Actuellement dans l’Union européenne, l’eau chaude sanitaire et le chauffage des bâtiments résidentiels correspondent à environ 20 % de la consommation d’énergie totale [Eurostat, 2017b, Union, 2016a]. Une étude détaillée [Union, 2017b], porte cette fraction à 31 % si le chauffage et l’eau chaude sanitaire des bâtiments tertiaires et industriels sont également pris en compte. Cette énergie thermique, correspondant à plus de 3500 TWh, est majoritairement produite à partir des combustibles fossiles, à savoir 66 %, et seulement 13 % proviennent des
énergies renouvelables. Il est également bon de noter qu’une fraction de 1 % de la
consommation d’énergie totale européenne est dédiée à la climatisation de bâtiments résidentiels, industriels et tertiaires. Cette dernière fraction est essentiellement consommée dans les pays du Sud de l’Europe (principalement l’Espagne et l’Italie). S’ajoute finalement à l’énergie thermique, l’énergie électrique produite qui représente, tous secteurs confondus, environ 25 % de la consommation d’énergie européenne [Eurostat, 2017a].
D’un point de vue environnemental, ces consommations d’énergies s’accompagnent
d’importantes émissions de gaz à effet de serre, dont le CO2, et de polluants atmosphériques
qui sont nocifs tant pour l’environnement (augmentation de la température mondiale, eutrophisation des sols...) que pour la santé humaine. En effet, l’Organisation mondiale de la santé estime qu’environ 5 % de la population mondiale décède chaque année à cause de la pollution de l’air extérieur [Organisation, 2016] qui provient majoritairement de la génération de particules et d’émissions d’oxyde d’azote et de soufre liés à la combustion d’énergies fossiles.
Partant de ces constats, il est opportun de proposer et d’implémenter des systèmes à haute efficacité énergétique pour réduire ces consommations d’énergies et pour émettre moins
de polluants. Pour atteindre ces objectifs, l’Union européenne a établi plusieurs directives
allant dans ce sens1. Au travers de ces directives, l’Union européenne mise notamment sur
l’utilisation des unités de cogénération, des réseaux de chaleur ainsi que de l’utilisation de la biomasse comme source d’énergie primaire. Ce sont ces trois thèmes qui sont le sujet de ce travail de recherche et qui sont d’ailleurs soutenus largement par la communauté scientifique au travers de ces articles [Persson et al., 2014, Joly et al., 2017, Vandermeulen et al., 2018a, Jägemann et al., 2013] pour opérer «la transition énergétique». Par ailleurs, la stratégie européenne portant sur le chauffage et le refroidissement des bâtiments (tous secteurs confondus) suppose que potentiellement 50 % de la demande de chaleur européenne devrait être fournie par l’intermédiaire de réseaux de chaleur d’ici 2050 selon la référence [Union, 2016b].
Finalement, l’Union européenne s’est engagée à l’horizon 2020 à intégrer 20 % d’énergies renouvelables dans sa consommation finale brute d’énergie afin d’initier la transition
énergétique et de réduire les émissions de polluants et de CO2. Dans ce cadre, chaque pays
possède des objectifs qui lui sont propres et qui ont été établis en fonction du contexte énergétique de chacun d’entre eux. Ces objectifs sont repris avec la situation pour les années 2004 et 2015 sur la Figure 1.1. Cette Figure montre que près d’un tiers des pays européens ont déjà réalisé leurs objectifs et parmi eux figurent ceux dont le taux d’intégration des énergies renouvelables dépassent largement les 20 %. Ces chiffres montrent donc qu’il n’est pas impossible d’opérer une transition énergétique utilisant les énergies renouvelables.
Figure 1.1 – Part de l’énergie provenant des sources d’énergies renouvelables dans les états membres de l’UE [Eurostat, 2017c].
1Les directives sont 2004/8/EC [Union, 2004] pour le développement des unités de cogénération, 2009/28/EC
[Union, 2009] pour le développement des sources d’énergies renouvelables, 2012/27/EU [Union, 2012] pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des systèmes de production, 2010/31/EU [Union, 2010a] pour l’amélioration de la performance énergétique des bâtiments et 2003/96/CE [Union, 2003] concernant la taxation de l’énergie qui instaure un contexte favorable pour le développement d’unités de cogénération.
1. Contexte
L’utilité première des énergies renouvelables est de permettre l’utilisation de sources d’énergie considérées comme inépuisables à l’échelle du temps humain [Omar Ellabban, Haitham
Abu-Rub, 2014]2. Par ailleurs, leur utilisation a également pour but de minimiser les émissions
de gaz à effet de serre même si certaines d’entre elles comme la biomasse génèrent également des polluants atmosphériques. D’un autre côté, cette transition énergétique implique un enjeu politico-économique majeur lié à la dépendance énergétique des états. En effet, les énergies renouvelables sont en général mieux réparties sur le globe que les énergies fossiles dont l’exploitation n’est possible que dans quelques régions localisées.
Afin de parvenir à ces objectifs, l’Union européenne peut compter sur diverses technologies basées sur l’utilisation d’énergies renouvelables. En 2015, les différentes sources d’énergies renouvelables utilisées pour la production d’énergie en Europe étaient par ordre d’importance [Union, 2018, Union, 2015]:
• le bois et autres biocarburants solides; • l’énergie hydraulique;
• l’énergie éolienne; • le biogaz;
• les biocarburants liquides; • l’énergie solaire;
• la valorisation de déchets renouvelables; • la géothermie.;
• l’énergie houlomotrice.
Les pompes à chaleur ne sont généralement pas référencées dans ces statistiques puisqu’il s’agit de méthodes de conversion. Toutefois, il convient de les citer car elles utilisent en quelque sorte une source d’énergie renouvelable à savoir l’énergie présente dans l’air ambiant, l’eau ou le sol pour la production d’énergie thermique (chaud ou froid) qui provient
directement ou indirectement de l’énergie solaire3.
Bien que dans ce travail, l’utilisation de certaines de ces énergies alternatives et renouvelables sera envisagée et discutée, seules la combustion de la biomasse et l’utilisation des pompes à chaleur seront principalement abordées. En effet, l’utilisation de la biomasse contribue
[Union, 2017a] et devrait contribuer 4 pour environ la moitié de l’objectif européen
d’intégration des énergies renouvelables principalement dans le domaine de la production d’énergie thermique. Concernant les pompes à chaleur, celles-ci représentent un potentiel indéniable pour la gestion des réseaux thermiques et électriques comme en témoignent les travaux suivants [Østergaard et Andersen, 2016, Averfalk et al., 2017, Sayegh et al.,
2Il est toutefois important de noter que ce caractère inépuisable dépend de la vitesse de renouvellement naturel
de ces ressources par rapport à leur vitesse d’utilisation.
3Dans le cas d’une installation géothermique de grande profondeur, la source de chaleur est principalement
issue du magma terrestre et de la radioactivité. Cette source est également considérée comme renouvelable au vu de l’immense réserve d’énergie disponible par rapport aux besoins humains [Fridleifsson et al., 2008].
4Selon les prévisions et les objectifs définis par l’Union européenne dans les références :[Commission, 2011,
2018, Georges, 2017]. En effet, le chauffage de bâtiments à l’aide de pompe à chaleur pourrait permettre une adaptation de la charge du réseau électrique permettant ainsi d’améliorer la gestion des énergies renouvelables qui sont parfois de nature intermittente.
C’est dans ce contexte général de «transition énergétique» que le travail de recherche s’inscrit. En effet, les réseaux de distribution de chaleur constituent un vecteur énergétique idéal pour intégrer les énergies renouvelables dans le «mix énergétique» européen comme détaillé dans la section suivante. De plus, ils permettent l’introduction d’une large gamme de sources énergétiques dont fait partie la biomasse. Finalement, l’utilisation des unités de cogénération, qu’elles soient ou non une source de production au sein de réseaux de chaleur, permet de maximiser l’efficacité de transformation des sources d’énergie primaire.