L'histoire de la pompe à chaleur

L’histoire de STIEBEL ELTRON est étroitement liée au développement et à la diffusion de la pompe à chaleur – du moins depuis les années 1970. La Suisse a fait figure de précurseur en la matière.

1850 : Machines à compression de vapeur pour la production de sel de cuisine

Le développement de la pompe à chaleur a précisément commencé avec l’énorme besoin de refroidissement et la production des premières machines frigorifiques. En 1834, la première machine à compression de vapeur qui contenait déjà tous les composants d’une pompe à chaleur moderne a été inventée pour produire de la glace artificielle. L’utilisation du «côté chaud» de cette machine a été mise à profit à partir de 1850, principalement pour les processus d’évaporation destinés à l’extraction du sel de cuisine dans les salines, afin d’économiser les énormes besoins en bois et en charbon. La compression des vapeurs a donc été la première application de pompe à chaleur.

La première pompe à chaleur connue à des fins de chauffage uniquement a été installée en 1857 pour la saline d’Ebensee en Haute-Autriche.

 

1877 : La première pompe à chaleur de Suisse

La première pompe à chaleur de Suisse a été mise en service en 1877 à la saline de Bex. Cette installation était dotée d’un processus de pompe à chaleur ouvert et produisait environ 175 kg de sel de cuisine par heure en fonctionnement continu.

 

1938 : Hôtel de ville de Zurich

L’installation d’une pompe à chaleur destinée à remplacer les poêles à bois individuels de l’hôtel de ville de Zurich a constitué une étape notable. La rivière Limmat, dont la température moyenne était de 7 °C pendant la période de chauffe, constituait une source de chaleur idéale. L’eau de la rivière a été refroidie d’environ 1,5 K, la puissance thermique nominale était de 100 kW. Une température de départ du chauffage de 60 °C a été atteinte. Un chauffe-eau électrique a été installé pour couvrir les pics de consommation. Pour la première fois en Europe, la pompe à chaleur a également pu être utilisée pour le refroidissement des locaux en été.

Années 1930 - 1950 : La Suisse, pionnière en la matière

Pendant et après la Première Guerre mondiale, la Suisse a souffert des difficultés d’importation accrues de l’énergie. C’est pourquoi, dès 1918, des discussions ont été lancées sur l’introduction de pompes à chaleur pour le chauffage des locaux et la préparation d’eau chaude. En raison de la pénurie de charbon avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, environ 60 pompes à chaleur ont été construites et mises en service en Suisse entre 1937 et 1955. Des entreprises suisses de renom telles que Sulzer, Escher Wyss et Brown Boveri ont instauré des normes techniques élevées, faisant de la Suisse un «pays pionnier en matière de pompes à chaleur». Les principales sources de chaleur étaient alors essentiellement l’eau des lacs, l’eau des rivières, les eaux souterraines et les rejets thermiques. 

Les unités de climatisation pour le refroidissement et le chauffage ont également connu un essor aux États-Unis et au Japon, mais n’ont été que peu acceptées en Europe centrale et septentrionale. En France et en Allemagne, par exemple, les pompes à chaleur n’ont été utilisées que de manière sporadique.

 

Années 1950 - 1970 : Des prix du pétrole bas

La baisse constante des prix du pétrole au cours des années 1950 et 1960 et l’augmentation simultanée des coûts de l’énergie électrique ont entraîné une stagnation des ventes de pompes à chaleur ainsi que de leur développement. Grâce au développement des climatiseurs, le savoir-faire en matière de pompes à chaleur n’a fort heureusement pas été perdu.

 

Années 1970 - 1980 : Modernisation des composants technologiques

Les échangeurs de chaleur à plaques ont conquis le marché de la réfrigération et des pompes à chaleur dans les années 1970. En outre, la fabrication de compresseurs à spirales et à vis a commencé. L’introduction de microprocesseurs pour améliorer la technique de régulation a constitué une autre étape importante en matière de technologie des pompes à chaleur.

 

 

1973 - 1989 : Boom des pompes à chaleur et nouvelle stagnation

L’embargo sur le pétrole de 1973 et la deuxième crise pétrolière de 1979/1980 ont conduit à une nouvelle concentration sur les énergies alternatives et ont énormément favorisé le développement de la technologie des pompes à chaleur. Il est vrai qu’en raison de la méconnaissance de la technologie et du scepticisme généralisé, un important travail de persuasion a dû être mené auprès des entreprises de chauffage, des architectes, des maîtres d’ouvrage, mais aussi des autorités. Néanmoins, un véritable boom des pompes à chaleur a eu lieu, mais il s’est brutalement arrêté en raison de l’immaturité de la technologie et d’une nouvelle baisse des prix du pétrole. 

Les pompes à chaleur développées en Suisse pour les maisons individuelles et les maisons bifamiliales utilisaient principalement l’air ambiant et le sol comme source de chaleur et couvraient une plage de puissance de 10 à 50 kW. Elles atteignaient des coefficients de performance annuels modestes de 1,9 à 2,3.

 

À partir des années 1990 : La success-story de la pompe à chaleur

À partir des années 1990, de plus en plus de pompes à chaleur plus efficaces, plus fiables et moins chères ont été disponibles. Les problèmes environnementaux croissants et l’augmentation des prix du pétrole ont stimulé l’intérêt pour les systèmes de chauffage alternatifs. Après 1998, la part de marché des pompes à chaleur dans les nouvelles constructions de maisons individuelles est passée à plus de 75%. La pompe à chaleur s’est également imposée dans le domaine de la rénovation, mais le potentiel reste important.

1993 : La première pompe à chaleur au propane de STIEBEL ELTRON
 
En Europe, les pompes à chaleur utilisant des réfrigérants naturels ont été mises au point très tôt. Les réfrigérants naturels et synthétiques ayant des propriétés thermodynamiques et chimiques différentes, le changement nécessite une nouvelle conception ou à tout le moins une adaptation des principaux composants tels que les échangeurs de chaleur et les compresseurs, ainsi que de la stratégie de régulation. De plus, la compatibilité des matériaux et la minimisation de la charge de réfrigérant constituent autant de défis à relever dans le cadre du développement. STIEBEL ELTRON a présenté et commercialisé la première pompe à chaleur au propane dès 1993.

Réfrigérants - du naturel au synthétique, puis retour au naturel

Les fluides frigorigènes utilisés à l’origine, à savoir l’ammoniac (NH3), le dioxyde de soufre (SO2) et le chlorure de méthyle (CH3Cl), présentaient des inconvénients en raison de leur dangerosité. C’est la raison pour laquelle des fluides frigorigènes synthétiques ininflammables et non toxiques ont été développés dès le début des années 1930: R-11 et R-12. Les hydrocarbures fluorés, chlorés et éventuellement bromés sont ininflammables, inodores, compatibles avec les lubrifiants, n’ont un effet toxique qu’en grande concentration et peuvent être produits à un coût relativement faible. De plus, ils présentent des caractéristiques thermodynamiques intéressantes. Cette évolution a constitué un grand pas en avant, tout au moins jusqu’à ce que les dommages environnementaux induits par les chlorofluorocarbures (CFC) soient connus.

Après la découverte du trou dans la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique, le « Protocole de Montréal » de 1987 a permis d’éliminer progressivement les réfrigérants à base de CFC. En 1992, il a été décidé de renoncer progressivement aux réfrigérants HCFC et de développer par la suite l’hydrofluorocarbone (HFC) R-134a. Malheureusement, ces HFC sont des substances difficilement dégradables dont l’effet de serre est très important. Pour cette raison, des solutions utilisant des réfrigérants naturels tels que le propane, l’isobutane, l’ammoniac, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures ont été récemment étudiées.

Cependant, chacun de ces réfrigérants soulève d’autres défis: l’ammoniac, par exemple, présente d’excellentes propriétés thermodynamiques, mais il est toxique et inflammable. Le dioxyde de carbone est particulièrement adapté à la production d’eau chaude, mais il requiert un processus supercritique. Le propane est un excellent frigorigène qui permet de faire fonctionner des processus de pompe à chaleur efficaces, mais il est très inflammable.

De nombreuses études ont été menées pour comparer l’impact environnemental des différents fluides frigorigènes sur l’effet de serre global. La somme du potentiel de réchauffement global direct et indirect des émissions de gaz à effet de serre (TEWI: Total Equivalent Warming Impact) est encore plus pertinente que le PRG*. Le coefficient TEWI dépend par conséquent fortement de l’efficacité du processus de la pompe à chaleur ainsi que du type d’énergie primaire. Une efficacité énergétique élevée peut donc compenser, dans une certaine mesure, un PRG plus élevé du fluide frigorigène. L’efficacité énergétique de l’installation joue par conséquent un rôle clé.

 

* Le potentiel de réchauffement global (PRG) compare l’impact d’un fluide frigorigène sur l’effet de serre global à celui du dioxyde de carbone.