Le refroidissement et le chauffage dans les laboratoires représentent une structure complexe qui requiert énormément d’énergie. Dans sa recherche d’une solution plus écologique et moins énergivore, Van Looy s’est intéressé à la technique de stockage d’énergie thermique qui combine une pompe à chaleur et des Matériaux à Changement de Phase (MCP). L’an dernier, le bureau d’étude a mis au point une application adéquate capable de générer de belles économies d’énergie en particulier au sein des laboratoires. Et les résultats ne se sont pas fait attendre car depuis lors, un premier projet a déjà été réalisé.

Les besoins de climatisation des laboratoires ne sont pas comparables à ceux d’un immeuble de bureaux classique. Compte tenu du risque accru pour les utilisateurs (infection, contamination), du caractère spécifique des laboratoires (air pour sorbonnes, armoires à flux d’air laminaire,…) et de la forte charge thermique interne caractéristique, il est nécessaire de prévoir un fluide centralisé qui répond à ces besoins. Le plus efficace est l’air. Mais ce fluide exige beaucoup d’énergie, étant donné qu’il faut toujours utiliser de l’air pur à 100% : on ne peut pas recycler l’air interne puisqu’il faut limiter autant que possible le risque de contaminations dans les laboratoires. Christophe Mandervelt, Consultant Van Looy Group : “En outre, il faut assurer en permanence un grand nombre de cycles de renouvellement d’air, ceci afin de protéger les collaborateurs contre des substances nocives présentes et/ou pour éviter que par exemple des organismes modifiés faisant l’objet d’expériences ne soient influencés ne fût-ce que par la respiration des laborantins. Pour la sécurité des chercheurs et des objets de recherche, on utilise des sorbonnes*, des enceintes LAF ou des armoires de sécurité à vocation biologique mais celles-ci requièrent aussi beaucoup d’air et donc beaucoup d’énergie. A titre d’exemple : dans un petit bureau de quatre personnes, il faut environ 100 m3/h d’air, tandis qu’une seule sorbonne installée dans ce même local nécessite rapidement 1.000 m3/h, ce qui représente un coût énergétique de quelque 1.000 euros par an. Et il faut savoir que dans la plupart des laboratoires, on utilise simultanément plusieurs de ces sorbonnes !”

Qui cherche trouve…

Voici des années que l’on recherche une façon de réduire le coût énergétique dans les laboratoires. Entretemps, l’utilisation de solutions classiques, comme les débits d’air variables (VAV), la détection de présence sur les sorbonnes, etc., est devenue incontournable. Christophe Mandervelt : “Mais Van Looy Group voulait aller encore plus loin. L’essor de la géothermie et des pompes à chaleur avait attiré notre attention et nous avons cherché à savoir s’il n’était pas possible avec ces techniques de réduire encore davantage la facture énergétique des laboratoires. Pour ce qui concerne la géothermie, nous en sommes vite arrivés à la conclusion que ce n’était pas la poule aux oeufs d’or. Ce concept n’offre pas encore une fiabilité à 100% et dans des laboratoires, la moindre baisse de production de chaleur ou de froid peut avoir de lourdes conséquences négatives. C’est pourquoi nous nous sommes concentrés sur les possibilités des pompes à chaleur, et plus particulièrement en combinaison avec des matériaux à changement de phase ou MCP en abrégé. Nous avons constaté que les capacités simultanées de refroidissement et de chauffage d’une pompe à chaleur n’étaient jamais utilisées à 100% : dans un bâtiment par exemple, on peut à certains moments avoir besoin de 30% de chaleur et de seulement 30% de froid. De ce fait, dans la plupart des cas, une partie de l’énergie thermique générée doit être évacuée par l’intermédiaire d’une tour de refroidissement ou par un autre moyen. C’est un vrai gaspillage d’énergie. Avec les MCP en revanche, on peut stocker l’énergie résiduelle et l’utiliser ultérieurement. Il s’agit de matières biochimiques qui, comme l’eau, peuvent emmagasiner de l’énergie et la libérer lors d’un changement de phase. Leur point de fusion peut être modulé et leur contenu énergétique latent est supérieur à celui de l’eau. De ce fait, les volumes nécessaires et donc aussi la cuve de stockage nécessaire sont sensiblement plus petits comparativement à un système de stockage d’énergie à l’eau. Il existe différents types de MCP sur le marché. Nous avons opté pour un produit de la firme anglais PCM Cooperation qui contient des hydrates de sel, simplement parce qu’ils permettent un éventail assez large de points de fusion. Ainsi pouvons-nous choisir le point de fusion optimal pour l’application dans le projet. PCM Cooperation fournit les MCP sous différentes formes : billes, réservoirs en plastique,… Nos recherches ont démontré que les réservoirs produisent les meilleurs résultats, étant donné que nous les stockons dans une cuve où circule le fluide de refroidissement ou de chauffage. Comme ils peuvent être empilés de manière simple et ordonnée, nous pouvons ajuster la cuve aux MCP, ce qui garantit un écoulement optimal du fluide sur les MCP et un échange uniforme de chaleur ou de froid. Un autre avantage est que les réservoirs conservent leur forme, ce qui nous permet de toujours garantir un rendement optimal.”

Comment ça marche ?

Concrètement, la cuve contenant les MCP est intégrée dans le circuit de consommation. Quand la pompe à chaleur doit générer par exemple 40% de refroidissement et 20% d’énergie de chauffage, l’énergie thermique excédentaire est dirigée vers les MCP qui l’emmagasinent. Dans le cas contraire, c’est l’énergie de refroidissement qui est stockée. Christophe Mandervelt : “Lorsque par la suite il y a une demande supplémentaire de refroidissement ou de chaleur, les MCP libèrent l’énergie emmagasinée. Ainsi, l’énergie de la pompe à chaleur n’est pas perdue.” Un deuxième avantage de la combinaison d’une pompe à chaleur et des MCP est qu’elle permet un stockage temporaire (accumulation pendant les heures creuses à des tarifs énergétiques inférieurs). Selon Christophe Mandervelt, la solution offre encore beaucoup d’autres atouts. “Outre le fait que l’on peut utiliser la majeure partie de la chaleur et du froid – qui autrement serait perdue – le système permet de concevoir des installations plus petites. Je m’explique. Les installations sont systématiquement sélectionnées sur des puissances de crête théoriques. Mais dans la pratique, elles ne tourneront dans la plupart des cas qu’à 20 à 70% de leur capacité. Avec notre solution, cette puissance de crête est absorbée par le tampon MCP. En association avec une stratégie de régulation appropriée, elle permet de générer une puissance de crête de 500  kW avec une pompe à chaleur d’environ 400 kW d’énergie de refroidissement. Une installation plus petite est non seulement plus économique au plan du prix d’installation mais elle nécessite également moins de puissance électrique, de sorte que les installations connexes, comme l’installation à haute tension, peuvent être de dimensions réduites. En outre, la durée de vie de l’installation est prolongée puisque tous les composants sont mieux sollicités.”

Délai d’amortissement acceptable

S’il est évident que la combinaison pompe à chaleur + MCP de Van Looy Group permet de réduire la facture énergétique, elle suppose aussi un coût d’investissement non négligeable. Christophe Mandervelt : “La rentabilité de la solution dépend du profil énergétique du bâtiment et de son application. Il faut donc réaliser une analyse approfondie des coûts et profits au cas par cas. Mais la plupart du temps, la solution s’avérera positive car selon nos calculs, le délai d’amortissement atteint en moyenne huit à dix ans.”

Déjà une première réalisation

Un premier système de Van Looy Group combinant une pompe à chaleur et des MCP a récemment été mis en place chez Servaco Food Control à Wetteren, un laboratoire spécialisé dans l’analyse des produits alimentaires. Il s’agit d’une cuve de MCP de 7 m3 qui a été aménagée sur le niveau technique et qui a coûté environ 40.000 euros (1/20ème du prix de revient de l’ensemble de l’installation HVAC). Il n’est pas encore possible de communiquer des résultats effectifs étant donné que l’installation n’a été mise en service qu’en janvier 2011 et que l’ensemble du bâtiment n’est pas encore utilisé. La réalisation a été présentée en projet pilote auprès de l’Agence Flamande de l’Energie (VEA). En cas d’agrément, une surveillance énergétique et une évaluation permanente du système seront également organisées. Christophe Mandervelt : “La spécificité de ce site, c’est qu’on stocke uniquement l’énergie de refroidissement dans les MCP. Mais même dans ce cas, notre solution offre une excellente efficacité énergétique. Le profil énergétique en combinaison avec les simulations dynamiques a en effet démontré que les besoins en chauffage du bâtiment sont supérieurs aux besoins en refroidissement. De ce fait, le tampon MCP pour l’énergie de chauffage n’est pas rentable, ce qui explique qu’il n’a pas été prévu dans le projet. Je tiens toutefois à souligner que notre solution atteint son maximum de rentabilité s’il y a autant de demandes de chaleur que de froid, même si bien sûr tout dépend du profil énergétique du bâtiment. La combinaison d’une pompe à chaleur et de MCP est donc idéale pour les laboratoires mais j’entrevois aussi des applications dans des environnements industriels. En revanche, la solution se prête moins aux immeubles de bureaux. Cette technique n’en est encore qu’à ses débuts et il est probable que nous lui découvrirons de nouvelles possibilités d’utilisation au fil des ans. Ainsi pourrait-il être intéressant de combiner les MCP avec le stockage saisonnier via la géothermie. Mais commençons d’abord par déployer le concept tel que nous l’avons développé. Les réductions d’énergie que nous atteignons avec celui-ci sont déjà suffisamment intéressantes pour convaincre beaucoup de laboratoires…”

* Les sorbonnes sont des enceintes ventilées en dépression qui aspirent l’air dans le local et le rejettent dans l’atmosphère extérieure au moyen d’un ventilateur. Il s’agit d’équipements de protection collective destinés principalement à protéger les opérateurs des risques d’inhalation de produits chimiques dangereux.