Infrastructures

Les canalisations peuvent être constituées de différents matériaux comme le métal (généralement en acier) ou certains polymères. Les canalisations constituant un réseau de chaleur peuvent être soit disposées à l’intérieur des bâtiments dans des conduites techniques disposant ou non d’une chambre de visite; en élévation à l’extérieur le long des bâtiments ou surélevés sur des poteaux; ou finalement à l’extérieur des bâtiments dans des tranchées recouvertes avec chambre de visite ou simplement enterrées renforçant ainsi l’isolation des canalisations. Dans les réseaux récents, les canalisations aller et retour sont fabriquées d’une pièce et préisolées afin de diminuer les coûts d’installation et minimiser les pertes à l’ambiance. Dans les autres cas, les canalisations sont entourées d’un isolant dont l’épaisseur peut être variable en fonction du type de canalisation (aller ou retour), du diamètre... La Figure 1.3 illustre deux exemples de configurations de canalisations: à gauche, deux canalisations isolées séparées placées dans un coffrage en béton à même le sol et à droite un tuyau unique préisolé et enterré contenant les canalisations aller et retour.

Figure 1.3 – Exemples de configurations de canalisations isolées. C pour canalisation, I pour isolant.

2. Réseaux de chaleur

ramifiés et les réseaux maillés représentés respectivement à gauche et à droite sur la Figure 1.4. Dans les premiers, les sous-stations sont alimentées à partir d’une source de production en parcourant un chemin déterminé et unique. Dans les seconds, les sous-stations peuvent être alimentées suivant différents parcours. Cette configuration permet de diminuer le nombre de sous-stations qui ne sont plus desservies en cas d’incident sur une partie du réseau, risque mineur, mais non négligeable selon [DUMITRESCU et MINCIUC, 2015]. Cependant, dans ce type de réseau, il existe un risque de stagnation de l’eau dans certaines mailles pouvant occasionner d’une part un inconfort dans les bâtiments qui sont connectés à cette partie du réseau et d’autre part ce que l’on appelle un bouchon d’eau froide. Ces bouchons, dus à la stratification de l’eau dans la conduite, peuvent nécessiter des débits importants temporaires pour les éliminer.

Figure 1.4 – Configuration de réseau de chaleur ramifié (à gauche) et maillé (à droite)

Connexion aux bâtiments

La connexion d’un réseau de chaleur à un bâtiment permet d’alimenter celui-ci en énergie thermique. En général, une sous-station est présente dans le bâtiment afin de réaliser ce rôle. Celle-ci peut être composée de vannes (d’isolement ou permettant la régulation), d’un échangeur capable de transférer la puissance thermique nécessaire au bâtiment ainsi que d’une régulation (électronique ou non) alimentant notamment une pompe de circulation dans le réseau secondaire de canalisations présent dans le bâtiment. Ce type de configuration de sous-station est une connexion au réseau dite «indirecte», c’est-à-dire qu’il existe une séparation hydraulique entre le réseau primaire et secondaire. Il s’agit là d’un avantage indéniable en cas de fuite chez l’un des consommateurs, car l’ensemble du réseau n’est alors

pas impacté. De plus, cette séparation hydraulique du réseau permet d’alimenter plusieurs bâtiments dont les sommets varient fortement par l’intermédiaire d’une pompe de circulation qui leur est propre sans pour autant augmenter la pression dans le réseau de canalisation primaire.

Dans de très rares cas (notamment dans celui du premier réseau de chaleur mentionné dans l’introduction), il n’y a pas d’échangeur présent dans la sous-station, il s’agit alors d’une connexion dite «directe». En effet, l’eau du réseau primaire est dans ce cas utilisée dans les canalisations du bâtiment. Bien que cette méthode présente un désavantage non négligeable lors d’une fuite dans un des bâtiments connectés au réseau qui impacte l’ensemble du réseau, elle permet cependant de s’affranchir de coûts supplémentaires d’installation (pompe, échangeur).

À noter qu’il existe une dernière méthode dite «ouverte», similaire à la méthode directe. La différence réside dans le fait qu’une partie de l’eau du réseau primaire peut être soutirée et consommée directement pour les besoins en eau chaude sanitaire du bâtiment.

Bien que ces deux dernières méthodes de connexion (ouverte et directe) soient actuellement peu utilisées, il est bon de souligner qu’elles présentent un réel danger pour les occupants d’un bâtiment en cas de fuite étant donné les températures et pressions importantes pouvant

apparaitre dans le réseau. De plus, dans le cas d’une connexion ouverte, des coûts

supplémentaires doivent être prévus afin de traiter l’eau alimentant le réseau pour limiter l’endommagement des conduites. Malgré ce traitement supplémentaire, ces canalisations ont une durée de vie inférieure à celle des autres méthodes de connexion [Skagestad et Mildenstein, 1999].

2.4 Sources de production

Les sources de production d’un réseau de chaleur peuvent être très variées et parfois combinées afin de répondre au mieux aux exigences économiques ou environnementales. En effet, les réseaux de chaleur peuvent être alimentés à l’aide de chaudières (gaz, mazout, bois, déchets ménagers...), de systèmes énergétiques basés sur un cycle de Rankine (cogénération, cycle nucléaire), de moteur à combustion interne, de turbines à gaz, de cycles combinés ou encore d’installations géothermiques, des rejets industriels, de l’énergie solaire ou des pompes à chaleur. Cette large gamme de sources décrites dans le livre [Frederiksen et Werner, 2016] permet donc une utilisation accrue des énergies renouvelables.

Cette thèse ne prétend pas établir une liste exhaustive des systèmes ni de leurs avantages et inconvénients. Toutefois, le lecteur intéressé peut se référer à [Frederiksen et Werner, 2016, Pol et Schmidt, 2016] pour de plus amples informations sur les possibilités offertes pour l’alimentation d’un réseau de chaleur. Dans le cadre de ce travail, seules les unités de cogénération basées sur un cycle de Rankine seront détaillées.

2. Réseaux de chaleur

2.5 Régulation

La régulation des réseaux de chaleur est en général propre à chaque installation et à leur configuration (un ou plusieurs sites de production, nombre et type de consommateurs...). Ce travail ne détaille donc pas l’ensemble des possibilités de régulation qui sont rencontrées dans la pratique. Toutefois, certaines grandes tendances sont ici expliquées afin de cibler quels sont les enjeux pour le gestionnaire des installations qui sont liés à la problématique de la régulation des réseaux de chaleur. Il est tout d’abord nécessaire de rappeler que la puissance fournie au réseau peut être régulée en fonction du débit fourni aux canalisations ainsi que par la différence de température entre la canalisation «aller» et la canalisation «retour». En effet, si l’une de ces deux variables augmente, la puissance fournie au réseau augmente également. En général, l’alimentation du réseau de chaleur est tout d’abord régulée en fonction de la température de départ. Cette dernière suit une «loi d’eau» (ou courbe de chauffe) qui peut dépendre de nombreuses variables comme l’horaire de la journée, la température intérieure ou plus communément la température extérieure. La Figure 1.5 représente un exemple de cette loi qui tient compte de la température extérieure comme variable. Cette loi permet de garantir une température d’alimentation des bâtiments suffisante. En effet cette température est adaptée en fonction d’une ou plusieurs variables de référence, ce qui permet notamment de minimiser la température régnant dans les canalisations et donc les pertes qui y sont associées.

Figure 1.5 – Exemple de loi d’eau d’une chaudière dont la variable est la température extérieure.

D’autre part, il est nécessaire de s’assurer également qu’un minimum de puissance (qui se traduit en termes de température et débit disponibles) arrive à chacun des bâtiments connectés à tout instant pour éviter un inconfort pour ses occupants. En effet, si la température d’eau alimentant l’échangeur de la sous-station est trop basse, l’échangeur de la sous-station pourrait ne plus être capable d’assurer les besoins thermiques du bâtiment même si le débit était augmenté de façon significative (cet aspect sera abordé dans le chapitre 5). À l’opposé, le problème persisterait dans le cas où un débit est trop faible car une augmentation de

la température de l’ensemble du réseau pourrait ne pas suffire pour répondre aux besoins du bâtiment. De plus, il en résulterait également une augmentation générale des pertes à l’ambiance. Afin de réguler le débit, il est possible de placer un dispositif de mesure de débit dans certains des bâtiments les plus éloignés afin de modifier le débit général du réseau pour satisfaire les besoins de ces bâtiments critiques [Vandermeulen et al., 2018b].

Une régulation complémentaire peut se réaliser sur la différence de température entre le départ et le retour de la centrale de production. En effet, en maximisant cette différence de température, il est possible de diminuer d’une part le débit du fluide circulant dans les canalisations pour une puissance donnée et d’autre part il est également possible de réduire la température moyenne du réseau pour une même température de départ. Dans le premier cas, cette diminution de débit se traduit par une réduction de la consommation électrique des pompes de circulation et donc des coûts de fonctionnement qui y sont directement liés. En effet, les pertes de charge sont proportionnelles au carré du débit passant dans les canalisations. Dans le second cas, les pertes à l’ambiance du réseau s’en trouvent diminuées, car celles-ci sont directement liées à la différence entre la température moyenne du réseau et la température ambiante qui est, dans cette approche, plus faible.

Finalement, la température au départ du réseau peut parfois être régulée afin de ne pas subir de variations trop importantes pour limiter les contraintes mécaniques de dilatation dans les canalisations.

Il est également bon de noter que la régulation d’un réseau de chaleur est parfois tributaire des régulations utilisées par les unités de production d’énergie. En effet, ces unités possèdent également des régulations qui leur sont propres et qu’il peut être nécessaire de prendre en compte afin de limiter leur effet sur le réseau voire sur les unités elles-mêmes. Comme exemple élémentaire, il est possible de devoir considérer les cycles de démarrage et d’arrêt des chaudières qui ne possèdent pas de brûleur modulant pour limiter leur usure ou les fluctuations de puissance fournie. Par ailleurs, des temps de réponse élevés dans la variation de puissance thermique générée par des systèmes plus complexes comme les cycles à vapeur dépendent parfois non plus uniquement du système lui-même, mais également d’agents extérieurs comme l’évolution dynamique du prix de l’énergie thermique et électrique.

2.6 Avantages et inconvénients

Afin de dresser un portrait le plus complet possible de l’utilisation des réseaux de chaleur, cette section a pour but d’établir une liste de leurs avantages et inconvénients. Cet état de l’art a permis également d’appréhender au mieux les spécificités des réseaux de chaleur afin d’axer les recherches en fonction.

Il est généralement admis qu’une installation de production d’énergie thermique de grande taille est plus efficiente que la production séparée d’énergie thermique dans une multitude de plus petites installations de par son facteur d’échelle [MacRae et Institute, 1992] (pour autant

2. Réseaux de chaleur

que celle-ci ne soit pas surdimensionnée8). Dès lors, la consommation en énergie primaire

et les émissions liées peuvent être réduites par l’utilisation centralisée de tels producteurs d’énergie. Dans le cas d’un réseau de chaleur, cet avantage est toutefois à mettre en parallèle avec les pertes à l’ambiance que génère l’utilisation du réseau lui-même. En effet, celles-ci peuvent atteindre jusqu’à 40 % de l’énergie annuellement véhiculée au sein du réseau même si des valeurs plus proches des 10 % sont généralement atteintes pour les réseaux les plus récents. D’un autre côté, il est également nécessaire de considérer les consommations relatives électriques des pompes de circulation du réseau de canalisations qui sont généralement de l’ordre de 0.5 % de l’énergie véhiculée dans ce réseau [Frederiksen et Werner, 2016].

Du point de vue économique, les coûts d’investissement sont généralement plus faibles pour une installation de grande puissance que pour un nombre plus élevé de plus petites installations comme les chiffres des références [energy Agency, 2012a, energy Agency, 2012b] le démontrent. Toutefois, les coûts d’investissement pour la mise en place d’un réseau de chaleur sont importants indépendamment de la technologie utilisée pour la production d’énergie. Cela est dû aux travaux d’excavation nécessaires pour la création de tranchées qui accueillent les canalisations. Ces coûts peuvent être réduits lorsque d’autres travaux (renouvellement ou ajout d’impétrants) sont également prévus comme cela a été le cas pour le réseau de chaleur de Malempré [Valbiom, 2014]. Il est donc important de bien dimensionner le réseau de chaleur ainsi que ces installations afin que celui-ci soit économiquement compétitif là où il est implanté.

D’un autre côté, le contrôle des installations de grande puissance ainsi que leurs émissions sont réglementés, en Europe, par le biais de normes. Celles-ci, sous peine d’astreintes ou d’arrêt des installations, obligent les exploitants de centrales de grande puissance (> 1MW) à vérifier périodiquement leur installation et à en rendre compte à une autorité locale, ce

qui n’est pas le cas des installations domestiques9. De plus, les installations industrielles de

grande puissance doivent utiliser un système de suivi de performances de leur installation et

peuvent donc remédier à des dérives de fonctionnement plus efficacement qu’un particulier10.

Comme discuté précédemment, les réseaux de chaleur permettent l’utilisation de très nombreuses sources d’énergie dont les énergies renouvelables et favorisent donc leur intégration au sein d’un mix énergétique et permettent donc la diversification de celui-ci. Parmi les nombreuses sources d’énergie renouvelables, il y a la combustion de biomasse, l’utilisation de la géothermie et du solaire thermique ou encore de la récupération et la

8_{Dans le cas d’une chaudière, la surestimation de la puissance installée peut au contraire améliorer le}

rendement jusqu’à un certain niveau grâce à l’amélioration de l’efficacité de l’échangeur. Cependant, lorsque le surdimensionnement devient trop important des cycles de marche/arrêt apparaissent ce qui implique des pertes à l’ambiance significatives et diminuant donc le rendement moyen de l’unité de production.

9_{En Belgique, par exemple, le particulier a l’obligation d’entretenir sa chaudière alimentée au gaz naturel tous}

les 3 ans, mais n’est pas obligé de prouver qu’il a réellement effectué cet entretien pour pouvoir continuer à utiliser son installation.

10_{Une dérive de l’excès d’air de la combustion peut conduire à une diminution du rendement et/ou une}

valorisation de déchets11industriels ou ménagers. La combinaison de plusieurs moyens de production permet également de tenter de diminuer les coûts d’exploitation par une gestion optimale des procédés en fonction du prix des énergies primaires; et dans le cas de la production combinée d’électricité, du prix du marché électrique.

Étant donné que les installations de production alimentant un réseau de chaleur sont centralisées, elles permettent davantage de souplesse que si celles-ci étaient attachées à un bâtiment. Par exemple, en cas d’une opération de maintenance programmée ou non, il est parfois possible que seule une partie de l’installation soit mise à l’arrêt sans pour autant impacter les consommateurs finaux. D’un autre côté, la taille (et donc les coûts) des installations peut être réduite par rapport à celle de moyens de production décentralisés grâce

à l’aspect non simultané des demandes de chaleur des utilisateurs. De plus, l’ajout

d’utilisateurs connectés à une source de production ainsi que l’introduction de moyens innovants pour la production d’énergie (énergies renouvelables, amélioration des performances des systèmes) s’en trouvent facilité. Toutefois, la centralisation des moyens de production en un nombre de localisations restreint nécessite de l’énergie supplémentaire pour alimenter les pompes de circulation du fluide véhiculant l’énergie thermique et implique également des pertes inhérentes dues au transport de cette énergie au sein du réseau de canalisations.

Pour l’utilisateur final, certains autres avantages sont à noter comme la décharge d’un certain nombre de tâches comme les entretiens, la maintenance, la gestion des stocks éventuels de combustible ce qui permet en outre un léger gain de place dans certains cas. De plus, l’absence d’une chaufferie et d’un éventuel stockage améliore la sécurité et la propreté des bâtiments. Une augmentation des emplois locaux peut également être envisagée. La création ou l’extension d’un réseau de chaleur ainsi que son entretien est source d’emplois locaux et non délocalisabbles [Maes, 2014]. En France, le secteur espère une création jusqu’à 25000 emplois dans les prochaines années. Toutefois, cet aspect est contrebalancé par la diminution de certains emplois comme ceux opérant les contrôles sur les chaudières domestiques qui sont des emplois qui risquent alors de disparaitre, mais dont il est difficile d’estimer le nombre.

Gestions des réseaux

Outre les réseaux de chaleur, il existe également les réseaux électriques qui alimentent les

bâtiments. Ceux-ci font actuellement l’objet de nombreuses études [Georges,

2017, Gebremedhin et Moshfegh, 2004, Rosen et Koohi-Fayegh, 2016, Collins, 2015, Zheng et al., 2018] afin de les gérer au mieux et de la manière la moins coûteuse en utilisant notamment les réseaux de chaleur ou les pompes à chaleur. En effet, les réseaux de chaleur alimentés par des unités de cogénération peuvent également faire partie de l’équation puisqu’il est possible de moduler dans une certaine mesure la production thermique et donc électrique puisque le réseau de chaleur peut agir comme moyen de stockage d’énergie

3. La biomasse

thermique. Quant aux pompes à chaleur, celles-ci pourraient notamment servir à décaler la charge thermique nécessaire ainsi que la consommation électrique des bâtiments.

Toutefois ces aspects ne seront pas traités dans ce travail, mais offrent néanmoins des perspectives de scénarios alternatifs à envisager.

3. La biomasse

La biomasse, appelée parfois «la biomasse énergie», définit la partie des organismes vivants

composant la biomasse12qui est utilisable en tant que source d’énergie soit directement par

combustion ou indirectement après transformation chimique (naturelle ou non).

La biomasse énergie, qui sera abrégée biomasse dans la suite de ce travail, regroupe donc de très larges gammes de matériaux. Ceux-ci peuvent être classés en cinq catégories [Pol et Schmidt, 2016]:

• bois «vierge» provenant des activités sylvicoles ou de processus de transformation du bois;

• biomasse provenant de cultures à haut rendement cultivées spécifiquement pour des applications énergétiques;

• résidus de récolte ou de transformation agricole;

• déchets, déchets alimentaires, déchets issus de la fabrication et de la préparation des aliments et des boissons...;

• déchets industriels et sous-produits des procédés industriels.

Depuis plus de 20 ans, l’Union européenne s’est intéressée à l’utilisation de la biomasse [Commission, 1997] comme alternative aux énergies fossiles et plus particulièrement à sa potentielle utilisation dans les réseaux de chaleur, car ces systèmes énergétiques se prêtent

plus facilement à l’utilisation de combustibles renouvelables et peuvent être alimentés avec des combustibles plus variés moyennant moins d’émissions. Il est plus aisé d’étendre l’utilisation de la biomasse dans le secteur du chauffage urbain que dans celui du chauffage individuel

[Commission, 2005].

Ces dernières années, un essor fulgurant de l’utilisation de la biomasse solide comme source d’énergie alternative et renouvelable est apparu, principalement en Europe qui représente plus des deux tiers de la demande mondiale en pellets [Svetlana Proskurina et al., 2017]. En effet, la biomasse solide contribue en Europe pour la majeure partie des énergies renouvelables utilisées dans le cadre de la production de chaleur (82 % en 2015 selon [Union, 2017a]) alors que son rôle est plus restreint pour la production d’électricité. Cet accroissement de l’utilisation de la biomasse a conduit certains pays comme la Russie, le Canada et les États-Unis

à accroitre drastiquement leur production: entre 2012 et 2014, leurs exportations vers l’Europe a plus que doublé conduisant à une pression supplémentaire sur les forêts locales [Pöyry