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 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 sur batterie.
Ils ont évalué les performances d'un système de pompe à chaleur photovoltaïque-batterie basé sur un contrôle prêt pour le réseau intelligent (SG) dans une maison unifamiliale construite en 1960 à Fribourg, en Allemagne.
« Il a été constaté que la commande intelligente améliorait le fonctionnement de la pompe à chaleur en augmentant les températures de consigne », a déclaré le chercheur Shubham Baraskar à pv magazine. « La commande SG-Ready a augmenté la température d'alimentation de 4,1 Kelvin pour la production d'eau chaude, ce qui a ensuite réduit le coefficient de performance saisonnier (CPS) de 5,7 %, passant de 3,5 à 3,3. De plus, en mode chauffage, la commande intelligente a diminué le CPS 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 limites variables.
Baraskar et ses collègues ont expliqué leurs conclusions dans «Analyse des performances et du fonctionnement d'un système de pompe à chaleur à batterie photovoltaïque basée sur des données de mesure sur le terrain, qui a été récemment publié dansProgrès de l’énergie solaire.Ils ont déclaré que le principal avantage des systèmes de pompe à chaleur photovoltaïque réside dans leur consommation réduite du réseau et leurs coûts d'électricité plus faibles.
Le système de pompe à chaleur est une pompe à chaleur géothermique de 13,9 kW, équipée d'un ballon tampon pour le chauffage des locaux. Il s'appuie également sur un ballon 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 d'appoint électriques.
Le système photovoltaïque est orienté plein sud et présente un angle d'inclinaison de 30 degrés. Il développe une puissance de 12,3 kW et une surface de modules de 60 m². La batterie, couplée en courant continu, a une capacité de 11,7 kWh. La maison sélectionnée dispose d'une surface habitable chauffée de 256 m² et d'une consommation annuelle de chauffage de 84,3 kWh/m²a.
« Le courant continu des unités photovoltaïques et des batteries est converti en courant alternatif via un onduleur d'une puissance maximale de 12 kW et d'un rendement européen de 95 % », expliquent les chercheurs, précisant que le système de contrôle compatible SG est capable d'interagir avec le réseau électrique et d'ajuster le fonctionnement du système en conséquence. « En période de forte charge du réseau, l'exploitant du réseau peut désactiver la pompe à chaleur pour réduire la charge du réseau ou, dans le cas contraire, la réactiver de force. »
Dans la configuration système proposée, l'énergie photovoltaïque doit être initialement utilisée pour les charges du foyer, le surplus étant fourni à la batterie. L'excédent ne peut être exporté vers le réseau que si le foyer n'a pas besoin d'électricité et que la batterie est complètement chargée. Si le système photovoltaïque et la batterie ne suffisent pas à couvrir les besoins énergétiques du foyer, le réseau électrique peut être utilisé.
« Le mode SG-Ready est activé lorsque la batterie est complètement chargée ou à sa puissance maximale et qu'il reste un surplus de puissance photovoltaïque disponible », ont expliqué les chercheurs. « 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 part solaire, le rendement de la pompe à chaleur et l'impact du système photovoltaïque et de la batterie sur le rendement de la pompe à chaleur. À partir de données haute résolution d'une minute, recueillies de janvier à décembre 2022, ils ont constaté que le système SG-Ready augmentait la température d'alimentation de la pompe à chaleur de 4,1 K pour l'ECS. 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 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 dissipateur plus élevées réduisaient l'efficacité de la pompe à chaleur de 5,7 % en mode ECS et de 4,0 % en mode chauffage des locaux.
« 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 fonctionnait en mode chauffage des locaux au-dessus des températures de consigne. Cela s'explique par le fait que le contrôle augmentait probablement la température de consigne du stockage et faisait fonctionner la pompe à chaleur alors que la chaleur n'était pas nécessaire au chauffage des locaux. Il faut également tenir compte du fait que des températures de stockage trop élevées peuvent entraîner des pertes de chaleur plus importantes. »
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 systèmes individuels évalués et peuvent varier considérablement en fonction des spécifications du bâtiment et du système énergétique », ont-ils conclu.
Date de publication : 13 novembre 2023