Un terminal de croisière sur le front de mer extérieur de Copenhague puise son chauffage et son eau chaude dans une pompe installée à quelques quais de là. Cette pompe porte un nom, FlexHeat : une pompe à chaleur à l’ammoniac, à deux étages, de 800 kilowatts, construite en 2018 par l’opérateur public HOFOR dans le quartier de Nordhavn, à Copenhague. Elle alimente un petit réseau de chauffage urbain qui chauffe, selon un comptage, quatre terminaux de croisière et un grand entrepôt situés à proximité.
L’ammoniac est le fluide frigorigène qui fait le travail à l’intérieur de la machine : il transporte la chaleur de l’eau froide jusqu’à une température que les canalisations de chauffage urbain peuvent exploiter. Se chauffer grâce au sous-sol n’est pas propre à Copenhague : un producteur néerlandais de poivrons a foré pour la géothermie afin de ne plus brûler de gaz, à l’échelle d’une serre plutôt que d’un port. Selon une étude de cas publiée par le programme Heat Pumping Technologies de l’Agence internationale de l’énergie, FlexHeat a été construite comme démonstrateur au sein d’EnergyLab Nordhavn, un projet de recherche qui a utilisé ce quartier portuaire nouvellement bâti comme terrain d’essai pour des systèmes énergétiques intégrés.
Nordhavn est elle-même une ancienne zone portuaire industrielle que Copenhague reconstruit depuis une dizaine d’années en logements, en bureaux et en terminaux de croisière, ceux-là mêmes que chauffe aujourd’hui FlexHeat. C’est ce qui a conduit la ville et HOFOR à choisir ce quartier pour tester une pompe à chaleur conçue pour remplir plus d’une fonction à la fois.
Transformer l’eau souterraine en chaleur pour un terminal de croisière
La chaleur part du sous-sol. HOFOR pompe une eau souterraine saumâtre depuis un puits situé à environ 150 mètres sous Nordhavn, une eau qui arrive en surface à près de 10,5 °C. Cette eau traverse un échangeur où l’ammoniac sert de fluide frigorigène, et deux étages de compression élèvent la température jusqu’à un niveau exploitable par le réseau de chauffage urbain. Deux chaudières électriques de 100 kilowatts chacune et un ballon d’eau chaude de 100 mètres cubes viennent épauler la pompe à chaleur, et HOFOR considère ce ballon comme une forme de batterie thermique, capable de stocker environ 4 mégawattheures de chaleur que l’installation peut puiser plutôt que d’allumer les chaudières.
C’est ce stockage qui transforme FlexHeat d’un simple chauffage en une installation flexible. Plutôt que de fonctionner à régime fixe, l’installation peut choisir quand elle puise de l’électricité sur le réseau et quand elle s’appuie sur la chaleur stockée, un choix de conception qui compte dès lors qu’on demande à une pompe à chaleur de faire davantage que simplement maintenir des bâtiments à température. Le réseau électrique danois repose fortement sur l’éolien, ce qui fait varier l’offre au gré de la météo plutôt que de la demande, et une pompe capable de ralentir ou d’accélérer en quelques instants donne à l’opérateur du réseau un outil qu’une chaudière à régime fixe ne peut pas offrir.
Apprendre à la pompe à répondre au réseau en 90 secondes
En décembre 2019, les ingénieurs de HOFOR ont ramené cette flexibilité à un chiffre précis. Le temps de réponse de la pompe à un signal du réseau électrique est passé d’environ quatre minutes à 90 secondes, largement en dessous du seuil de 150 secondes fixé par le gestionnaire de réseau danois Energinet pour les fournisseurs de réserve rapide en fréquence, selon un compte-rendu du projet publié par le média danois CT Watch. Tore Gad Kjeld, planificateur énergétique chez HOFOR sur ce projet, a indiqué que la pompe répond encore plus vite que ce que le réseau exige réellement.
La pompe tourne aussi efficacement une fois en service : à une température de départ et de retour de 80 et 45 °C, son coefficient de performance atteint 3,28, ce qui signifie qu’elle restitue plus de trois unités de chaleur pour chaque unité d’électricité consommée. HOFOR a associé cette efficacité à une planification algorithmique qui a déjà réduit le coût de production de la chaleur d’environ 6 %, avec 7 % supplémentaires en vue une fois qu’Energinet aura officiellement validé l’installation pour ses services réseau, soit environ 13 % au total.
Ce que vaut la flexibilité, selon Danfoss
Danfoss a fourni des composants pour le projet et a publié sa propre étude de cas sur FlexHeat. Selon Danfoss, faire fonctionner l’installation à l’électricité plutôt qu’avec une chaudière au GPL, l’alternative fossile à laquelle HOFOR l’a comparée, évite environ 315 tonnes de CO2 par an. L’estimation de l’entreprise grimpe à environ 430 tonnes une fois que l’électricité consommée par la pompe proviendra entièrement de sources renouvelables sur le réseau danois, un seuil que l’installation n’a pas encore atteint mais qui suit le rythme auquel le Danemark ajoute de l’éolien et du solaire.
Ces économies s’ajoutent au changement de combustible lui-même : une pompe à chaleur alimentée par eau souterraine et électricité du réseau remplace une chaudière qui aurait sinon brûlé du gaz pour maintenir à température quatre terminaux de croisière et un entrepôt au cours de l’hiver danois.
Un démonstrateur qui a survécu à son propre projet de recherche
FlexHeat a été construite au sein d’EnergyLab Nordhavn, un consortium de douze partenaires mené par l’Université technique du Danemark (DTU) et actif de 2015 à 2019, réunissant notamment DTU, la Ville de Copenhague, HOFOR, Danfoss et huit autres organisations pour tester comment électricité, chaleur, bâtiments efficaces et transport électrique pouvaient fonctionner comme un seul système dans un même quartier portuaire. Le consortium a cessé ses activités en 2021. La pompe à chaleur qu’il a produite, elle, continue de tourner : FlexHeat reste un actif propre de HOFOR, intégré au réseau de chauffage urbain de l’opérateur plutôt que mise à l’arrêt en même temps que le projet qui l’a financée.
Cette distinction compte pour comprendre ce que Nordhavn montre réellement. FlexHeat n’est pas un modèle que HOFOR aurait déployé dans tout Copenhague, et rien dans une installation de 800 kilowatts qui chauffe quatre terminaux ne s’étend automatiquement au reste du réseau de chauffage urbain d’une ville. Ce qu’elle démontre, à quelques quais des terminaux de croisière qu’elle chauffe discrètement chaque saison, est plus étroit et plus concret : une pompe à chaleur construite pour répondre au réseau électrique aussi vite qu’il le demande, toujours en service des années après que le projet de recherche qui l’a fait naître a clos ses comptes, dans un quartier portuaire encore en construction autour d’elle.
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