Principales caractéristiques techniques

Actuellement, les réseaux de chaleur peuvent être classés en quatre catégories (dites générations) [Lund et al., 2014]:

• la première génération de réseau de chaleur utilise la vapeur d’eau comme fluide caloporteur dans des canalisations enterrées ou non;

• la seconde génération utilise de l’eau pressurisée à une température supérieure à 100 °C. Les canalisations sont fréquemment enfermées dans un coffrage en béton. En général, le contrôle de la puissance injectée dans le réseau est sommaire et ces réseaux sont généralement alimentés par des unités de cogénération et/ou des chaudières conventionnelles;

• la troisième génération utilise de l’eau pressurisée à une température généralement inférieure à 100 °C pour limiter les pertes thermiques le long des canalisations. D’autre part, le réseau de canalisation est généralement constitué de canalisations préfabriquées et préisolées. Celles-ci sont directement enterrées dans le sol afin de diminuer les coûts de mise en œuvre du réseau;

• la quatrième génération est en cours de développement et d’étude. Elle possède les caractéristiques suivantes: utilisation de l’eau comme fluide caloporteur à basse température; diminution des pertes à l’ambiance du réseau par une gestion optimale de celui-ci (régulation de la température, de la puissance injectée...); récupération d’énergie à basse température comme source de chaleur (géothermie, solaire thermique); intégration optimale des flux d’énergies (électricité, gaz, eau) dans le réseau grâce au réseau lui-même, ceci incluant son utilisation pour la climatisation et

finalement conversion de systèmes existants en systèmes énergétiques renouvelables6.

L’évolution des réseaux de chaleur est donc essentiellement liée à l’utilisation d’un fluide caloporteur dont la température a été réduite au fur et à mesure des évolutions. Cette tendance s’explique, car plus la température du fluide caloporteur est basse, plus les pertes à l’ambiance liées à l’acheminement de l’énergie thermique diminuent. Par ailleurs, l’usage des réseaux de distribution de chaleur à basse température (de l’ordre d’une dizaine de degrés) permet d’utiliser le réseau de chaleur à la fois comme source d’énergie en cas de couplage avec des pompes à chaleur ou de puits thermiques pour un usage lié à la climatisation.

La capacité d’un réseau de chaleur est la puissance maximale qui peut être fournie au réseau. Toutefois, cette puissance est différente de la puissance totale fournie aux bâtiments qui y sont connectés à cause des pertes à l’ambiance des canalisations. Par ailleurs, cette différence peut également provenir du dimensionnement des installations qui dépend du coefficient de

6_{Il s’agit de caractéristiques similaires à celles que l’Union européenne a émises dans le cadre d’une de ces}

2. Réseaux de chaleur

charge, abordé dans le paragraphe suivant.

En général, un utilisateur souhaitant se raccorder à un réseau de chaleur souscrit un contrat

pour obtenir une puissance thermique maximale Pt h,i qui lui permettra d’alimenter son

bâtiment. Toutefois, les demandes thermiques individuelles des utilisateurs ne sont pas à

leur maximum simultanément. En effet, la puissance appelée par un bâtiment Pt hdépend

de nombreux facteurs comme les conditions atmosphériques, les besoins en eau chaude sanitaire, le profil d’utilisation des différents locaux... De ce constat, il est dès lors possible de définir le coefficient de charge (CC ) d’un réseau comme:

CC = P Pt h

P Pt h,i

(1.1) Celui-ci est compris entre 0 et 1. Une valeur particulière de ce coefficient est le coefficient de simultanéité qui est la valeur maximale du coefficient de charge. Il représente la demande maximale théorique du réseau de chaleur. Des valeurs typiques du coefficient de simultanéité sont comprises entre 0.5 et 0.95 [DUMITRESCU et MINCIUC, 2015]; toutefois le type et le nombre de bâtiments connectés influent largement sur ce coefficient [Boyle, 2014, Book, 2003]. Plus ce facteur est faible, plus il est possible de réduire la taille des installations thermiques et donc les coûts d’investissements associés. Cela se traduit dans le cas d’un réseau de chaleur par la possibilité d’installer des centrales de production thermique dont la puissance maximale installée est inférieure à la somme des puissances maximales demandées par chaque utilisateur. En effet, dans le cas de chaudières individuelles présentes dans chaque bâtiment, ces chaudières doivent être dimensionnées pour fournir les besoins thermiques maximum de chacun des bâtiments. Ces besoins se calculent en fonction des caractéristiques de construction du bâtiment considéré et pour une température minimale de référence, dite

de base7. Afin de minimiser le coefficient de simultanéité, il est généralement conseillé de

diversifier le type et le nombre de consommateurs connectés au réseau de chaleur afin de diversifier les profils de consommation et donc la puissance appelée. Dans le cas de grands réseaux de chaleur, ce coefficient est également dépendant des distances à parcourir par le fluide caloporteur qui induit des délais de transport de l’énergie pouvant dépasser l’heure.

L’efficacité d’un réseau de chaleur (ξD H N) se définit, quant à elle, comme le ratio entre la

puissance fournie aux utilisateurs et la puissance fournie au réseau. Celui-ci est donc un bon indicateur des pertes à l’ambiance des canalisations:

ξD H N=

P Pt h

P Pt h+ Per t es

(1.2) Quand la puissance maximale des installations est fournie au réseau, l’efficacité peut atteindre 95 %. En effet, les pertes sont directement liées au niveau de température moyen des canalisations constituant le réseau de chaleur et le débit (et donc la puissance véhiculée) n’a qu’un rôle secondaire sur les pertes à l’ambiance. Dès lors, cette efficacité peut diminuer

7_{La norme NBN EN 12831:2003 considère cette température comprise entre -7 et -12 °C en Belgique en fonction}

jusqu’à 50 % lors de périodes où la demande de puissance est plus faible. Annuellement, la valeur moyenne de l’efficacité varie donc entre 60 et 95 % en fonction du niveau de température, de l’isolation des canalisations... comme le décrivent les références suivantes [Noussan, 2018, Christiansen, 2010, Frederiksen et Werner, 1993, Thorsen et al., 2011]. Un réseau de chaleur peut également se définir par sa densité. Il s’agit d’un paramètre

exprimant sa capacité thermique par km2de surface desservie ou par km de canalisation. Pour

être économiquement rentable, il est conseillé de mettre en place un réseau dont la densité est supérieure à 1.5 MWh/(an.m) [DUMITRESCU et MINCIUC, 2015] voire 0.5 MWh/(an.m) dans certains cas [Ab et al., 2008]. Sous ces valeurs, les coûts d’opération et de maintenance peuvent devenir prohibitifs et rendre l’ensemble du système économiquement peu intéressant.

2.3 Infrastructures