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

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UNIVERSITÉ DE GENÈVE FACULTÉ DES SCIENCES

Département F.-A. Forel Professeur Bernard Lachal

des sciences de l’environnement et de l’eau Institut des Sciences de l’Environnement

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

Etat des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève

THÈSE

Présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève

Pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention sciences de l’environnement

Par

Loïc Quiquerez

de Thônex (GE)

Thèse N^o5056

GENÈVE ReproMail

2017

À Jennifer et l’ensemble de ma famille

“L’avenir n’est jamais que du présent à mettre en ordre.

Tu n’as pas à le prévoir, mais à le permettre.”

−Antoine de Saint-Exupéry

Remerciements

Je remercie très chaleureusement toutes les personnes qui m’ont aidé, de près ou de loin, à réaliser ce travail personnel.

Tout d’abord, je pense aux chercheurs, collaborateurs et étudiants qui ont participé aux activités développées au sein du groupe "Systèmes Energétiques" de l’Université de Genève. Les connais- sances accumulées durant plusieurs décennies de recherches interdisciplinaires et pragmatiques sur les systèmes et les filières énergétiques m’ont permis d’acquérir les clés de lecture indispen- sables pour aborder les problématiques soulevées dans mon travail.

Pour leurs apports éclairés tout au long du travail, je remercie vivement les collaborateurs du groupe "Systèmes Energétiques" que j’ai côtoyés durant ces dernières années : Zeinab Alam Ed- dine, Jean-Luc Bertholet, Daniel Cabrera, Catherine Cooremans, Jérôme Faessler, Carolina Fraga, Anthony Haroutunian, Pierre Hollmuller, Stefan Hunziker, Pierre Ineichen, Jad Khoury, Bernard Lachal, Ursula Lehmann, Floriane Mermoud, Fleury de Oliveira, Eric Pampaloni, Elliot Romano, Stefan Schneider, Theodora Seal et Sandrine Veyrat.

Bien entendu, je remercie tout particulièrement mon directeur de thèse, Bernard Lachal, qui par son enthousiasme et toutes ses connaissances m’a permis de me poser les questions essentielles et nécessaires à la réalisation de ce travail. Un grand merci également à Jérôme Faessler pour ses nombreux apports scientifiques et humains.

Pour leur accueil et leur riche enseignement un mois durant, je tiens aussi à remercier les cher- cheurs du groupe "Sustainable Energy Planning" de l’Université d’Aalborg au Danemark, en par- ticulier David Connolly, Poul Alberg Østergaard et Henrik Lund.

Je remercie également les membres du jury de ma thèse pour le temps consacré à la lecture critique du travail :

• Dr Pascal Stabat, centre Efficacité Energétique des Systèmes, Ecole des Mines de Paris ;

• Dr Jérôme Faessler, groupe Systèmes Energétiques, Université de Genève ;

• Prof. Martin Patel, groupe Efficience Energétique, Université de Genève ;

• Prof. François Maréchal, groupe Ingénierie des Processus Industriels et des Systèmes Ener- gétiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Le travail réalisé n’aurait pu se faire sans la collaboration active de nombreuses personnes, en particulier : Julien Ducrest, Thierry Gaudreau, Michel Monnard, Laurent Rami, Marcel Ruegg et Pierre-Alain Spycher des Services industriels de Genève ; Florian Masson, Pascal Matringe et René Ruffieux de CGC Energie SA ; Rémy Beck de l’Office cantonal de l’énergie de Genève ; Olivier Balsi- ger de la commune de Meyrin ; Jean-François Freudiger et Frédéric Pittala de la commune d’Onex ; Cédric Lambert et Patrick Naef de l’Université de Genève.

Je suis également reconnaissant envers toutes les personnes qui m’ont consacré de leur temps que ce soit pour des entretiens ou la mise à disposition de plusieurs données essentielles pour mener à bien mes analyses : Fabio Almeida, Jacques Armengol, Christian Chopard et Roger Dürler (Services industriels de Genève) ; Myriam Garbely et Emile Spierer (Office cantonal de l’énergie de Genève) ; Marcel Büchler (ERZ Entsorgung+Recycling Zürich) ; Giovanni Tarantino (Cadbar SA) ; Laurent Gacond (Viteos SA) ; Bernard Matthey (Masai Conseils SA) ; Silvan Müller (Sankt Galler Stadtwerke) ; Kurt Hostettler (Refuna AG) ; Thomas Tschan (WWZ Energie AG) ; Donald Siegrist (Infras AG) ; Serge Baltassat (Daudin&Cie SA) et de nombreux propriétaires immobiliers ou leurs représentants que je ne citerai pas pour cause de confidentialité.

Pour la reconnaissance des travaux accomplis, je tiens aussi à remercier les acteurs impliqués dans les programmes internationaux DHC+ et IEA-DHC qui, par ailleurs, m’ont beaucoup apporté pour mieux cerner la problématique étudiée dans son contexte international.

Un grand merci encore à l’ensemble des relecteurs des différentes parties du travail pour l’avoir rendu plus lisible et précis.

Enfin, je remercie ma famille et tous mes proches pour leur précieux et indéfectible soutien tout au long de ces années : Jennifer, Fanny, Jacqueline, Gisèle, Charly, Bastien, Robert et bien d’autres encore.

Résumé

Les réseaux de chaleur permettent de mobiliser des rejets de chaleur et des sources d’énergies re- nouvelables pour l’approvisionnement thermique des bâtiments. En vue de décarboner le système énergétique, il apparaît dès lors essentiel d’améliorer et diffuser les connaissances sur ces systèmes et d’évaluer quel pourrait être leur rôle futur. Ce travail aborde ce sujet à travers l’étude de cas du canton de Genève, replacée dans les contextes suisse et européen, en intégrant au mieux les di- mensions techniques, environnementales, économiques et organisationnelles. Il repose pour cela sur une étude bibliographique, des retours d’expérience et l’élaboration de scénarios prospectifs.

Après avoir introduit les principales caractéristiques des réseaux de chaleur, un état des lieux dé- taillé montre que ceux-ci sont déjà bien développés dans quelques pays européens mais restent encore marginaux en Suisse. Dans le canton de Genève, malgré une volonté politique qui pousse en leur faveur, la chaleur à distance ne représente que 10% du marché de la chaleur. L’approvision- nement thermique des bâtiments reste essentiellement basé sur des chaudières à gaz ou mazout.

Plusieurs sources de chaleur renouvelables ou fatales sont pourtant disponibles sur le territoire.

Pour des raisons techniques et/ou économiques, la valorisation de plusieurs d’entre elles n’est toutefois pas envisageable sans la présence de réseaux. Sur les réseaux, leur intégration peut alors être conditionnée par deux aspects majeurs : les niveaux de température pratiqués (aspect quali- tatif ) et les niveaux de déploiement (aspect quantitatif ). Ces aspects sont traités à travers l’étude de systèmes en conditions réelles de fonctionnement. L’analyse de plusieurs réseaux suisses ren- seigne sur les niveaux de température pratiqués et indique qu’il reste un effort important à réaliser pour les réduire. Des températures de retour trop élevées sont en particulier souvent observées, principalement causées par le mauvais fonctionnement de certaines sous-stations aisément iden- tifiables. La baisse des températures nécessitera un suivi et une gestion plus intégrée des installa- tions techniques, à la fois sur les réseaux et dans les bâtiments. Les enjeux liés au niveau de dé- ploiement des réseaux sont abordés à travers le suivi énergétique de la récente interconnexion des deux plus grands réseaux genevois, réalisée pour augmenter la valorisation des rejets thermiques produits par l’usine d’incinération des déchets. Les résultats de ce suivi montrent que cette réa-

lisation permet une baisse importante de la consommation d’énergies fossiles et des économies financières pour la collectivité. La réussite de ce projet illustre l’importance de développer et cou- pler les infrastructures de réseaux pour maximiser la valorisation de sources de chaleur qui sont localement disponibles en grandes quantités toute l’année, mais difficilement stockables.

L’élaboration de scénarios prospectifs de développement du marché de la chaleur à Genève per- met enfin de mettre en avant le rôle des réseaux de chaleur dans la perspective d’atteindre les objectifs de la politique énergétique cantonale en matière de baisse de la consommation d’éner- gies fossiles dans les bâtiments. Ces scénarios sont quantifiés à l’horizon 2035 à l’aide d’un modèle élaboré pour simuler, sur une année, le fonctionnement horaire du système d’approvisionnement en chaleur des bâtiments à l’échelle cantonale. Les résultats montrent que les objectifs pourraient être réalisés dans un scénario combinant rénovation énergétique des bâtiments, développement des réseaux de chaleur et développement des pompes à chaleur individuelles dans les zones défa- vorables aux réseaux (figure 1). Le triplement du taux de pénétration des réseaux de chaleur dans ce scénario permettrait de : i) faciliter la valorisation des sources de chaleur renouvelables et de récupération présentes sur le territoire ; ii) envisager un développement de la cogénération, ce qui semble important pour accompagner celui des pompes à chaleur tant que le mix électrique européen demeure très carboné en période hivernale.

Cette étude permet de conclure que les réseaux de chaleur constituent un levier stratégique dans la perspective de décarboner le système énergétique. Du fait que leur développement peut être limité dans certains contextes par des contraintes territoriales, économiques ou organisationnelles, il semble alors essentiel qu’ils soient pleinement intégrés dans une stratégie globale et cohérente de transition énergétique à même de fournir des conditions-cadres économiques, réglementaires, institutionnelles et de planification favorables à leur déploiement.

(a) Référence 2014 (482’545 habitants) (b) Scénario prospectif 2035 (557’000 habitants) Figure 1 – Flux énergétiques du système d’approvisionnement en chaleur des bâtiments dans le canton de Genève.

Unité : GWh/an

Mots-clés : réseaux de chaleur, énergies renouvelables, efficience énergétique, rejets thermiques, retour

Abstract

District heating networks provide an opportunity to use waste heat and renewable energy sources for the heat supply of buildings. Therefore, it is essential to enhance and disseminate knowledge on these systems and to assess their future role towards decarbonising the energy system. This work addresses this topic through the case study of the canton of Geneva, repositioned in the Swiss and European contexts, integrating technical, environmental, economic and organizational dimensions. To achieve this, it is based on a literature review, experience feedback and the deve- lopment of prospective scenarios.

After introducing the main characteristics of district heating networks, a detailed overview shows that they are already well developed in some European countries but still marginal in Switzerland.

In the canton of Geneva, despite a political will to develop these networks, district heating deli- veries account only for 10% of the heat market. The heat supply of buildings remains essentially based on gas or oil-fired boilers. Yet, several renewable and waste heat sources are available on the territory. For technical and/or economic reasons, the integration of some of these sources re- quires the presence of district heating networks. The way they can be integrated in these systems may then be conditioned by two key aspects : i) the temperature levels used (qualitative aspect) and the levels of deployment (quantitative aspect). These aspects are explored through the study of systems under real operating conditions. The analysis of several Swiss networks provides infor- mation on the current temperature levels used. The findings indicate that a major effort still has to be made to reduce them. Excessively high return temperatures are often observed, mainly due to malfunction of some easily identifiable substations. The reduction of temperatures will require a more integrated monitoring and management of the technical facilities on both networks and connected buildings. The quantitative issues related to the deployment of networks are addres- sed through the energy monitoring of the recent connection between the two largest networks in Geneva, realized in order to increase the recovery of excess heat generated by the waste incine- ration plant. The results show that this achievement allows a significant reduction in fossil fuels

consumption and financial savings for the community. The success of this project illustrates the importance of developing and linking network infrastructures in order to maximize the integra- tion of heat sources that are locally available in large quantities throughout the year, but difficult to store.

Finally, the elaboration of prospective scenarios for the heat market development in Geneva high- lights the role of district heating in achieving the cantonal energy policy targets in terms of reduc- tion of fossil fuels consumption in buildings. These scenarios are quantified for the year 2035 by using a model that, over one year, simulates the hourly operation of the buildings’ heat supply sys- tem at the cantonal scale. The results show that the targets could be met in a scenario combining buildings’ energy renovation, district heating development and individual heat pumps develop- ment in areas that are unsuitable for district heating (figure 2). In this scenario, tripling the pene- tration rate of district heating networks would make it possible to : i) facilitate the integration of renewable and waste heat sources that are available on the territory ; ii) consider the development of cogeneration, which seems important in order to support the development of heat pumps as long as the European electricity mix remains highly carbon-intensive during the winter period.

In conclusion, this study demonstrates that district heating networks are a strategic lever towards decarbonising the energy system. Since their development may be limited in some contexts by ter- ritorial, economic or organizational constraints, it seems essential that they be fully integrated into a global and coherent energy transition strategy that provides economic, regulatory, institutional and planning frameworks supporting their deployment.

(a) Reference 2014 (482,545 inhabitants) (b) Prospective scenario 2035 (557,000 inhabitants) Figure 2 – Energy flows of the buildings’ heat supply system in the canton of Geneva. Unit : GWh/year

Keywords :district heating, renewable energy, energy efficiency, waste heat, experience feedback, prospec- tive scenarios, energy planning, EnergyPLAN model, Geneva.

Table des matières

Remerciements i

Résumé v

Abstract vii

Table des matières xii

Acronymes xiii

Introduction générale 1

1 Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux 5

1.1 Eléments de définition . . . 5

1.2 Positionnement et rôle dans le système énergétique . . . 8

1.3 Sources d’approvisionnement cibles . . . 11

1.4 Enjeux de température . . . 13

1.4.1 Enjeux liés au transport de chaleur . . . 13

1.4.2 Enjeux liés à l’intégration des sources d’approvisionnement . . . 14

1.5 Caractéristiques économiques . . . 16

1.5.1 Coûts . . . 16

1.5.2 Tarification . . . 20

1.6 Aspects organisationnels . . . 21

1.6.1 Structures organisationnelles de la chaîne d’approvisionnement . . . 21

1.6.2 Régimes de propriété-gestion . . . 22

1.7 Contraintes potentielles et instruments de soutien . . . 23

1.8 De la première à la quatrième génération . . . 25

2 Les réseaux de chaleur dans les contextes européen et suisse 31

2.1 Contexte européen . . . 31

2.1.1 Contexte énergétique européen . . . 31

2.1.2 Les réseaux de chaleur en Europe . . . 33

2.1.3 L’exemple danois . . . 36

2.1.4 Rôle des réseaux de chaleur dans la stratégie énergétique européenne . . . 38

2.2 Contexte suisse . . . 40

2.2.1 Contexte énergétique suisse . . . 40

2.2.2 Les réseaux de chaleur en Suisse . . . 42

2.2.3 Rôle des réseaux de chaleur dans la stratégie énergétique suisse . . . 44

2.2.4 Instruments de soutien en faveur des réseaux de chaleur au niveau suisse . 46 3 Les réseaux de chaleur dans le contexte du canton de Genève 53 3.1 Contexte énergétique du canton . . . 53

3.1.1 Approvisionnement énergétique . . . 53

3.1.2 Focus sur le secteur de l’approvisionnement en chaleur . . . 55

3.2 Historique du développement des réseaux de chaleur . . . 60

3.2.1 1960-1974 : premiers tronçons du réseau CADSIG . . . 60

3.2.2 1986-2002 : projet CADIOM . . . 61

3.2.3 Depuis 2002 : extensions et interconnexion des réseaux existants, nouveaux projets . . . 62

3.3 Modèles organisationnels sur les réseaux actuels . . . 63

3.4 Prix pratiqués sur les réseaux actuels . . . 65

3.4.1 Prix pratiqués sur les deux grands réseaux historiques . . . 65

3.4.2 Prix pratiqués sur quelques réseaux de petites tailles . . . 67

3.4.3 Remarques . . . 68

3.5 Densités thermiques linéaires observées . . . 69

3.6 Instruments de soutien en faveur des réseaux de chaleur . . . 70

3.6.1 Cadre légal et outils de planification énergétique . . . 70

3.6.2 Mécanismes de subventionnement . . . 71

3.6.3 Autres formes d’aide . . . 73

3.7 Enquête sur la perception de la chaleur à distance . . . 73

3.7.1 Elaboration d’un questionnaire et profils des répondants . . . 73

3.7.2 Résultats principaux de l’enquête . . . 74

3.7.3 Enseignements principaux . . . 78

3.8 Caractéristiques de la variation temporelle de l’approvisionnement des réseaux et enjeux techniques . . . 79

3.8.1 Introduction . . . 79

3.8.2 Réseaux analysés et caractéristiques météorologiques . . . 81

3.8.3 Dépendance à la température externe . . . 83

3.8.4 Relation puissance−énergie et enjeux pour le dimensionnement des unités de production . . . 85

3.8.5 Variation journalière/saisonnière et rôles du stockage . . . 88

4 Aspects qualitatifs liés aux réseaux de chaleur (températures) : état de la situation en

Suisse 97

4.1 Introduction . . . 97

4.2 Contexte, objectifs et contenu . . . 97

4.3 Températures sur les réseaux actuels . . . 98

4.3.1 Réseaux de chaleur analysés . . . 98

4.3.2 Températures et débits en fonction de la température externe . . . 99

4.3.3 Indicateurs annuels . . . 102

4.4 Températures au niveau des sous-stations . . . 105

4.4.1 Contraintes imposées par les SST sur les températures de réseau : illustra- tion à partir d’une SST typique . . . 105

4.4.2 Influence des sous-stations sur les températures de retour des réseaux . . . 109

4.4.3 Architectures de SST alternatives . . . 114

4.5 Focus sur les températures de distribution de chauffage dans les bâtiments . . . 117

4.5.1 Valeurs attendues et normes . . . 117

4.5.2 Méthodologie . . . 118

4.5.3 Analyse comparative . . . 120

4.5.4 Potentiel de réduction des températures illustré à partir d’exemples . . . 124

4.6 Conclusions et perspectives . . . 127

5 Retour d’expérience sur la connexion des deux plus grands réseaux de chaleur genevois 129 5.1 Introduction . . . 129

5.2 Contexte, objectifs et contenu . . . 129

5.3 Système énergétique étudié . . . 131

5.3.1 Infrastructures de production . . . 131

5.3.2 Infrastructures de transport et distribution . . . 132

5.4 Analyse énergétique et environnementale du système . . . 135

5.4.1 Données et méthode de comptabilisation des flux énergétiques . . . 135

5.4.2 Bilan énergétique annuel du système . . . 138

5.4.3 Impacts de la connexion sur les flux énergétiques annuels . . . 140

5.4.4 Caractéristiques de l’approvisionnement thermique des réseaux . . . 142

5.4.5 Influence de la récupération de chaleur sur la production électrique de l’UVTD150 5.4.6 Potentiel d’optimisation de la récupération de chaleur fatale avec le système actuel . . . 151

5.4.7 Effets d’une variation de la consommation sur les sources d’approvisionne- ment . . . 152

5.5 Evaluation des impacts financiers induits par la connexion . . . 153

5.5.1 Contexte . . . 153

5.5.2 Investissement dans la connexion . . . 154

5.5.3 Impacts financiers de la connexion . . . 154

5.5.4 Analyse de sensibilité . . . 158

5.5.5 Limites de l’analyse . . . 159

5.6 Conclusions et perspectives . . . 160

6 Scénarios de développement du marché de la chaleur à Genève : quel rôle pour les ré-

seaux de chaleur ? 163

6.1 Introduction . . . 163

6.2 Contexte, objectifs et contenu . . . 163

6.3 Démarche prospective entreprise . . . 164

6.4 Méthodologie de quantification des scénarios . . . 166

6.4.1 Définition des scénarios . . . 166

6.4.2 Modèle input/output . . . 167

6.4.3 Périmètre de comptabilisation énergétique . . . 169

6.4.4 Demande de chaleur pour l’année de référence 2014 . . . 171

6.4.5 Evolution de la demande de chaleur . . . 172

6.4.6 Développement des infrastructures énergétiques . . . 177

6.4.7 Synthèse des principaux inputs distinguant les différents scénarios . . . 180

6.4.8 Validation du modèle sous l’angle énergétique . . . 181

6.4.9 Quantification économique . . . 182

6.5 Analyse comparative des scénarios quantifiés . . . 184

6.5.1 Bilans énergétiques et émissions de CO₂du système d’approvisionnement en chaleur . . . 184

6.5.2 Focus sur la chaleur à distance . . . 189

6.5.3 Focus sur l’électricité en jeu . . . 190

6.5.4 Focus sur le gaz . . . 192

6.5.5 Première évaluation des coûts économiques . . . 193

6.6 Conclusions et perspectives . . . 195

6.6.1 Conclusions sur l’analyse comparative des scénarios quantifiés . . . 195

6.6.2 Remarques sur un scénario d’approvisionnement en chaleur sans fossile au niveau local . . . 197

6.6.3 Perspectives . . . 198

Conclusions générales et perspectives 199

Liste des figures 203

Liste des tableaux 215

Bibliographie 217

Annexes 231

Acronymes

CAD Chauffage à distance.

CCF Couplage chaleur-force.

CET Concept énergétique territorial.

CGE Conception générale de l’énergie.

COP Coefficient de performance.

DJ Degrés-jours.

DUP Durée d’utilisation de la puissance.

ECS Eau chaude sanitaire.

EnR&R Energies renouvelables ou de récupération.

ModEnHa Modèle d’encouragement harmonisé des cantons.

MoPEC Modèle de prescriptions énergétiques des cantons.

OFEN Office fédéral de l’énergie.

OFEV Office fédéral de l’environnement.

PAC Pompe à chaleur.

PCI Pouvoir calorifique inférieur.

PCS Pouvoir calorique supérieur.

PDER Plan directeur des énergies de réseaux.

PPE Propriété par étages.

PV Photovoltaïque.

SIG Services industriels de Genève.

SITG Système d’information du territoire à Genève.

SRE Surface de référence énergétique.

SST Sous-station.

STEP Station d’épuration des eaux usées.

TG Turbogénérateur.

TVA Taxe sur la valeur ajoutée.

UNIGE Université de Genève.

UVTD Usine de valorisation et de traitement des déchets.

Introduction générale

Il est désormais largement reconnu qu’un système énergétique basé sur l’exploitation massive des énergies fossiles, qui représentent 81% du mix énergétique mondial en 2015 [1], n’est pas du- rable : épuisement des ressources naturelles, pollution, changements climatiques, tensions géo- politiques, inégalités, etc. Pour limiter ces impacts, une réduction de la consommation d’énergies fossiles s’impose. Le challenge est important dans la mesure où il consiste à réduire sa dépendance vis-à-vis de ressources énergétiques très denses et donc relativement faciles à manipuler, trans- porter, transformer et stocker. Elles imprègnent directement nos modes de vie, que ce soit notre façon de consommer, notre manière de se déplacer, nos standards de confort, mais aussi l’organi- sation des villes et de leurs infrastructures. Le basculement vers un système énergétique durable, la "transition énergétique", nécessite dès lors de repenser l’ensemble du système en prenant en compte les contraintes physiques, techniques, sociales et économiques liées au développement de filières d’approvisionnement alternatives.

Conceptuellement, la consommation d’énergies fossiles peut être réduite de trois façons :

• une plus grande sobriété énergétique ;

• l’amélioration de l’efficience énergétique ;

• la substitution par des énergies renouvelables.

La sobriété énergétique consiste au renoncement partiel ou entier à certains besoins énergétiques parfois superflus. Souvent directement liée aux comportements des usagers finaux, elle n’implique généralement pas de coût et permet de diminuer la consommation d’énergie primaire par la ré- duction ou la suppression d’une prestation énergétique. Il peut s’agir, par exemple, d’accepter de

diminuer la température interne d’un appartement chauffé ou d’éteindre l’éclairage d’une pièce non utilisée. Améliorer l’efficience énergétique signifie diminuer la quantité d’énergie nécessaire pour fournir une même prestation. Cette amélioration peut être réalisée par des mesures prises directement sur les sites de consommation finale, par exemple l’amélioration de la performance thermique des bâtiments ou le remplacement d’appareils électriques peu efficients, ou par des mesures structurelles prises au niveau du secteur énergétique, par exemple le recyclage des re- jets de chaleur produits par les centrales thermiques classiques. Enfin, la substitution d’énergies fossiles par des énergies renouvelables consiste à développer des filières énergétiques basées sur l’utilisation de ressources dont le renouvellement naturel est suffisamment rapide pour qu’elles soient considérées comme inépuisables à l’échelle du temps humain : l’énergie du soleil, du vent, de l’eau, de la géothermie et de la biomasse.

Les réseaux de chaleur, infrastructures dont la fonction principale est de déplacer de la chaleur disponible ou produite à un endroit vers des sites de consommation de chauffage et/ou d’eau chaude sanitaire, offrent deux atouts dans la perspective de décarboner le système énergétique global :

• améliorer l’efficience énergétique en offrant la possibilité de recycler des rejets de chaleur qui, sinon, seraient dégradés dans l’environnement ;

• faciliter l’intégration et la valorisation de certaines ressources énergétiques renouvelables.

Malgré ces atouts et le fait que la demande énergétique soit toujours plus concentrée dans les villes, les réseaux de chaleur restent encore au stade de marché de niche dans de nombreux pays, notamment en Suisse. Dans la perspective de décarboner le système énergétique, il apparaît dès lors essentiel d’améliorer et diffuser les connaissances sur ces systèmes et d’évaluer quel pourrait être leur rôle futur. Sachant que les réseaux de chaleur sont généralement en concurrence avec d’autres technologies d’approvisionnement et que des efforts toujours plus importants sont en- trepris pour réduire la demande de chaleur des bâtiments, la question centrale qui se pose est la suivante : dans quelle mesure, à quel prix et à quelles conditions le développement des réseaux de chaleur permettrait-il d’améliorer l’efficience énergétique et la pénétration des énergies renouve- lables dans le système énergétique ?

Dans ce contexte, les trois objectifs principaux de la thèse sont les suivants :

• dresser un état des lieux contextualisé des réseaux de chaleur ;

• faire émerger les enjeux techniques, économiques, environnementaux et organisationnels que leur développement soulève ;

• évaluer le potentiel qu’ils offrent en vue de décarboner le système énergétique.

Introduction générale

Pour aborder la problématique exposée, ce travail interdisciplinaire se focalise sur le cas du can- ton de Genève, replacé dans les contextes suisse et européen. Il s’appuie à la fois sur une étude bibliographique et l’élaboration de travaux originaux. Ces derniers s’inscrivent dans deux grandes approches : le retour d’expérience (regard vers le passé) et la prospective (regard vers le futur).

Chaînons essentiels et parfois négligés dans les processus d’innovation et de développement des infrastructures énergétiques, le retour d’expérience participe à l’amélioration et à la diffusion des savoirs et des savoir-faire par feedback [2], alors que la prospective aide à la définition des straté- gies par anticipation du futur [3] (figure 3).

Stratégie

Définition d’actions cohérentes

Planification

Organisation dans le temps et l’espace

Développement et mise en œuvre

de projets

Exploitation et usage Retour

d’expérience Prospective

Anticipation du futur

Environnement

• Réalités physiques

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

• Réalités socio-économiques

• Réglementation et normes

Visions, objectifs

Apprentissage Nouvelles expériences Reconnaissance du travail

Feedback Feedback

Feedback

Feedback

Feedback

Figure 3 – Positionnement des apports de la thèse (gris) dans le processus de développement des infrastructures éner- gétiques

Tout d’abord, lechapitre 1introduit, à partir de la documentation existante, les caractéristiques techniques, économiques et organisationnelles des réseaux de chaleur. L’idée fondamentale qui sous-tend leur développement y est explicitée ainsi que les grands enjeux liés à leur développe- ment.

Lechapitre 2resitue ensuite la place des réseaux de chaleur dans les contextes énergétiques eu- ropéen et suisse à partir de rapports et statistiques disponibles sur le sujet. Leurs rôles dans les stratégies énergétiques y sont également présentés et discutés.

Lechapitre 3dresse un état des lieux détaillé des réseaux de chaleur dans le contexte énergétique actuel du canton de Genève. Ce diagnostic fouillé est réalisé sur la base des statistiques cantonales disponibles, des résultats issus de quelques études importantes réalisées dans le canton, d’entre- tiens avec quelques-uns des acteurs clés et de plusieurs analyses complémentaires.

Lechapitre 4traite ensuite spécifiquement des enjeux liés aux niveaux de température pratiqués sur les réseaux de chaleur et dans les bâtiments, en Suisse et à Genève en particulier. Il présente des analyses comparatives de différents systèmes en conditions réelles de fonctionnement, réalisées à partir de données récoltées auprès de plusieurs exploitants de réseaux ou directement mesurées.

Dans lechapitre 5, ce sont les enjeux liés à l’interconnexion de réseaux existants et à la valorisation multi-énergies qui sont approfondis à travers un retour d’expérience sur la récente connexion des deux plus grands réseaux de chaleur genevois, réalisée pour augmenter la récupération des rejets de chaleur générés par l’incinération des déchets. Il se base sur l’analyse de données récoltées auprès des acteurs concernés par le projet qui, par ailleurs, ont accompagné le suivi réalisé sur une période de deux ans et demi.

Enfin, lechapitre 6présente une évaluation quantitative de scénarios prospectifs de développe- ment du marché de la chaleur à Genève, avec un accent sur le rôle des réseaux. Elle s’inscrit dans le cadre d’une réflexion prospective conduite par les Services industriels de Genève et s’appuie sur un outil de simulation de systèmes énergétiques adapté du modèleEnergyPLAN. Développé par l’Université d’Aalborg (Danemark) et largement utilisé pour la planification énergétique à ce genre d’échelles, ce dernier a pu être testé dans le cadre d’une formation dispensée par cette université.

A noter qu’une grande partie des travaux réalisés s’inscrivent dans le cadre d’un partenariat établi entre les Services industriels de Genève (SIG) et l’Université de Genève (UNIGE), dont l’objectif est de renforcer la collaboration entre les deux partenaires pour le développement de la filière académique dans le domaine de l’énergie, tout en permettant aux SIG de bénéficier de prestations d’expertise, de recherche et de conseils de l’UNIGE, notamment dans les domaines de l’efficience énergétique et de la production et distribution d’énergie.

CHAPITRE 1

Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux

1.1 Eléments de définition

Un réseau de chaleur, "district heating" en anglais, désigne un système d’approvisionnement en chaleur de quartiers ou de villes basé sur un réseau dont la fonction est de déplacer de la chaleur d’un endroit où elle est disponible ou produite vers des sites de consommation, généralement pour le chauffage des bâtiments et la production d’eau chaude sanitaire (ECS) dans les secteurs résidentiel, industriel ou des services [4].

Un réseau de chaleur, considéré en tant que système, est physiquement constitué de trois compo- sants techniques fondamentaux :

• un ou plusieurs sites de production où de la chaleur est produite à partir de différentes sources d’énergie, puis transférée à un fluide caloporteur, généralement de l’eau ;

• un réseau de canalisations dans lesquelles le fluide caloporteur est mis en mouvement grâce à des pompes de circulation. Ce réseau est le plus souvent constitué de deux conduites, une aller et une retour : la première transporte l’eau chauffée par les sites de production jus- qu’aux consommateurs, la seconde ramène l’eau qui a cédé ses calories aux consommateurs vers les sites de production où elle est à nouveau réchauffée ;

• plusieurs sous-stations (SST) qui font l’interface entre le réseau de chaleur et les systèmes de distribution de chaleur dans les bâtiments. Généralement, une SST est équipée d’un échan-

geur de chaleur permettant le transfert des calories du réseau primaire vers le réseau de distribution interne du bâtiment (réseau secondaire), lequel alimente ensuite les radiateurs et les ballons accumulateurs pour la préparation de l’ECS.

En ce sens, un réseau de chaleur ne représente pas uniquement des conduites de transport. Il constitue un véritable système mettant en relation des sources énergétiques et une demande de chaleur.

D’autres expressions existent en français pour décrire ce type de système. La notion de distance est ainsi présente dans l’expression "réseau de chauffage à distance", principalement utilisée en Suisse. Le qualificatif "urbain", qui est présent dans l’expression anglaise "district heating", est également souvent utilisé notamment dans l’expression "réseau de chauffage urbain". Enfin, les termes "thermoréseau" ou "réseau de chauffage collectif" sont parfois employés.

Les réseaux de chaleur font partie d’une famille plus large : les réseaux thermiques. Ceux-ci en- globent, outre les réseaux de chaleur, les réseaux de froid ("district cooling" en anglais) et les ré- seaux d’eau tempérée, également appelés réseaux d’anergie ou encore réseaux de chaleur à très basse température ("cold district heating" en anglais). Au niveau international, on distingue les réseaux de chaleur de ces derniers par leur capacité à satisfaire directement les besoins de chaleur des consommateurs, sans recours à des systèmes de production décentralisés dans les bâtiments pour surélever la température [5]. La figure 1.1 permet d’illustrer les différents types de réseaux thermiques. Leurs caractéristiques distinctives sont les suivantes :

• Un réseau de chaleur est en mesure de fournir directement la prestation calorifique deman- dée dans les bâtiments raccordés. Il peut aussi fournir du froid, mais via des machines à absorption décentralisées.

• Un réseau de froid est en mesure de fournir directement la prestation frigorifique demandée dans les bâtiments raccordés. Il peut également fournir de la chaleur, mais via des pompes à chaleur (PAC) décentralisées.

• Un réseau d’eau tempérée, ou boucle d’anergie, peut fournir de la chaleur ou du froid en direct, mais uniquement si les niveaux de température de la demande sont compatibles avec les températures du réseau. Pour les besoins qui ne peuvent pas être satisfaits directement, des systèmes auxiliaires décentralisés chez les consommateurs sont nécessaires (PAC pour la production de chaleur / machine frigorifique pour la production de froid). De part ces contraintes, ces réseaux sont encore au stade expérimental et généralement dédiés à des quartiers neufs ou en transformation caractérisés par une certaine mixité d’usage.

Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux

Réseau de chaleur

Production de chaleur/froid

centralisée

Machine frigorifique à compression Livraison de

chaleur

Pompe à chaleur

Livraison de froid

Production de froid centralisée

Livraison de froid Livraison de

chaleur

Pompe à chaleur

Machine frigorifique à

absorption

Production de chaleur centralisée

Livraison de chaleur

Livraison de froid (à «haute»

température)

Réseau d’eau tempérée

Réseau de froid

55 – 150°C 35 – 70°C

25 – 40°C 9 – 18°C

5 – 9°C 8 – 15°C

Livraison de froid

Livraison de chaleur (à «basse»

température)

Figure 1.1 – Représentation schématique des différents types de réseaux thermiques : réseau de chaleur, réseau d’eau tempérée et réseau de froid

Outre les aspects techniques énoncés, un réseau de chaleur est généralement considéré comme tel lorsqu’il met en relation un vendeur de chaleur (maître d’ouvrage du réseau de chaleur) et plusieurs acheteurs tiers [4]. Dans ce sens, un réseau d’eau chaude mettant en relation quelques bâtiments d’une même entité est alors qualifié de réseau technique, non de réseau de chaleur.

1.2 Positionnement et rôle dans le système énergétique

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 énergétique 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 (1^èreloi) et la création d’entropie (2^èmeloi), 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

1.3 Sources d’approvisionnement cibles

De part leur positionnement dans le système énergétique global et dans la perspective de décarbo- ner celui-ci, les sources d’approvisionnement cibles pour les réseaux de chaleur sont les suivantes [7] :

• les rejets de chaleur provenant de processus industriels ;

• les rejets de chaleur provenant de l’incinération des déchets ;

• les rejets de chaleur provenant de la production d’électricité (CCF) ;

• la géothermie de moyenne et grande profondeur ;

• la chaleur solaire ;

• les combustibles renouvelables non exploitables autrement.

D’autres sources de chaleur, caractérisées par des niveaux de température trop faibles pour être utilisées directement, peuvent constituer des sources d’approvisionnement cibles pour les réseaux de chaleur par l’intermédiaire de pompes à chaleur :

• les rejets de chaleur générés par les systèmes de climatisation ;

• les rejets de chaleur contenus dans les eaux usées ;

• la géothermie de faible profondeur ;

• la chaleur contenue dans les lacs, les rivières ou les mers (hydrothermie).

Toutefois, la haute teneur en CO2de l’électricité marginale produite dans de nombreuses régions limite le bénéfice actuel des pompes à chaleur pour décarboner le système énergétique global [4, 7]. Celles-ci auront cependant un rôle clé à l’avenir avec le développement massif de la production d’électricité renouvelable.

Le bilan annuel typique d’un réseau de chaleur multi-ressources permettant d’améliorer l’effi- cience du système énergétique et la pénétration des énergies renouvelables est représenté dans la figure 1.3, p.12. Alimenté par des rejets de chaleur, ce type de réseau présente une particularité fondamentale : la quantité de chaleur finale délivrée aux consommateurs est plus faible que son approvisionnement en énergie primaire. Les rejets de chaleur proviennent en effet d’une trans- formation d’énergie antérieure qui a déjà fourni sa prestation première, indépendamment du fait qu’ils soient récupérés ou non [8, 9]. En se substituant à de la chaleur produite par des chaudières alimentées par des combustibles fossiles, la chaleur à distance fournie par un réseau de ce type

permet donc de réduire à la fois la consommation d’énergie primaire et les émissions de CO₂au niveau global.

Figure 1.3 – Bilan annuel typique d’un réseau de chaleur multi-ressources permettant d’améliorer l’efficience du sys- tème énergétique et la pénétration des énergies renouvelables−adapté de Frederiksen et Werner [4]

Du fait de la variation saisonnière de la demande, des chaudières alimentées par des combustibles fossiles complètent généralement l’approvisionnement de ces réseaux durant les pics de consom- mation en hiver (figure 1.4). La densité énergétique des combustibles permet en effet de se doter d’infrastructures de production pour des coûts d’investissement relativement faibles. C’est en re- vanche le coût d’achat des combustibles qui impacte le coût de la chaleur produite par ces installa- tions. A l’inverse, les infrastructures énergétiques nécessaires à l’exploitation des rejets de chaleur et de certaines sources de chaleur renouvelables, moins denses énergétiquement et plus diffici- lement stockables, demandent généralement des investissements plus importants. Le coût des

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Puissance thermique fournie au réseau

Heure (du 1er janvier au 31 décembre) Energie primaire fossile

Energie primaire renouvelable disponible en ruban Energie secondaire disponible en ruban (rejets de chaleur)

Figure 1.4 – Courbe de charge typique de l’approvisionnement horaire d’un réseau de chaleur multi-ressources per- mettant d’améliorer l’efficience du système énergétique et la pénétration des énergies renouvelables

Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux

ressources énergétiques utilisées est en revanche souvent nettement plus bas. De ce fait, le com- plément de pointe que peuvent réaliser les chaudières alimentées par des combustibles permet d’optimiser l’utilisation des investissements dans les infrastructures de production basées sur des énergies renouvelables ou de récupération (EnR&R). Dans la mesure où leur disponibilité ne varie pas durant l’année, ces dernières peuvent donc alimenter les réseaux en "ruban" ou "semi-ruban".

Une fois dimensionnées et connectées à un réseau, la hiérarchisation des différentes unités de production engagées pour répondre à la demande peut donc suivre des logiques économique, énergétique et écologique qui généralement vont de pair. Les critères de hiérarchisation sont sou- vent basés sur le coût marginal du kWh produit (logique économique), mais cet ordre de mérite peut également être influencé par des critères de "stockabilité" (logique énergétique) et d’impacts sur l’environnement (logique écologique). D’un point de vue de la collectivité, la hiérarchisation des sources d’approvisionnement qui alimentent un réseau devrait généralement suivre l’ordre suivant :

1. les rejets de chaleur de toute façon produits indépendamment de la demande de chaleur, qu’ils proviennent à l’origine de sources d’énergies primaires fossiles ou renouvelables ; 2. les sources d’énergies primaires renouvelables ;

3. les sources d’énergies primaires fossiles.

1.4 Enjeux de température

1.4.1 Enjeux liés au transport de chaleur

La fonction première d’un réseau de chaleur est le transport de chaleur d’une source énergé- tique jusqu’aux bâtiments pour répondre aux besoins thermiques des usagers, principalement le confort climatique, obtenu lorsque la température interne des bâtiments se situe aux alentours de 20˚C, et la demande d’eau chaude sanitaire à des températures pouvant monter à 50˚C.

Sur un réseau de chaleur, les transferts de chaleur correspondent à la combinaison d’un débit et d’une différence de température (∆T) entre l’eau chauffée par les unités de production transportée dans la conduite aller et l’eau refroidie par les sous-stations transportée dans la conduite retour. La température de départ est directement contrôlée par l’opérateur du réseau. Celui-ci contrôle éga- lement la différence de pression en bout de réseau via des pompes de circulation qui permettent d’assurer le fonctionnement des vannes de régulation dans la sous-station la plus éloignée. La régulation des débits se fait quant à elle au niveau des sous-stations par l’ouverture ou la ferme- ture de ces vannes selon la quantité de chaleur demandée dans les bâtiments. La température de

retour résulte ensuite des caractéristiques de fonctionnement et de régulation de l’ensemble des SST. Elle n’est pas directement paramétrable, mais peut être optimisée par un travail au niveau des SST et dans les bâtiments (cf. chapitre 4). Pour assurer le transport de chaleur jusqu’aux consom- mateurs, l’opérateur du réseau, qui ne peut réguler que la température de départ, doit faire face à deux contraintes techniques principales :

• une contrainte de qualité: la température fournie au réseau doit être supérieure à celle qui est demandée par le bâtiment qui requiert la plus haute température ;

• une contrainte de puissance: la différence de température aller-retour doit être suffisante pour assurer la capacité de transport de la chaleur sur l’ensemble du réseau.

Généralement, les opérateurs de réseaux ont donc un intérêt certain à ce que les températures de retour soient les plus basses possibles afin d’obtenir une différence de température aller-retour adéquate. En augmentant la capacité de transport du réseau, une baisse des températures de re- tour peut aussi offrir la possibilité de réduire les températures de départ, du moment que celles-ci restent suffisantes pour répondre à la demande dans les bâtiments raccordés. En abaissant ces températures, les pertes de distribution de chaleur dans les conduites de transport peuvent être réduites. Par ailleurs, l’augmentation de la différence de température aller-retour permet aussi de limiter les consommations électriques induites par les pompes de circulation du réseau.

1.4.2 Enjeux liés à l’intégration des sources d’approvisionnement

Dans l’environnement, la plupart des sources d’approvisionnement cibles pour les réseaux de cha- leur ne sont disponibles qu’à des niveaux de température limités (figure 1.5). Pour permettre leur acheminement jusqu’aux lieux de consommation, l’un des enjeux majeurs pour les réseaux réside donc dans leur capacité à fonctionner avec des niveaux de température suffisamment bas, tout en s’assurant de répondre aux besoins de chaleur des usagers finaux.

Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux

Sources Transport Distribution Besoins

10 20 30 40 50 60 80 100 200

Combustibles (biomasse, déchets, gaz, mazout, charbon)

Géothermie profonde

Géothermie de moyenne profondeur

Géothermie superficielle

Lac, rivière, mer 0

-10

Air Rejets thermiques Solaire

Réseau de chaleur

Réseau d’eau tempérée

Réseau de froid

Distribution de chauffage Production

d’ECS

Distribution de froid

Confort climatique ECS Température [°C]

500

1000 d’approvisionnement (à l’intérieur du bâtiment)

Figure 1.5 – Représentation schématique des niveaux de température : des sources d’approvisionnement aux besoins thermiques finaux

La possibilité de valoriser une source de chaleur via un réseau de chaleur est en effet directement conditionnée par la différence entre la température de cette source et les températures aller et retour du réseau. D’une façon simplifiée, on distingue trois cas (figure 1.6, p.16) :

1. La température de la source de chaleur est supérieure à la température aller du réseau: Dans ce cas, la source de chaleur peut alimenter le réseau directement. Lorsque celle-ci est limitée en débit, une réduction des températures de retour sur le réseau peut s’avérer intéressante pour accroître la quantité de chaleur qui peut en être extraite (augmentation du∆T).

2. La température de la source de chaleur se situe entre les températures aller et retour du réseau: Dans cette configuration, la source de chaleur peut également alimenter le réseau directe- ment en réchauffant les retours, mais un appoint est nécessaire pour fournir le complément de température requis. Dès lors, une réduction des températures aller et/ou retour peut li- miter la part devant être réalisée par cet appoint et de ce fait améliorer l’intégration de la source de chaleur en question.

3. La température de la source de chaleur est inférieure à la température retour du réseau: Dans cette situation, la source de chaleur ne peut pas alimenter directement le réseau et une PAC est nécessaire. Si la PAC peut produire à la température aller du réseau, une baisse de cette dernière peut améliorer le coefficient de performance (COP) de la PAC. En revanche, si la température de production maximale de la PAC est inférieure à la température aller du ré- seau, un appoint est requis pour fournir le complément de température. Dans ce cas, une

baisse des températures aller et/ou retour peut limiter la part devant être réalisée par l’ap- point et donc améliorer le taux de pénétration de la PAC.

Température

T source > T CAD aller T source < T CAD aller et T source > T CAD retour

T source < T CAD retour Compresseur (PAC) + appoint éventuel

ΔT maximal sur la source de chaleur ΔT maximal sur la source de chaleur ΔT sur la source de chaleur (via un évaporateur)

Appoint

CAD aller

CAD retour Source de chaleur

CAD aller

CAD retour

CAD aller

CAD retour

Figure 1.6 – Enjeux de température pour l’intégration d’une source de chaleur sur un réseau de chaleur. Voir texte

En plus de favoriser l’intégration des sources de chaleur à basse température et d’augmenter le COP des pompes à chaleur, une baisse des températures sur les réseaux permet aussi de :

• augmenter la production électrique sur les couplages chaleur-force ;

• améliorer la récupération de chaleur sur la condensation des fumées dans les chaudières.

1.5 Caractéristiques économiques

1.5.1 Coûts

Au niveau économique, la chaleur à distance délivrée par un réseau de chaleur comporte deux grands postes de coûts : production et distribution. Les premiers concernent les coûts d’inves- tissement et d’exploitation liés à la production de chaleur injectée sur le réseau. Les seconds concernent les coûts d’investissement et d’exploitation nécessaires au transport de la chaleur des sites de production jusqu’aux consommateurs.

Les coûts de la chaleur délivrée peuvent également être distingués selon leur nature : coûts fixes ou coûts variables. Les premiers caractérisent les coûts qui ne varient pas proportionnellement à la quantité de chaleur délivrée aux consommateurs. Ce sont essentiellement les coûts liés aux inves- tissements dans les infrastructures de production et transport. A l’inverse, les seconds qualifient

Chapitre 1. Réseaux de chaleur : caractéristiques et fondamentaux

les coûts qui évoluent de façon plus ou moins proportionnelle à la quantité de chaleur demandée.

Il s’agit en particulier des coûts d’achat des combustibles et de l’électricité utilisés pour produire et transporter la chaleur. Cette double classification des coûts selon le poste et la nature est présentée dans le tableau 1.1.

Nature / Poste Coûts de production Coûts de distribution Coûts fixes •Investissements dans les infrastruc-

tures de production

•Frais d’exploitation et de mainte- nance

•Investissements dans le réseau

•Frais d’exploitation et de mainte- nance

Coûts variables •Achat de combustibles

•Achat d’électricité

•Achat d’électricité pour les besoins de fonctionnement du réseau

Tableau 1.1 – Nature et poste des coûts sur un réseau de chaleur

Lorsqu’ils sont en concurrence avec des systèmes de production de chaleur dans les bâtiments mêmes (chaudières, pompes à chaleur), les deux principes de base pour que les réseaux de chaleur soient économiquement compétitifs sont les suivants (figure 1.7) :

• Les coûts de production doivent être suffisamment faibles pour compenser les coûts de dis- tribution inhérents aux réseaux de chaleur ;

• La densité de raccordement doit être suffisamment importante pour limiter les coûts de dis- tribution.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Densité très faible

Densité faible

Densité modérée

Densité forte

Densité très forte Alternative locale de

production de chaleur

Réseau de chaleur

CHF/kWh

Coûts de distribution de la chaleur Coûts de production de la chaleur

Figure 1.7 – Comparaison entre le coût de la chaleur produite à partir d’un système de production dans le bâtiment même et le coût de la chaleur à distance délivrée par un réseau, séparé entre coûts de production et de distribution selon la densité énergétique de la demande−adapté de Persson et Werner [10]