Essai sur le défi énergétique de l'Humanité

Essai sur le défi énergétique

De l’humanité

Depuis la nuit des temps, les hommes ont besoin d’énergie pour fonctionner.

L’énergie fournie par nos propres corps est la première à être exploitée. Elle nous permet de nous déplacer, de chasser et de subvenir aux plus basiques de nos besoins. Arrive ensuite l’énergie thermique du feu, qui nous réchauffe et nous éclaire, puis celle du vent, poussant toujours plus loin les navires vers les contrées encore inexplorées des civilisations. Avec l’avènement de la machine à vapeur, nous commençons à brûler charbon et bois. L’éclairage des villes se fait au gaz jusqu’à l’entrée en jeu de l’électricité qui, en 1879^[1], illumine nos foyers et révolutionne entièrement nos méthodes de production. Cette indispensable source d’énergie engendre d’extraordinaires avancées technologiques, et ce sur tous les plans de notre société.

La consommation d’électricité signifie par la même occasion sa production, par tous les moyens imaginables par l’Homme. La combustion du charbon, du pétrole, du gaz, l’utilisation de procédés impliquant la radioactivité, et plus récemment des méthodes utilisant les énergies renouvelables telles que l’énergie hydraulique, éolienne, géothermique, etc. Toutes les énergies sont mobilisées pour la fabrication de l’électricité.

Mais, depuis que l’électricité s’impose comme composante à part entière de l’Humanité, la consommation mondiale en énergie ne fait qu’augmenter. Cette augmentation exponentielle amène les gouvernements du monde entier à s’inquiéter ; qu’arrivera-t-il quand il n’y aura plus de ressources énergétiques? Combien de temps nous reste-t-il avant que celles-ci ne s’épuisent? Que pouvons-nous faire pour réduire notre consommation d’énergie? Dans le cadre du Plan d’ensemble en efficacité énergétique et nouvelles technologies élaboré par l’Agence de l’efficacité énergétique du Québec, j’ai décidé de me pencher sur cette dernière question et de proposer une solution au défi énergétique de l’humanité.

Une des nombreuses manières de réduire notre consommation d’énergie est d’utiliser…celle qui existe déjà. En effet, plusieurs millions de kilowattheures d’énergie thermique s’échappent chaque année dans les canalisations^[2], alors que cette chaleur pourrait être exploitée! 20% de l’énergie totale consommée par un ménage fuit de cette façon.^[3] Puisque les eaux usées gardent une température tiède et constante, en été comme en hiver, pourquoi ne pas les utiliser pour récupérer leur chaleur? Dans cet essai, j’expliquerai le fonctionnement de cette innovante méthode et pèserai le pour et le contre de son utilisation dans la communauté.

Fonctionnement du système de récupération de chaleur

Le système de récupération de chaleur est un système exploitant la chaleur dégagée par les eaux usées passant dans les conduites d’égouts. Cette source de chaleur est aussi appelée cloacothermie. Elle est composée de deux éléments : l’échangeur de chaleur et la pompe à chaleur. La température des eaux usées est généralement située entre 10°C et 12°C.^[4] 

Le système est simple : un échangeur de chaleur est placé à l’intérieur de la partie inférieure de la conduite d’égout (figure 1). Cet échangeur de chaleur est composé de tuyaux dans lesquels circule un liquide caloporteur, c’est-à-dire absorbeur et transporteur de chaleur (en rouge dans la figure 2). Pour maximiser le transfert de chaleur, ce liquide, généralement de l’eau, circule dans le sens inverse du déplacement des effluents (échangeur à contre-courant^[5]). [pic 1][pic 2]

Le liquide caloporteur va donc absorber les calories (unité d’énergie équivalant à 4185.5 joules^[6]) contenues dans les eaux usées (en bleu dans la figure 2) à travers la paroi des tuyaux le contenant. Il faut évidemment que la paroi soit composée d’un matériau ayant une diffusivité thermique^[7] élevée, c.-à-d. qui transmet rapidement la chaleur qu’il a absorbée, de sorte à ce que les eaux usées transmettent rapidement leur chaleur au liquide caloporteur. Ainsi, le cuivre ou l’inox sont des matériaux fréquemment utilisés.^[8] Le liquide caloporteur, une fois réchauffé, se dirige vers une pompe à chaleur reliée à un bâtiment ou à un quartier.[pic 3][pic 4]

Pour ce qui est de la pompe à chaleur, c’est une autre histoire. Comme on peut le constater dans la figure 3, le liquide caloporteur provenant de l’échangeur de chaleur va transmettre sa chaleur à un fluide frigorigène^[9] contenu dans la pompe, ce qui va causer l’évaporation de celui-ci (évaporateur). La vapeur du liquide frigorigène va ensuite passer par un compresseur, qui va la faire augmenter en pression et en température. Puis, la vapeur chaude va se condenser en passant par le condenseur, elle va donc redevenir un liquide chaud qui, lui, va aller chauffer les habitations, soit par un système de tuyaux sous le sol (plancher chauffant), soit par un radiateur en fonte. Le liquide chaud revient ensuite à la pompe à chaleur et passe par un détendeur, qui va lui faire retrouver sa température initiale. ^[10] Puis, le cycle recommence, encore et encore. [pic 5][pic 6]

En hiver, la température des égouts est supérieure à celle de l’air extérieur, alors leur chaleur est utilisée pour réchauffer les maisons. Mais, quand arrive l’été, leur température devient inférieure à celle de l’air ambiant! On peut alors l’exploiter en l’utilisant pour refroidir les maisons, grâce à une pompe à chaleur réversible.

Conséquences de son utilisation

La récupération de la chaleur des égouts n’est pas une technique très répandue pour l’instant. Il est donc assez difficile de nommer ses répercussions. Malgré tout, voici quelques informations qui sont déjà connues par rapport à son utilisation.

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