fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université Purdue (Purdue University) aux États-Unis ont confirmé qu'une pompe à chaleur aérothermique résidentielle commerciale, conçue pour les systèmes à courant alternatif (CA) traditionnels, peut être alimentée directement en courant continu (CC) après seulement quelques modifications matérielles mineures, avec une perte de performance minimale.
Les chercheurs indiquent que, par rapport aux systèmes à courant alternatif, un nanoréseau à courant continu (DC nanogrid) permet de minimiser les conversions d'énergie inutiles, améliorant ainsi l'efficacité de 5 % à 15 %, réduisant les pertes de distribution et améliorant la régulation de tension. De plus, un nanoréseau à courant continu permet aux bâtiments de fonctionner de manière indépendante en cas de panne du réseau électrique, renforçant ainsi leur résilience. Cependant, les coûts d'installation élevés, le manque de normes unifiées et les défis techniques liés à la protection et à la disponibilité des équipements en courant continu restent des obstacles majeurs à leur adoption généralisée.
Pour surmonter ces difficultés, l'équipe de recherche a développé la DC Nanogrid House (maison à nanoréseau à courant continu). Il s'agit d'une maison unifamiliale rénovée de 208 m², équipée de panneaux solaires photovoltaïques, de batteries de stockage, d'un double circuit CA/CC et d'un système de gestion d'énergie personnalisé. Cette maison permet une comparaison directe du fonctionnement en courant alternatif et en courant continu dans des conditions réelles. Une étape clé a été la modification d'une pompe à chaleur à vitesse variable pour qu'elle soit compatible avec les deux types d'alimentation, car la pompe à chaleur représente plus des deux tiers de la consommation énergétique annuelle de la maison. Cette plateforme expérimentale permet une évaluation à long terme des bâtiments résidentiels entièrement alimentés en courant continu.
Les chercheurs ont modifié une pompe à chaleur résidentielle split à vitesse variable d'une capacité de refroidissement nominale de 14 kW, en remplaçant son entrée CA standard pour qu'elle puisse fonctionner aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu de 350 V. Avant de tester les deux modes, l'unité a été calibrée avec le réfrigérant R-410A. Les expériences en laboratoire ont été menées dans une chambre climatique contrôlée, mesurant les performances en fonctionnement à vitesse variable dans des conditions stationnaires standard, et les résultats ont été vérifiés par un bilan énergétique air-réfrigérant, avec une marge d'erreur inférieure à 6 %.
Des expériences sur le terrain ont ensuite été réalisées dans la DC Nanogrid House de l'Indiana, en utilisant une pompe à chaleur similaire, mais en ne modifiant que l'unité extérieure (responsable de plus de 90 % de la consommation d'énergie) pour fonctionner en courant continu, tandis que l'unité intérieure restait en courant alternatif pour des raisons de sécurité. Le système a été testé dans des conditions de fonctionnement réelles, avec une surveillance continue de la température, de la pression et de la puissance électrique via des capteurs calibrés et un système d'acquisition de données.
Les deux configurations, CA et CC, ont été évaluées dans des conditions météorologiques et des points de consigne comparables, bien qu'il y ait de légères différences de température extérieure entre les ensembles de données. Les résultats montrent un bon accord entre les mesures côté air et côté réfrigérant, avec un écart inférieur à 6 %. L'équipe de recherche indique que cette configuration expérimentale permet une comparaison fiable du fonctionnement en CA et en CC à vitesse variable, tant en laboratoire qu'en environnement réel.
Les expériences en laboratoire ont montré que les capacités de refroidissement et de chauffage de la pompe à chaleur sont presque identiques en CA et en CC, le coefficient de performance (COP) variant légèrement avec la différence de température. Les données de terrain montrent que la consommation d'énergie varie de manière prévisible en fonction des conditions extérieures, sans différence statistiquement significative entre le fonctionnement en CA et en CC.
De plus, des simulations de systèmes purement CA, hybrides CC et entièrement CC ont montré que le plus grand gain provient de l'abandon de l'architecture purement CA, tandis que le système entièrement CC n'apporte qu'un avantage supplémentaire mineur. Globalement, la configuration CC pourrait réduire la facture d'électricité annuelle d'environ 12,5 % à 16,7 %, principalement en raison de la réduction des pertes de conversion. Ces économies proviennent principalement de la diminution du nombre d'étages de conversion d'énergie et de l'amélioration du rendement des convertisseurs.
Cependant, l'équipe de recherche souligne que l'étude est limitée par une mise en œuvre simplifiée de la modification CC, des défis de normalisation météorologique et une modélisation simplifiée des convertisseurs, et qu'elle néglige également les impacts réels du réseau CC, tels que la stabilité et la protection. Les travaux futurs devraient inclure un nanoréseau CC à l'échelle du site, des convertisseurs améliorés et des tests de compresseurs, ainsi qu'une analyse des coûts plus détaillée pour évaluer la faisabilité d'un déploiement dans des conditions réelles.
Les chercheurs soulignent que les avantages économiques d'un nanoréseau CC dépendent largement du niveau de pénétration photovoltaïque, en particulier dans des climats froids comme celui de l'Indiana. L'auteur correspondant, Aaron Farha, a déclaré au magazine pv : « Je m'attends à ce que nos économies soient très sensibles au niveau de pénétration photovoltaïque, surtout dans des climats froids comme celui de l'Indiana. » Il note que dans de tels systèmes, la surproduction photovoltaïque pendant la journée en hiver peut être stockée pour une utilisation ultérieure, notamment parce que les besoins de chauffage des bâtiments ne coïncident généralement pas avec les pics de production solaire. La charge thermique de pointe des bâtiments en hiver est généralement totalement décalée par rapport au pic de production photovoltaïque, ce qui pourrait accroître la valeur du stockage d'énergie et augmenter les économies globales pour les maisons fortement électrifiées (où la pompe à chaleur domine la consommation d'énergie).
Les simulations montrent également que la conception du système influence significativement le taux d'utilisation photovoltaïque. La production totale annuelle du système photovoltaïque est de 15,2 MWh, avec une puissance nette exportée de 6,8 MWh en fonctionnement CA et d'environ 7 MWh en configuration CC. Aaron Farha déclare : « Cela signifie que le taux d'autoconsommation de la pompe à chaleur est de 54,6 % en fonctionnement CA et de 53 % en fonctionnement CC, ce qui signifie que nous avons plus d'énergie totale à exporter. »
En termes de fonctionnement, l'impact des fluctuations photovoltaïques sur le comportement de la pompe à chaleur a été limité, car la stabilité du système est maintenue par voie électronique. Cependant, les limitations d'intégration restent un défi. Aaron Farha poursuit : « Lorsque la pompe à chaleur fonctionne, nous ne pouvons pas faire fonctionner le photovoltaïque ou la batterie dans notre nanoréseau CC, principalement en raison de l'absence d'un contrôleur complet de stabilité du bus. »
Enfin, les auteurs notent que la taille du système joue un rôle clé dans les avantages économiques. Bien que la maison étudiée ne génère qu'une économie d'électricité modeste, avec une économie nette annuelle estimée à seulement environ 60 dollars grâce à la modification CC, on s'attend à ce que les systèmes plus grands bénéficient de gains plus significatifs. En particulier pour les systèmes commerciaux ou industriels plus grands, les économies de 12 % à 16 % que nous prévoyons seront plus substantielles, ce qui suggère qu'à mesure que la taille du système et la pénétration photovoltaïque augmentent, les nanoréseaux CC pourraient devenir économiquement plus attractifs.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans le numéro récent de la revue « Applied Energy » sous le titre « Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid ».
