De nouvelles recherches de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire en Allemagne (Fraunhofer ISE) ont montré que la combinaison de systèmes photovoltaïques sur les toits avec un stockage par batterie et des pompes à chaleur peut améliorer l'efficacité des pompes à chaleur tout en réduisant la dépendance à l'électricité du réseau.
Les chercheurs du Fraunhofer ISE ont étudié comment les systèmes photovoltaïques résidentiels sur les toits pourraient être combinés avec des pompes à chaleur et un stockage par batterie.
Ils ont évalué les performances d'un système photovoltaïque-pompe à chaleur-batterie basé sur un contrôle prêt pour un réseau intelligent (SG) dans une maison unifamiliale construite en 1960 à Fribourg, en Allemagne.
"Il a été constaté que le contrôle intelligent augmentait le fonctionnement de la pompe à chaleur en augmentant les températures réglées", a déclaré le chercheur Shubham Baraskar au magazine pv. « La commande SG-Ready a augmenté la température d'alimentation de 4,1 Kelvin pour la préparation d'eau chaude, ce qui a ensuite diminué le facteur de performance saisonnier (SPF) de 5,7 %, passant de 3,5 à 3,3. De plus, pour le mode de chauffage des locaux, la commande intelligente a réduit le SPF de 4 %, passant de 5,0 à 4,8. »
Le SPF est une valeur similaire au coefficient de performance (COP), à la différence qu'il est calculé sur une période plus longue avec des conditions aux limites variables.
Baraskar et ses collègues ont expliqué leurs découvertes dans «Analyse des performances et du fonctionnement d'un système de pompe à chaleur photovoltaïque-batterie basée sur des données de mesures sur le terrain», récemment publié dansProgrès de l’énergie solaire.Ils ont déclaré que le principal avantage des systèmes de pompes à chaleur photovoltaïques réside dans leur consommation réduite du réseau et dans leurs coûts d'électricité inférieurs.
Le système de pompe à chaleur est une pompe à chaleur géothermique de 13,9 kW conçue avec un stockage tampon pour le chauffage des locaux. Elle s'appuie également sur un ballon de stockage et une station d'eau douce pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS). Les deux unités de stockage sont équipées de chauffages d'appoint électriques.
Le système photovoltaïque est orienté vers le sud et présente un angle d'inclinaison de 30 degrés. Il a une puissance de 12,3 kW et une superficie 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.
"La puissance CC des unités photovoltaïques et des batteries est convertie en CA via un onduleur qui a une puissance CA maximale de 12 kW et un rendement européen de 95 %", ont expliqué les chercheurs, notant que le contrôle prêt pour SG est capable d'interagir avec le réseau électrique et ajuster le fonctionnement du système en conséquence. "Pendant les périodes de forte charge du réseau, l'exploitant du réseau peut interrompre le fonctionnement de la pompe à chaleur pour réduire la sollicitation du réseau ou, dans le cas contraire, procéder à une mise en marche forcée."
Dans la configuration du système proposée, l'énergie photovoltaïque doit être initialement utilisée pour les charges de la maison, le surplus étant fourni à la batterie. L’électricité excédentaire ne peut être exportée vers le réseau que si le ménage n’a pas besoin d’électricité et si la batterie est complètement chargée. Si le système photovoltaïque et la batterie ne sont pas en mesure de couvrir la demande énergétique de la maison, le réseau électrique peut être utilisé.
"Le mode SG-Ready est activé lorsque la batterie est complètement chargée ou se charge à sa puissance maximale et qu'il y a encore un surplus photovoltaïque disponible", ont déclaré les universitaires. « À l’inverse, 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 des performances de la pompe à chaleur. Ils ont utilisé des données haute résolution d'une minute de janvier à décembre 2022 et ont découvert que la commande SG-Ready augmentait les températures d'alimentation de la pompe à chaleur de 4,1 K pour l'eau chaude sanitaire. Ils ont également 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 pour la [pompe à chaleur] a été couverte à 36 % par le système photovoltaïque/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 plus élevées des puits réduisaient efficacité de la pompe à chaleur de 5,7 % en mode ECS et de 4,0 % en mode chauffage.
"Pour le chauffage des locaux, un effet négatif du contrôle intelligent a également été constaté", a déclaré Baraskar. « Grâce au contrôle SG-Ready, la pompe à chaleur a fonctionné pour le chauffage des locaux au-dessus des températures de consigne de chauffage. Cela était dû au fait que le contrôle augmentait probablement la température de consigne du stockage et faisait fonctionner la pompe à chaleur même si la chaleur n'était pas nécessaire pour le chauffage des locaux. Il convient également de considérer que des températures de stockage trop élevées peuvent entraîner des pertes de chaleur de stockage plus élevées.
Les scientifiques ont déclaré qu'ils étudieraient à l'avenir d'autres combinaisons PV/pompe à chaleur avec différents concepts de système et de contrôle.
« Il convient de noter que ces résultats sont spécifiques aux différents systèmes évalués et peuvent varier considérablement en fonction des spécifications du bâtiment et du système énergétique », ont-ils conclu.
Heure de publication : 13 novembre 2023