Le chauffage est l’une des plus grandes utilisations d’énergie dans la société humaine d’aujourd’hui. Là où nous brûlions autrefois des bûches pour conjurer le froid brutal de l’hiver, nous comptons maintenant sur le gaz et l’électricité pour réchauffer nos maisons et nous garder en sécurité et bien au chaud. Dans certains climats plus froids, comme le Royaume-Uni, le chauffage peut représenter 60 à 80 % de la demande totale d’énergie domestique.
Cependant, il existe d’autres moyens de fournir du chauffage. L’utilisation de l’énergie éolienne pour fournir directement de la chaleur pourrait être la clé dans ce domaine, en utilisant une variété de méthodes intéressantes qui pourraient avoir des applications de niche uniques.
Conversion
Si un titre est devenu répétitif et ennuyeux au cours des deux dernières années, c’est la hausse des prix du gaz et de l’électricité. Cela a laissé des millions de personnes dans le monde payer plus que jamais pour chauffer leur maison. Les sources d’énergie durables à l’échelle de la maison peuvent compenser cela dans une certaine mesure, pour ceux qui s’appuient sur des méthodes de chauffage électrique, que ce soit par des moyens résistifs ou par des pompes à chaleur. Bien sûr, pendant les hivers les plus froids, les panneaux solaires domestiques courants sont malheureusement à leur plus faible rendement, ce qui permet au mieux de faibles économies.
Ces questions ont jeté un nouvel éclairage sur les méthodes alternatives de chauffage des maisons de manière propre et renouvelable. En particulier, l’énergie éolienne peut être utilisée pour le chauffage si elle est correctement utilisée. La solution la plus évidente est indirecte, dans laquelle une éolienne fournit de l’électricité pour faire fonctionner le chauffage électrique conventionnel. Cependant, plus intéressantes sont les méthodes directes, qui peuvent être moins chères et plus économes en énergie dans certains cas.
Claquer les freins!
Le type le plus intuitif de génération de vent en chaleur se fait via un système de frein à fluide, également connu sous le nom de machine Joule. Cela implique un moulin à vent faisant tourner une pagaie à l’intérieur d’un récipient de fluide, le plus souvent de l’eau. L’énergie captée par le vent est essentiellement dissipée dans le fluide par la résistance qu’il oppose au moulin à vent, le réchauffant. Le fluide chauffé peut ensuite être pompé vers des radiateurs pour fournir du chauffage là où il est nécessaire. C’est un concept assez simple, mais il faut une ingénierie minutieuse pour le faire fonctionner dans la pratique. La clé est de dimensionner correctement l’éolienne et le frein à fluide pour qu’ils correspondent, et de choisir les bons paramètres pour chauffer le fluide à un degré utile. L’avantage de cette méthode est que le système convertit directement l’énergie mécanique en chaleur, en contournant l’étage électrique, ce qui ajoute des dépenses et une complexité importantes. Cela permet également d’économiser une étape de conversion d’énergie supplémentaire qui peut être bénéfique pour l’efficacité.
Une éolienne à frein hydraulique est un dispositif remarquablement simple, mécaniquement parlant. Il aurait pu être utilisé pour le chauffage au début de l’ère industrielle si quelqu’un avait eu l’idée à l’époque. Cependant, ils ont d’abord pris de l’importance lorsque certains individus entreprenants au Danemark ont expérimenté la technologie dans les années 1970. Le pays a été ravagé par la crise mondiale du pétrole, car il dépendait d’un approvisionnement fiable pour le chauffage. Lorsque les prix du pétrole ont grimpé en flèche, les alternatives sont rapidement devenues attrayantes.
Il convient de noter que ce concept s’applique principalement aux habitants des zones rurales disposant d’espace disponible. Ce sont aussi des endroits où le vent est susceptible d’être plus disponible. De plus, contrairement aux zones bâties, il est plus facile de construire une turbine plus grande et plus performante. Les éoliennes petites ou basses fonctionnent généralement mal, en particulier dans les zones urbaines surpeuplées. Cependant, pour une propriété rurale avec beaucoup d’espace et une connexion limitée aux services publics de réseau, un dispositif vent-chaleur pourrait bien fonctionner.
La première conception danoise connue sous le nom de Calorius Type 37 est un bon exemple d’une configuration vent-chaleur typique. Avec un rotor de 5 m et une hauteur de 9 m, il était capable de produire 3,5 kW de chaleur pendant une brise de 11 m/s. Une paire de ces unités serait capable de chauffer une maison de taille moyenne.
En comparaison, la conception LO-FA plus avancée des années 1980 a démontré à quel point un système vent-chaleur pouvait être puissant. Avec un puissant rotor de 12 mètres sur une tour de 20 mètres, il était capable de générer environ 90 kW de chaleur avec un vent soufflant à 14 m/s. Il a notamment utilisé de l’huile hydraulique à plus haute résistance pour le frein à liquide, plutôt que de l’eau dans la plupart des autres conceptions. La chaleur était ensuite transférée à l’eau pour être distribuée. Avec une telle capacité de chauffage, le LO-FA pourrait éventuellement chauffer plusieurs maisons, ce qui suggère que de grandes unités éoliennes pourraient être idéales pour les communes hors réseau ou les fermes familiales.
Bien sûr, le vent ne souffle pas tout le temps, donc le stockage de la chaleur est souvent nécessaire si vous comptez sur de tels systèmes. La façon la plus simple de le faire est de combiner un système de vent-chaleur avec un grand réservoir d’eau pour agir comme un réservoir de stockage de chaleur. Les systèmes néerlandais reposaient souvent sur des réservoirs de stockage contenant de 10 000 à 20 000 litres d’eau. Cela fournirait suffisamment de stockage pour traverser les périodes froides avec un minimum de vent, le stockage occupant à peu près le même espace qu’une petite piscine.
Pompes à chaleur mécaniques
Alternativement, les pompes à chaleur peuvent également être très utiles dans ce domaine. Un système de freinage à fluide peut convertir quelque part jusqu’à 90 % de l’énergie éolienne capturée en chaleur dans le fluide. Une thermopompe, par contre, peut être efficace à 300 % ou plus. En effet, plutôt que de convertir l’énergie éolienne directement en chaleur, l’énergie éolienne déplace plutôt la chaleur d’un endroit à un autre.
Il n’y a rien de particulièrement fantaisiste dans la construction d’un tel système. On peut simplement prendre une pompe à chaleur électrique existante et retirer le moteur, remplaçant l’entraînement mécanique par la sortie d’une éolienne. Certains engrenages peuvent être nécessaires pour faire correspondre les deux, mais fondamentalement, c’est tout ce qui est nécessaire. Ceci est généralement plus efficace que d’utiliser une éolienne pour produire de l’électricité qui fait ensuite tourner un moteur électrique pour faire fonctionner la pompe à chaleur indirectement.
Les systèmes éolien-chaleur reposant sur des pompes à chaleur sont encore plus spécialisés que leurs cousins à frein à fluide. Cependant, les premières recherches suggèrent qu’ils pourraient être un moyen remarquablement bon marché et efficace de générer de la chaleur directement à partir de l’énergie éolienne. Des préoccupations pratiques peuvent les limiter à une utilisation dans des communautés hors réseau ou d’autres applications de niche, mais néanmoins, la thermodynamique se vérifie.
Où nous en sommes
Aujourd’hui, bien loin de la crise pétrolière des années 1970, la production directe de chaleur par le vent reste plus une curiosité de recherche qu’une méthode populaire de chauffage des maisons. Cependant, si vous êtes un chercheur universitaire, ou si vous travaillez sur de nouveaux concepts pour le système de chauffage urbain de votre ville, ou si vous êtes un hacker rural dans une ferme, cela peut valoir la peine d’être examiné. Pour les zones où le vent est abondant et la demande de chauffage élevée, les systèmes vent-chaleur pourraient s’avérer utiles pour garder tout le monde au chaud et au chaud sans aucune émission.
