Décarboner le système énergétique à l'aide des réseaux de chaleur: état des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève

Thesis

Reference

Décarboner le système énergétique à l'aide des réseaux de chaleur:

état des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève

QUIQUEREZ, Loic

Abstract

Ce travail évalue le rôle des réseaux de chaleur dans la perspective de décarboner le système énergétique. Après avoir introduit les caractéristiques de ces systèmes, un état des lieux basé sur des retours d'expérience met en exergue les enjeux techniques, économiques et organisationnels liés à leur déploiement dans le canton de Genève, où ils ne représentent que 10% du marché de la chaleur en 2014. L'élaboration de scénarios prospectifs, quantifiés à l'horizon 2035, démontre ensuite qu'un triplement de ce taux, en parallèle à d'autres mesures, permettrait d'atteindre les objectifs de la politique énergétique cantonale dans le domaine de l'approvisionnement thermique des bâtiments. Ce travail arrive aux conclusions que les réseaux de chaleur constituent un levier stratégique pour la transition énergétique, mais qu'il sera pour cela indispensable de: i) réduire leurs températures; ii) planifier et coordonner leur déploiement sur le territoire; iii) renforcer les instruments de soutien en leur faveur.

QUIQUEREZ, Loic. Décarboner le système énergétique à l'aide des réseaux de chaleur: état des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2017, no. Sc. 5056

URN : urn:nbn:ch:unige-933801

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:93380

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:93380

Décarboner le système énergétique à l’aide des réseaux de chaleur

Etat des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève

Loïc Quiquerez

Soutenance de thèse en sciences mention sciences de l’environnement UNIVERSITE DE GENÈVE

Département F.-A. Forel des sciences de l’environnement et de l’eau

Institut des Sciences de l’Environnement

FACULTÉ DES SCIENCES

Soutenance de thèse

27 février 2017

Plan de l’exposé

Introduction

I. Contexte énergétique genevois et réseaux de chaleur II. Retour d’expérience sur l’interconnexion des deux plus

grands réseaux de chaleur du canton

III. Point sur les niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur

IV. Scénarios prospectifs de l’évolution du marché de la chaleur

Conclusions générales

Comment décarboner ? + de sobriété

+ d’efficience

+ de renouvelable Constat:

• Dépendance aux énergies fossiles

• Importance des besoins de chaleur

• Inefficience du système

Contexte global

0 5'000 10'000 15'000 20'000

Energie primaire (Statistiques IEA)

Energie finale (Statistiques IEA)

Usage final (estimation)

T W h /a n

Combustibles renouvelables et déchets Géothermie, solaire, vent et autre Hydro

Nucléaire Gaz naturel

Produits pétroliers Charbon

Usages non-énergétiques Transport

Electricité Chaleur Pertes au sein

du secteur énergétique

Pertes au sein du secteur énergétique

Intérêt des réseaux de chaleur : valoriser des énergies renouvelables ou de récupération (EnR&R) locales difficile à exploiter autrement

Bilan Europe 2013 (OCDE)

Adapté de: Frederiksen et Werner, 2013

Dans quelle mesure, à quel prix et à quelles conditions peut-on décarboner le système énergétique par le biais d’un

développement des réseaux de chaleur ? Particularités des réseaux de chaleur (CAD):

• Concurrence avec des technologies d’approvisionnement décentralisées (PAC, chaudières individuelles)

• Coûts d’investissement dans le réseau → densité minimale requise

• La chaleur se transporte difficilement ( ≠ électricité, gaz)

Question centrale:

Problématique

Méthodologie et objectifs

Etude de cas: canton de Genève

Etat des lieux

• Analyse des statistiques

• Etude bibliographique

• Retours d’expériences

Prospective

• Construction de scénarios

• Quantification-modélisation

Améliorer/diffuser les connaissances actuelles sur ces systèmes

→ mieux comprendre les enjeux liés à leur développement

Evaluer le rôle futur des réseaux

→ alimenter les réflexions dans le domaine de la stratégie et de la planification

Méthodes Objectifs

Environnement

• Réalités physiques

• Acteurs (sensibilités, identités, savoirs, savoir-faire, expériences)

• Réalités socio-économiques

• Réglementation et normes

Positionnement de la thèse

Plan de l’exposé

Introduction

I. Contexte énergétique genevois et réseaux de chaleur II. Retour d’expérience sur l’interconnexion des deux plus

grands réseaux de chaleur du canton

III. Point sur les niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur

IV. Scénarios prospectifs de l’évolution du marché de la chaleur

Conclusions générales

Consommation d’énergie finale dans le canton en 2014 (GWh/an)

Contexte énergétique genevois

Besoins de chaleur

Chaleur à distance; 430

Biomasse; 61

Mazout; 2'156

Gaz naturel;

2'733 Electricité;

2'866

Essence et diesel; 2'053

Données sources: OCSTAT, SIG, OCEN, SITG Avec correction climatique du chauffage

Vision long terme: société 2000W et 1tCO ₂ par hab. sans nucléaire Objectifs 2035 pour le secteur chaleur

Objectifs de la politique énergétique cantonale

→ Certaines d’entre elles nécessitent des réseaux de chaleur

→ Volonté politique de les développer / plusieurs projets en cours Un territoire riche en EnR&R potentiellement valorisables:

géothermie, lac, rejets thermiques, biomasse, solaire, etc. (J.Faessler, 2011)

Contraintes pour les CAD selon les contextes

Contraintes

économiques/financières

Manque d’attractivité pour les consommateurs/clients Manque d’attractivité pour les investisseurs

Contraintes territoriales

Inadaptation de certains tissus urbains

Contraintes organisationnelles

Difficultés à coordonner le développement des infrastructures énergétiques

Manque d’engagement de certains acteurs,

conflits d’intérêts

Potentiel de déploiement pour les réseaux

Densité min. recommandée:

250-500 MWh/ha/an

Données sources: SITG et travaux de J.Khoury, 2014 + S.Schneider et al., 2016

(Frederiksen et Werner, 2013; Persson et Werner, 2010; Darmayan et al., 2012)

75% de la demande de chaleur

dans des zones > 500 MWh/ha/an

Plan de l’exposé

Introduction

I. Contexte énergétique genevois et réseaux de chaleur II. Retour d’expérience sur l’interconnexion des deux

plus grands réseaux de chaleur du canton

III. Point sur les niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur

IV. Scénarios prospectifs de l’évolution du marché de la chaleur

Conclusions générales

Contexte du projet

Dès 1963: réseau CADSIG (chaudières à gaz)

2014: 34km – 250 GWh/an

Dès 2002: réseau CADIOM alimenté par les rejets

thermiques de l’UVTD

2014: 24km – 155 GWh/an 2012: Interconnexion pour:

• Récupérer l’excès de chaleur de l’UVTD pour alimenter

CADSIG en été et mi-saison

• Fournir la chaleur de pointe à CADIOM en hiver

• Secourir CADIOM en cas de

panne à l’UVTD

Objectifs et démarche

Objectifs du retour d’expérience:

• Analyser le fonctionnement du système en détail

• Evaluer le coût de la substitution d’énergie fossile

• Mettre en avant les points forts/faibles du projet et les enjeux futurs

Données récoltées auprès des différents acteurs (une centaine de points de mesure)

Groupe de suivi (2x par an) comprenant les principaux acteurs

(SIG, CADIOM SA, Etat, CGC-energie, communes concernées)

Bilan énergétique annuel du système

Récupération de chaleur fatale

+77

Conso. gaz − 72 Conso. mazout − 12 Prod. électrique − 15 Rejets thermiques − 62

Effets de la

connexion (GWh/an)

Année glissante 2013-14, unité: GWh/an

Réduction des émissions de CO ₂

dans le canton: −18 ktCO ₂ /an

Dynamique de l’approvisionnement des CAD

Transferts de chaleur fatale surtout en mi-saison et en été:

• Chaleur fatale davantage valorisée en ruban

• Gaz davantage utilisé comme énergie d’appoint

Encore du potentiel (81 GWh/an) → surtout en été

Année glissante 2013-14

55%

45%

Evaluation financière du projet de connexion

«Approche collective» → pour l’ensemble du système d’acteurs

(SIG, CADIOM SA, clients CAD)

Investissement dans la connexion ≈ 20 Millions CHF

• Coût de revient du kWh fossile substitué ≈ 2 cts/kWh

(hyp. amortissement sur 30 ans à 3%)

• Hyp. prix d’achat du gaz à 5 cts/kWh

→ Temps de retour sur investissement ≈ 5 ans

Le projet est intéressant d’un point de vue économique

→ on substitue du gaz par de la chaleur fatale dont le

coût de production marginal est faible

Réussite d’un point de vue technique, environnemental et économique

Innovant dans sa dimension organisationnelle Illustre:

• l’intérêt de développer/coupler les CAD

• la flexibilité offerte par les CAD

Enjeux futurs pour le développement de ces réseaux

→ Combiner extension et intégration de nouvelles EnR&R

→ Stockage saisonnier pour l’excès estival ?

Enseignements et perspectives

Besoin de réduire les niveaux de température

( ≈ 110°C actuellement) / développer des sous-réseaux

Plan de l’exposé

Introduction

I. Contexte énergétique genevois et réseaux de chaleur II. Retour d’expérience sur l’interconnexion des deux plus

grands réseaux de chaleur du canton

III. Point sur les niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur

IV. Scénarios prospectifs de l’évolution du marché de la chaleur

Conclusions générales

Pour améliorer l’efficience et l’intégration de certaines EnR&R

→ températures de réseau les plus basses possibles

Deux contraintes pour l’opérateur réseau :

• Qualité: fournir la température requise dans le «pire» bâtiment

• Puissance: avoir un ∆ T (diff. aller-retour) suffisant

Constat: pratiques actuelles peu renseignées au niveau suisse

→ Etat des lieux sur les niveaux de température pratiqués, du réseau aux bâtiments

Enjeux de températures sur les réseaux

1 ^ère (1880-1930) 2 ^ème (1930-1980) 3 ^ème (1980-2020) 4 ^ème (2020-2050)

< 200°C > 100°C < 100°C < 60-70°C

Vapeur Eau surchauffée Eau chaude Eau chaude

Evolution de la technologie: 1 ^ère → 4 ^ème génération (Lund et al., 2014)

Analyse comparative de plusieurs réseaux

Données horaires récoltées auprès des exploitants (12 réseaux

suisses, dont 6 genevois)

Analyse comparative de plusieurs réseaux

→ des disparités importantes selon les réseaux

Données horaires récoltées auprès des exploitants (12 réseaux

suisses, dont 6 genevois)

Des sous-stations problématiques

Débits spécifiques annuels des sous-stations d’un même réseau

Interface primaire-second.

• Surface d’échange insuffisante

• By-pass

• Pompes inutiles

• …

Chauffage

• Absence de vannes thermostatiques

• Surdimensionnement des pompes

• Déséquilibre hydraulique

• …

Débits trop importants → des causes multiples:

ECS

• Surface d’échange insuffisante

• Echangeurs entartrés

• Sondes de température mal placées

• …

→ de fortes disparités

également

Températures requises par les consommateurs

Production d’ECS: 55-60°C pour éviter les légionelles

Distribution de chauffage: mesures in situ sur un échantillon de 70 chaufferies instrumentées (128 boucles de distribution de chauffage)

→ radiateurs: aller 50-65°C

→ chauffage au sol: aller 30-45°C temp. chauffage <= temp. ECS

4x sondes de températures

Data logger

95 boucles de distribution de chauffage avec radiateurs

Températures requises par les consommateurs

Production d’ECS: 55-60°C pour éviter les légionelles

Distribution de chauffage: mesures in situ sur un échantillon de 70 chaufferies instrumentées (128 boucles de distribution de chauffage)

→ radiateurs: aller 50-65°C

→ chauffage au sol: aller 30-45°C temp. chauffage <= temp. ECS

Problème: ∆ T < valeurs attendues

Quel potentiel d’amélioration sur le chauffage?

Bâtiment des années 60 non rénové

Bâtiment des années 60 après:

• rénovation de l’enveloppe

• changement des pompes de circulation

• pose de vannes thermostatiques

• équilibrage hydraulique

Enseignements et perspectives

Problématique qui concerne l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement → besoin d’une gestion intégrée Grand potentiel d’amélioration

Difficultés :

• Différents acteurs pour la gestion du primaire et du secondaire

• Frais de l’optimisation/adaptation du secondaire à la charge du propriétaire du bâtiment

→ incitations économiques dans les tarifs ?

→ programme de sensibilisation/formation ? Challenge pour le futur: production d’ECS

→ appoint décentralisé ? / production instantanée ?

Piste à creuser: quelles architectures de sous-stations utiliser ?

Plan de l’exposé

Introduction

I. Contexte énergétique genevois et réseaux de chaleur II. Retour d’expérience sur l’interconnexion des deux plus

grands réseaux de chaleur du canton

III. Point sur les niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur

IV. Scénarios prospectifs de l’évolution du marché de la chaleur

Conclusions générales

Quelques précisions / limites concernant l’exercice:

• Prospective: offrir des visions du futur, pas de la prédiction

• Scénario: jeux cohérent d’hypothèses, traduit une vision

• Quantification: valeur indicative, illustre un scénario

Cadre de l’étude

Démarche prospective conduite par les Services industriels de Genève (groupe d’experts de 15 personnes)

Apports personnels:

• Contribution à l‘état des lieux et l’élaboration des scénarios

• Quantification d’un scénario «souhaitable-probable»

à l’ horizon 2035

→ modèle input/output adapté du modèle EnergyPLAN (H. Lund, 2008)

Modèle input-output

→ Approche systémique: modélisation des fonctions et de leurs couplages

→ Unités production-transport-stockage-consommation agrégées par groupes

Input Output

PPT

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

T a u x d e r é n o v a ti o n é n e rg é ti q u e a n n u e l

Part de la SRE alimentée par des CAD multi-ressources ou des PAC individuelles

2035 BAU

CAD 14% et PAC ind. 5%

2035 EE+

CAD 16% et PAC ind. 15%

2035 EE&RE

CAD 30% et PAC ind. 20%

2035 RE+

CAD 40% et PAC ind. 25%

Développement des EnR&R

Is o la ti o n d e s b â ti m e n ts

Positionnement des scénarios 2035 (input)

BAU

«Business As Usual»

EE&RE (base)

«Energy Efficency &

Renewable Energy»

EE+

«Energy Efficiency+»

RE+

«Renewable Energy+»

Bilan annuel 2014 référence

Approvisionnement chaleur des bâtiments du canton (GWh/an)

482’545 habitants

Bilan annuel 2035 (scénario EE&RE)

Approvisionnement chaleur des bâtiments du canton (GWh/an)

557’000 habitants

Saisonnalité (scénario EE&RE)

Chaleur à distance

• Priorité à la chaleur fatale utilisable directement (ruban)

• CCF en simultané aux PAC

• Gaz en appoint

Electricité en jeu

• Le CCF limite l’électricité

additionnelle requise en hiver par les PAC (ind. et centralisées)

• Mauvaise concordance

temporelle PV – PAC

Inputs énergétiques du système thermique

• Trois variantes compatibles avec les objectifs de la politique énergétique cantonale → une certaine marge de manœuvre

• De 2.2 tCO ₂ /hab (2014) à 1 tCO ₂ /hab (2035) pour

l’approvisionnement chaleur des bâtiments

Enseignements et perspectives

Recommandations principales pour la planification:

• CAD dans les contextes territoriaux qui leur sont favorables

• PAC ind. dans les contextes défavorables aux CAD

Importance de la complémentarité CCF-PAC

• Relocalisation (transitoire) des émissions de CO ₂ pour une meilleure efficience d’un point de vue global

Perspectives: extension temporelle, sectorielle et spatiale de l’étude CAD “oubliés” dans la Strat. éneg. suisse 2050 (10% de l’appro. chaleur)

• Réduction de la demande de chaleur (-58% p/r à 2010)

→ Réaliste ? un «plan B» en cas de non atteinte ?

• Massification des PAC ind. (45% du marché de la thermique)

→ Quelle électricité en période hivernale avec la sortie du nucléaire ?

• Des centrales thermo-électriques envisagées

→ Des rejets de chaleur à valoriser !

Conclusions générales

Les réseaux de chaleur: un levier stratégique pour décarboner le système énergétique

Cela étant, il sera nécessaire de :

• Optimiser la gestion des installations techniques sur toute la chaîne pour réduire les niveaux de température

→ Améliorer l’efficience et l’accès à certaines sources de chaleur renouvelables ou de récupération

• Planifier et coordonner au niveau local/régional le déploiement des infrastructures énergétiques (dans le temps et l’espace)

→ Assurer un développement cohérent des réseaux, éviter les doublons («sur-investissements»), engager les acteurs-clés

• Renforcer les instruments de soutien économiques/financiers, réglementaires et informationnels

→ fournir des conditions- cadres favorables / améliorer l’attractivité

des réseaux

Bibliographie

[1] S. Frederiksen et S. Werner, District heating and cooling. Studentlitterature AB, Lund, 2013.

[2] J. Faessler, Valorisation intensive des énergies renouvelables dans l’agglomération franco-valdo-genevoise dans une perspective de société 2000W. Thèse de doctorat, Université de Genève, 2011.

[3] U. Persson et S. Werner, Heat distribution and the future competitiveness of district heating. Applied Energy (88), pp 568-576, 2010.

[4] L. Darmayan, G. Chérix, M. Cudillero et F. Kuchler, PlanETer, Planification énergétique territoriale: approche territoriale pour définir une stratégie énergétique à l’échelle d’une collectivité locale. In Proc. Conférence francophone ESRI, Versailles, 2012.

[5] J. Khoury, Rénovation énergétique des bâtiments résidentiels collectifs. Etat des lieux et retours d’expériences et potentiels du parc genevois. Thèse de doctorat, Université de Genève, 2014.

[6] S. Schneider, J. Khoury, B. Lachal et P. Hollmuller, Geo-dependent heat demand model of the swiss building stock. In Proc. Sustainable built environment regional conference,

Zurich, 2016.

[7] H. Lund, S. Werner, R. Wilthshire, S. Svendsen, J.E. Thorsen, F. Hvelplund et B.V.

Mathiesen, 4th generation district heating (4GDH): integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems. Energy (68), pp 1-11, 2014.

[8] H. Lund, EnergyPLAN: advanced energy systems model computer model, Aalborg

Merci de votre attention!

loic.quiquerez@unige.ch

Source: présentation Eloi Piel, forum ASCAD 2016