L’intelligence artificielle contribue à l’optimisation évolutive des pompes à chaleur

15.05.2024 PerspectivE
L’électrification de la chaleur progresse à grands pas. Ainsi, en Suisse, le nombre de pompes à chaleur devrait a minima doubler d’ici à 2035 – on compte environ 430 000 installations aujourd’hui –, et la consommation d’électricité dépasser 6 TWh. L’efficacité énergétique des pompes à chaleur est donc un facteur décisif dans la réussite de la stratégie énergétique Pourtant, près du tiers des pompes à chaleur installées ne fonctionne pas efficacement.
Auteur externe
Dr. Jan Marckhoff
CEO et fondateur d'Enerlytica
Auteur externe
Dr. Felix Lossin
Chief Marketing Officer bei Enerlytica
Disclaimer
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De plus en plus de bâtiments d’habitation sont chauffés par une pompe à chaleur. En Suisse, le nombre de ces installations a été multiplié par six depuis 2000 (2000: 66 622 installations, 2022: 412 430 installations). Les pompes à chaleur constituent souvent un substitut voire une alternative (obligatoire) aux systèmes de chauffage non électrifiés. De ce fait, la consommation électrique des ménages a significativement augmenté: après le remplacement d’un chauffage au mazout ou au gaz, elle serait même multipliée par trois. La pompe à chaleur est de plus en plus souvent le principal levier à disposition pour réaliser des économies d’électricité, et figure au cœur des mesures possibles pour atteindre les objectifs d’efficacité en Suisse.

Le réseau électrique face à de nouveaux défis

Mais les défis qui résultent de l’électrification de la chaleur sont eux aussi considérables pour le réseau électrique. Une tendance qui s’observe également dans d’autres pays. Ainsi, en Allemagne, les services municipaux d’Oranienburg ont interdit les nouvelles inscriptions ou augmentations de puissance des raccordements domestiques, arguant du fait que le réseau électrique ne suffit plus à intégrer de nouvelles pompes à chaleur, stations de recharge ou surfaces industrielles. Même si les causes du problème – surtout attribuables à un poste de transformation – sont probablement spécifiques à cette ville, cet exemple montre aux EAE suisses que le réseau électrique peut tout à fait subir des engorgements s’il n’est pas étendu en adéquation avec les nouvelles exigences. Mais la note peut être salée. Dès lors, en optimisant par exemple l’efficacité des appareils, il serait possible de limiter au maximum la charge accrue qui pèse sur le réseau électrique.

Les pompes à chaleur offrent généralement une possibilité durable et – du moins en théorie – très efficace de production de chaleur. Elles utilisent de l’électricité pour capter la chaleur d’une source d’énergie naturelle: l’air environnant, les eaux souterraines ou le sol. Il s’agit toutefois d’un système complexe qui doit être planifié sur mesure pour un fonctionnement efficace. Dans la pratique, pourtant, de nombreuses pompes à chaleur engendrent une forte hausse de la consommation électrique et offrent un rendement inférieur aux indications des fabricants. C’est ce que mettent en lumière les résultats d’une étude de 2022 [1], qui observait la consommation électrique des ménages après optimisation de leur pompe à chaleur suite à un conseil en énergie: la moitié des ménages a enregistré une économie moyenne de 1,805 kWh (15,2%) par an. L’efficacité du système dépend particulièrement du bon dimensionnement par rapport aux propriétés du bâtiment et du bon réglage des paramètres de fonctionnement. Il y a également lieu de prévoir des opérations d’entretien et des visites de contrôle régulières pour maintenir l’efficacité du système. Une surveillance de ce dernier offre également la possibilité de détecter rapidement et de corriger les dysfonctionnements.

Il n’est alors pas nécessaire que les problèmes possibles d’une pompe à chaleur soient complexes et nécessitent l’intervention d’un professionnel. Une étude récente de l’Université de Bamberg [2] a ainsi analysé 228 comptes rendus établis dans le cadre des conseils proposés par une EAE suisse. Réalisés sur place par des spécialistes qualifiés de l’EAE dans le cadre de rendez-vous de 90 minutes, ces conseils visaient à identifier et à catégoriser les problèmes des pompes à chaleur. L’étude a démontré que 65% des problèmes engendraient un gaspillage direct d’énergie, que 68% existaient depuis l’installation et qu’ils pouvaient souvent être résolus facilement et à moindres frais (47%). L’étude conclut notamment qu’il serait possible d’impliquer les propriétaires de pompes à chaleur dans les processus d’identification et de résolution des problèmes moyennant des règles et instructions simples.

En Suisse, un tiers des pompes à chaleur offre un potentiel d’optimisation

Les données actuelles montrent que près du tiers des pompes à chaleur installées en Suisse ne sont pas configurées de manière optimale. Elles ont été publiées dans le cadre du projet de recherche «KI in der Wärmepumpenberatung» (l’AI dans les conseils relatifs aux pompes à chaleur), qui a été mis en œuvre par Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ), le fournisseur de solutions de chauffage et de climatisation Hoval, l’entreprise d’analyse de données Enerlytica et l’EPF Zurich, avec le soutien thématique et financier de l’Office fédéral de l’énergie. Les problèmes de configuration résident par exemple dans le mauvais réglage des courbes de chauffe, dans des températures d’arrêt défavorables et dans de mauvais points de bivalence – tous étroitement liés à la puissance de la pompe à chaleur. Problème: dans de nombreux cas, le potentiel d’optimisation n’est même pas visible. En effet, on optimise rarement un système dont on n’a pas à se plaindre. Ces possibilités restent donc durablement masquées aux yeux des ménages, d’autant plus que seules 4% des pannes surviennent de manière abrupte. Si ce taux était plus élevé, les utilisateurs discerneraient plus probablement les potentiels d’optimisation [2].

Certains fabricants de pompes à chaleur développent ainsi des solutions numériques pour surveiller à distance les systèmes de leurs clients. Mais celles-ci font face à de multiples difficultés. Primo, elles sont principalement axées sur la prévention des pannes au lieu de l’amélioration de l’efficacité. Secundo, il n’existe pas de normes relatives à l’échange de données entre fabricants, ce qui limite les possibilités de surveillance. Tertio, la plupart des pompes à chaleur installées aujourd’hui ne sont tout simplement pas mises en réseau, alors qu’elles vont rester en fonctionnement des années, voir des décennies.

L’IA identifie les potentiels d’optimisation des pompes à chaleur grâce aux données des smart meters

Dans ce contexte, les smart meters offrent une base technologique évolutive qui permet de mieux exploiter les potentiels d’économie. Indépendants des systèmes installés, ils devraient équiper au moins 80% des ménages suisses d’ici à 2027. Par rapport aux autres appareils, une pompe à chaleur pèse beaucoup sur le profil de consommation d’un ménage – même lorsque cette charge est mesurée dans un laps de temps court (p. ex. par tranches de 15 minutes). Le recours à des procédés d’analyse de données modernes offre aussi des possibilités supplémentaires. Ainsi, les algorithmes identifient les paramètres de fonction spécifiques de la pompe à chaleur puis vérifient l’absence d’erreur. Cela permet de surveiller à distance la pompe à chaleur et d’obtenir un diagnostic automatisé en cas de problème.

Représentation de la «heatmap» d’une pompe à chaleur

Cette approche a été reprise dans une étude [3] de 2023 durant laquelle 503 pompes à chaleur installées dans des maisons individuelles suisses ont été surveillées sur une période de 21 mois. L’étude a extrait les cycles de chauffage à partir des profils de charge de 15 minutes des smart meters afin de calculer les indicateurs de fonctionnement clefs pour chaque pompe à chaleur: heures de fonctionnement, nombre de cycles, ratio des cycles par rapport aux heures de fonctionnement et longueur moyenne des cycles. Un algorithme s’est ensuite exercé, sur la base de ces données et de sources externes, à identifier les pompes à chaleur au comportement atypique. Cette étude se démarque par le fait que ses résultats ont été calculés sur la base de la consommation électrique de ménages «réels» et partant, dans des conditions réelles.

Un projet pilote montre que la population est bien préparée

Sur la base des résultats du projet de recherche «KI in der Wärmepumpenberatung», EKZ a lancé en 2023 un projet pilote visant à soulager le réseau en améliorant l’efficacité des pompes à chaleur. EKZ a ainsi permis à certains clients particuliers de bénéficier d’une analyse gratuite de la consommation électrique de leur pompe à chaleur. Son check-up en ligne des pompes à chaleur leur offrait la possibilité d’analyser gratuitement la consommation électrique de leur installation en quelques secondes et d’identifier les potentiels d’optimisation. Pour s’identifier, il suffisait aux clients de saisir leur numéro client personnel et leur numéro de consommation sur le site Internet d’EKZ

L’algorithme du partenaire de mise en œuvre Enerlytica a ensuite analysé trois caractéristiques des pompes à chaleur (heures de fonctionnement, comportement de commutation et consommation d’énergie) puis évalué de possibles potentiels d’optimisation. À cet effet, plus de 500 propriétés ont été extraites des séries chronologiques et des courbes de charge. Les clients ont manifesté un vif intérêt pour ce check-up. 35% des ménages ont demandé une analyse après une seule prise de contact. Et le potentiel d’économies a été à la hauteur des attentes. L’algorithme a ainsi détecté un potentiel d’optimisation chez 27% des pompes à chaleur et envoyé une alerte en ce sens.

Check-up des pompes à chaleur proposé par EKZ

Rôle décisif pour un approvisionnement sécurisé

Pour résumer, il y a lieu de constater que les pompes à chaleur jouent un rôle décisif dans la mise en place d’un approvisionnement d’électricité durable et sécurisé en Suisse. En plus des économies d’électricité générées, un fonctionnement efficace et économe contribue à la stabilité du réseau et limite les coûts liés à l’étendue indispensable du réseau électrique. Les données des smart meters permettent d’ores et déjà de surveiller et d’identifier les problèmes et les inefficacités des pompes à chaleur selon un modèle évolutif. Dès lors, il est possible d’aviser de manière proactive les propriétaires des pompes à chaleur de possibles problèmes, après quoi ils peuvent régler le problème par eux-mêmes – du moins parfois – ou avec l’aide d’un conseiller.

Références

[1] Weigert, A., Hopf, K., Günther, S. A., & Staake, T. (2022). Heat pump inspections result in large energy savings when a pre-selection of households is performed: A promising use case of smart meter data. Energy Policy, 169, 113156.

[2] Weigert, A. (2022). Identification and classification of heat pump problems in the field and their implication for a user-centric problem recognition. Energy Informatics, 5(1), 70.

[3] Brudermueller, T., Kreft, M., Fleisch, E., & Staake, T. (2023). Large-scale monitoring of residential heat pump cycling using smart meter data. Applied Energy, 350, 121734.

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