Bombe à chaleur et voiture électrique réduisent les coûts énergétiques domestiques de plus de 55 %
Une étude révolutionnaire menée par l’Université du Pétrole du Sud-Ouest redéfinit le rôle potentiel des véhicules électriques (VE) dans la gestion énergétique résidentielle. Sous la direction de Wang Yunlong et de son équipe de l’École de génie électrique et d’informatique, cette recherche démontre qu’en intégrant une pompe à chaleur et un véhicule électrique à un système domestique de cogénération basé sur des piles à combustible (DFCCHP), il est possible de réduire drastiquement les coûts énergétiques et les émissions de carbone. Les résultats, publiés dans la revue China Electric Power, présentent un modèle d’optimisation sophistiqué qui transforme le véhicule électrique d’un simple consommateur d’énergie en un actif central d’un écosystème énergétique intelligent et hautement efficace.
Alors que le monde intensifie ses efforts pour atteindre la neutralité carbone, la consommation énergétique résidentielle est devenue un enjeu crucial. Les foyers représentent une part significative de la demande énergétique totale, et leur rôle dans la transition énergétique mondiale est de plus en plus scruté. Traditionnellement, les systèmes énergétiques domestiques fonctionnent de manière isolée : l’électricité provient du réseau, le chauffage est assuré par des chaudières au gaz, et la recharge du véhicule est une activité distincte. Ce modèle fragmenté entraîne des inefficacités, des coûts plus élevés et des émissions de carbone inutiles.
L’innovation de l’équipe de recherche réside dans un modèle holistique appelé système DFCCHP, renforcé par une pompe à chaleur haute performance et l’intégration bidirectionnelle d’un véhicule électrique. Contrairement aux approches conventionnelles, ce système traite l’énergie non pas comme des flux isolés, mais comme un réseau interconnecté où l’électricité, la chaleur et la mobilité sont équilibrées de manière dynamique en temps réel.
Au cœur du système se trouve l’unité DFCCHP, qui utilise du gaz naturel pour produire de l’électricité, tout en récupérant la chaleur résiduelle pour le chauffage domestique. Cette approche de cogénération maximise l’efficacité du combustible, un principe longuement reconnu dans l’industrie, mais qui ne gagne que récemment du terrain dans les foyers. Toutefois, l’étude va plus loin en intégrant deux composants clés : une pompe à chaleur et un véhicule électrique qui agit comme une batterie énergétique mobile.
La pompe à chaleur joue un rôle fondamental en déconnectant le chauffage des combustibles fossiles. Plutôt que de dépendre uniquement du chauffage au gaz, le système utilise de l’électricité—idéalement provenant de sources renouvelables ou d’une surproduction solaire—pour transférer la chaleur de l’environnement à l’intérieur de la maison. Avec un coefficient de performance (COP) supérieur à 3, la pompe à chaleur fournit trois unités de chaleur pour chaque unité d’électricité consommée, ce qui la rend bien plus efficace que le chauffage par résistance ou même les chaudières au gaz conventionnelles lorsqu’elles sont alimentées par de l’électricité propre.
Tout aussi transformateur est le rôle du véhicule électrique. Plutôt que de le voir comme une simple charge, le modèle le considère comme un actif énergétique flexible. Pendant les heures creuses, lorsque les prix de l’électricité sont bas, le véhicule se recharge à partir du réseau ou de l’excédent de production solaire. Par la suite, durant les périodes de pointe, lorsque les prix sont élevés, il peut restituer l’énergie stockée à la maison, réduisant ainsi la nécessité d’acheter de l’électricité coûteuse au réseau. Cette capacité de « véhicule vers maison » (V2H) permet non seulement de réduire les factures d’énergie, mais améliore également la stabilité du réseau en lissant les pics de demande.
Les chercheurs ont développé un cadre d’optimisation complet pour gérer ce système complexe. Le modèle fonctionne par intervalles de 15 minutes sur un horizon de 24 heures, alignant la distribution de l’énergie sur les prix variables de l’électricité et du gaz. Son objectif principal est de minimiser le coût d’approvisionnement énergétique quotidien du foyer, en tenant compte à la fois des achats et des revenus générés par la vente d’excédent d’électricité au réseau.
Pour garantir le confort des occupants, l’étude intègre l’indice PMV (Predicted Mean Vote), une métrique bien établie pour le confort thermique. En maintenant les températures intérieures dans une plage correspondant à un PMV compris entre -0,5 et +0,5, le système assure que les économies d’énergie ne se font pas au détriment du bien-être. Cette approche centrée sur l’humain distingue le modèle des optimisations purement économiques qui pourraient sacrifier le confort pour réduire les coûts.
Le cadre d’optimisation tient également compte des différents types de charges domestiques. Les charges non programmables—comme les réfrigérateurs et les appareils électroniques personnels—restent inchangées en raison de leur nature critique et de leurs schémas d’utilisation imprévisibles. En revanche, les charges programmables sont divisées en interruptibles et non interruptibles. Les charges interruptibles, comme les aspirateurs ou les machines à laver, peuvent être mises en pause et reprises sans affecter leur fonction. Les charges non interruptibles, comme les fours ou les lave-vaisselle, doivent fonctionner de manière continue une fois lancées, mais peuvent être programmées pour démarrer à des moments optimaux.
Cette classification détaillée permet au système de déplacer les tâches énergivores vers des périodes de bas prix de l’électricité ou de forte production renouvelable. Par exemple, la lessive peut être programmée en milieu de journée, lorsque la production solaire est élevée, ou lorsque les tarifs hors pointe sont en vigueur. Le calendrier de recharge du véhicule électrique est également optimisé de la même manière, garantissant qu’il atteint le niveau de charge requis avant le départ tout en évitant les périodes de coût élevé.
La formulation mathématique du problème donne lieu à un modèle de programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP), qui équilibre les variables binaires (par exemple, les états marche/arrêt des appareils) avec les variables continues (par exemple, les niveaux de puissance, les températures). Le modèle inclut des contraintes pour l’équilibre énergétique—assurant que l’offre d’électricité et de chaleur satisfait la demande à chaque pas de temps—ainsi que les limites opérationnelles des équipements, les taux de rampe et la préservation de la santé de la batterie du véhicule électrique.
Pour valider le modèle, les chercheurs ont effectué des simulations en utilisant des données d’un jour typique d’hiver dans un foyer. Quatre scénarios ont été comparés : jours ensoleillés avec et sans pompe à chaleur et véhicule électrique, et jours nuageux dans les mêmes conditions. Les résultats ont été impressionnants.
Les jours ensoleillés, l’intégration de la pompe à chaleur et du véhicule électrique a réduit les coûts énergétiques quotidiens de 55,12 %, passant de 32,33 dollars à 14,51 dollars. Les jours nuageux, lorsque la production solaire était moindre, les économies étaient encore substantielles, avec une réduction de 47,97 %, passant de 34,27 dollars à 17,83 dollars. Ces réductions proviennent de plusieurs facteurs : une dépendance moindre au réseau électrique durant les heures de pointe, une autoconsommation accrue de l’énergie solaire et une utilisation stratégique du gaz à bas coût pour la production d’électricité et de chaleur.
Les bénéfices environnementaux étaient tout aussi impressionnants. En exploitant l’efficacité élevée de la pompe à chaleur et en déplaçant les charges vers des sources d’énergie plus propres, le système a réduit les émissions de carbone quotidiennes d’presque un kilogramme. Les jours ensoleillés, les émissions ont baissé de 0,96 kg ; les jours nuageux, de 0,86 kg. Ces réductions sont significatives au niveau du foyer et, si elles sont déployées à l’échelle de millions de maisons, pourraient contribuer de manière significative aux objectifs nationaux de décarbonation.
L’une des conclusions les plus notables a été le changement des schémas opérationnels permis par le système intégré. Sans la pompe à chaleur et le véhicule électrique, l’unité DFCCHP fonctionnait de manière relativement uniforme, produisant de l’énergie et de la chaleur lorsque cela était nécessaire. Mais avec la flexibilité supplémentaire, le système a pu concentrer le fonctionnement du DFCCHP durant les périodes de prix élevés de l’électricité et de prix bas du gaz—généralement en milieu de matinée et en début de soirée—maximisant ainsi le bénéfice économique de la cogénération.
La pompe à chaleur, quant à elle, a absorbé l’excédent de production solaire en milieu de journée, évitant le gaspillage et convertissant l’électricité excédentaire en énergie thermique stockée. Cela a non seulement amélioré l’utilisation de l’énergie solaire, mais a également réduit la nécessité d’exporter vers le réseau, ce qui rapporte souvent des revenus financiers inférieurs à l’autoconsommation.
Le rôle du véhicule électrique était tout aussi stratégique. Il s’est rechargé tôt le matin, lorsque les prix de l’électricité étaient au plus bas, puis a déchargé durant la pointe du soir, arbitrifiant efficacement la différence de prix. Ce comportement a non seulement permis d’économiser de l’argent, mais a aussi réduit la pression sur le réseau durant les périodes de forte demande, contribuant à la stabilité globale du système.
L’étude a également examiné en détail le confort thermique intérieur. En utilisant l’indice PMV, les chercheurs ont confirmé que le calendrier optimisé a maintenu les températures entre 20,4 °C et 24,9 °C toute la journée. Bien que certains moments aient tendance vers « légèrement frais », aucun ne sortait de la plage de confort acceptable, démontrant qu’une optimisation énergétique agressive ne doit pas nécessairement compromettre l’habitabilité.
La robustesse du modèle sous différentes conditions météorologiques souligne encore davantage sa praticité. Les jours nuageux, lorsque la production solaire a été réduite de moitié, le système s’est adapté en augmentant la production du DFCCHP et en réduisant l’utilisation de la pompe à chaleur. Cette réponse dynamique met en évidence la valeur de la flexibilité dans les systèmes énergétiques intégrés—disposer de multiples voies de conversion de l’énergie permet au système de réagir intelligemment à des conditions changeantes.
Du point de vue technologique, le système proposé s’aligne sur plusieurs tendances émergentes. L’essor des systèmes de gestion de l’énergie domestique (HEMS) fournit l’infrastructure de contrôle nécessaire. Les progrès dans la technologie des piles à combustible ont rendu les unités DFCCHP plus fiables et économiquement viables. Parallèlement, l’adoption croissante des véhicules électriques crée une flotte distribuée de batteries mobiles pouvant soutenir à la fois les foyers individuels et le réseau lui-même.
Cependant, plusieurs défis subsistent avant que ces systèmes ne deviennent la norme. Le coût initial d’installation d’une unité DFCCHP, d’une pompe à chaleur et d’une infrastructure de recharge bidirectionnelle peut être prohibitif pour de nombreux foyers. Un soutien politique, comme des subventions ou un financement avantageux, pourrait être nécessaire pour accélérer l’adoption. De plus, les cadres réglementaires doivent évoluer pour intégrer les flux d’énergie bidirectionnels, en particulier pour les véhicules qui alimentent à nouveau l’énergie vers les maisons ou vers le réseau.
Les structures tarifaires des fournisseurs d’énergie jouent également un rôle crucial. Les bénéfices économiques démontrés dans l’étude dépendent fortement de l’existence de tarifs horaires qui créent des différences significatives de prix entre les périodes de pointe et hors pointe. Dans les régions où les tarifs d’électricité sont fixes, les incitations à l’optimisation sont beaucoup plus faibles, limitant l’attrait de ces systèmes avancés.
Malgré ces obstacles, la recherche offre une vision convaincante de l’avenir de l’énergie domestique. Alors que la pénétration des énergies renouvelables augmente et que l’électrification du chauffage et des transports s’accélère, le besoin d’une gestion énergétique intelligente ne fera que croître. Les systèmes capables d’intégrer de manière fluide l’électricité, la chaleur et la mobilité seront essentiels pour construire un avenir énergétique durable, résilient et abordable.
Les implications vont au-delà des foyers individuels. Si adoptés à grande échelle, ces systèmes intégrés pourraient transformer la manière dont les fournisseurs d’énergie planifient et exploitent le réseau. En réduisant les pics de demande et en augmentant la production et le stockage distribués, ils pourraient reporter ou éliminer la nécessité de coûteuses mises à niveau du réseau. Ils pourraient également améliorer l’intégration des sources renouvelables variables en fournissant une demande et un stockage flexibles au niveau de la distribution.
En outre, l’étude souligne l’importance d’une approche systémique de la pensée énergétique. Plutôt que d’optimiser les composants individuels de manière isolée, les plus grands gains proviennent de la prise en compte de leurs interactions. La synergie entre la pompe à chaleur, le véhicule électrique et l’unité DFCCHP crée une valeur qui dépasse la somme de ses parties, démontrant que la véritable innovation dans le secteur de l’énergie ne réside pas seulement dans de nouvelles technologies, mais dans la manière dont nous les connectons et les contrôlons.
En conclusion, le travail de Wang Yunlong et de ses collègues de l’Université du Pétrole du Sud-Ouest présente une solution sophistiquée et pratique à l’un des défis les plus pressants de la transition énergétique : comment rendre les maisons plus efficaces, abordables et durables. En intégrant des pompes à chaleur et des véhicules électriques dans un cadre d’optimisation unifié, ils ont démontré que des économies profondes sur les coûts énergétiques et les émissions ne sont pas seulement possibles, mais également économiquement attractives. Alors que le monde avance vers des objectifs d’émissions nettes nulles, ces approches holistiques seront essentielles pour construire les systèmes énergétiques intelligents, flexibles et résilients de demain.
Wang Yunlong, Han Lu, Luo Shulin, Wu Tao, École de génie électrique et d’informatique, Université du Pétrole du Sud-Ouest, China Electric Power, DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305056