Les réseaux de chaleur constituent l’une des nombreuses infrastructures de l’ensemble du système énergétique. Celui-ci est représenté de façon simplifiée dans la figure 1.2, où les différents stades de l’énergie peuvent être distingués (figure 1.2) :
• l’approvisionnement en énergie primaire : énergie avant toute transformation ;
• la consommation d’énergie finale : énergie délivrée sur les lieux de consommation finale ;
• les besoins en énergie utile : énergie qui permet de délivrer la prestation énergétique désirée par le consommateur final.
Consommation d’énergie finale
Transformations sur le lieu de consommation finale Approvisionnement
en énergie primaire
Ressources renouvelables et non renouvelables
Transport et distribution d’électricité, de chaleur et de combustibles
Transformations au sein du secteur énergétique
Utilisation finale
Rejets thermiques
Rejets thermiques Rejets
thermiques
Figure 1.2 – Structure simplifiée du système énergétique−adapté de Frederiksen et Werner [4]
Pour répondre aux besoins énergétiques de la société, ce système est soumis à trois contraintes techniques fondamentales [6] :
• concordance de lieu: l’énergie doit être fournie sur les lieux de consommation ;
• concordance de temps: l’énergie doit être fournie au moment où elle est demandée ;
• concordance de qualité: l’énergie doit être fournie sous une forme et avec une qualité per-mettant de satisfaire la prestation demandée. A titre d’exemple, le besoin de chauffage dans un bâtiment nécessite l’apport de chaleur avec une certaine température.
Pour être valorisées, les ressources énergétiques primaires peuvent dès lors nécessiter la mise en place d’infrastructures pour les extraire, les convertir, les stocker ou les transporter. Avant leur utili-sation, une partie des ressources énergétiques primaires sont ainsi transformées au sein du secteur
Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux
énergétique, c’est-à-dire en dehors des lieux de consommation finale. L’électricité et la chaleur à distance y sont produites, et les combustibles y sont raffinés. Certaines ressources énergétiques primaires et les formes d’énergies secondaires produites par le secteur énergétique doivent en-suite être fournies aux consommateurs finaux via des réseaux. Ceux-ci peuvent être :
• purement dédiés au transport de l’énergie : oléoducs, réseaux électriques, réseaux de cha-leur, gazoducs, etc. ;
• à usage mixte : réseaux routiers, réseaux ferroviaires, réseaux maritimes, etc.
Contrairement aux autres réseaux et du fait que la chaleur est physiquement et économiquement difficilement transportable sur de très grandes distances, les réseaux de chaleur se distinguent par leur caractère intrinsèquement local. Ceux-ci sont généralement limités à l’échelle de la ville. Cela implique que la production de chaleur soit également réalisée à cette échelle.
Une fois délivrées sur les sites de consommation finale, certaines formes d’énergies doivent encore être converties par des transformateurs locaux pour permettre de satisfaire la prestation éner-gétique souhaitée. Enfin, après avoir été utilisée pour sa prestation éneréner-gétique finale, l’énergie consommée finit irrémédiablement par se dissiper dans l’environnement sous forme de chaleur.
Soumis aux deux lois de la thermodynamique, la conservation de l’énergie (1èreloi) et la création d’entropie (2èmeloi), toute l’énergie entrante dans le système finit donc par ressortir sous forme de rejets thermiques. Ceux-ci peuvent être classifiés selon à quels niveaux ils apparaissent :
• des rejets au sein du secteur énergétiqueentre l’approvisionnement en énergie primaire et la livraison d’énergie finale : pertes lors de la production d’électricité, du raffinage de combus-tibles, etc. ;
• des rejets sur les lieux de consommation finaleentre l’énergie finale délivrée et l’énergie utile : pertes dans les moteurs de voitures, les chaudières individuelles, etc. ;
• des rejets après l’utilisation finale de l’énergie: dissipation de chaleur par les bâtiments, rejets thermiques dans les eaux usées, rejets thermiques industriels, etc.
Dans l’optique de décarboner le système énergétique et d’améliorer son efficience globale, l’idée fondamentale qui sous-tend le développement des réseaux de chaleur est de permettre :
• la récupération et le recyclage d’une partie des rejets de chaleur générés par le système éner-gétique ;
• la valorisation de ressources énergétiques renouvelables en substitution aux énergies fos-siles.
Les réseaux de chaleur offrent en effet l’avantage de pouvoir lever des contraintes techniques, en-vironnementales ou économiques qui limitent ou empêchent la valorisation de certaines sources de chaleur renouvelables ou de récupération :
• contraintes techniques: bien que présentent sur un territoire, certaines sources de chaleur ne se situent pas directement sur les lieux de consommation. C’est par exemple souvent le cas des rejets de chaleur produits par les usines d’incinération, les centrales thermiques ou certaines industries. Ces sources de chaleur, parfois importantes quantitativement, néces-sitent donc des réseaux plus ou moins étendus pour être valorisées du mieux que possible.
• contraintes environnementales: l’utilisation de certains combustibles renouvelables dans des chaudières individuelles peut être limitée dans les zones urbaines denses à cause de problèmes liés à la qualité de l’air notamment. Grâce à la centralisation de la production de chaleur et son découplage spatial des lieux de consommation, les réseaux de chaleur permettent parfois de lever cette contrainte.
• contraintes économiques: en mutualisant les infrastructures de production de chaleur, les réseaux permettent de réaliser des économies d’échelle et de profiter de l’effet de foisonne-ment de la demande pour réduire les coûts de production. Par ailleurs, dans la mesure où la demande de chaleur se caractérise par une forte variation saisonnière liée au climat, la possibilité de combiner avec flexibilité différentes sources d’approvisionnement sur un ré-seau permet d’intégrer de façon efficiente certaines unités de production caractérisées par des coûts d’investissement importants.
D’un point de vue thermodynamique, la chaleur est souvent considérée comme la forme dégradée de l’énergie dans la mesure où elle apparaît fréquemment de façon non désirée lors des différents processus de transformation énergétique. L’intérêt des réseaux de chaleur réside donc dans leur capacité à valoriser des sources de chaleur dont le champ des applications énergétiques possibles est réduit du fait de leurs niveaux de température limités, mais qui permettent tout de même de satisfaire la demande de chaleur dans les bâtiments. De cette façon, la destruction d’exergie est minimisée par rapport à des systèmes de production de chaleur traditionnels. En effet, dans des chaudières dont la seule fonction est de répondre à la demande de chaleur dans les bâtiments, les combustibles brûlés génèrent de très hautes températures pour finalement satisfaire des besoins à des niveaux de température nettement plus bas (figure 1.5, p.15).
Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux