La thermofrigopompe : du CHU d'Amiens à l'éco-quartier de Boulogne, une solution énergétique multi-échelle

Face à l'intensification des vagues de chaleur et à l'urgence climatique, les bâtiments collectifs doivent relever un double défi énergétique : répondre aux besoins croissants en climatisation tout en réduisant leur empreinte carbone. Ce paradoxe place les gestionnaires d'infrastructures devant une équation complexe à résoudre.

Les solutions de climatisation traditionnelles contribuent à ce dilemme : en évacuant la chaleur extraite des bâtiments comme un simple déchet, elles représentent une perte énergétique considérable et aggravent le phénomène d'îlot de chaleur urbain. Parallèlement, nos systèmes de chauffage continuent souvent de dépendre des énergies fossiles, avec leur lot d'émissions de CO₂ et leur vulnérabilité aux fluctuations des prix.

C'est dans ce contexte qu'Idex, acteur de référence du marché local de l'énergie bas-carbone depuis plus de 60 ans, déploie une approche innovante : le "froid vertueux". Ce concept marque un changement de paradigme. Au lieu de gaspiller l'énergie, il s'agit de la récupérer et de la réutiliser intelligemment, transformant une contrainte – la chaleur fatale issue du processus de refroidissement – en un atout précieux.

Le principe de fonctionnement des thermofrigopompes

Pour comprendre tous les atouts que représente la thermofrigopompe (TFP), il faut saisir ce qui la distingue fondamentalement d'une pompe à chaleur conventionnelle. Cette distinction réside dans une philosophie de conception radicalement différente qui vise à valoriser 100% de l'énergie mise en jeu.

Le fonctionnement de toute pompe à chaleur repose sur un cycle thermodynamique en quatre étapes :

• L'évaporation, où un fluide frigorigène capte de la chaleur à basse température
• La compression, où un compresseur augmente la pression et la température du fluide
• La condensation, où le fluide cède sa chaleur à haute température
• La détente, où sa pression est abaissée pour recommencer le cycle

La différence cruciale réside dans l'objectif du système :

• Une pompe à chaleur classique est conçue pour optimiser la production de chaleur au condenseur. Le froid produit à l'évaporateur est un sous-produit.
• Un groupe froid classique (chiller) est conçu pour optimiser la production de froid à l'évaporateur. La chaleur au condenseur est un déchet à évacuer.
• Une thermofrigopompe (TFP) est spécifiquement conçue et optimisée pour valoriser simultanément et avec une haute efficacité la production de froid à l'évaporateur ET la production de chaleur au condenseur.

Les trois modes de fonctionnement des thermofrigopompes

Cette conception unique permet à la TFP de fonctionner selon trois modes distincts :

1. Mode Chauffage : L'appareil fonctionne comme une pompe à chaleur, extrayant des calories d'une source externe (air, eau, sol) pour produire de l'eau chaude.
2. Mode Rafraîchissement : L'appareil fonctionne comme un groupe froid, produisant de l'eau glacée et rejetant la chaleur captée vers l'environnement extérieur.
3. Mode Simultané : C'est le mode le plus vertueux et le plus performant. La chaleur extraite de la boucle de refroidissement n'est pas rejetée à l'extérieur, mais directement utilisée pour produire de l'eau chaude. Le système accomplit ainsi deux tâches utiles pour une seule consommation d'énergie électrique.

Cette polyvalence se traduit par une supériorité qualitative. Les TFP sont conçues pour atteindre des performances frigorifiques plus élevées et plus stables, les rendant aptes à des applications critiques (process industriels, équipements médicaux) là où une PAC réversible se contente d'assurer un confort de base.

La récupération de chaleur fatale : l'atout majeur des thermofrigopompes

Le secret de la performance exceptionnelle de la TFP réside dans sa capacité à maîtriser le concept de récupération de chaleur fatale. La chaleur fatale est cette énergie thermique qui est inévitablement perdue lors de nombreux processus, qu'il s'agisse de fours industriels, de data centers ou des systèmes de climatisation.

La TFP est l'outil ultime pour la récupération de cette chaleur fatale sur site. Lorsqu'un bâtiment est climatisé, les groupes froids génèrent une quantité considérable de chaleur au niveau de leurs condenseurs. Traditionnellement, cette chaleur est dissipée, consommant de l'énergie pour jeter de l'énergie. Une TFP intercepte cette chaleur "gratuite" et la transfère à un circuit d'eau pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) ou du chauffage.

Ce faisant, la TFP opère une véritable révolution dans la logique énergétique du bâtiment. Elle fait passer d'un modèle linéaire (Énergie primaire → Effet utile UNIQUE → Déchet) à un modèle circulaire et vertueux (Énergie électrique → Effet utile 1 : Froid → "Déchet" devient Effet utile 2 : Chaud).

Définition et principe des réseaux de froid urbains

Face au changement climatique, les besoins de rafraîchissement urbain vont fortement augmenter dans les prochaines années. Les réseaux de froid urbains apparaissent comme une solution pertinente pour rafraîchir les bâtiments de manière écologique et économique.

Un réseau de froid urbain fonctionne sur un principe similaire aux réseaux de chaleur, avec une production centralisée de froid distribuée aux utilisateurs via un réseau souterrain. L'eau glacée produite permet d'alimenter les systèmes de climatisation des bâtiments raccordés. Cette approche mutualisée offre de nombreux avantages par rapport aux solutions individuelles.

L'essor des réseaux de froid en France

En 2023, la France comptait 43 réseaux de froid urbains selon France Chaleur Urbain, avec un objectif ambitieux de tripler les livraisons de froid d'ici 2028. Cette croissance rapide s'explique par la prise de conscience des collectivités face aux enjeux du réchauffement climatique et à la nécessité de proposer des solutions de rafraîchissement durables.

Les réseaux de froid urbains se développent principalement dans les zones à forte densité urbaine, où la mutualisation des besoins permet d'optimiser les investissements et d'atteindre une efficacité énergétique maximale.

Les avantages environnementaux des réseaux de froid

Les réseaux de froid présentent de multiples atouts environnementaux :

• Mutualisation des besoins : En centralisant la production de froid, on optimise le dimensionnement des installations, réduisant ainsi les consommations d'énergie.
• Sources renouvelables : Ils peuvent mobiliser des sources de froid renouvelables ou de récupération comme l'eau de mer, l'eau de nappe, les variations de températures extérieures (freecooling) ou encore la récupération de froid sur des process industriels.
• Stockage thermique : Des systèmes de stockage de froid permettent de lisser la production et d'optimiser le fonctionnement des équipements.
• Bilan carbone favorable : Leur contenu carbone est 50% plus faible en moyenne que des solutions individuelles.

L'intégration de thermofrigopompes dans les réseaux de froid urbains représente une évolution majeure. En permettant la production simultanée de chaud et de froid, les TFP offrent une solution optimale pour les réseaux mixtes qui doivent répondre à ces deux besoins.

Contrairement aux solutions traditionnelles où la chaleur extraite lors de la production de froid est simplement évacuée, les TFP valorisent cette énergie en l'injectant dans le réseau de chaleur. Cette synergie entre les deux réseaux maximise l'efficacité globale du système et réduit considérablement son impact environnemental.

Le réseau de chaleur et de froid de Boulogne-Billancourt (Seguin Rives de Seine) est un exemple emblématique de l'application des thermofrigopompes à l'échelle urbaine. Ce réseau, développé sur l'ancienne friche industrielle des usines Renault, dessert un éco-quartier comprenant 1 million de m² de logements, bureaux, commerces et équipements publics.

Premier réseau français agréé BBC RT 2012 par le ministère de l'écologie, Seguin Rives de Seine est équipé d'un parc impressionnant de thermofrigopompes d'une puissance totale de plus de 26 MW en chaud et 23 MW en froid. Ces équipements sont complétés par une centrale de froid de 5 MW et une connexion au réseau CPCU pour assurer l'appoint et le secours.

Caractéristiques techniques du réseau de Boulogne-Billancourt

Le réseau distribue annuellement près de 60 GWh de chaleur et plus de 12 GWh de froid à travers 12,4 km de canalisations, desservant 72 sous-stations. Sa production énergétique est particulièrement vertueuse avec un taux d'énergies renouvelables et de récupération (EnR&R) plus de 56 % et un contenu carbone très performant de 0,129 kg CO₂/kWh.

Le mix énergétique du réseau repose à 72 % sur la chaleur fournie par CPCU et à 28 % sur les thermofrigopompes. Cette configuration permet d'alimenter l'équivalent de 11 000 logements tout en évitant d'importantes émissions de CO₂. La répartition des clients est équilibrée entre logements (50 %), tertiaire (35 %) et équipements (15 %).

Ce projet démontre comment la technologie TFP peut être déployée à l'échelle d'un quartier entier, créant ainsi une infrastructure énergétique locale, efficace et bas-carbone qui accompagne le développement urbain durable.

Les défis énergétiques spécifiques des établissements hospitaliers

Les centres hospitaliers représentent l'un des environnements énergétiques les plus complexes et exigeants. Leurs besoins sont triples et critiques :

• Froid de process : Un besoin de refroidissement vital et ininterrompu, 24h/24, pour les équipements médicaux de haute technologie comme les IRM, les scanners ou les TEP-scan.
• Climatisation de confort : Un contrôle précis de la température et de l'hygrométrie, impératif pour les blocs opératoires, les laboratoires et les chambres des patients.
• Demande thermique massive : Des besoins colossaux et permanents en eau chaude sanitaire et en chauffage pour l'ensemble de l'établissement.

Le CHU Amiens-Picardie illustre parfaitement ces enjeux. Avec une surface totale de 326 000 m², 1 705 places (dont 1 258 lits) et 32 blocs opératoires, cet établissement doit sécuriser un approvisionnement énergétique considérable : 36 000 MWh/an d'énergie utile en chaleur, sans compter les besoins en froid.

Face à la volatilité des prix du gaz et aux objectifs de décarbonation, le CHU a initié début 2023 un projet ambitieux en partenariat avec Idex : l'installation d’une thermofrigopompe.

Conception et réalisation du projet au CHU d'Amiens

Pour garantir la pertinence technico-économique du projet, la thermofrigopompe a été dimensionnée selon une analyse rigoureuse :

• Étude du talon de consommation chaud en période estivale
• Analyse du talon froid en période hivernale
• Évaluation précise des besoins en électricité
• Prise en compte des contraintes d'implantation locale

Cette analyse a conduit au choix d'une TFP d'une puissance de 1,5 MW en chaud et 1 MW en froid, installée dans un local dédié en chaufferie. Une relève au gaz a également été mise en place pour permettre d'atteindre une température de 95°C au niveau du primaire.

En tant qu'interlocuteur unique du CHU, Idex a mobilisé l'ensemble des compétences techniques nécessaires, permettant de livrer un projet clé en main dans des délais exceptionnellement courts : seulement 5 mois entre le début des travaux et la mise en service opérationnelle.

Résultats concrets et mesurables au CHU d'Amiens

Les performances de la thermofrigopompe du CHU d'Amiens sont remarquables :

• Efficacité énergétique : La TFP peut produire plus de 4 kWh d'énergie thermique pour seulement 1 kWh d'électricité consommé.
• Réduction de la consommation : Diminution de 25% de la consommation de gaz naturel, soit environ 8 400 MWh par an.
• Impact environnemental : 1 200 tonnes de CO₂ évitées annuellement, l'équivalent de la production de 50 000 jeans !
• Performance garantie : Engagement contractuel sur la fourniture de 6 000 MWh de chaleur par an.

Sur le plan financier, le projet représente un investissement total de 2,4 millions d'euros, soutenu par une subvention d'1 million d'euros versée par l'ADEME. Grâce aux économies générées, le temps de retour sur investissement est de seulement 3 ans.

Au-delà des cas détaillés du CHU d'Amiens et du réseau de Boulogne-Billancourt, Idex a déployé cette technologie innovante dans d'autres contextes, confirmant sa polyvalence et son efficacité.

Le réseau de chaleur et de froid des Trésums à Annecy

À Annecy, le réseau des Trésums illustre parfaitement l'intégration de la thermofrigopompe dans un environnement urbain à forte valeur patrimoniale et environnementale. Situé en bordure du lac, ce réseau alimente plusieurs bâtiments publics et résidentiels, tout en respectant les contraintes paysagères exceptionnelles de ce site.

La thermofrigopompe installée permet de valoriser les calories du lac pour produire simultanément chaleur et froid, avec un impact environnemental minimal. Cette installation contribue significativement à la stratégie de transition énergétique de la ville, tout en offrant une solution économiquement avantageuse pour les usagers raccordés.

Le Centre Hospitalier Universitaire du Havre : une démarche de décarbonation ambitieuse

Suite au succès de l'installation au CHU d'Amiens, le Centre Hospitalier Universitaire du Havre a également fait le choix de la thermofrigopompe dans le cadre de sa stratégie de décarbonation. Idex a installé une unité d'une puissance de 1,3 MW en chaud et 1 MW en froid, parfaitement dimensionnée pour répondre aux besoins spécifiques de cet établissement de santé.

Dans le cadre d'un contrat d'exploitation et de garantie totale sur 8 ans, cette installation permet au CHU du Havre de réduire significativement sa consommation de gaz et son empreinte carbone, tout en sécurisant son approvisionnement énergétique. Ce projet s'inscrit dans une démarche globale visant à réduire de 15% les consommations énergétiques de l'établissement.

Ces références supplémentaires démontrent la maturité de la technologie des thermofrigopompes et la capacité d'Idex à l'adapter à des contextes variés, qu'il s'agisse d'établissements de santé, de réseaux urbains ou de sites présentant des contraintes environnementales particulières.

Le coefficient de performance (COP) global des thermofrigopompes

Pour une TFP fonctionnant en mode simultané, l'indicateur de performance clé est le COP global ou cumulé. Sa formule est :

COPglobal = (Énergie thermique utile (chaud) + Énergie frigorifique utile (froid)) / Énergie électrique consommée

Cet indicateur change la donne. Prenons une TFP qui, pour 1 kWh d'électricité consommée, produit 4 kWh de chaleur (un COP chauffage de 4) et 3 kWh de froid (un EER de 3). Son COP global est de 7. Cela signifie que pour chaque kWh d'électricité payé, la machine délivre 7 kWh d'énergie utile totale.

Cette performance exceptionnelle explique pourquoi les TFP peuvent atteindre des économies d'énergie de l'ordre de 50% par rapport aux solutions traditionnelles combinant chaudière et groupe froid.

Tableau comparatif : TFP vs solutions traditionnelles

La thermofrigopompe n'est pas une simple évolution technologique ; c'est une rupture. En assurant la production simultanée de chaud et de froid, elle offre une proposition de valeur unique et puissante. Ses avantages sont clairs, mesurables et alignés avec les défis économiques et environnementaux de notre temps :

• Une efficacité énergétique radicale, mesurée par un COP cumulé pouvant dépasser 7
• Des réductions significatives des coûts opérationnels, menant à des temps de retour sur investissement rapides, souvent de l'ordre de 3 à 5 ans
• Un potentiel de décarbonation massif, en substituant les énergies fossiles par la valorisation d'une énergie locale et auparavant gaspillée : la chaleur fatale

Chez Idex, nous considérons la thermofrigopompe comme un pilier essentiel de notre stratégie pour développer des infrastructures énergétiques locales et bas-carbone. Cette technologie s'inscrit parfaitement dans notre mission : concevoir, financer, construire et exploiter des solutions énergétiques durables pour les bâtiments, les villes et l'industrie.

La chaleur perdue de votre bâtiment ou de votre quartier est une ressource cachée qui ne demande qu'à être exploitée. C'est un gisement de valeur économique et environnementale à votre portée.

Contactez les experts d'Idex dès aujourd'hui pour réaliser une étude de faisabilité complète. Découvrez comment une thermofrigopompe peut transformer votre plus grand défi énergétique en votre plus bel atout stratégique.