2.5.1 Enjeux liés aux niveaux de température
Parmi les nombreux aspects à prendre en compte pour tendre vers des réseaux thermiques plus efficients, les niveaux de températures sont l’un des plus importants. Il est ainsi communément admis que l’abaissement des niveaux de température est un élément fondamental pour que les réseaux puissent jouer un rôle dans un système énergétique efficient et basé massivement sur les énergies renouvelables (Lundet al., 2014). Des températures basses permettent de :
• Améliorer la production électrique sur les couplages chaleur-force
• Améliorer la valorisation des rejets de chaleur industriels et de la chaleur géothermique ou solaire
• Améliorer les coefficients de performance des pompes à chaleur
• Améliorer la récupération de chaleur sur la condensation des fumées
• Diminuer les pertes thermiques sur les conduites
L’opérateur du réseau, qui peut réguler la température aller fournie au réseau, doit cependant faire face à deux contraintes :
• Une contrainte de puissance : la différence de température aller-retour doit être suffisante pour conserver la capacité de transport de la chaleur sur l’ensemble du réseau (débits maximaux limités par le diamètre des tuyaux)
• Une contrainte de qualité : la température fournie au réseau doit être supérieure à celle qui est demandée par le bâtiment qui requiert la plus haute température
En plus de réduire les niveaux de température, il est ainsi également important d’optimiser la dif-férence de température aller-retour. Une grande difdif-férence de température permet aussi de limiter les consommations électriques pour le pompage (la consommation électrique d’une pompe varie au cube de sa vitesse de rotation).
Si les températures aller peuvent être régulées directement par l’opérateur du réseau, les tempéra-tures de retour dépendent de la demande et en particulier de l’efficacité des transferts de chaleur (échangeurs de chaleur et système de distribution de la chaleur dans les bâtiments). L’optimisation des niveaux de température doit ainsi être pensée sur toute la chaîne énergétique, de la production jusqu’à l’utilisation finale de la chaleur chez le client. Son potentiel dépend d’une part des caracté-ristiques techniques des installations de transport et transfert de chaleur (dimensionnement, usage de cascade, vannes etc.), mais également de la qualité de la régulation et de la gestion par les opérateurs et les usagers.
Sur les réseaux étudiés, une diminution des niveaux de température n’aurait pas une influence ma-jeure sur les ressources énergétiques utilisées étant donné que les deux sites de production actuels sont basés sur la combustion (haute température), et que ceux-ci ne sont pas dotés des équipe-ments techniques et des dispositifs de régulation permettant, notamment, d’optimiser la production électrique de l’UVTD ou de récupérer la chaleur de condensation sur les fumées. Néanmoins, avec l’intégration future de nouvelles installations de production de chaleur, les niveaux de température vont devenir un enjeu important.
Par ailleurs, un abaissement des températures de retour est d’ores et déjà important pour augmenter la capacité de transport de chaleur, en particulier sur certaines portions de réseau, et pour réduire les consommations électriques de pompage. Dans cette optique, les SIG ont effectué dernièrement une campagne d’optimisation de certaines vieilles sous-stations, en révisant ou remplaçant les échan-geurs de chaleur et leurs dispositifs de régulation (SIG, communications personnelles).
Finalement, il réside un potentiel d’optimisation important au niveau du secondaire (après l’échan-geur) pour abaisser les niveaux de température de retour (Quiquerezet al., 2013). Parmi les mesures d’optimisation possibles, on peut citer : la pose de vannes thermostatiques, l’équilibrage hydraulique des circuits distribution de chauffage, le remplacement des pompes de circulation à débits fixes par des pompes à débits variables, la suppression des by-pass inutiles ou encore le détartrage des bouilleurs pour la préparation de l’ECS. Comme l’optimisation du secondaire (chez le client) n’est gé-néralement pas du ressort direct des exploitants du réseau, la bonne coordination et communication entre ceux-ci et les gestionnaires du chauffage dans les bâtiments (les chauffagistes) est particuliè-rement importante.
2.5.2 Températures et débits sur les réseaux
Les niveaux de température et les débits sur les réseaux CADSIG et CADIOM sont présentés dans la figure 2.25, en fonction de la température externe. Les points de mesures pour le réseau CADSIG se situent à la station de pompage du Lignon sur les départs et retours des trois branches réseaux.
Les niveaux de température affichés pour CADSIG correspondent donc à des moyennes horaires pondérées par les débits mesurés sur ces trois départs, alors que le débit total correspond à la somme des trois débits (cf. figure 1.19, p.33). Concernant le réseau CADIOM, les valeurs affichées correspondent aux températures et débits mesurés après les échangeurs à l’UVTD.
Sur le réseau CADSIG, les températures de départ sont comprises entre 90 et 118˚C. Elles sont en partie régulées en fonction de la température externe (baisse de la consigne en été). Les tempéra-tures de retour sont principalement comprises entre 70 et 83˚C. Sur le réseau CADIOM, les tempé-ratures de départ sont légèrement supérieures, entre 110 et 119˚C. En revanche, les tempétempé-ratures de retour sont plus basses, généralement comprises entre 61 et 75˚C. La différence de température entre l’aller et le retour (∆T) est ainsi plus importante sur le réseau CADIOM. Sur les deux réseaux, les températures de retour ont tendance a être plus élevées lorsqu’il fait chaud (prédominance de la production d’eau chaude sanitaire).
40
(a) CADSIG : températures aller et retour
40
(b) CADIOM : températures aller et retour
0
(c) CADSIG : différences de température aller-retour
0
(d) CADIOM : différences de température aller-retour
0
FIGURE 2.25 – Températures aller et retour (a et b), différences de température (c et d) et débits (e et f), en fonction de la température externe. Données horaires du 04.06.13 au 04.06.14 pour CADSIG et du 23.10.13 au 04.06.2014 pour CADIOM
Les débits sur les réseaux sont régulés par le nombre de pompes de circulation en marche et leurs vitesses de rotation. La puissance de pompage est ajustée de façon à conserver une pression diffé-rentielle constante sur une sous-station de référence située en bout de réseau. On peut observer que les débits sur CADSIG peuvent atteindre près de 1’700 m3/h en hiver. En été, les débits dépendent de la température aller choisie sur le réseau. Lorsque celle-ci est abaissée à 90˚C, la diminution du
∆T qui en résulte est alors compensée par une hausse des débits, qui peuvent atteindre près de 700 m3/h.
Sur le réseau CADIOM, les débits au départ des Cheneviers sont régulés de façon à alimenter l’ensemble des consommateurs du réseau CADIOM, plus la station d’échange lorsque de la chaleur transite par CADIOM pour être fournie à CADSIG. La station d’échange peut être considérée, dans ce sens, comme une sous-station du réseau CADIOM. Cela explique pourquoi les débits mesurés aux Cheneviers sur le départ du réseau CADIOM n’ont pas le même type de profil que sur CADSIG.
Du fait que la station d’échange est située en bout du réseau CADIOM, la connexion influence désor-mais les niveaux de température et les débits sur ce réseau, de la même façon que le ferait un très gros consommateur. Cet effet peut être visualisé sur la figure 2.26. Ceci n’est pas directement le cas sur le réseau CADSIG, puisque la station d’échange est située en amont de la station de pompage d’où partent les trois branches principales. Le fait que les températures de retour sur CADSIG soient plus élevées que sur CADIOM implique une augmentation des températures de retour sur le réseau CADIOM lorsque celui-ci alimente le réseau CADSIG, ce qui signifie une baisse des∆T par rapport à une situation où CADIOM ne fournit pas CADSIG.
90
(c) Différences de température aller-retour
0
FIGURE2.26 – Températures aller et retour (a et b), différences de température (c) et débits (d) mesurés sur le départ CADIOM à l’UVTD, en fonction de la température externe et du mode de fonctionnement de la station d’échange. Données horaires du 23.10.13 au 04.06.2014
Cette influence d’un réseau sur l’autre peut être visualisée plus précisément en regardant les niveaux de température mesurés aux bornes des échangeurs de chaleur situés dans la station d’échange. La figure 2.27 montre les températures observées pendant une semaine en hiver durant laquelle le sens du transfert a été inversé. En première partie de semaine, de la chaleur est transférée du réseau
CADSIG vers le réseau CADIOM. L’eau chaude qui arrive depuis CADSIG est à près de 110˚C.
Après avoir cédé ses calories, cette eau qui va être renvoyée vers la chaufferie du Lignon ressort des échangeurs à une température de 74-75˚C, soit 1-2˚C de plus que la température d’arrivée du réseau CADIOM qui, elle, est réchauffée jusqu’à une température d’environ 105˚C avant d’être réinjectée sur la conduite chaude du réseau CADIOM. Lors du changement de sens du transfert de chaleur, qui intervient le vendredi en début d’après-midi, le sens des fluides est inversé. L’eau qui arrive depuis le réseau CADSIG en entrée des échangeurs se situe entre 76-80˚C et en ressort vers 110-112˚C, réchauffée par une eau en provenance de CADIOM à 116-117˚C. En sortie des échangeurs, le fluide qui est retourné sur le réseau CADIOM est à 78-82˚C.
60
samedi jeudi mardi dimanche vendredi mercredi lundi samedi
Température [°C]
Bras chaud CADSIG Bras chaud CADIOM Bras froid CADSIG Bras froid CADIOM
Lundi Mardi Mercredi Jeudi Vendredi Samedi Dimanche FIGURE2.27 – Niveaux de température aux bornes des échangeurs de la station d’échange. Données en pas de temps
15min du 13.01.14 au 19.01.14
La figure suivante présente les niveaux de températures en entrée et sortie des échangeurs de chaleur en fonction des températures externes, lorsque CADIOM est fournisseur ou récepteur de chaleur (figure 2.28)
Bras chaud CADSIG Bras froid CADSIG Bras chaud CADIOM Bras froid CADIOM
(a) CADIOM fournisseur
Bras chaud CADSIG Bras froid CADSIG Bras chaud CADIOM Bras froid CADIOM
(b) CADIOM récepteur
FIGURE2.28 – Niveaux de température en entrée et sortie de la station d’échange en fonction de la température externe.
Données horaires du 09.08.2013 au 04.06.2014
2.5.3 Indicateurs annuels : lien énergies−volumes d’eau−températures
La qualité des transferts de chaleur entre le réseau et les consommateurs − liée principalement aux caractéristiques et à la régulation des échangeurs de chaleur et du système de distribution de chaleur dans les bâtiments (émetteurs de chaleur, échangeurs de chaleur pour la production d’ECS)
−peut être représentée par la différence de température moyenne annuelle (∆T), calculée à partir de la quantité annuelle de chaleur fournie (Q) et le volume d’eau chauffé (V) :
∆T = Q ρ·V ·cp
Avec
• cp, la chaleur spécifique de l’eau : 4,18 kJ/kg.K
• ρ, la masse volumique de l’eau : 1’000 kg/m3
Cet indicateur peut être calculé à l’échelle du réseau ou des sous-stations selon les données à disposition (il faut au moins connaître la chaleur et le volume d’eau consommés).
Au niveau des réseaux
Le tableau 2.5 récapitule les ∆T moyens calculés au niveau des différents points de mesures du système (cf. figure 1.19, p.33). Ils ont également été calculés pour chaque réseau et pour l’ensemble du réseau (CADSIG+CADIOM). A noter que le∆T du réseau CADIOM "net" a été calculé en dédui-sant la chaleur fournie au réseau CADSIG. Cela signifie qu’il ne correspond pas physiquement à ce qui passe dans les conduites. Le∆T physique sur CADIOM correspond à ce qui est injecté depuis l’UVTD.
Chaleur Volume ∆T GWh m3·103 ˚C
UVTD départ CADIOM 222 4’362 43.8
St. d’échange : CADIOM fournisseur 77 1’940 34.3
St. d’échange : CADIOM récepteur 10 258 34.6
CADIOM "net" (Qchen−Qfour,cadiom+Qr´ecep,cadiom) 155 2’679 49.8
Départ branche Avanchets 167 4’163 34.6
Départ branche Lignon 44 1’121 33.9
Départ branche Vieusseux 33 1’136 24.8
CADSIG (Qava+Qlig+Qvie) 244 6’420 32.8 CAD TOTAL (Qcadiom+Qcadsig) 399 9’099 37.8
TABLE2.5 – Energies, volumes d’eau et différences de température moyennes annuelles sur les réseaux durant l’année 2013-14
On observe que le∆T moyen annuel au niveau du départ CADIOM à l’UVTD est de 43.8˚C. Cette valeur est plus faible que le∆T moyen du réseau CADIOM "net"−49.8˚C−, calculé après avoir dé-duit les transferts de chaleur au niveau de la station d’échange. On peut en déduire que la connexion des réseaux péjore le∆T moyen de CADIOM d’environ 6°C.
Le ∆T moyen annuel du réseau CADSIG, de 32.8˚C, est nettement plus faible que sur le réseau CADIOM. Cela s’explique d’une part parce que les températures aller sont légèrement plus basses, d’autre part car les températures de retour sont plus élevées. En séparant les différentes branches du réseau CADSIG, on constate même que le∆T moyen sur la branche "Vieusseux" n’est que de 24.8˚C .
La production de chaleur totale pour l’ensemble du réseau (CADIOM+CADSIG) est caractérisée par un∆T moyen de 37.8˚C.
Au niveau des sous-stations
Les ∆T moyens annuels sur les réseaux sont en partie influencés par le fonctionnement des sous-stations et des systèmes de chauffage dans les bâtiments (chauffage et ECS), puisque ceux-ci condi-tionnent directement les températures de retour du réseau. Dans l’optique de réduire ces tempéra-tures de retour, il est alors utile de pouvoir repérer facilement les sous-stations problématiques et déterminer leurs influences.
Le calcul des ∆T moyens au niveau des sous-stations est une méthode qui permet de comparer la qualité du fonctionnement des sous-stations (Markowicz, 2012). Toutefois, ce seul indicateur ne permet pas de quantifier l’influence des sous-stations sur les températures de retour du réseau, dans la mesure où leurs consommations peuvent être très différentes. Pour prendre en compte la qualité de fonctionnement et l’effet de taille des sous-stations, la méthode dite "Excess flow" semble particulièrement appropriée (Gadd et Werner, 2014; Zinkoet al., 2005).
L’idée est d’évaluer, pour une même quantité de chaleur fournie (Q), la différence entre le volume d’eau qui a été réellement consommé (V) et celui qui l’aurait été avec∆T moyen ciblé. En effet, la quantité de chaleur délivrée à une SST peut s’exprimer de la façon suivante :
Q =ρ·Vactuel ·cp·∆Tactuel
La même quantité de chaleur pourrait être fournie avec un∆T ciblé et donc un volume d’eau chauffé différent :
Q =ρ·Vcibl´e·cp·∆Tcibl´e
A partir de là, le volume en excès (uniquement si le∆T ciblé est plus important que le∆T réel) peut être déterminé comme :
Vexc`es =Vactuel−Vcibl´e = Q
ρ·cp ·( 1
∆Tactuel − 1
∆Tcibl´e)
Le calcul des∆T moyens annuels a été réalisé pour les sous-stations du réseau CADSIG dont les consommations d’eau annuelles sont connues (95 SST). Les volumes en excès ont été calculés pour un∆T ciblé de 45˚C. La figure 2.29 montre les∆T des SST en fonction de leurs consommations de chaleur. Les volumes en excès peuvent se lire à l’aide des isolignes. Ceux-ci sont alors directement proportionnels à l’influence des sous-stations sur les températures de retour et donc le∆T moyen du réseau.
0 10 20 30 40 50 60 70
0.1 1.0 10.0 100.0
Différence de température moyenne annuelle [°C]
Consommation de chaleur [TJ/an]
SST 0 m3 1'000 m3 2'000 m3 5'000 m3 10'000 m3 20'000 m3 50'000 m3 100'000 m3
FIGURE2.29 – Différence de température moyenne annuelle en fonction de la chaleur délivrée pour 95 sous-stations sur le réseau CADSIG. Les isolignes représentent les excédents de volume d’eau annuels (exprimés en m3) estimés à partir d’une différence de température moyenne annuelle ciblée de 45˚C.
On peut alors observer que les sous-stations les plus problématiques ne sont pas forcément celles dont le ∆T est le plus faible. Cette analyse permet de mettre en évidence que douze SST ont un excès de volume d’au moins 50’000 m3/an. C’est donc sur ces dernières que des mesures d’optimi-sation devraient être entreprises en priorité dans l’optique de réduire les températures de retour du réseau.
2.6 Disponibilité de la ressource-déchet
En plus des caractéristiques liées à la demande, la valorisation énergétique des déchets dépend de l’approvisionnement en déchets (quantité annuelle et variation inter-annuelle) et de l’efficacité des transformateurs (cf. section 2.11, p.90).
Au total sur l’année 2013-14, 230’800 tonnes de déchets ont été incinérés, soit 692 GWh. En sortie des fours, la vapeur vive produite a représenté 587 GWh, la différence étant perdue par les fumées (rendements des fours). La dynamique détaillée de l’incinération des déchets peut être visualisée grâce aux données horaires de la production de vapeur vive (figure 2.30).
0
Production de vapeur vive [t/h]
Heure
Jui Jui Aou Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai
FIGURE2.30 – Production de vapeur vive à l’UVTD. Données horaires du 04.06.13 au 04.06.14
On peut alors distinguer les périodes pendant lesquelles l’usine a fonctionné avec un ou deux fours, ainsi qu’une période durant laquelle une panne a impliqué la fermeture des deux fours (fin du mois de mai). Sur l’année 2013-14, le nombre d’heures pendant lesquelles l’UVTD à fonctionner avec deux fours s’est élevé à 4’769 (environ 28 semaines), respectivement 3’778 avec un four (environ 22 semaines). La période durant laquelle aucun four n’a fonctionné à cause d’une panne a duré 213h (9 jours). La mise en relation du nombre d’heures de fonctionnement à différentes charges avec la température externe montre que le fonctionnement à pleine charge (deux fours) a été majoritaire durant les périodes froides, ce qui est bénéfique pour maximiser la récupération de chaleur via les réseaux thermiques.
FIGURE2.31 – Nombre d’heures de fonctionnement de l’UVTD avec aucun, un ou deux fours sur l’année (droite), et selon la température externe (gauche). Données horaires du 04.06.13 au 04.06.14
2.7 Approvisionnement des réseaux thermiques
2.7.1 Profil annuel et mixes énergétiques
La production mensuelle qui alimente les réseaux thermiques est présentée dans la figure 2.32.
La chaleur produite par les chaudières décentralisées directement sur les lieux de consommation a également été ajoutée, bien que cette chaleur n’ait pas alimenté les réseaux thermiques. On constate que les périodes les plus propices à un transfert de chaleur fatale sur CADSIG (vert clair) sont les mois d’entre-saison, typiquement octobre, mars, avril et mai pour l’année concernée.
0
FIGURE2.32 – Production de chaleur mensuelle et annuelle sur les réseaux sur l’année 2013-14
Sur l’ensemble du réseau, la part de la chaleur fatale représente 56% de la chaleur totale fournie (ici sans prise en compte de la production de chaleur des chaudières décentralisées, qui n’ont pas réinjecté de chaleur sur le réseau). Sans connexion, cette part aurait été de 36%. En considérant les réseaux séparément, la chaleur fatale fournie au réseau CADSIG représente 31%, respectivement 93% sur CADIOM (tableau 2.6).
Le contenu CO2de la chaleur délivrée aux sous-stations a été calculé à partir des coefficients d’émis-sion de l’OFEV (OFEV, 2014a), en prenant un coefficient nul pour la chaleur fatale issue de l’UVTD étant donné que celle-ci génère de toute façon des émissions, qu’il y ait ou non une récupération de chaleur. Annuellement, ce contenu est de 109 grammes par kilowattheure pour l’ensemble du réseau, ou 17 et 169 si l’on considère séparément les réseaux CADIOM respectivement CADSIG (tableau 2.6). D’autres indicateurs sont présentés dans l’annexe D, p.215.
Chaleur fatale Chaleur gaz Contenu CO2
% % gCO2/kWhd´el
CADIOM 93.3 6.7 16.5
CADSIG 31.4 68.6 168.7
CAD TOTAL 55.6 44.4 109.3
TABLE2.6 – Mix chaleur des réseaux (%) et contenu CO2de la chaleur délivrée (gCO2/kWh) sur l’année 2013-14
Comme on peut le voir sur la figure 2.33, le mix énergétique global varie durant l’année, principa-lement en fonction de la variation saisonnière de la demande. Pris individuelprincipa-lement, les mixes des réseaux CADIOM et CADSIG évoluent différemment. Du fait que CADIOM est alimenté en priorité par l’UVTD, son mix énergétique est ainsi quasiment toute l’année constitué de chaleur fatale à près de 90-100%. A l’inverse, la part de la chaleur fatale dans le réseau CADSIG descend vers 10% en hiver.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Part de la chaleur fatale [%]
CADIOM
CAD TOTAL
CADSIG
FIGURE2.33 – Mix chaleur des réseaux en valeurs mensuelles sur l’année 2013-14
La dynamique de la production de chaleur sur les réseaux thermiques en puissances moyennes horaires est présentée dans la figure 2.34. La ligne rouge correspond à la chaleur fatale disponible à l’usine des Cheneviers pour alimenter les réseaux. Elle varie selon que l’usine fonctionne avec un ou deux fours. Durant l’été, le potentiel de récupération de chaleur est limité par la demande sur les réseaux thermiques. Avec un ou deux fours, la chaleur potentiellement récupérable à l’usine d’incinération suffirait théoriquement à couvrir entièrement cette demande. On constate toutefois que du gaz est toujours brûlé à cette période. Cela s’explique par la nécessité de faire fonctionner au moins une chaudière à petite puissance du côté de la chaufferie du Lignon afin de produire de l’eau à 140˚C pour permettre le dégazage de l’oxygène à 105˚C (SIG, communications personnelles).
En hiver, le potentiel de récupération de chaleur fatale est quasiment atteint grâce à la connexion.
Lorsque l’UVTD fonctionne avec deux fours, la demande de CADIOM peut être entièrement couverte par la chaleur fatale, et, selon la température externe, de la chaleur excédentaire peut même encore être est transférée sur le CADSIG. En revanche, avec un four et lorsqu’il fait froid, de la chaleur
Lorsque l’UVTD fonctionne avec deux fours, la demande de CADIOM peut être entièrement couverte par la chaleur fatale, et, selon la température externe, de la chaleur excédentaire peut même encore être est transférée sur le CADSIG. En revanche, avec un four et lorsqu’il fait froid, de la chaleur