Comment combiner une pompe à chaleur résidentielle avec du photovoltaïque et du stockage par batterie

De nouvelles recherches menées par l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (Fraunhofer ISE) en Allemagne ont montré que la combinaison de systèmes photovoltaïques en toiture avec des batteries de stockage et des pompes à chaleur peut améliorer l’efficacité des pompes à chaleur, tout en réduisant la dépendance à l’égard de l’électricité du réseau.

Raccordements au système hydronique pour les systèmes de pompe à chaleur

Image : Fraunhofer ISE, Solar Energy Advances, Creative Commons License CC BY 4.0

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D’après pv magazine International

Les chercheurs du Fraunhofer ISE ont étudié comment les systèmes photovoltaïques résidentiels en toiture pouvaient être combinés avec des pompes à chaleur et un stockage sur batterie. Ils ont ainsi évalué les performances d’un système PV-pompe à chaleur-batterie basé sur un contrôle smart-grid (SG) dans une maison unifamiliale construite en 1960 à Fribourg, en Allemagne.

Leurs conclusions sont été publiées dans l’étude “Analysis of the performance and operation of a photovoltaic-battery heat pump system based on field measurement data” (Analyse des performances et du fonctionnement d’un système de pompe à chaleur photovoltaïque à batterie basée sur des données de mesure sur le terrain), qui a été récemment publié dans Solar Energy Advances. Selon eux, le principal avantage des systèmes PV-pompe à chaleur réside dans la réduction de la consommation du réseau et des coûts d’électricité.

Le système de pompe à chaleur étudié est une pompe à chaleur géothermique de 13,9 kW conçue avec un stockage tampon pour le chauffage des locaux. Pilotée par l’entrée de commande SG Ready, elle s’appuie également sur un réservoir de stockage et une station d’eau douce pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Les deux unités de stockage sont équipées de chauffages électriques auxiliaires.

Le système photovoltaïque est orienté vers le sud et a un angle d’inclinaison de 30 degrés. Il a une puissance de 12,3 kW et une surface de module de 60 mètres carrés. La batterie est couplée en courant continu et a une capacité de 11,7 kWh. La maison sélectionnée a une surface habitable chauffée de 256 m2 et une demande annuelle de chauffage de 84,3 kWh/m²a.

« Le courant continu provenant des unités photovoltaïques et des batteries est converti en courant alternatif par l’intermédiaire d’un onduleur d’une puissance maximale de 12 kW et d’un rendement européen de 95 %, expliquent les chercheurs, qui notent que le système de commande SG est capable d’interagir avec le réseau électrique et d’ajuster le fonctionnement du système en conséquence. Pendant les périodes de forte charge du réseau, l’opérateur du réseau peut arrêter le fonctionnement de la pompe à chaleur pour réduire la tension sur le réseau ou peut également procéder à une mise en marche forcée dans le cas contraire ».

Dans la configuration proposée, l’énergie photovoltaïque doit d’abord être utilisée pour les charges de la maison, le surplus étant fourni à la batterie. L’énergie excédentaire ne peut être exportée vers le réseau que si le ménage n’a pas besoin d’électricité et que la batterie est complètement chargée. Si le système photovoltaïque et la batterie ne sont pas en mesure de couvrir la demande d’énergie de la maison, le réseau électrique peut être utilisé. « Le mode SG-Ready est activé lorsque la batterie est entièrement chargée ou qu’elle se charge à sa puissance maximale et qu’il y a encore du surplus photovoltaïque disponible, décrivent les universitaires. Inversement, la condition de déclenchement est remplie lorsque la puissance photovoltaïque instantanée reste inférieure à la demande totale du bâtiment pendant au moins 10 minutes ».

Leur analyse a pris en compte les niveaux d’autoconsommation, la fraction solaire, l’efficacité de la pompe à chaleur et l’impact du système photovoltaïque et de la batterie sur l’efficacité de la performance de la pompe à chaleur. Ils ont ainsi constaté que le système a atteint une autoconsommation globale de 42,9 % au cours de l’année, ce qui se traduit par des avantages financiers pour les propriétaires. « La demande en électricité de la pompe à chaleur a été couverte à 36 % par le système PV/batterie, à 51 % en mode eau chaude sanitaire et à 28 % en mode chauffage des locaux, a expliqué l’équipe de recherche, ajoutant que des températures de puits plus élevées réduisaient l’efficacité de la pompe à chaleur de 5,7 % en mode eau chaude sanitaire et de 4,0 % en mode chauffage des locaux ». Les scientifiques ont déclaré qu’ils étudieraient à l’avenir d’autres combinaisons photovoltaïque/pompe à chaleur avec différents systèmes et concepts de contrôle.

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