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Valorisation de la Géothermie : le rôle clé des réseaux de chaleur

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Academic year: 2022

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Conference Presentation

Reference

Valorisation de la Géothermie : le rôle clé des réseaux de chaleur

FAESSLER, Jérôme

Abstract

En partant de quelques considérations générales concernant l'énergie et la géothermie, cette conférence montrera que les réseaux thermiques ont très certainement un grand rôle à jouer pour la valorisation directe de la géothermie

FAESSLER, Jérôme. Valorisation de la Géothermie : le rôle clé des réseaux de chaleur. In: 25.

Fachtagung von GEOTHERMIE.CH, Berne, 1. octobre, 2015, p. 34 p.

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:76522

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

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(2)

Valorisation de la Géothermie : le rôle clé des réseaux de chaleur

25. Fachtagung von GEOTHERMIE.CH

Dr Jérôme Faessler Energy Systems Group

University of Geneva 1. Oktober 2015

Jerome.faessler@unige.ch (phone +41 22 379 06 48) www.unige.ch/energie

(3)

Key Elements

• Energy Introduction 

• Geothermal Energy : multi‐resource for multi‐uses

• Importance and Role of District Heating and Cooling (DHC)

• Multi‐ressource

• Linear Heat Density

• Temperature level

• Funding model (capital cost)

• Conflits or synergies with retrofits buildings

• Conclusions

(4)

Energy : two main principles

• First law : 

• Conservation of energy

• Energy balance (neutral)

• Second law :

• Entropy

• Energy is irremediably degraded → waste energy

• Efficiency

(5)

Carnot’s principle

• Importance of Temperature difference

• Typical efficiency for electricity generation :

Geothermy 10‐15% 

Wood 20% 

Nuclear 35% 

Coal 35‐45%

Gas turbine combined cycle 55‐60%

Hydoelectric 100%

Source at high  temperature

Heat Engine

Low temperature

Qin, Tin

Qout, Tout

Wout

Tout Tin

ηc: Carnot’s efficiency

(6)

Source http://www.energiestatistik.ch

Energy Statistics (CH)

(7)

Source http://www.energiestatistik.ch

Observation 1 

> 75% fossil fuels Observation 2  Electricity < 25%

Observation  3 : Nuclear ≈ 10%

Energy Statistics (CH)

Observation 4 : Geothermy ≈ 1.5% (Umweltwärme)

(8)

Demand Characteristics (CH)

• Household AND Industry / Services

Source : OFEN 2010

• Heat use :

• Space heating + Domestic Hot Water (DHW)  + process heat 

• Different level temperature

• Different future development

(9)

Power in MW

Energy/Power and heat load profile

Data source : CGC 2009

Profil of an annual heat demand

Times in hours

(10)

Energy/Power and heat load profile

Data source : CGC 2009

Profil of an annual heat demand

Times in hours Energy in MWh

(11)

Power (heat load duration curve) Energy

Source : Hollmuller, UNIGE

Power and Energy

Note : dwellings with space heating and DHW

(12)

Géothermal energy : 2 dimensions

• Primary Energy (E

prim

) → Final energy (E

final

)

• Hot water / steam: Energy = Flow * Temperature 

• Low electrical efficiency (5 to 20%)

• Large quan ty of heat → district hea ng (DH)

V E R T I C A L

HORIZONTAL : USE

Geo‐RESOURCE

Source : CREGE, Neuchâtel

Eprim

Efinal

(13)

Geo‐Resource and Geo‐uses

Source : M. Antics, GPC IP

(14)

Renewable Resources in Switzerland

Source : Eicher&Pauli, 2014, Weissbuch Fernwärme Schweiz – VFS Strategie

“Brutto“ Potential

Swiss Heat Consumption today = 84 TWh (300 PJ)

(15)

Geothermal Heat Use

• If Temperature <100 °, direct use  with DH more interesting than  electrical production

• Using heat pumps to upper 

resource temperature and / or to  lower return temperature is 

possible (better geothermal  efficiency)

• Coupling with electrical production  possible but more complex (in 

parallel or in cascade)

• Generally, 1 kWh

el

≈ 5‐10 kWh

th

Source http://www.bine.info/

(16)

What role for District Heating (DH) ?

• Benefits of DH:

1. Integration of renewable energy in the urban heating

2. Waste energy recovery (waste, combined heat and power, industry) 3. Mutualisation of resources and investments

(17)

Multi Resources DH (Lausanne)

Source : data SIL, adapt from Ms thesis MUSE L. Michel, 2012

Day

Load duration curve by resource (DH Lausanne ‐ 2010)

Daily Power [MW]

Sewage plant Waste plant Wood

Gas

(18)

Multi Resources DH (Lausanne)

Source : data SIL, adapt from Ms thesis MUSE L. Michel, 2012

Sewage plant Waste plant Wood

Gas

Power and Energy (DH Lausanne ‐ 2010)

Relative Energy%

Relative Power %

(19)

Multi Resources DH (Lausanne)

Renewableshare

Fossil share

Source : data SIL, adapt from Ms thesis MUSE L. Michel, 2012

Sewage plant Waste plant Wood

Gas

Power and Energy (DH Lausanne ‐ 2010)

Relative Energy%

Relative Power %

(20)

What role for District Heating (DH) ?

• Benefits of DH:

1. Integration of renewable energy in the urban heating

2. Waste energy recovery (waste, combined heat and power, industry) 3. Mutualisation of resources and investments

4. Stabilization of power grid by coupling CHP and HP in winter

• Major constraints:

1. Minimum heat density

(21)

Linear Heat density and Heat losses

Source : Nussbaumer and Thalmann, 2014, Status Report on District Heating Systems in IEA Countries, http://www.ieabcc.nl/publications/IEA_Task32_DHS_Status_Report.pdf

Source : District Heating and Cooling, Euroheat&Power, 2011 survey

Linear Heat density in Europe [MWh/m/y]

(22)

What role for District Heating (DH) ?

• Benefits of DH:

1. Integration of renewable energy in the urban heating

2. Waste energy recovery (waste, combined heat and power, industry) 3. Mutualisation of resources and investments

4. Stabilization of power grid by coupling CHP and HP in winter

• Major constraints:

1. Minimum heat density

2. District heating temperatures

(23)

District heating Temperature Evolution

• Temperature and heating  consumption of buildings  decrease 

• But Temperature and  consumption DHW not  changed (55‐65 °)

• If DH Temperature 

decrease, then resources  Temperature could 

decrease

Source : Hongwei Li et al, 2014, TOWARD 4th GENERATION DISTRICT HEATING:

EXPERIENCE AND POTENTIAL OF LOWTEMPERATURE DISTRICT HEATING, The 14th International Symposium on District Heating and Cooling, Stockholm

(24)

District heating Temperature optimize for Geothermy : an example

• Example in Paris region

• GEOTHERMY :

• 25% Power  = 60% Energy

• multi‐tube district

• Sequential system

• Average return 

Temperature : 35‐40°C

source Semhach (http://semhach.fr/)

(25)

What role for District Heating (DH) ?

• Benefits of DH:

1. Integration of renewable energy in the urban heating

2. Waste energy recovery (waste, combined heat and power, industry) 3. Mutualisation of resources and investments

4. Stabilization of power grid by coupling CHP and HP in winter

• Major constraints:

1. Minimum heat density

2. District heating temperatures

3. Substantial investments ("capital cost")

(26)

Boundaries of the cost of DH

Source graphique : ViaSeva, guide des usagers du chauffage urbain, 2009

R1 R2

P1+P2

primary District

(R) Secondary District

(P)

R1 : consumption proportional to the heat consumed (variable component)

R2 : fixed subscription corresponding to the size of the substation ("pipe size") (fixed component)

→ typical Contract : 10 to 25 year

PRODUCTION CONSUMPTION

(27)

Sale price of DH – France example

Source : AMORCE, Prix de vente de la chaleur en 2013

Sale price based on the majority  of the energy use in the DH

Sharing between fixed (red)  and variable (blue) price

(28)

What role for District Heating (DH) ?

• Benefits of DH:

1. Integration of renewable energy in the urban heating

2. Waste energy recovery (waste, combined heat and power, industry) 3. Mutualisation of resources and investments

4. Stabilization of power grid by coupling CHP and HP in winter

• Major constraints:

1. Minimum heat density

2. District heating temperatures

3. Substantial investments ("capital cost")

• Conflicts and / or synergies between development of DH and  retrofits buildings ?

 REMUER project ongoing (multi‐efficient and renewable resource  district heating)

http://www.unige.ch/energie/fr/activites/axes/energie/remuer/

(29)

Retrofit Logic

Demand  Evolution VS expansion of DH

DH expansion Logic

Retrofit Logic

Source : UNIGE project REMUER, adapt from L. Quiquerez

Example DH «CADIOM‐CADSIG» in Geneva

DH Demand [GWh]

Base Load Peak Load

(30)

Retrofit Logic

Demand  Evolution VS expansion of DH

DH expansion Logic

Retrofit Logic

Source : UNIGE project REMUER, adapt from L. Quiquerez

Example DH «CADIOM‐CADSIG» in Geneva

DH Demand [GWh]

Base Load Peak Load

(31)

Retrofit Logic

Demand  Evolution VS expansion of DH

DH expansion Logic

Retrofit Logic

Source : UNIGE project REMUER, adapt from L. Quiquerez

Example DH «CADIOM‐CADSIG» in Geneva

DH Demand [GWh]

Base Load Peak Load

(32)

Retrofit Logic

Demand  Evolution VS expansion of DH

DH expansion Logic

Retrofit Logic

Source : UNIGE project REMUER, adapt from L. Quiquerez

Example DH «CADIOM‐CADSIG» in Geneva

DH Demand [GWh]

Base Load Peak Load

(33)

Retrofit Logic

Demand  Evolution VS expansion of DH

DH expansion Logic

Retrofit Logic

For a same heat demand (370 GWh), we can :

• Use more waste heat

• Improve relativ share of waste heat ine the DH energy mix

• Lower the heat production cost

• Decrease consumption of total fossil fuels

This requires combining two approaches::

DH Expansion AND

Retrofit Buildings (on the DH)

Source : UNIGE project REMUER, adapt from L. Quiquerez

Example DH «CADIOM‐CADSIG» in Geneva

DH Demand [GWh]

Base Load Peak Load

(34)

Conclusions – key points

• 2 dimensions of geothermal energy : 

• Geo resource vertical AND use horizontal 

• First energy use = thermal use (heating and cooling)

• Geothermal resource → low temperature (<150°C)

Easier to use with DHC

• Key Elements of DHC:

Importance of multi‐resource

Importance of inventory uses (SH, DHW, Industrial, Cold)

Need for a minimum heat density

Importance of temperature levels

Substantial initial investments (capital cost)

prices and costs of heat, competitiveness (economic approach)

development scenarios (geographical approach)

Possible synergies with retrofits buildings

 It takes time !

(35)

Thank you for your attention

• http://www.unige.ch/formcont/geodh

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