5.2.1 Méthode et enjeux
Evolution de la demande (rénovation énergétique des bâtiments et extension de réseau) L’évolution de la demande sur le réseau est un point fondamental qui déterminera en grande partie le fonctionnement futur du réseau et les possibilités de valorisation de la chaleur fatale et/ou renou-velable. Les probables évolutions de la demande thermique sur le réseau dépendront principalement de :
• La rénovation énergétique des bâtiments raccordés, qui aura pour conséquence de diminuer la consommation pour le chauffage et donc de modifier le profil de la demande.
• Le déploiement du réseau existant, c’est-à-dire des extensions de réseau avec raccordements de nouveaux bâtiments, avec comme conséquence une augmentation de la demande sur le réseau.
Pour estimer la courbe de charge du réseau selon l’évolution de la demande, le profil de la demande actuel à dans un premier temps été décomposé en trois composantes dont les dynamiques sont présentées sur la figure 5.2 (méthodologie explicitée dans l’annexe C, p.213) :
• Une fraction « chauffage » (Qch)
• Une fraction « ECS » (Qecs)
• Une fraction « pertes réseaux» (Qpertes)
0
1 731 1461 2191 2921 3651 4381 5111 5841 6571 7301 8031
Puissance thermique [MW]
FIGURE5.2 – Décomposition de la demande thermique sur le réseau actuel
Une fois la courbe de charge décomposée, la charge thermique à fournir au réseau (Qcad) en fonction de la baisse de la demande de chauffage (facteur θ) et/ou du niveau de déploiement du réseau
(facteurγ) est déterminée de la façon suivante : Qcad =
8760
X
h=1
(qecs(h)+qch(h)·θ+qpertes(h))·γ
Les hypothèses qui sous-tendent ce calcul sont les suivantes :
• L’augmentation des puissances thermiques horaires induites par une extension de réseau (sans prise en compte des rénovations de bâtiments) est proportionnelle au profil actuel mesuré sur l’année 2013-14. Autrement dit, si le réseau est deux fois plus grand, chaque puissance horaire est multipliée par deux (conservation du profil horaire de base). D’autre part, le facteur d’extension n’influence pas la répartition entre les différentes composantes de la demande totale.
• La diminution de la demande du réseau induite par la rénovation énergétique des bâtiments ne concerne que la partie chauffage de la demande. Par hypothèse, les économies d’énergie sont proportionnelles au profil de la consommation de chauffage sur l’année 2013-14. En d’autres termes, si la demande annuelle de chauffage est réduite de−50%, chaque puissance horaire dédiée au chauffage est divisée par 2 (figure 5.3). La répartition relative des composantes de la demande totale est alors modifiée : les fractions "ECS" et "pertes" deviennent proportionnel-lement plus importantes.
0 20 40 60 80 100 120 140
1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001
Puissance thermique [MW]
Heure
Economie d'énergie sur la partie chauffage Chauffage ECS Pertes
FIGURE5.3 – Courbe de charge classée de la demande thermique décomposée et illustration des économies d’énergie sur la partie chauffage (ici−50%)
Le fait de se baser sur l’année 2013-14 pour établir le profil de la demande signifie que les scénarios développés se réfèrent à une année relativement "chaude" par rapport à l’année météorologique de référence pour Genève (cf. section 2.3, p.42). Toutefois, avec la tendance au réchauffement du climat, en particulier en hiver, il est probable que les années à venir y ressemblent de plus en plus fréquemment.
Production de chaleur sur le réseau
Pour différents scénarios d’évolution de la demande sur le réseau (extension de réseau et/ou rénova-tion énergétique des bâtiments), les possibilités de valorisarénova-tion de la chaleur provenant des sites de production actuels (UVTD et chaudières gaz) et en projet (PôleBio et STEP d’Aïre) ont été étudiées.
Récupération de la chaleur fatale à l’UVTD
Le potentiel de récupération de la chaleur fatale de l’UVTD (Qchen,pot) a été calculé en fonction de l’évolution de la demande, en comparant les puissances moyennes horaires appelées sur le réseau (qcad) et les puissances thermiques disponibles à l’UVTD (qchen,disp) :
Qchen,pot =
8760
X
h=1
min[qcad(h);qchen,disp(h)]
Par hypothèse, le profil des puissances disponibles à l’UVTD est donc identique à celui qui a été mesuré sur l’année 2013-14. Malgré le fait que les quantités de déchets incinérés vont probablement diminuer, ce profil devrait rester similaire dans les années à venir grâce à la construction d’une nouvelle usine d’incinération offrant de meilleurs rendements (SIG, communications personnelles).
Récupération de la chaleur fatale sur le futur incinérateur de bois-déchets (en projet)
Le projet PôleBio, porté par les SIG en partenariat avec d’autres entreprises spécialisées dans la collecte et le traitement des déchets (Serbeco et Helvetia Environnement), consiste en la construc-tion d’une nouvelle usine de traitement des déchets verts (déchets organiques ménagers, de jardin, bois usagé et lavures de restaurants) à proximité de l’UVTD (site précis d’implantation pas encore ap-prouvé). La valorisation énergétique des déchets s’y ferait par compostage (matière sèche), méthani-sation (matière humide) et par incinération (bois usagé). L’incinérateur devrait permettre de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur pour les réseaux CADIOM-CADSIG (PôleBio, 2014).
L’incinérateur devrait être dimensionné pour un tonnage de bois usagé d’environ 30’000 t/an (SIG, communications personnelles). Le taux de matière sèche contenue dans le bois usagé représente environ 85% (Faessler et al., 2010). Avec un PCI pour la matière sèche de 5 kWh/kg, le contenu énergétique de la ressource peut être estimé à 125 GWh/an. Le rendement global du couplage chaleur-force pourrait être de l’ordre de 75%, 15% pour la valorisation électrique et 60% pour la va-lorisation chaleur (Faessleret al., 2011). La puissance thermique prévue pour alimenter les réseaux devrait être de 12.5 MW (SIG, communications personnelles). A partir de ces informations, la produc-tion de chaleur pour le réseau thermique (Qpolebio) a été estimée avec l’hypothèse que la récupération de la chaleur fatale provenant de l’UVTD est priorisée :
Qpolebio =
8760
X
h=1
min[qcad(h)−qchen,pot(h); 12.5]
Récupération de la chaleur fatale à la station d’épuration (en projet)
Le second projet analysé concerne la récupération de chaleur sur les eaux épurées en sortie de la STEP d’Aïre, exploitée par SIG, qui est la plus importante du canton avec, en 2014, environ 420’000 habitants raccordés (SIG, 2013a). Le volume d’eau traité annuellement y varie légèrement d’une an-née à l’autre, notamment en raison du niveau de pluviométrie. Il se situe généralement entre 60 et 70 millions de m3/an (SIG, 2013a). Une fois traitée, cette eau est actuellement rejetée dans l’envi-ronnement. Avec un débit moyen journalier qui peut osciller entre 120’000 et plus de 300’000 m3/j lorsqu’il y a de fortes précipitations et des températures comprises entre 14 (hiver) et 23˚C (été), l’eau épurée constitue un rejet de chaleur important et en partie exploitable pour alimenter des réseaux thermiques via des pompes à chaleur. Le projet prévu par les SIG serait d’installer une PAC pou-vant alimenter les réseaux avec une puissance thermique d’environ 10 MW (SIG, communications personnelles).
Pour le calcul du potentiel de production de la PAC, les hypothèses suivantes ont été émises :
• Bien que les niveaux de températures et les débits des eaux épurées varient durant l’année, la PAC est capable de fournir 10 MW tout l’année (ruban)
• La récupération de chaleur fatale provenant des incinérateurs (UVTD et PôleBio) est prioritaire par rapport à la production de la pompe à chaleur, du fait que celle-ci consomme de l’électricité.
La production thermique de la PAC (Qpac) est alors calculée de la façon suivante : Qpac =
8760
X
h=1
min[qcad(h)−qchen,pot(h)−qpolebio(h); 10]
Production de chaleur de pointe
Dans les différents scénarios, la différence entre la demande sur le réseau (qcad) et la chaleur fa-tale/renouvelable totale disponible en ruban (qren,disp) est effectuée par des chaudières au gaz. La production thermique annuelle à partir du gaz (Qgaz) est alors déterminée sur un pas de temps ho-raire :
Qgaz =
8760
X
h=1
max[qcad(h)−qren,disp(h); 0]
Définition des scénarios
A partir du modèle développé, un cas de référence (système actuel) et différents scénarios d’évo-lution du réseau, de la demande et des ressources ont été élaborés et comparés entre eux afin de mettre en évidence les effets sur la consommation d’énergie fossile et le fonctionnement du réseau de trois mesures :
• Une extension du réseau existant de 150% (Ext150)
• Une baisse de la consommation de chauffage de−50% grâce à la rénovation énergétique des bâtiments (Ren50)
• L’intégration de nouvelles ressources en ruban (22 MW) sur le réseau (Ress)
Par combinaison des mesures précitées, sept scénarios ont été élaborés et sont récapitulés dans le tableau 5.1. Des analyses de sensibilité ont également été réalisées pour les scénarios d’exten-sion du réseau (Ext150 et Ext150+Ress) et de rénovation énergétique des bâtiments (Ren50 et Ren50+Ress).
Ressources actuelles Nouvelles ressources (+22MW en ruban)
Demande actuelle Ref Ress
Extension du réseau (150%) Ext150 Ext150+Ress
Rénovation des bâtiments (−50% sur le chauffage) Ren50 Ren50+Ress Extension du réseau et rénovation des bâtiments Ext150&Ren50 Ext150&Ren50+Ress TABLE5.1 – Définition des scénarios d’évolution de la demande (extension et/ou rénovation énergétique des bâtiments) et des ressources
5.2.2 Intégration de nouvelles ressources sur le réseau actuel
Avec la demande actuelle sur le réseau, le potentiel de récupération de la chaleur fatale provenant de l’UVTD serait de 257 GWh/an pour un taux de charge de 5’711 heures équivalent à la puissance de 45 MWa. Pour satisfaire la demande lorsque celle-ci excède la chaleur fatale disponible, 143 GWh devraient être produits à partir des chaudières gaz (figures 5.4 et tableau 5.2).
Dans la mesure où la récupération de chaleur fatale à l’UVTD est priorisée, la production thermique des nouvelles sources de chaleur pourraient être de 52 GWh pour l’incinérateur de bois-déchets (12.5 MW) et de 32 GWh pour la PAC sur les eaux épurées (10 MW). En période estivale, la demande serait uniquement couverte par la récupération de chaleur fatale depuis l’UVTD. Les taux de charge respectifs des nouvelles installations seraient de 4’140 et 3’150 heures équivalent aux puissances maximales. L’intégration de ces nouvelles sources de chaleur diminuerait la consommation du gaz qui serait alors essentiellement utilisé pour couvrir les pointes (60 GWh).
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD Chaudières gaz
(a) Ressources actuelles :Ref
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD CCF bois-déchets
PAC STEP Chaudières gaz
(b) Nouvelles ressources :Ress
FIGURE5.4 – Courbes de charge classées des installations de production thermique avec la demande actuelle. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
Ref Ress
Puiss. max Energie Tx de charge Puiss. max Energie Tx de charge
MW GWh h équiv. MW GWh h équiv.
CCF UVTD 45 257 5’711 45 257 5’711
CCF bois-déchets - - - 12 52 4’140
STEP PAC - - - 10 32 3’150
Chaudières gaz 101 143 1’414 79 60 760
Réseau 127 400 3’148 127 400 3’148
TABLE5.2 – Puissances et énergies des installations de production thermique avec la demande actuelle
a. La Pmax disponible réelle à l’UVTD a été de 52 MW mais seulement durant quelques heures. La majorité du temps, la Pmax disponible lorsque l’UVTD a fonctionné avec deux fours a été de 45 MW
5.2.3 Extension du réseau et intégration de nouvelles ressources
Une extension du réseau de 150% permettrait d’améliorer légèrement le potentiel de récupération de la chaleur fatale, de 257 GWh à 282 GWh, s’approchant du potentiel maximal théorique de 303 GWh, qui correspond à la quantité de chaleur fatale maximale disponible à l’UVTD (figures 5.5 et ta-bleau 5.3). La récupération de chaleur fatale supplémentaire se ferait principalement en été et en mi-saison lorsque l’UVTD fonctionne avec les deux fours. Durant les autres périodes, l’augmentation de la demande devrait être assumée par le gaz s’il n’y a pas de nouvelles ressources. Annuelle-ment, l’augmentation de la récupération de chaleur à l’UVTD (+25 GWh) resterait ainsi très faible par rapport à l’augmentation de la demande sur le réseau (+200 GWh). Cela signifierait une hausse importante de la production thermique à partir du gaz (+175 GWh).
En revanche, le déploiement du réseau actuel permettrait d’améliorer significativement l’intégration des nouvelles sources de chaleur en ruban, principalement en périodes de mi-saison. Les produc-tions respectives du nouvel incinérateur de bois-déchets et de la PAC sur les eaux épurées pourraient se chiffrer à 76 respectivement 48 GWh. Leurs taux de charge seraient ainsi améliorés par rapport à une situation sans extension (6’095 respectivement 4’844 heures équivalent aux puissances maxi-males), et donc leurs investissements plus rentables.
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD Chaudières gaz
(a) Ressources actuelles :Ext150
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD CCF bois-déchets
PAC STEP Chaudières gaz
(b) Nouvelles Ressources :Ext150+Ress
FIGURE5.5 – Courbes de charge classées des installations de production thermique avec une extension de réseau de 150%. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
Ext150 Ext150+Ress
Puiss. max Energie Tx de charge Puiss. max Energie Tx de charge
MW GWh h équiv. MW GWh h équiv.
CCF UVTD 45 282 6’265 45 282 6’265
CCF bois-déchets - - - 12 76 6’095
STEP PAC - - - 10 48 4’844
Chaudières gaz 164 318 1’943 141 193 1’370
Réseau 191 600 3’148 191 600 3’148
TABLE5.3 – Puissances et énergies des installations de production thermique avec une extension de réseau de 150%
Une analyse de sensibilité a été effectuée afin de montrer l’influence d’un déploiement du réseau sur les quantités de chaleur produites par les différents sites de production (figures 5.6 et 5.7). Les résultats permettent de montrer qu’un développement du réseau actuel sans intégration de nouvelles sources de chaleur fatale/renouvelable serait principalement assuré par le gaz. Dans la situation ac-tuelle (extension=100%), la part de la récupération de chaleur fatale dans le mix de la production marginale annuelle ne représente déjà que 22%. A partir d’une extension de 135%, cette part des-cendrait en dessous des 10%. Autrement dit, pour récupérer 1 MWh à l’UVTD, il faudrait en produire 9 à partir du gaz.
Le déploiement du réseau paraît en revanche plus pertinent avec l’intégration de nouvelles res-sources. Les premiers raccordements permettront en effet de faciliter la récupération de chaleur fatale/renouvelable. On peut toutefois voir que plus le réseau est étendu, plus il faudra de gaz pour satisfaire la demande. Ainsi, à partir d’une extension de 150%, la part du gaz dans le mix de la production marginale atteindrait 75%.
100% 110% 120% 130% 140% 150%
Production thermique [GWh/an]
Niveeau d'extension du réseau [%]
Chaudières gaz
100% 110% 120% 130% 140% 150%
Production thermique [GWh/an]
Niveau d'extension du réseau [%]
Chaudières gaz PAC STEP CCF bois-déchets CCF UVTD
(b) Nouvelles ressources
FIGURE5.6 – Mix de la production thermique annuelle en fonction du déploiement du réseau. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
100% 110% 120% 130% 140% 150%
Mix de la production thermique marginale [%]
Niveau d'extension du réseau [%]
Chaudières gaz
100% 110% 120% 130% 140% 150%
Mix de la production thermique marginale [%]
Niveau d'extension du réseau [%]
Chaudières gaz
CCF UVTD + CCF bois-déchets+ PAC STEP
(b) Nouvelles ressources
FIGURE5.7 – Mix de la production thermique annuelle marginale en fonction du déploiement du réseau. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
5.2.4 Rénovation énergétique des bâtiments et intégration de nouvelles ressources sur le réseau actuel
Sur le réseau actuel, une diminution de 50% de la demande de chauffage des bâtiments raccordés au réseau (−118 GWh) permettrait de diminuer la production thermique d’origine fossile sur le réseau de 96 GWh par rapport au cas de référence. Le solde des économies d’énergie induirait une dimi-nution de la récupération de chaleur fatale (−22 GWh), principalement en mi-saison lorsque l’UVTD fonctionne avec deux fours. Sur le réseau, la part de la chaleur fatale dans le mix augmenterait si-gnificativement (figures 5.8 et tableau 5.4). Avec la baisse de la consommation, la densité linéaire du réseau passerait de 5.7 à 3.8 MWh/m et les pertes thermiques relatives de 10 à 14%.
Une diminution de la demande de chauffage de 50% limiterait fortement la production thermique des nouvelles sources de chaleur en ruban sur le réseau. Celles-ci ne pourraient produire qu’en hiver ou en mi-saison lorsque l’UVTD fonctionne avec un seul four et qu’il fait suffisamment froid. Le reste de l’année, la production de l’UVTD serait suffisante pour alimenter tout le réseau. Les taux de charge des nouvelles installations (2’361 h pour l’incinérateur de bois-déchets et 1’204 h pour la PAC) seraient alors faibles, rendant leurs investissements nettement moins intéressants. Le gaz ne serait utilisé que lors des pointes hivernales quand un seul four est en marche à l’UVTD (5 GWh).
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD Chaudières gaz
(a) Ressources actuelles :Ren50
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD CCF bois-déchets
PAC STEP Chaudières gaz
(b) Nouvelles ressources :Ren50+Ress
FIGURE5.8 – Courbes de charge classées des installations de production thermique avec la rénovation énergétique des bâtiments (−50% sur la demande de chauffage). Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
Ren50 Ren50+Ress
Puiss. max Energie Tx de charge Puiss. max Energie Tx de charge
MW GWh h équiv. MW GWh h équiv.
CCF UVTD 45 235 5’219 45 235 5’219
CCF bois-déchets - - - 12 30 2’361
STEP PAC - - - 10 12 1’204
Chaudières gaz 51 47 923 28 5 187
Réseau 76 282 3’707 76 282 3’707
TABLE5.4 – Puissances et énergies des installations de production thermique avec la rénovation énergétique des bâtiments (−50% sur la demande de chauffage)
Une analyse de sensibilité permet de montrer l’influence de la diminution de la demande de chauffage sur le mix énergétique du réseau (figures 5.9 et 5.10). Sans intégration de nouvelles ressources, on voit clairement que les premières rénovations permettront de diminuer la consommation de gaz de façon significative. Le mix de la production marginale économisée est en effet constitué à 90%
par du gaz. Cela est dû au fait qu’en hiver et en mi-saison, la demande excède déjà largement la chaleur fatale disponible à l’UVTD. Jusqu’à une diminution de la demande de chauffage de 65%, c’est majoritairement du gaz qui serait économisé. Au-delà, les rénovations seraient moins pertinentes puisque elles induiraient alors principalement une baisse de la récupération de la chaleur fatale.
Avec l’intégration de nouvelles ressources et sans volonté d’étendre le réseau, la rénovation éner-gétique des bâtiments aurait moins d’effets sur la consommation d’énergie fossile. A partir d’une diminution de la demande de chauffage de 25%, le mix de la production marginale économisée se-rait principalement constitué de chaleur fatale/renouvelable. Dans ce cas, il apparaîtse-rait plus judicieux de favoriser en priorité la rénovation de bâtiments non raccordés et alimentés au gaz ou au mazout.
0
Diminution de la demande de chauffage [%]
Chaudières gaz PAC STEP CCF bois-déchets CCF UVTD
(b) Nouvelles ressources
FIGURE5.9 – Mix de la production thermique annuelle en fonction de la diminution de la demande de chauffage. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
0%
Mix de la production thermique marginale économisée [%]
Diminution de la demande chauffage [%]
Chaudières gaz
Mix de la production thermique marginale économisée [%]
Diminution de la demande chauffage [%]
Chaudières gaz CCF UVTD + CCF bois-déchets+ PAC STEP
(b) Mix de la production marginale économisée FIGURE5.10 – Mix de la production thermique annuelle marginale économisée en fonction de la diminution de la demande de chauffage. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
5.2.5 Extension du réseau, rénovation énergétique des bâtiments et intégration de nouvelles ressources
Sans l’intégration de nouvelles ressources, une extension du réseau n’aurait pas beaucoup de sens puisque celle-ci serait principalement alimentée par du gaz (scénario Ext150). En revanche, une extension combinée avec des rénovations de bâtiments deviendrait plus pertinente dans la mesure où une partie de la chaleur fatale libérée en mi-saison grâce aux rénovations pourrait être valorisée grâce l’extension du réseau. La production thermique à partir du gaz (146 GWh) serait alors limitée tandis que la récupération de chaleur fatale à l’UVTD (277 GWh) serait optimisée (figures 5.11 et tableau 5.5).
Le scénarioRen50+Ress a montré que la rénovation des bâtiments pouvait limiter l’intégration des nouvelles sources de chaleur en ruban sur le réseau actuel. Ce problème pourrait en partie être résolu si le réseau était étendu. Les productions respectives de l’incinérateur de bois-déchets et de la PAC pourraient ainsi se monter à 62 et 32 GWh, pour des taux de charge de 4’970 et 3’221 heures équivalent aux puissances maximales. Le gaz serait uniquement utilisé pour fournir pointes (51 GWh).
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD Chaudières gaz
(a) Ressources actuelles :Ext150&Ren50
0 40 80 120 160
0 2000 4000 6000 8000
Puissance thermique [MW]
Heure
CCF UVTD CCF bois-déchets
PAC STEP Chaudières gaz
(b) Nouvelles ressources :Ext150&Ren50+Ress FIGURE5.11 – Courbes de charge classées des installations de production thermique avec une extension de réseau et la rénovation des bâtiments. Sans (a) et avec (b) nouvelles ressources
Ext150&Ren50 Ext150&Ren50+Ress Puiss. max Energie Tx de charge Puiss. max Energie Tx de charge
MW GWh h équiv. MW GWh h équiv.
CCF UVTD 45 277 6’150 45 277 6’150
CCF bois-déchets - - - 12 62 4’970
STEP PAC - - - 10 32 3’221
Chaudières gaz 88 146 1’657 65 51 786
Réseau 114 423 3’707 114 423 3’707
TABLE5.5 – Puissances et énergies des installations de production thermique avec une extension du réseau et la rénova-tion des bâtiments
5.2.6 Comparaison des scénarios sur un périmètre géographique constant Définition du périmètre géographique et des périmètres de comptabilisation énergétique
Comme les extensions de réseau signifient le raccordement de nouveaux consommateurs, la com-paraison de l’ensemble des scénarios a été réalisée sur un périmètre géographique élargi. Celui-ci intègre les consommateurs raccordés actuellement au réseau, plus ceux qui ne le sont pas aujour-d’hui mais qui le seraient dans un scénario où le réseau était étendu (figure 5.12). De cette façon, les scénarios sont comparés sur un périmètre constant ce qui permet de prendre en compte les effets de substitution induits par les extensions de réseau.
Comme les extensions de réseau signifient le raccordement de nouveaux consommateurs, la com-paraison de l’ensemble des scénarios a été réalisée sur un périmètre géographique élargi. Celui-ci intègre les consommateurs raccordés actuellement au réseau, plus ceux qui ne le sont pas aujour-d’hui mais qui le seraient dans un scénario où le réseau était étendu (figure 5.12). De cette façon, les scénarios sont comparés sur un périmètre constant ce qui permet de prendre en compte les effets de substitution induits par les extensions de réseau.