3. Le scénario 2050 souhaitable-probable (variante de base)
3.2. Quantification du scénario 2050 base
Le diagramme des flux du système modélisé pour le scénario 2050 de base (Figure 6) permet de visualiser les changements dans le système thermique du canton par rapport à la structure du système actuel (Figure 2). L’utilisation des CCF permet le couplage du réseau gaz aux réseaux électrique et
8 Il s’agit ici d’utiliser les techniques dites super-cooling où une PAC est connectée à la sortie de l’échangeur de chaleur dans le but d’abaisser les températures de réinjection et ainsi mieux valoriser la ressource géothermique.
Le COP de la PAC a été supposé constant et égal à 4, soit une efficacité technique proche de 45%.
Rendements 2014 Réf. 2018 2035 2050 base
Solaire thermique [kWh/m2] 500 500 500 500
Solaire PV [kWh/m2] 160 160 200 200 2
1. Pertes stockage définies comme étant le ratio entre l'énergie injectée et l'énergie soutirée.
2. La production spécifique des panneaux PV n'évolue pas entre 2035 et 2050 vu l'utilisation des surfaces moins biens exposées.
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thermique. Par ailleurs, et de manière complémentaire, les PAC permettent l’exploitation des ressources énergétiques locales à basse température et renforcent les interactions électrothermiques.
Le mazout (moins de 1% des inputs énergétiques) est réservé aux bâtiments sans accès aux ressources renouvelables. La consommation de gaz équivaut à 26% des inputs, dont environ ¾ est d’origine renouvelable. L’ensemble de ce gaz est utilisé pour alimenter les CCF, couvrir les pics de demande CAD et pour répondre aux besoins de quelques chaudières individuelles. Dans le scénario de base, l’utilisation des énergies fossiles est limitée et correspond à environ 7% des inputs énergétiques.
Plus de 40% de la demande thermique est couverte par les PAC individuelles et 50% par le CAD. Le manque de concordance temporelle entre la ressource solaire et la demande thermique limite l’utilisation de l’électricité PV dans le système thermique. Dans ce scénario, malgré la production électrique des CCF, il est nécessaire de mobiliser de l’électricité additionnelle pour assurer le fonctionnement des PAC.
Les chaudières individuelles couvrent une partie très faible de la demande thermique (3.5%) et alimentent les bâtiments protégés et les sites où la conversion aux ressources renouvelables est trop difficile en raison de contraintes liées aux infrastructures techniques (routes, réseau électrique, autre), au manque de ressources renouvelables disponibles (géothermie, hydrothermie), aux protections environnementales (nappes d’eau potable, sites naturels protégés) ou encore aux nuisances sonores.
Pour le canton de Genève, l’évolution depuis 2014 des inputs énergétiques (entrants à gauche du diagramme de Sankey – Figure 6) est indiquée sur la Figure 7. La baisse de la demande énergétique exprimée en W/hab., ainsi que le remplacement des énergies fossiles par le renouvelable devient marquant en 2050, où plus de 90% des inputs sont d’origine renouvelable.
Figure 6 : Diagramme des flux énergétiques [GWh/an] du marché de la chaleur à Genève en 2050 pour le scénario de base.
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Figure 7 : Évolution des inputs énergétiques en W/hab..
L’évolution des inputs et des demandes du système d’approvisionnent thermique est présentée sur les graphiques de la Figure 8 (en GWh/an). La différence entre le graphique de gauche et celui de droite étant l’efficacité globale du système qui passe de 80% en 2014 à 90% en 2050.
Figure 8 : Évolution des inputs énergétiques selon leur nature (graphique de gauche) et évolution des demandes des bâtiments réparties selon le type d’approvisionnement (graphique de droite).
L’évolution des intrants du système est montrée sur la Figure 9 où on voit l’importance croissante des ressources renouvelables dans le mix d’approvisionnement thermique et son impact sur les émissions CO2.
Figure 9 : Évolution des intrants énergétiques répartis selon source énergétique et niveau C02 associé. En 2050, ¾ du gaz qui transite dans le réseau est d’origine renouvelable (biogaz ou gaz de synthèse).
La courbe de charge horaire agrégée de l’approvisionnement pour l’ensemble des bâtiments est montrée sur la Figure 10. On voit qu’en 2050, les bâtiments sont alimentés principalement par le CAD et les PAC qui couvrent plus de 90% de la demande thermique. La production solaire thermique assure 6% des demandes (principalement en été) et les chaudières individuelles le 3% restant.
1200.0 1112.4
Electricité additionnelle PV valorisé via PAC Solaire thermique Rejets thermiques (via PAC) Rejets thermiques Géothermie (via PAC) Géothermie Aérothermie (via PAC) Hydrothermie (via PAC)
Biomasse Gaz renouvelable Gaz fossile
Mazout CO2
20
Pour 2050, la puissance thermique maximale des demandes se monte à 1'350 MW, soit 26 W/m2SRE, valeur 30% plus basse que les 37 W/m2SRE de l’année de référence, 2014.
Figure 10 : Courbe de charge agrégée de l’approvisionnement des bâtiments en 2050. Valeurs horaires du 1e janvier au 31 décembre.
3.2.2. Réseau CAD
L’évolution du mix d’approvisionnement thermique des réseaux de chaleur est présentée sur la Figure 11. En 2014 et 2018, le taux d’EnR&R des réseaux est proche de 50% (provenant principalement de la récupération des rejets thermiques des Cheneviers).
Dans les scénarios 2035 et 2050, l’usage direct du gaz dans le CAD baisse considérablement et sert principalement pour assurer les pics de demande. En revanche, en 2035 et en 2050, une part importante de gaz est utilisée pour alimenter les CCF dans le but de produire simultanément de la chaleur pour le CAD et de l’électricité pour alimenter les PAC en mi-saison et en hiver.
Plus spécifiquement, en 2050, 10% de l’approvisionnement CAD provient des chaudières gaz centralisées (dont ¾ d’origine renouvelable) et 15% de l’output thermique des CCF gaz. Les énergies de récupération assurent 31% de l’approvisionnement, la géothermie directe 22% et les PAC centralisées 21%. Vu que ¾ du gaz qui entre dans le système est d’origine renouvelable, le taux d’EnR&R dans le CAD s’approche de 95%.
Figure 11 : Évolution du mix d’approvisionnement thermique annuel des CAD.
La courbe de charge horaire agrégée de l’ensemble des CAD est montrée sur la Figure 12. Les rejets thermiques et la géothermie directe assurent la demande en ruban, les CCF et les PAC la mi-charge jusqu’à 320 MW, tandis que le bois et le gaz sont utilisés pour couvrir les pointes de demande en hiver.
0
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Figure 12 : Courbe de charge agrégée des CAD en 2050. Valeurs horaires du 1e janvier au 31 décembre.
3.2.3. Réseau gaz
L’évolution des consommations de gaz depuis 2014 est indiquée sur la Figure 13 en explicitant les transformateurs en jeu. En 2050, deux tiers du gaz est utilisé pour alimenter les CCF qui alimentent les CAD et fournissent une partie non-négligeable de l’électricité requise pour faire fonctionner les PAC (centralisées ou individuelles). À savoir que dans le scénario de base pour 2050, ¾ du gaz qui transite dans le réseau est d’origine renouvelable (biogaz ou gaz de synthèse).
Figure 13 : Consommations annuelles de gaz (PCS) entre 2014 et 2050, distinguées selon le transformateur.
3.2.4. Réseau électrique
Dans la Figure 14, on montre l’évolution de la consommation électrique des PAC qui s’élève à environ 500 GWh/an en 2050, soit 20% de la demande électrique du canton en 2010. En raison du déphasage temporelle entre la ressource solaire et la demande thermique, on constate qu’en 2050, seule une partie de la production PV (79 GWh/an) est valorisable dans le système thermique, laissant plus de 600 GWh/an utilisable pour les autres usages énergétiques. La production électrique des CCF (environ 250 GWh/an) permet de limiter les quantités d’électricité additionnelle requises pour l’approvisionnement des PAC à 151 GWh/an.
Par ailleurs, les nouvelles PAC rajoutent au système électrique des appels de puissance pouvant attendre des pics d’environ 130 MWelec (avec valeur médiane de 20 MWelec).
0
1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001
Approvisionnement CAD [MW]
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Figure 14 : Évolution de la production électrique des PV et CCF et comparaison avec la consommation des PAC.
La dynamique mensuelle pour l’année 2050 est montrée sur la Figure 15 où la discordance temporelle entre la production PV et la demande électrique des PAC devient explicite.
Figure 15 : Dynamique mensuelle de production et demande électrique des PAC pour l’année 2050.