Analyses exergétiques

Pour clôturer cette section dédiée aux résultats de l’approche quasi-stabilisée, une analyse exergétique complémentaire est réalisée à l’aide de l’outil de simulation sur l’unité de cogénération du cas d’étude pour estimer la façon dont l’exergie du combustible disponible est récupérée en travail et en énergie thermique.

De plus, une seconde étude est également réalisée afin d’estimer la conversion de l’exergie primaire jusqu’à son utilisation finale dans les bâtiments. Cette analyse est détaillée dans l’article 5 et a été réalisée pour plusieurs configurations de systèmes de chauffage ainsi que plusieurs types de combustible afin de tenter d’établir un classement des méthodes d’alimentation thermique de bâtiments afin de positionner les réseaux de chaleur parmi ces

systèmes. Toutefois, il convient d’effectuer la réserve suivante sur les résultats: les

rendements de conversion des systèmes de chauffage qui ont été considérés sont ceux couramment utilisés dans le domaine résidentiel (à l’exception du réseau de chaleur où une

méthodologie complémentaire a été proposée). Cependant, les rendements annuels

généralement obtenus sur les installations réelles peuvent parfois s’éloigner fortement des

11_{Au vu de la vétusté des pompes et des techniques de régulation actuelles, il serait possible d’envisager des}

pompes de plus haute efficacité. Toutefois, cet exemple se limite a utiliser l’outil développé à des fins d’analyse préliminaire et envisage une approche conservative.

1. Approche quasi-stabilisée

rendements de référence, ce pour diverses raisons: mauvais dimensionnement, rendement plus faible à charge partielle... comme le soulignent les références suivantes [Ransy et al., 2018, Tanton et al., 1987, Reddy et al., 2016] pour les chaudières et les pompes à chaleur. Dès lors, une analyse au cas par cas peut donc être nécessaire pour affiner les conclusions qui sont énoncées dans ce travail qui se veut généraliste afin de positionner les réseaux de chaleur parmi les différents systèmes envisagés et démontrer l’intérêt de la méthodologie employée.

Processus de conversion d’énergie

Pour compléter l’analyse énergétique réalisée sur l’unité de cogénération du cas d’étude, une étude exergétique complémentaire est réalisée. Dans cette analyse, la variation de l’exergie de l’eau chaude sous pression produite est considérée pour une différence de température de 30 °C et une température de départ de 130 °C . L’exergie du combustible est, quant à elle, déterminée grâce à la relation détaillée dans l’article 5 (section 2.5.3) pour la détermination de l’exergie de combustibles solides.

Partant de ces hypothèses, il est possible de déterminer le rendement exergétique de l’unité de cogénération étudiée qui est de 22 % à charge nominale. Il se décompose respectivement entre 14 % de rendement thermique et 8 % de rendement électrique. A charge partielle, le rendement exergétique diminue jusqu’à 17.5 % lorsque la puissance thermique tend vers 0 (les tendances sont représentées sur la Figure 5.7). Le rendement exergétique en fonction de

Figure 5.7 – Performances exergétiques de l’unité de cogénération étudiée en fonction de la puissance thermique.

la température de l’eau chaude produite par l’unité de cogénération (Figure 5.8) est également analysé: celui-ci (carré noir) augmente avec le rendement exergétique thermique (carré rouge), comme attendu, plus la température de l’eau est élevée. En effet, dans ce cas, les pertes exergétiques associées à une température de départ plus élevées sont plus faibles

(pour une même différence de température à l’échangeur). Une étude approfondie de la décomposition du rendement exergétique montre que l’exergie produite via la production d’électricité est constante (carré bleu). Cela est du au fait que le soutirage du cycle pour alimenter l’échangeur s’effectue à une pression fixe au travers d’une vanne de laminage. Dès lors, lorsque la température d’eau nécessaire pour l’alimentation de l’échangeur diminue, l’exergie correspondante est dégradée dans cette vanne de laminage au lieu d’être récupérée en travail. L’aspect exergétique permet donc d’identifier les limitations d’une unité de production afin d’éventuellement y remédier.

Figure 5.8 – Performances exergétiques (thermique et électrique) de l’unité de cogénération

du cas d’étude pour différentes températures d’eau alimentant le réseau de chaleur (∆ T fixe

de 30 °C).

Analyse des moyens de chauffage d’une habitation

Dans l’optique de l’utilisation optimale de l’énergie primaire, ce travail s’est également intéressé aux différents systèmes permettant l’alimentation en énergie thermique d’un bâtiment donné afin de les classer.

Le point de départ de cette étude repose sur le constat suivant: le domaine des bâtiments

résidentiels considère comme système de chauffage de référence12 l’utilisation d’une

chaudière au gaz naturel à condensation couplée à un plancher chauffant. Ces systèmes sont utilisés afin de minimiser la température de départ et de retour de l’eau chaude produite par la chaudière. Dès lors, cette diminution de température permet d’une part de maximiser la récupération d’énergie sous forme latente dans les gaz d’échappement en condensant la vapeur d’eau qui y est présente et d’autre part de minimiser les pertes liées au système d’émission et de transport de la chaleur au sein du bâtiment de par l’utilisation d’une

1. Approche quasi-stabilisée

température moyenne plus faible. Toutefois, le rendement énergétique de ce type de système est proche de l’unité mais la qualité de l’énergie y est dégradée. En effet, il est possible de montrer, en utilisant la théorie de [Martin et Wauters, 2011], que le rendement exergétique d’une combustion dans une chaudière alimentée au gaz naturel (assimilé à du méthane pur)

pour un excès d’air de 0.1513est d’environ 65 %. De plus, il est important de s’intéresser aux

irréversibilités qui sont générées durant l’échange de chaleur entre les produits de

combustion avec l’eau de chauffage14. Dans ce cas, le rendement exergétique de la chaudière

en fonction de la température de l’eau chaude produite est illustré sur la Figure 5.9:

Figure 5.9 – Rendement exergétique d’une chaudière domestique alimentée au gaz naturel et de son échangeur.

Le rendement exergétique d’une chaudière est largement inférieur au rendement énergétique (proche des 100 %) à cause des irréversibilités des processus qui dégrade l’exergie du combustible. Au vu de ce constat préliminaire, il est proposé d’étudier d’autres moyens d’alimentation en énergie thermique des bâtiments afin de les classer. C’est cette analyse qui est largement détaillée dans l’article 5 et dont les principaux résultats sont résumés ci-après.

Cette étude porte sur quatre bâtiments représentatifs15du parc immobilier belge, à savoir

deux bâtiments quatre façades (dont un est isolé), un bâtiment semi-mitoyen et un bâtiment mitoyen. Pour l’ensemble de ces bâtiments les performances du système de chauffage ont été considérés pour leur configuration et performance actuelles. De plus, ceux-ci ont été également analysés dans le cadre d’une rénovation pour différents systèmes de chauffage ainsi que deux systèmes d’émissions de chauffage complémentaires: le chauffage central

13_{Il s’agit de conditions opératoires rencontrées en pratique comme le soulignent les étudies [Wégria et al.,}

2012, Sartor et al., 2014b].

14_{Dans cette analyse, une pression d’eau de 1.5 bar ainsi qu’une différence de température entre le départ et le}

retour à la chaudière de 20 °sont considérés.

15_{Ces types de bâtiments représentes 82 % du parc immobilier belge en 2015 selon les chiffres du SPF Economie}

traditionnel couplé à des radiateurs haute température (régime 80/60 °C) ou à un système d’émissions basse température (chauffage par le sol). La liste des systèmes de chauffage envisagés est la suivante:

• chaudière alimentée par plusieurs combustibles: gaz naturel, mazout et biomasse sous forme de pellets;

• réseau de chaleur alimenté à l’aide d’une unité de cogénération réalisée à postériori sur une centrale électrique;

• pompe à chaleur; • radiateur électrique.

Les principales conclusions de ce travail ont montré que:

• l’alimentation en énergie thermique par un réseau de chaleur alimenté par une unité de cogénération permet une demande en exergie (et en énergie) relativement réduite par rapport au cas de référence (Figure 5.10) qu’est l’utilisation de la chaudière alimentée au gaz naturel à condensation couplée à un plancher chauffant;

• les pompes à chaleur se placent en seconde position;

• les différents types de chaudières ont significativement les mêmes performances

exergétiques et énergétiques et ne se distinguent que par leur production de CO2;

• la chaudière à pellets émet le moins d’émissions de CO2. Suivent ensuite les réseaux

de chaleur16 et les pompes à chaleur17de par leur meilleure utilisation de l’énergie

primaire:

• comme attendu, le chauffage électrique provenant du réseau électrique est à proscrire tant d’un point de vue énergétique qu’exergétique.

Figure 5.10 – Ratio de performance du système de chauffage.

Toutefois, il est bon de souligner que contrairement aux performances des chauffages électriques et des chaudières qui restent généralement similaires dans une large gamme de

16_{Voir le chapitre 7 - Erratum.}

17_{Les mises en garde contre les autres polluants issus de la combustion de la biomasse restent toutefois en}