéfaction ou condensation liquide). Le système subissant ces changements d’état est appelé réfrigérant ou fluide frigorigène, car cette technologie était historiquement utilisée pour “produire” du froid.

Un transfert thermique n’étant possible que de la zone plus chaude vers la zone plus froide, les machines de “production de froid” (réfrigération, climatisation) sont par ailleurs donc également des pompes à chaleur, non réversibles, extrayant la chaleur du milieu à refroidir pour la rejeter en dehors.

On distingue les PAC selon différentes catégories : milieu de captage de la chaleur / milieu de décharge.

Une PAC sol/eau capte donc les calories présentent dans le sol (via géothermie) pour les décharger dans une boucle d’eau dans un bâtiment. La PAC est de fait parfois présentée comme une énergie renouvelable car la chaleur n’est pas créée, mais plutôt captée dans un milieu, le plus souvent naturel.

Les PAC ayant pour milieu décharge l’air, notamment les air/air sont généralement nommées “gainable” ou “split” dans le langage courant !

Rendement et Impact Environnemental des Pompes à Chaleur

L’avantage majeur de la PAC est son rendement, allant en pratique jusqu’à 4,5 dans les conditions optimales (boucle de température et différentiel de température entre la milieu de captage et le milieu de décharge) peut largement compenser un mix électrique très carboné.

Si l’on considère par exemple celui de la Pologne qui repose à 60 % sur du charbon, la production d’électricité génère émissions de à hauteur de 760 gCO₂/kWh. Une PAC alimentée par ce réseau pourrait émettre aussi peu que 168 gCO₂/kWh_Thermique tandis qu’une chaudière à gaz et a fioul émettraient respectivement 254 gCO₂/kWh et 612 gCO₂/kWh_Thermique.

En considérant un réseau au mix électrique bas carbone comme celui de la France grâce au nucléaire, l’utilisation d’une PAC permet d’émettre aussi peu que 12,2 gCO₂/kWh_Thermique.

S’il est vrai que les PAC permettent de conditionner une zone en limitant la consommation d’électricité et donc les émissions carbone, il faut néanmoins prendre en comme que celles-ci fonctionnement avec des fluides frigorigène au PRG (Potentiel de Réchauffement Global) parfois très élevé. Il n’existe pas de solution unique pour toutes les applications, une large gamme de fluides est de fait nécessaire pour répondre aux différents besoins (température réfrigération, plage de puissance).

Longtemps délaissés car considérés peu efficaces, dangereux et couteux à l’utilisation, nous observons aujourd’hui un retour des fluides naturels comme le CO₂. Ce fluide avec un PRG de 1, est très performant dans les applications basses températures et est donc de plus en plus utilisé pour la réfrigération commerciale négative. Le CO₂ présente néanmoins certaines limitations techniques et nous assistons à l’avènement des fluides HFO. Bien qu’ils aient le point négatif d’être inflammables, les HFO (HydroFluoro-Oléfines) tendent à s’imposer comme le choix de demain pour de nombreuses applications dans la mesure où ils disposent un PRG faible et de très bonnes performances énergétique.

Remplacement d’un système de chauffage : de fortes contraintes à prendre en compte

Considérer les caractéristiques des réseaux de distribution et des émetteurs !

Les PAC sont principalement installées comme solution de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire (ECS) impliquant que cela survient souvent en relève d’une chaudière. Les installations de chauffage ou ECS avec chaudière comme système de production comportent généralement une réseau de distribution fonctionnement sur une boucle de température 90/70°C ou 80/60°C.

À ce niveau de température, les coefficients de performance des PAC est considérablement diminué et tend vers 2. Pour éviter cette dégradation du rendement, il est nécessaire de remplacer les tuyauteries pour augmenter leur section et le débit maximum afin de pouvoir fournir la même puissance sur une boucle 45/35°C.

À l’instar de la distribution, il peut aussi être nécessaire de remplacer le système d’émission (radiateur ou ventilo-convecteur) pour passer sur des modèles basses températures avec des surfaces d’échange plus importante. Les équipements de distribution et d’émission peuvent chacun représenter un coût du même ordre de grandeur que les équipements de production. Dans le cas où leur remplacement est requis, le budget nécessaire pour installer une PAC en relève d’une chaudière peut être multiplié par trois.

Un développement conditionné par les réseaux d’alimentation électriques

Outre les sujets de rendement et de PRG des réfrigérants, une autre contrainte avec laquelle devra composer le développement des PAC est celle de l’alimentation électrique. La transition signifie une électrification de l’usage énergétique de chauffage. Ce qui impliquera dans certains cas de remplacer des sections de câbles et afin de supporter l’augmentation de la puissance appelée. Le développement de la PAC est donc directement tributaire de l’adaptation du réseau électrique et de la capacité de production d’électricité. La politique énergétique des états devront donc obligatoirement suivre.

Nous évoquions l’importance des PAC dans les projets de rénovation et de nouvelles constructions dans le bâtiment, elles jouent également un rôle significatif dans la décarbonation des réseaux de chaleur remplaçant les chaudières à gaz.

La PAC apparaît comme la technologie par excellence pour décarboner le chauffage (la climatisation étant déjà n’étant réalisable que de cette façon sauf dans les cas de free-cooling ou free chilling).

Quel avenir pour les Pompes À Chaleur ?

Une Solution Clé dans la Transition Énergétique

Les technologies permettant de réduire le besoin énergétique de cet usage ont donc une importance capitale pour atteindre nos objectifs environnementaux tant il repose sur des énergies fossiles carbonées aujourd’hui.

En effet l’on s’aperçoit qu’en 2021, seuls  6% des logements et 33% des surfaces tertiaires utilisaient l’électricité comme source d’énergie de chauffage. Compte tenu que cette proportion inclue le chauffage via radiateurs électriques encore très majoritaire. Le chauffage par PAC est ultra-minoritaire mais à une  marge de progression conséquente.

Source des graphiques

Une Croissance Explosive du Marché des Pompes à Chaleur

Le marché de la Pompe À Chaleur (PAC ou HP pour Heat Pumps en anglais) connaît une croissance importante ces dernière années.

Le marché de la PAC (HP pour Heat Pumps en anglais) connaît une croissance importante ces dernière années, avec presque 3 millions de machines vendues en 2022. Malgré une légère diminution des ventes en 2023, les ventes de PAC ont tout de même été multipliées par 4 en 10 ans!

La France se positionne en tête de traineau de cette révolution !

Sur les presque 20 millions d’unités installées en Europe depuis 1996, la France concentre 30% des 205 TWH d’énergie thermique renouvelable produite par ces PAC.

Source des graphiques

Si nous apprécions une nette croissance de l’utilisation des pompes à chaleur, quelle est la tendance de cette croissance pour les années à venir ?

des réglementations qui encouragent la croissance des pompes à chaleur

Il est ardu de prévoir quelle proportion des systèmes de chauffage la PAC représentera à horizon 2050. Certaines règlementations comme la F-Gas, limitant le PRG des réfrigérants tendent à freiner sa progression et poussent les fabricant à rivaliser d’ingéniosité.

La réglementation française accélère la croissance de la technologies : Dans le secteur résidentiel, notamment à travers :

• MaPrimeRenov’ : l’aide principale de l’état pour la rénovation énergétique
• La prime Coup de Pouce chauffage : permettant de bénéficier d’une aide supplémentaire dans le cadre de la rénovation de l’habitat

Dans le secteur tertiaire, notamment avec :

• Les audits énergétique réglementaires et les BEGES qui conduisent généralement vers de préconisations de remplacement de technologies de chauffage pour réduire l’impact énergie et C02
• Le décret éco-énergie tertiaire qui pousse les bâtiments à réduire considérablement leurs consommations d’énergie

Sur l’ensemble des secteurs grâce aux :

• Certificats d’économies d’énergie qui sont bâtis sur les principes du pollueur-payeur, qui encouragent les économies d’énergie dans les réseaux, transport, agriculture, résidentiel, tertiaire et industrie.
• Réglementations énergétiques : RE2020 et RT existants, qui imposent des performances de plus en plus élevées pour les bâtiments neufs.

Les pompes à chaleur sont donc à l’image de la transition énergétique française : catalysées par l’augmentation des prix de l’énergie et par des réglementations contraignantes qui découlent de la volonté de l’UE d’être neutre en carbone en 2050.

Elles représentent un vivier massif d’économies d’énergie : si 55% des consommations d’énergie dans les bâtiments sont dues au chauffage, et si la PAC permet de diviser sa consommation par 4, alors c’est plus de 40% d’économies qui pourraient être fait dans les bâtiments grâce à cette technologie.