Report
Reference
Réseaux thermiques multi-ressources efficients et renouvelables : Retour d'expérience sur la rénovation de la chaufferie de quartier de
Laurana-Parc à Thônex (GE)
FAESSLER, Jérôme, et al. & Services Industriels de Genève (SIG)
Abstract
Le retour d'expérience présenté ici concerne une rénovation de chaufferie avec extension du réseau de chauffage à distance (CAD) initial : trois chaudières à gaz d'une puissance totale de 9.8 MW (avec récupération de la chaleur de condensation des fumées) plus une pompe à chaleur (PAC) de 0.34 MW avec champ de 44 sondes géothermiques ont substitué trois chaudières à mazout d'une puissance totale de 3.3 MW. A fin 2015, les réseaux Laurana et son extension Trois-Chênes ont une densité élevée de 7.3 MWh/m/an et couvrent la demande de chauffage et d'eau chaude sanitaire (ECS) de près de 100'000 m2 de surface de référence énergétique (SRE) et 2'500 habitants pour 7 MW de puissance souscrite. A Laurana-Parc, le concept initial était de déphaser partiellement les rejets thermiques de la ressource gaz (récupération de la chaleur des fumées) de l'hiver à l'été tout en arrêtant les chaudières gaz en été. Dans la réalité, les chaudières gaz continuent à fonctionner durant l'été, restreignant l'énergie valorisée par la PAC (essentiellement la géothermie) et empêchant un éventuel [...]
FAESSLER, Jérôme, et al. & Services Industriels de Genève (SIG). Réseaux thermiques multi-ressources efficients et renouvelables : Retour d'expérience sur la rénovation de la chaufferie de quartier de Laurana-Parc à Thônex (GE). Genève : Services
Industriels de Genève (SIG), 2016, 206 p.
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:93169
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Réseaux thermiques multi-ressources efficients et renouvelables :
Retour d’expérience sur la rénovation de la chaufferie de quartier de Laurana-Parc à Thônex (GE)
Jérôme FAESSLER Pierre HOLLMULLER Floriane MERMOUD
Loïc QUIQUEREZ Septembre 2016
Projet REMUER (étude 2) : Réalisé dans le cadre du Partenariat SIG – UNIGE Responsable UNIGE : B. Lachal
Responsable SIG : M. Monnard
Groupe Systèmes Energétiques
Institut Forel / Institut des Science de l’Environnement Uni Carl-Vogt – 66 bd Carl-Vogt ‐ CH 1211 Genève 4
www.unige.ch/energie
Retour d’expérience sur la rénovation de la chaufferie de quartier de Laurana-Parc à Thônex (GE)
Nota bene, Janvier 2018
Pour faire suite au présent rapport, SIG a mis en place un groupe de travail pour mener une analyse complémentaire, concernant la possibilité d’améliorer les performances du projet Laurana. Cette analyse concerne divers scénarios de reconfiguration hydraulique, avec ou sans remplacement de la pompe à chaleur actuelle, dans le but d’une valorisation géothermique accrue. Ces travaux ne font pas partie du présent rapport, qui concerne le projet Laurana dans sa configuration actuelle.
REMERCIEMENTS
Nous tenons à remercier très chaleureusement les membres du groupe de suivi pour leurs apports constructifs, soit MM. David Christophe, Ettore Conti, David Crochet, Julien Ducrest, Fabrice Guignet, Christophe Lacaste, Florian Masson, Michel Monnard, Fabrice Polisano, Bertrand Reverdin, Nicolas Roux, René Ruffieux, Pascal Uehlinger.
Merci également aux différentes personnes nous ayant transmis de précieuses données et/ou apporté leurs éclairages sur les différentes problématiques traitées lors de ce suivi :
Mesdames Senhorihna Barroso, Aude Collier, Valérie Fournel, Carolina Fraga, Caroline Gelez ;
Messieurs Fabio Almeida, Jacques Armengol, Rémy Beck, Marco Bernardo, Didier Caulmilone, Lucien Cecchi, Christian Chopard, Jean Gerber, Bernard Lachal, Pascal Matringe, Tristan Neri, Julien Parrot, Laurent Rami, Esteban Seoane ;
Un grand merci à Stefan Schneider pour l’élaboration de la base de données et à Daniel Pahud pour sa collaboration indispensable et fructueuse sur la modélisation PileSim.
Merci également aux institutions et aux entreprises suivantes pour leur participation et leur implication dans ce suivi :
Caisse de Prévoyance de l’Etat de Genève CPEG : http://www.cpeg.ch/
CGC Energie : http://www.cgcenergie.ch/site/fr/
Commune de Thônex : http://www.thonex.ch/
Conti&Associés Ingénieur SA : http://www.conti-ingenergy.ch/
Office Cantonal de l’Energie OCEN : http://ge.ch/energie/
ProEnova : http://www.proenova.ch/
Services Industriels de Genève SIG : http://www.sig-ge.ch/
Société Privée de Gérance SPG : http://www.spg.ch/
Merci aux Services Industriels de Genève et au responsable de la thermique Michel Monnard pour le financement de ce suivi dans le cadre du partenariat SIG-UNIGE.
Enfin, merci à l’Institut Forel et à sa directrice Vera Slaveykova pour le soutien financier ayant permis l’élaboration de la base de données.
Cadre général de l’étude
Cette étude est effectuée dans le cadre du 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 à SIG de bénéficier de prestations d’expertise, de recherche et de conseils de UNIGE, notamment dans les domaines de l’efficience énergétique et de la production et distribution d’énergie.
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ... 3
TABLE DES MATIERES ... 4
RESUME ... 7
ABSTRACT ... 9
SYNTHESE ... 13
1 INTRODUCTION ... 25
2 CONTEXTE ... 27
2.1 Historique du périmètre Laurana et élargissement à Trois-Chênes ... 29
2.2 Méthodologie générale et données utilisées ... 32
3 ANALYSE ENERGETIQUE ... 35
3.1 Fonctionnement schématique du système ... 36
3.1.1 Chaudières Gaz avec récupération... 37
3.1.2 Réservoir ... 37
3.1.3 Sondes géothermiques ... 37
3.1.4 PAC ... 38
3.1.5 Accumulateur ... 38
3.1.6 Réseaux Laurana et Trois-Chênes ... 39
3.2 Bilan énergétique global du système ... 41
3.2.1 Flux énergétique année 14-15 ... 41
3.2.2 Energie journalière et courbe de charge globale ... 43
3.2.3 Données sur les réseaux Laurana et Trois-Chênes ... 46
3.3 Bilan de fonctionnement de la pompe à chaleur ... 51
3.3.1 Puissances et performances de la PAC ... 51
3.3.2 Bilan des sources froides ... 55
3.3.3 Puissance PAC et demande du réseau Laurana ... 56
3.3.4 Limitation de la fourniture de la PAC liée à la température de départ de Laurana 58 3.3.5 Limitation de la puissance de la PAC liée au débit de Laurana ... 59
3.4 Demande des bâtiments Laurana ... 64
3.4.1 Signature énergétique ... 64
3.4.2 Puissances installées, souscrites et consommées... 67
3.4.3 Analyse détaillée de la demande des six SST de Laurana-Parc ... 70
3.5 Objectifs initiaux et performances réelles ... 85
3.5.1 Efficacité énergétique ... 86
3.5.2 Gaz efficace versus origine de l’électricité ... 87
3.5.3 Emissions de CO2 évitées ... 88
3.6 Synthèse de l’analyse énergétique ... 90
4 ANALYSE ECONOMIQUE ... 93
4.1 Investissements ... 94
4.1.1 Investissements spécifiques pour Laurana-Parc ... 97
4.2 Contrat type et tarification ... 99
4.2.1 Part fixe Laurana/Trois-Chênes ... 99
4.2.2 Part variable Laurana/Trois-Chênes ... 99
4.3 Comparaison entre le prix du contrat et le coût réel selon le type d’énergie ... 101
4.4 Répartition des charges de chauffage de Laurana-Parc ... 104
4.4.1 Historique saisons de chauffe 2005-2006 à 2010-2011 ... 104
4.4.2 Années 2012-2013 à 2014-2015 ... 105
4.4.3 Comparaison du prix de la chaleur historique et du prix de la chaleur contracting ... 107
4.5 Analyse de sensibilité sur le prix du contrat ... 110
4.5.1 Analyse de sensibilité sur le prix contracting du périmètre complet (Laurana et Trois-Chênes) ... 111
4.5.2 Analyse de sensibilité sur le périmètre Laurana et mise en perspective des surcoûts d’investissement PAC/sondes géothermiques ... 112
4.6 Zoom sur les loyers et les charges de chauffage de l’immeuble de la CPEG ... 113
4.7 Synthèse de l’analyse économique ... 115
5 MODELISATIONS NUMERIQUES ... 117
5.1 Principaux paramètres des nouvelles simulations Pilesim ... 119
5.2 Fonctionnement schématique des scénarios ... 122
5.3 Monotone de charge de la demande de Laurana et de la PAC ... 123
5.4 Projection de la température du fluide dans les sondes après 50 ans ... 124
5.5 Synthèse des simulations PileSim ... 125
5.6 Discussion et enseignements des simulations numériques ... 128
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS GENERALES ... 131
Conclusions sur Laurana ... 131
Recommandations et perspectives ... 134
BIBLIOGRAPHIE ... 139
LISTE DES FIGURES... 143
LISTE DES TABLEAUX ... 149
ACRONYMES ... 151
ANNEXES ... 153 Annexe 1 : correspondance entre les scénarios UNIGE (Tableau 12) et les numéros des scénarios de M. Pahud, HEIG-VD ... 153 Annexe 2 : synthèse des scénarios de M. Pahud, HEIG-VD ... 154 Annexe 3 : méthodologie appliquée au calcul du scénario COMPLET / LIMITE ... 156 Annexe 4 : monotone de charge de la demande de chaleur sur Laurana (en rouge) et de la PAC (en vert) sur une année type pour les six scénarios avec de l’eau et de l’antigel (scénarios b) ... 157 Annexe 5 : température minimale et maximale du fluide (eau glycolée) dans les sondes pendant 50 ans pour les six scénarios avec de l’eau et de l’antigel (scénarios b) ... 158 Annexe 6 : détails des scénarios PileSim 0a, 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b et 5a de M.
Pahud (HEIG-VD) ... 159
RESUME
Le retour d’expérience présenté ici concerne une rénovation de chaufferie avec extension du réseau de chauffage à distance (CAD) initial : trois chaudières à gaz d’une puissance totale de 9.8 MW (avec récupération de la chaleur de condensation des fumées) plus une pompe à chaleur (PAC) de 0.34 MW avec champ de 44 sondes géothermiques ont substitué trois chaudières à mazout d’une puissance totale de 3.3 MW. A fin 2015, les réseaux Laurana et son extension Trois-Chênes ont une densité élevée de 7.3 MWh/m/an et couvrent la demande de chauffage et d’eau chaude sanitaire (ECS) de près de 100'000 m2 de surface de référence énergétique (SRE) et 2'500 habitants pour 7 MW de puissance souscrite.
Au niveau économique et énergétique, la réalisation Laurana-Parc et son extension est avant tout un projet de développement de réseaux avec principalement la ressource gaz, comme le rappelle explicitement le bilan énergétique avec 94% de l’énergie fournie par la ressource gaz, 1.5% par la géothermie et le solde de 4.5% par l’électricité :
Ce bilan implique un taux de renouvelable (incluant l’électricité) de 6% (au lieu des 9.5%
prévus), avec une majorité provenant de l’électricité et une ressource géothermique plus faible que prévu (1.5% au lieu de 7%).
Malgré tout, l’efficacité énergétique (gain liés aux transformateurs) s’est améliorée de plus de 20% et les émissions de CO2 évitées se chiffrent à plus de 40% (soit 1‰ des émissions directes des chaudières fossiles du canton), essentiellement grâce à la substitution de mazout vers le gaz (« gaz efficient ») :
Emissions de CO2
avant 2011 (météo corrigée)
Emissions de CO2
année 14-15 (météo corrigée)
Gains CO2
Totaux Dont
mazout → gaz
Dont gaz → PAC Périmètre
Laurana ET Trois -Chênes
4'114 t 2’368 t 1’746 t (42%) 1’229 t (30%) 517 t (12%)
Les performances globales de la PAC sont moyennes avec un COPA de 3.0, dû à une fourniture de chaleur à température élevée (∆T moyen de 45°C). Le taux de couverture annuel moyen de la PAC sur la demande de chaleur du réseau Laurana est de 33%. En été, malgré une demande plus faible que la puissance nominale de la PAC, la couverture se limite à 60% car la PAC fonctionne à charge partielle en raison de plusieurs limitations (en température et/ou en débits).
La puissance maximale des six sous-stations (SST) de Laurana est de 51 W/m2 (moyennes pondérées par la SRE à une température extérieure de -10°C). Globalement, les puissances souscrites sont trop élevées d’environ 20% par rapport aux besoins des bâtiments. La demande annuelle se réparti entre 69% de chauffage et 31% d’ECS.
Les investissements dans le projet de rénovation/extension de la chaufferie Laurana-Parc sont d’environ 12 millions de CHF en tout, dont 9 à la charge du contracteur SIG. Avant la rénovation de la chaufferie, le prix de la chaleur était d’environ 10 à 11 cts/kWh (≈17 CHF/m2) avec une absence de part fixe dans ce prix. Avec le contracting et l’intégration de la part fixe, le prix de la chaleur tourne autour de 15 à 16 cts/kWh (≈22 CHF/m2) :
L’évaluation du surcoût de la PAC sur le seul périmètre Laurana aboutit à un prix de la chaleur d’environ 17.1 cts/kWh, soit 1.2 cts/kWh de plus que le scénario standard sur le périmètre complet. Ce surcoût correspond à une diminution d’environ 20% du tarif gaz. A cet égard, l’année 2015 a vu une baisse d’environ 13% du tarif gaz de SIG, ce qui montre la dépendance du prix à des facteurs externes au projet.
A Laurana-Parc, le concept initial était de déphaser partiellement les rejets thermiques de la ressource gaz (récupération de la chaleur des fumées) de l’hiver à l’été tout en arrêtant les chaudières gaz en été. Dans la réalité, les chaudières gaz continuent à fonctionner durant l’été, restreignant l’énergie valorisée par la PAC (essentiellement la géothermie) et empêchant un éventuel déphasage des rejets thermiques de la ressource gaz.
A terme, avec l’augmentation des SST connectées sur le réseau Trois-Chênes et donc l’augmentation de la chaleur issue de la récupération des fumées du gaz, la géothermie ne sera vraisemblablement plus valorisée et la PAC ne fonctionnera qu’avec les rejets thermiques du gaz. Le champ de sonde géothermique pourrait donc au final n’être ni utilisé pour sa fonction de stockage saisonnier, ni pour sa fonction de fournisseur d’énergie géothermique.
L’augmentation de l’énergie géothermie serait possible avec trois approches techniques différentes : i) augmentation de la puissance PAC ii) augmentation de la température maximale de la PAC iii) arrêt partiel de la récupération de chaleur du gaz. Dans tous les cas, on aboutirait au mieux à 5-6% d’énergie géothermique dans le bilan des ressources énergétiques avec la demande actuelle des deux réseaux.
ABSTRACT
The long term in-situ monitoring presented in this report concerns the renovation of a district heating (DH) heat plant and the extension of the original DH network. The renovation implied the replacement of three oil boilers (cumulated power of 3.3 MW) by three new gas boilers (cumulated power of 9.8 MW, with a two-stage heat recovery system) and a dual source heat pump (HP) with a thermal power of 0.34 MW. The HP sources are geothermal (borehole field of 44 heat exchangers of 300m) and gas (waste heat recovered from the vapour condensate of the gas boiler). The extended DH (Laurana and Trois-Chênes sectors combined) has a high linear density (7.3 MWh/m/year) and is responsible for the heat delivered to approximately 100,000 m2 of heated surface, with 2,500 inhabitants, for 7 MW of subscribed power.
On both economic and energy point of view, the renovation of Laurana-Parc and its extension is above all a network development project, using gas as its main resource. As the energy balance clearly shows, 94% of the energy is supplied by gas, 1.5% by geothermal energy and the remaining 4.5% by electricity:
This balance implies a renewable rate (including electricity) of 6% (rather than 9.5% as was predicted), most of it due to electricity and only a small share of geothermal (1.5% instead of 7% as was expected).
Notwithstanding, the system energy efficiency (gain associated with boiler’s substitution) improved by more than 20% and the reduction in CO2 emissions was in the order of more than 40% (i.e. 1‰ of the direct emissions from fossil fuel boilers in the canton). This reduction in CO2 emissions is mainly due to the resource replacement, from oil to gas:
CO2 emissions before 2011 (adjusted for
weather)
CO2 emissions in 14-15 (adjusted
for weather)
CO2 gains Totals Of which oil → gas
Of which gas → HP Laurana AND
Trois -Chênes 4,114 t 2,368 t 1,746 t (42%) 1,229 t (30%) 517 t (12%) For the monitored year, the measured HP seasonal performance factor (SPF) is 3.0. This performance is explained by the high temperature heat production (HP works with an average ∆T of 45°C). The HP covers 30 to 60 % of the DH heat demand (Laurana sector only):
30% coverage occurs in winter, when the HP operates at full load 90% of the time; 60%
occurs in summer when the HP operates at partial load due to various limitations.
In the Laurana sector, the maximum power of the six SST (at an outdoor temperature of - 10°C) is in average 51 W/m2. Overall, the subscribed power is approximately 20% higher than the building’s needs. As for the heat demand of this sector, 69% is for space heating (SH) and 31% for domestic hot water (DHW).
In total, about 12 million CHF were invested in the renovation/extension of the Laurana- Parc, the selected contractor SIG being responsible for 9 million. Before renovation (2011), the heat price was about 10 to 11 CHF cent/kWh (≈17 CHF/m2), due in particular to the absence of a fixed cost. After replacement/renovation and contracting (2012), a fixed cost is integrated in the price. Therefore, since 2012, the heat price is around 15 to 16 CHF cent/kWh (≈22 CHF/m2).
The estimated additional cost of the HP in the Laurana sector results in a heat price of about 17.1 CHF cents/kWh, which means 1.2 CHF cents/kWh more than the standard scenario for all sectors (Laurana and Trois-Chênes). This additional cost corresponds to a reduction of around 20% in the gas tariff. In this respect, 2015 witnessed a fall of about 13% in the SIG gas tariff, which is evidence that the price depends on factors external to the project.
Laurana-Parc is a pioneer installation that was built with the intention of using a borehole heat exchanger field as a seasonal storage of waste heat recovered from gas (vapour condensate heat recovery), which would allow the shutdown of gas boilers in summer. In reality, the gas boilers continue working throughout the summer, limiting the energy extracted from the boreholes (essentially geothermal energy) and obstructing the phase shift of waste heat.
In the long term, the increase of buildings connected to the DH sector of Trois-Chenes will lead to an increase of waste heat from the gas resource. The waste heat will eventually become the only heat source of the HP thus blocking the use of geothermal energy. At the end, the borehole heat exchanger field will neither be used for its seasonal storage function nor for its function as a geothermal energy supplier.
The increase of geothermal energy in the system is possible with three technical changes: i) increase HP power; ii) increase HP maximum output temperature; iii) punctual stop of waste heat from gas. Nevertheless, these changes would lead to a rate of geothermal energy in the energy resources balance of 5-6% at best, with the current demand in the two DH sectors.
SYNTHESE
CONTEXTE
Situé à Thônex dans le canton de Genève, le complexe de Laurana-Parc comporte plusieurs bâtiments datant des années 1960, initialement chauffés par une chaufferie à mazout avec un chauffage à distance (CAD) de quartier. Dès 2011, trois nouvelles chaudières à gaz (Pth totale = 9.8 MW) avec récupérateur à condensation furent installées en parallèle d’une pompe à chaleur (PAC de Pth = 0.34 MW) couplée à un champ de sondes géothermiques et à la récupération de la chaleur des fumées des chaudières. La rénovation de la production de chaleur s’accompagna d’une réfection complète du CAD et de la création de sous-stations (SST) décentralisées dans les immeubles du périmètre Laurana. Dès 2013, le périmètre de desserte du CAD fut étendu à certains immeubles du quartier (périmètre Trois-Chênes). Le financement et la réalisation de ce projet ont été confiés aux Services Industriels de Genève (SIG) sous la forme d’un contracting énergétique.
Le retour d’expérience présenté ici concerne plus spécifiquement le périmètre historique Laurana avec ces six sous-stations mais également l’ensemble des deux réseaux (Laurana + Trois-Chênes) étant donné que le contracting de SIG couvre l’ensemble du périmètre avec un prix unique. Ce système complexe et évolutif a été suivi par le groupe systèmes énergétiques de l’Université de Genève (UNIGE) pendant deux ans, en collaboration avec un groupe de suivi mis en place pour l’occasion et comprenant des représentants du contracteur, du chauffagiste, du bureau d’ingénieur, des propriétaires, de la régie, de l’Etat et de la commune. Les résultats présentés dans ce rapport correspondent à une année glissante du 1er octobre 2014 au 30 septembre 2015 (année 14-15).
ANALYSE ENERGETIQUE
La production de chaleur des deux réseaux est assurée par un ensemble de chaudières à gaz en complément à de la géothermie. La récupération de chaleur par condensation des fumées, qui s’effectue à une température trop basse pour être valorisée directement sur les réseaux, est acheminée vers un réservoir à température tiède. Cette chaleur est utilisée soit directement comme source froide pour la PAC, soit pour la recharge des sondes géothermiques, qui constituent la deuxième source froide de la PAC. La production de la PAC alimente le retour du réseau Laurana, qui, mélangé à celui de Trois-Chêne, repart vers les chaudières à gaz. Ces dernières fournissent le complément de chaleur nécessaire à ramener ces réseaux à leurs températures de départ.
Globalement, on peut représenter le schéma annuel des flux comme suit :
En bilan annuel, la ressource gaz fournit 94% des besoins énergétiques, la géothermie 1.5%
et l’électricité 4.5%. La ressource gaz est utilisée de manière efficace (93% de rendement sur PCS) grâce au couplage avec la PAC via le réservoir d’eau tiède. Les pertes thermiques sont très faibles.
Concernant la PAC, les performances globales sont moyennes avec un COPA de 3.0, dû à une fourniture de chaleur à température élevée (∆T moyen de 45°C). Le temps d’utilisation de la PAC est élevé (90%) mais à puissance partielle (moitié de l’année à Pnominal alors qu’il était prévu 8'000 heures/an) :
Le taux de couverture de la demande de chaleur du réseau Laurana par la PAC est compris entre 30% et 60%. En hiver, la PAC fonctionne à pleine puissance plus de 90% du temps. En été, elle est limitée à 60% car elle fonctionne à charge partielle :
En effet, malgré une demande moyenne horaire du réseau Laurana de 130 kW, la PAC de 338 kW fonctionne à puissance partielle en été et ne peut couvrir que 60% des 3'000 kWh journalier estivaux pour trois raisons principales :
Le mode de gestion de la légionnelle qui implique une montée en température journalière de l’ensemble du réseau ne permet pas de faire fonctionner la PAC entre 4h et 6h du matin (ce qui correspond à environ un tiers de la non-utilisation de la PAC) ;
La température estivale de départ du réseau Laurana de 64°C qui n’est pas compatible avec le niveau de température fourni par l’accumulateur (62.3°C en moyenne) ;
La problématique de l’équilibre des débits lorsque le débit du réseau Laurana est plus faible que le débit du condenseur PAC qui implique un mélange dans l’accumulateur et une augmentation de la température d’entrée au condenseur PAC (diminution du différentiel de température au condenseur et donc de la puissance de la PAC).
Deux optimisations pour fournir plus d’énergie via la PAC seraient possibles : soit baisser la température de départ du réseau Laurana à la température de fourniture de l’accumulateur de la PAC, soit coupler hydrauliquement la PAC au réseau Trois-Chênes, sous réserve d’avoir rendu compatible les températures de retour sur ce second réseau et/ou de remplacer la PAC par une PAC haute température (Tmax > 75°C).
Les réseaux Laurana et Trois-Chênes (périmètre complet) ont une densité élevée (7.3 MWh/m/an) et couvrent à fin 2015 près de 100'000 m2 de SRE avec 2'500 habitants pour 7 MW de puissance souscrite. Les températures de départ de ces deux réseaux sont standards pour ce type de réseau (< 75°C) mais avec des différences de température aller/retour relativement faibles, notamment en été en raison de l’architecture des SST.
La puissance maximale des six sous-stations (SST) de Laurana est de 51 W/m2 (moyennes pondérées par la SRE à une température extérieure de -10°C), variant de 42 W/m2 à 68 W/m2. Ces valeurs sont standard pour des bâtiments de type logements non rénovés des années soixante. Globalement, les puissances souscrites sont trop élevées d’environ 20% par rapport aux besoins réels des bâtiments.
La répartition entre la demande de chauffage et la demande d’eau chaude sanitaire (ECS) sur Laurana est en moyenne de 69%, respectivement 31%. La consommation spécifique d’ECS (y compris pertes boiler et pertes distribution) de 1'650 kWh/hab/an ou 148 MJ/m2/an est dans la fourchette haute des valeurs typiques des bâtiments genevois de logements locatifs raccordés à un CAD.
Les températures de retour d’une SST ont été étudiées en détail (ECS et chauffage) et montrent que la demande en ECS augmente cette température de manière significative en été, notamment en raison d’une architecture de SST peu compatible avec des températures de retour les plus basses possibles :
Cependant, dans le cas de Laurana, la diminution de la température du retour de réseau n’aurait pas amélioré les performances de la PAC en raison des limitations en débit. Mais cet enjeu de la température de retour reste une problématique importante dans le contexte d’une valorisation plus intensive des ressources renouvelables à basse ou moyenne température (avec ou sans PAC).
OBJECTIFS INITIAUX ET PERFORMANCES REELLES
Les objectifs planifiés ont été comparés aux résultats de l’année 14-15 :
L’énergie issue de la PAC est plus faible que prévu et influence négativement la part issue de la géothermie, étant donné que la récupération de la chaleur de condensation du gaz est priorisée par rapport au soutirage de la chaleur naturelle du sous-sol. Cela implique un taux de renouvelable (incluant l’électricité) de 6% au lieu de 9.5% prévu, avec une majorité d’électricité (4.5%) et une ressource géothermique beaucoup plus faible que prévu (1.5% au lieu de 7%).
Cependant, grâce à la récupération de chaleur sur les fumées et la substitution mazout/gaz, l’efficacité énergétique s’est améliorée de plus de 20% et les émissions de CO2 ont été diminuées de plus de 40% (soit 1‰ des émissions directes des chaudières fossiles du canton) :
Emissions de CO2
avant 2011 (météo corrigée)
Emissions de CO2
année 14-15 (météo corrigée)
Gains CO2
Totaux Dont
mazout → gaz
Dont gaz → PAC Périmètre
Laurana ET Trois -Chênes
4'114 t 2’368 t 1’746 t (42%) 1’229 t (30%) 517 t (12%)
Même si les deux tiers des émissions de CO2 évitées sont liées à la substitution du mazout vers le gaz, le dernier tiers est réellement lié à l’efficacité du système gaz plus PAC.
Cependant, l’efficacité de ce couplage entre condensation du gaz et PAC ne l’est qu’en s’assurant de la provenance renouvelable de l’électricité.
MWh Rapport
réalité/planifiés
Production de chaleur (utile) 85%
Energie Gaz (utile) 90%
dont recupération étage 1
dont recupération étage 2 73%
Energie PAC (utile) 64%
dont Gaz 1'087 49% 806 56% 74%
dont géothermie 833 37% 155 11% 19%
dont électricité 320 14% 473 33% 148%
taux de couverture PAC taux Energie Renouvelable
dont part Electricité dont part Géothermie
14%
6%
4.5%
1.5%
18.5%
9.5%
2.5%
7%
1'435 Objectifs Planifiés
(CONTI 2012) 12'092
9'852 440 1'087 2'240
10'328 Réalité 2014-2015
8'894
? 798
ANALYSE ECONOMIQUE
Les investissements dans le projet de rénovation/extension de la chaufferie Laurana-Parc sont conséquents (près de 12 millions de CHF - MCHF). Les copropriétaires de la chaufferie historique ont réinvestis plus de 2.5 MCHF dans la rénovation du local chaufferie et la création de SST dans les immeubles Laurana. Ils ont donc financé l’équivalent d’un renouvellement standard de la chaufferie au mazout tout en bénéficiant de moyens de productions plus efficaces (avec la PAC), avec désormais une facturation par immeuble correspondant à la réalité de la consommation. Les SIG, choisis comme contracteur du projet, ont investis plus de 9 MCHF dans la rénovation des capacités de production et de distribution et le développement d’un nouveau réseau CAD, soit environ 940 CHF/kW installé :
SIG a pris en charge les risques financiers liés à l’investissement mais en contrepartie a obtenu de nombreux nouveaux clients qui consommaient avant du mazout. Actuellement, SIG couvre ses coûts liés à l’achat des ressources avec un bénéfice de 2% (sans compter les marges déjà intégrées dans la part variable du contrat). Pour correctement rentabiliser son investissement, SIG devrait vendre 7.3 MW de puissance souscrite sur les 30 ans de durée de vie du contracting.
L’évolution du prix de la chaleur à Laurana a été comparé entre avant 2011 (mazout) et après 2012 (rénovation chaufferie), en ajoutant une part fixe théorique pour les années 2005 à 2011 de 3 cts/kWh :
Avant la rénovation de la chaufferie, le prix de la chaleur était d’environ 10 à 11 cts/kWh (≈17 chf/m2)en raison notamment de l’absence de part fixe dans ce prix (amortissement des chaudières mazout non pris en compte). Depuis le contracting et avec l’intégration d’une part fixe dans le prix de la chaleur, ce dernier tourne autour de 15 à 16 cts/kWh (≈22 chf/m2). Cette augmentation des charges de chauffage (+35%) a été entièrement supportée par les locataires, ce qui pose des problèmes d’acceptabilité lors du passage d’une chaudière à mazout à un CAD du point de vue des locataires. Cependant, dans le cas de l’analyse détaillée de l’immeuble de la CPEG, il a été montré que ces charges de chauffage restent cinq fois plus faibles que les charges liées aux loyers, eux-mêmes relativement faibles (dans le cas de la CPEG) par rapport à la moyenne cantonale.
Une évaluation du surcoût de la PAC sur le seul périmètre Laurana aboutit à un prix théorique de la chaleur d’environ 17.1 cts/kWh, soit 1.2 cts/kWh de plus que le scénario standard sur le périmètre complet. Ce surcoût correspond à une diminution d’environ 20%
du tarif gaz. A cet égard, l’année 2015 a vu une baisse d’environ 13% du tarif gaz de SIG, montrant la dépendance du prix à des facteurs externes au projet.
Avec des hypothèses de rendement de chaudière et de charges fixes standards, un prix moyen du mazout de l’ordre de 1 CHF/l TTC sur les 30 ans de l’installation permettrait d’atteindre une équivalence économique pour les locataires (hors évolution des taxes type CO2 ou autres).
Au niveau économique et énergétique, la réalisation Laurana-Parc et ses extensions est avant tout un projet de développement de réseaux avec une ressource gaz, comme le rappelle explicitement le bilan énergétique.
MODELISATIONS NUMERIQUES
Les analyses techniques et économiques de Laurana ont été complétées par des simulations numériques (PileSim) afin de voir les éventuelles optimisations possibles pour cette réalisation et/ou de futurs projets. Un scénario de calibration (BASE) et cinq scénarios alternatifs ont été évalués selon différents indicateurs :
Unité Mesures
14-15 BASE COMPLET
/ LIMITE COMPLET LAURANA
/ LIMITE LAURANA NO RECUP Taux de couverture
PAC sur périmètre Laurana
% 33 35 43 46 31 31 23
Taux de couverture géothermique (yc Elec) sur pér. Laurana
% 5 6 16 20 22 22 23
Puissance PAC kW 338 320 603 279 236 168 120
P spécifique sondes W/m 16 16 22 14 10 8 6
Energie PAC MWh/an 1’435 1’480 1’842 1'937 1'302 1'327 991
Dont géothermie MWh/an 155 139 412 547 603 622 661
Dont récup Gaz MWh/an 806 848 816 744 265 263 0
Dont Electricité MWh/an 473 493 614 646 434 442 330
E spécifique sondes kWh/m/an 13 13 34 42 46 47 50
Emissions de CO2 tonnes 856 827 756 717 741 741 841
Le scénario COMPLET / LIMITE correspond au scénario BASE (avec limitation en température et/ou en débit côté condenseur) avec un redimensionnement de la PAC permettant de soutirer plus d’énergie géothermique afin de correspondre à la norme SIA (refroidissement local à long terme). Ce scénario permettrait de gagner un quart d’énergie PAC en plus (+362 MWh) avec une puissance presque doublée par rapport au scénario BASE et augmenterait le taux de couverture de la géothermie sur le périmètre Laurana (de 6% à 16%).
Le scénario COMPLET correspond au scénario BASE mais sans limitation en température et/ou en débit côté condenseur. Ce scénario est le plus performant en matière de taux de couverture de la PAC sur le périmètre Laurana et d’émission de CO2. En comparant le scénario COMPLET au scénario COMPLET / LIMITE, on s’aperçoit que la limitation en température et/ou en débit fait perdre environ 100 MWh d’énergie PAC ou 135 MWh de géothermie.
Le scénario LAURANA / LIMITE correspond à un périmètre restreint à Laurana (sans la puissance gaz dédiée à Trois-Chênes, y compris la récupération correspondante) en intégrant la limitation en température et/ou en débit côté condenseur du scénario BASE. Ce scénario restreint est comparable à la BASE en matière de fourniture d’énergie PAC, avec une inversion complète entre l’apport de la source géothermique (+464 MWh) et l’apport de la récupération de gaz (-583 MWh) et une meilleure performance environnementale. Cela montre que l’extension Trois-Chênes a augmenté considérablement les besoins en gaz (donc
la récupération de gaz), ce qui a phagocyté la géothermie, car la récupération de la chaleur des fumées du gaz est prioritaire sur la géothermie. Dit autrement, la connexion du périmètre Trois-Chênes n’était pas nécessaire du point de vue énergétique et environnemental.
Le scénario LAURANA (sans limitation en température et/ou en débit côté condenseur) est en tout point similaire au LAURANA / LIMITE et possède simplement une puissance PAC plus petite.
Le scénario NO RECUP ne comprend plus la partie récupération de la condensation des fumées et la PAC ne fonctionne plus que sur le champ de sondes géothermiques, sans limitation en température et/ou en débit côté condenseur. Ce scénario implique le plus faible taux de couverture de la PAC et les plus grandes émissions de CO2 de tous les scénarios. Ce scénario peut être comparé au LAURANA et montre une très mauvaise performance environnementale (100 t de CO2 en plus, soit +14%), révélant l’intérêt de faire du gaz efficace grâce à la PAC dans les autres scénarios.
Il faut relever que les scénarios avec de l’eau et de l’antigel dans les sonde plutôt que de l’eau seule permettent de gagner 200 à 300 MWh de géothermie par an dans le bilan global en raison d’une température cible à 50 ans de -1.5°C en lieu et place de 4.5°C. Cela est possible en redimensionnant une PAC plus puissante et donc en valorisant plus d’énergie.
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS GENERALES
A Laurana-Parc, il s’agit d’une installation pionnière qui visait à déphaser partiellement les rejets thermiques de la ressource gaz (récupération de la chaleur des fumées) de l’hiver à l’été tout en arrêtant les chaudières à gaz en été. Le champ de sondes géothermiques devait d’abord avoir une fonction de stockage et subsidiairement une fonction de fournisseur d’énergie géothermique.
En théorie, le concept n’est intéressant que pour valoriser via une PAC les deux sources d’énergie que sont :
La récupération de la chaleur des fumées du gaz, permettant de faire du gaz efficace en gagnant 9% en plus sur le PCI gaz ;
L’énergie géothermique contenue initialement dans le sous-sol (de l’ordre de 600 MWh annuel pour 13'200 m de sondes avec de l’eau comme fluide).
C’est la somme de ces deux ressources qui font l’intérêt du concept, car du gaz efficace peut se faire avec une PAC mais sans avoir besoin d’un champ de sondes géothermiques.
En pratique, pour utiliser la fonction de stockage du champ de sonde, l’enjeu est d’arrêter les chaudières à gaz en été. Or, plusieurs enjeux liés à la demande estivale ont été sous- estimés dans le projet Laurana-Parc :
La demande ECS ne fonctionne pas en ruban dans la réalité, mais avec trois pics caractéristiques (matin, midi, soir) ;
La problématique du mode anti-légionnelles impose des températures trop élevées pour la PAC ;
Les températures de retour des réseaux sont trop haute pour la PAC en raison d’une température de départ trop chaude et/ou d’un ∆T sur le réseau trop faible (lié à l’architecture des SST) ;
La problématique de l’équilibre des débits entre la PAC et le réseau, qui limite la puissance de la PAC ;
Ces problématiques hétérogènes, additionnées au fait que le rapport des puissances entre les chaudières GAZ et la PAC est défavorable dans le cas de Laurana, impliquent que les chaudières à gaz ne peuvent pas, en pratique, s’arrêter en été. Ceci déséquilibre encore plus le rapport entre les sources froides de la PAC, la récupération de gaz phagocytant la géothermie.
A court terme, avec l’augmentation des SST connectées sur le réseau Trois-Chênes et donc l’augmentation de la chaleur de récupération du gaz, la géothermie ne sera vraisemblablement plus valorisée et la PAC ne fonctionnera qu’avec la récupération de gaz.
Le champ de sonde géothermique pourrait donc au final n’être ni utilisé pour sa fonction de stockage saisonnier, ni pour sa fonction de fournisseur d’énergie géothermique.
Au final, trois recommandations générales et quatre réflexions plus globales ont pu être détaillées dans les conclusions et sont résumées ici :
1. Emettre un document de référence technico-économique avant la construction 2. Concevoir le dimensionnement des installations en tenant compte de la dynamique
de la demande
3. Optimiser les installations pendant et après la réalisation
4. Baisser les températures des réseaux à l’aide d’un système de bonus/malus
5. Mesurer à l’aide d’un retour d’expérience la baisse effective des températures de retour grâce à de nouvelles architectures de sous-stations
6. Encadrer le taux de renouvelable à l’aide d’une fiscalité attractive
7. Apprécier la problématique du paiement de la part fixe lors du passage d’une chaudière à un CAD
L’ensemble de ce suivi approfondi n’aurait pas été possible sans la participation active et constructive des membres du groupe de suivi. Grâce à leur ouverture d’esprit, les données technico-économiques ont pu être analysées en détail, ce qui reste rare dans le monde de l’énergie de nos jours. Ce type de recherche, complexe par essence, permet également de créer une base de connaissance des pratiques et des réalités dans le domaine de l’innovation énergétique, en la stimulant par un processus de feedbacks entre académiques et praticiens.
1 INTRODUCTION
Infrastructures permettant de relier ressources énergétiques et demande, les réseaux thermiques sont un élément-clé dans l’optique d’intégrer plus d’énergie renouvelable, d’offrir de la flexibilité et d’améliorer l’efficacité de l’ensemble du système énergétique. De récentes études européennes montrent que la combinaison d’un développement des réseaux thermiques en zones urbaines et des pompes à chaleur en zones rurales tout en réduisant de 35% la demande de chaleur permettrait d’atteindre les mêmes objectifs en 2050 qu’un scénario basé sur une réduction plus drastique de la demande (CONNOLLY et al, 2014). L’avantage d’un scénario intégrant les réseaux thermiques et optimisant l’offre et la demande est son coût nettement inférieur : l’économie estimée dans l’étude Heat Roadmap Europe (HRE) est d’environ 100 milliards d’Euros/an en 2050 (CONNOLLY et al, 2013).
Ces coûts restent des ordres de grandeur à prendre avec prudence mais permettent de montrer qu’il existe des alternatives à des approches basées uniquement sur une réduction drastique de la demande, comme par exemple dans le modèle Prognos de la stratégie énergétique 2050 suisse où plus de 50% du chauffage actuel doit avoir été économisé d’ici 2050 avec une augmentation de la surface de référence énergétique (SRE) d’un tiers (FAESSLER, 2015).
Si les réseaux thermiques fournissent plus de 50% des habitants dans certains pays – Danemark, Suède, Finlande, Estonie, Lituanie, Lettonie (EUROHEAT&POWER, 2015) -, ils restent marginaux en Suisse et à Genève, où la chaleur à distance délivrée représentent respectivement environ 5% (OFEN, 2015) et un peu moins de 10% (OCSTAT, 2016) des besoins de chaleur. Ces besoins sont aujourd’hui encore essentiellement assurés par des chaudières individuelles alimentées par des combustibles fossiles (mazout et gaz).
Dans l’optique de répondre aux objectifs énergétiques ambitieux de la conception générale de l’énergie (RÉPUBLIQUE ET CANTON DE GENÈVE, 2013), le canton de Genève s’est récemment doté d’une loi imposant notamment la réalisation d’un plan directeur des énergies de réseaux ainsi qu’une obligation de raccordement aux réseaux thermiques sous réserve de rationalité énergétique et économique (LEn, art.22). Ce plan directeur devrait permettre à terme de mettre sur pied une véritable stratégie de planification territoriale à l’échelle cantonale pour le développement intégré et coordonné des réseaux thermiques.
Dans les zones urbaines, un déploiement réfléchi permettrait en effet de mutualiser les investissements à consentir pour la production d’énergies renouvelables et favoriserait la valorisation des rejets de chaleur (ou chaleur fatale).
Au niveau local, une forte volonté politique pousse au développement de réseaux efficients et renouvelables et les Services Industriels de Genève (SIG) ont une expérience de gestionnaire de réseaux thermiques depuis 50 ans. C’est dans ce cadre que le projet REMUER (REseaux thermiques MUltiressources Efficients et Renouvelables) est né, mené par l’Université de Genève et financé par les Services Industriels de Genève (FAESSLER et al, 2012).
Deux retours d’expérience complets ont été réalisés en parallèle : l’un sur l’interconnexion des réseaux CADIOM (alimenté par la chaleur fatale de l’usine d’incinération) et CADSIG (alimenté par du gaz) (QUIQUEREZ et al, 2015), l’autre sur le remplacement d’une chaufferie à mazout de quartier par une production combinée gaz plus pompe à chaleur géothermique
(Laurana-Parc). C’est ce deuxième retour d’expérience approfondi qui fait l’objet de ce rapport.
Afin de permettre un feedback ainsi qu’un échange d’information tout au long de l’étude, un groupe de suivi rassemblant les représentants des divers acteurs impliqués (exploitants des réseaux primaires et secondaires, bureau d’ingénieur du projet, représentants des propriétaires, régie, représentants de l’Etat de Genève) a été constitué. Il s’est réuni cinq fois entre juin 2013 et novembre 2015.
Le suivi a porté tant sur les aspects énergétiques qu’économiques. Les objectifs principaux de ce suivi étaient :
Analyser le système en fonctionnement réel ;
Etablir le bilan énergétique (production, chauffage, eau chaude sanitaire – ECS) ;
Evaluer le bon fonctionnement du champ de sondes géothermiques et de la pompe à chaleur (PAC) ;
Comparer les performances du système par rapport à la situation initiale ;
Caractériser le taux de couverture de la PAC et le taux de couverture en énergie renouvelable ;
Analyser le coût de production de la chaleur selon les coûts fixes et variables ;
Evaluer l’effet de scénarios alternatifs ;
En raison d’un problème avec l’étanchéité d’une sonde géothermique, le système a fonctionné sans PAC pendant plus de deux ans. Prévu initialement sur un an et demi (avec deux hivers), le suivi du système complet avec la PAC a été effectué sur une année glissante (du 1er octobre 2014 au 30 septembre 2015).
Après un historique et une description du système énergétique étudié (chapitre 2), les résultats du suivi énergétique sur une année complète sont présentés (chapitre 3). Ceux-ci incluent l’ensemble des constituants du système énergétique, de la production à la demande de chaleur, ainsi que des indicateurs de performance avant/après projet. Parallèlement, une analyse économique intégrant les prix et les coûts du système a été menée (chapitre 4).
Finalement, des scénarios alternatifs développés avec le logiciel PileSim (chapitre 5) ouvrent la discussion sur plusieurs enjeux et permettent d’élaborer quelques recommandations plus générales sur ce type de système.
2 CONTEXTE
Situé à Thônex dans le canton de Genève (Figure 1), le complexe de Laurana-Parc comporte plusieurs bâtiments (12 allées) datant des années 1960, initialement chauffés par une chaufferie à mazout couplée à un petit chauffage à distance (CAD) de quartier. Dès 2007, cette chaufferie n’étant plus conforme aux exigences de l’ordonnance sur la protection de l’air, il fut prévu de la remplacer par une nouvelle production de chaleur. Le choix d’une combinaison gaz et pompe à chaleur (PAC) avec champ de sondes géothermiques fut fait.
Figure 1 : localisation du projet de rénovation de chaufferie (source Système d'Information du Territoire Genevois SITG - http://ge.ch/sitg/)
Chaufferie Laurana-Parc
Le projet s’accompagna d’une réfection complète du CAD et de la création de sous-stations (SST) décentralisées dans les immeubles du périmètre initial (ci-après nommé périmètre Laurana). Le financement et la réalisation du projet sont alors confiés aux Services Industriels de Genève (SIG), sous la forme d’un contracting énergétique. Dans ce cadre, une extension du périmètre de desserte du CAD à certains immeubles du quartier est prévue par le contracteur (ci-après nommé périmètre Trois-Chênes).
En septembre 2015, la chaufferie alimente deux CAD hydrauliquement séparés (Laurana avec 6 sous-stations et Trois-Chênes avec 12 sous-stations - Figure 2) :
Figure 2 : localisation des sous-stations et des périmètres Laurana et Trois-Chênes (source SIG – adapté par UNIGE)
L’étude de cas présentée ici concerne plus spécifiquement le périmètre « historique » Laurana avec ces six sous-stations mais certaines données de l’ensemble des deux réseaux sont également analysées étant donné que le contracting SIG couvre l’ensemble du périmètre (Laurana + Trois-Chênes) avec un prix unique.
2.1 Historique du périmètre Laurana et élargissement à Trois-Chênes
Les immeubles du périmètre Laurana ont été construits lors du boom de la construction de logement genevois dans les années 1960. Une chaufferie centralisée fonctionnant au mazout est construite sur la parcelle 4080 (en bleu sur la Figure 3) entourant les 12 allées qui sont connectées via un petit réseau CAD, soit :
Chemin des Deux-Communes 7 (parcelle 4071)
Chemin des Deux-Communes 9 (parcelle 4072)
Chemin des Deux-Communes 11 (parcelle 4073)
Chemin des Deux-Communes 13 (parcelle 4074)
Chemin du Chablais 3 (parcelle 4075)
Route de Jussy 8 (parcelle 4076)
Route de Jussy 10, 10A (parcelle 4077)
Route de Jussy 12, 12A (parcelle 4078)
Route de Jussy 14A et 14B (parcelle 4079)
Figure 3 : détail de la parcelle 4080 du projet Laurana-Parc et indications générales (adapté par UNIGE à partir du cadastre du SITG)
Chaufferie centralisée Laurana-Parc Zone champ
de sondes (dès 2012) Zone Parking
(hachuré)
Citerne à Mazout → 2011
(Dès 2011 → réservoir eau)
Depuis 1964 et jusqu’en 2011, ce réseau alimentait directement les 12 allées des six bâtiments avec (Figure 4) :
trois conduites (aller/retour) pour le chauffage (Jura, Salève, Voirons ; dépendant de l’orientation des bâtiments) ;
une conduite pour la distribution d’eau chaude sanitaire (avec trois grands bouilleurs centralisés dans la chaufferie).
Cette architecture de réseau ne contenait donc pas de sous-stations par immeuble et ne permettait pas de comptabiliser l’énergie de manière séparée.
Figure 4 : Réseau CAD Laurana avant 2011 (source CONTI SA)
Depuis le début, cette chaufferie appartient à une société immobilière (SI) dont les parts sont détenues par les 12 allées selon leur surface de référence énergétique (SRE). Les divers copropriétaires (propriétaire en nom, propriété par étages, propriétaire institutionnel, fond de placement) délèguent la gestion à la régie Société Privée de Gérance (SPG). Les frais d’entretien de la chaufferie, d’achat de combustible et de gestion étaient répartis au prorata des parts dans la SI Laurana.
En 1992, les trois chaudières à mazout historique de 1.1 MW chacune sont remplacées par des chaudières plus récentes. En 2007, l’office de la protection de l’air envoie aux différents propriétaires une demande d’assainissement des chaudières à mazout en raison d’un dépassement de la norme NOx de 22% (146 mg/m3 au lieu de 120 – SCPA, 2007). La SPG mandate alors le bureau CONTI SA pour une étude plus générale de rénovation de la chaufferie avec possibilité d’introduire une part de renouvelable dans les ressources énergétiques utilisées.
Entre 2007 et 2009, plusieurs études sont réalisées par le bureau CONTI (CONTI, 2008 ; CONTI, 2009a ; CONTI, 2009b). Ces études proposent différentes variantes de ressource
utilisées, une décentralisation de la production d’eau chaude sanitaire avec création de sous-stations dans les immeubles et un contracting énergétique. Le contracting permet de transférer les coûts d’investissements au contracteur (ici SIG) qui récupère la somme investie à l’aide d’une durée de contrat longue (ici 30 ans). Les propriétaires n’ont donc pas besoin d’investir dans les nouvelles installations de chauffage mais s’engage à ce que SIG puisse se rembourser sur la durée du contrat de 30 ans à travers une part fixe (voir le chapitre 4 analyse économique). Dans le cas de la SI Laurana, il n’existait pas de fond de rénovation pour travaux.
Entre 2010 et 2011, les différents propriétaires acceptent le principe de la rénovation de la chaufferie avec un contracting énergétique avec SIG (SIG, 2011a). La solution retenue comprend des chaudières à gaz, une pompe à chaleur et un champ de sondes géothermiques. En raison d’un prix de vente de chaleur considéré comme trop élevé (14.8 cts/kWh hors TVA), les SIG, en accord avec les copropriétaires Laurana, proposent de construire un 2ème réseau (CAD Trois-Chênes) afin d’amortir le surinvestissement dans la PAC et le champ de sondes géothermiques sur un plus grand réseau (alimenté principalement au gaz). Le prix promis est alors ramené à 12.8 cts/kWh hors TVA et selon les tarifs de gaz de l’époque (SIG, 2011b).
En 2011, les SIG demande un cautionnement du projet élargi (CAD Laurana et CAD Trois- Chênes) d’environ 2 millions de CHF auprès du fonds énergie des collectivités publiques (LFDER, 1999). Un cautionnement d’un millions de CHF est accepté par l’Etat de Genève pour des mesures conservatoires (équipements de capacités suffisantes) permettant de réaliser à terme un périmètre élargi à 132'000 m2 de SRE (env. 96'000 m2 au 30.09.15, voir Tableau 1 plus loin), soit quatre fois le périmètre Laurana historique (env. 33'000 m2).
Courant 2011, les travaux de rénovation de la chaufferie Laurana-Parc (avec désamiantage) sont effectués en parallèle des travaux de rénovation du CAD Laurana. La rénovation du local de la chaufferie est à la charge des copropriétaires de la SI Laurana qui louent ensuite le bâtiment au contracteur. Les SIG construisent et possèdent l’ensemble des installations techniques de la chaufferie ainsi que les deux nouveaux réseaux CAD (Laurana rénové et Trois-Chênes créé – voir Figure 2).
La nouvelle chaufferie est mise en service en automne 2011. Elle fonctionne d’abord uniquement avec des chaudières à gaz. En parallèle, 45 sondes géothermiques de 300 mètres sont creusées dans la parcelle 4080 autour de la chaufferie (voir Figure 3). En raison de problème d’étanchéité d’une sonde, la mise en service de la PAC ne s’effectue qu’en septembre 2014 avec finalement 44 sondes fonctionnelles (soit 13'200m de longueur de sondes géothermiques en tout).
En 2013, l’extension du nouveau réseau Trois-Chênes est achevée et mis en service. Dès l’automne 2013, le suivi énergétique de l’Université de Genève débute avec la récolte des premières données (voir ci-après la partie 2.2).
2.2 Méthodologie générale et données utilisées
Les retours d’expérience (REX) consistent en des évaluations complètes et fouillées de systèmes énergétiques innovants, en situation réelle, c’est-à-dire mis en œuvre dans le cadre de l’organisation traditionnelle de la construction et de la gestion énergétique. A noter que les innovations en question, traditionnellement liées à des aspects technologiques, peuvent également concerner les aspects financiers, commerciaux ou organisationnels, raison pour laquelle elles sont menées en étroite collaboration avec les divers acteurs concernés (investisseur, maître d’œuvre, concepteur, bureaux d’études, utilisateurs, bailleurs de fonds de l’étude, milieu professionnel et académique concerné, pouvoirs publics, etc.).
Le but ultime de ce type de travaux, qui s’inscrivent en complémentarité des travaux de recherche et de développement menés par d’autres laboratoires, est de créer une base de connaissance des pratiques et des réalités dans le domaine de l’innovation énergétique, de la stimuler par un processus de feedbacks entre académiques et praticiens (processus d’innovation incrémentale - LACHAL, 2013).
Cet exercice s’étend sur un temps « long » et se développe dans un cadre stimulant.
Plusieurs acteurs s’engagent dans la mise en place d’un système énergétique plus performant mais désirent être accompagnés dans ce processus par une évaluation ex-post, incluant des aspects techniques - comme la mesure et l’estimation des rendements ou la modélisation en conditions réelles des transformateurs - mais aussi des aspects économiques, organisationnels et d’acceptabilité sociale (LACHAL, 2013).
Le système analysé ici est un système complexe et dynamique qui a été suivi pendant plus de 2 ans, en collaboration avec les acteurs du groupe de suivi. L’analyse a porté essentiellement sur des aspects techniques et économiques mais a aussi permis aux acteurs participant au groupe de suivi d’avoir un lieu d’échange à disposition.
De nombreuses données ont été mises à disposition par les différents acteurs, soit : CPEG (copropriétaire de la SI Laurana) :
Etat locatif du bâtiment route de Jussy 10-10A-12-12A (année 2012).
SPG (régie gestionnaire de la chaufferie) :
Investissements des copropriétaires Laurana-Parc pour la nouvelle chaufferie ;
Charges de chauffage de la SI Laurana :
o Historique : saison de chauffe 2005-2006 à 2010-2011 ;
o Contracting SIG : saison de chauffe 2012-2013, 2013-2014 et 2014-2015 CONTI SA (bureau d’ingénieur ayant réalisé le concept) :
Différents rapports effectués pour la SI Laurana et les SIG ;
Caractéristiques des sous-stations des différents périmètres (IDC historique, SRE, Puissance, CO2) ;
Rapport sur le dimensionnement et potentiel d’utilisation d’un champ de sondes géothermiques pour le projet Laurana-parc fait par le Dr Pahud (SUPSI) en 2010 ;
Descriptif du principe de régulation de l’installation (2012).
SIG (contracteur) :
Plans de la chaufferie et du réseau CAD ;
Caractéristiques techniques de la PAC et des chaudières gaz (yc récupération) ;
Descriptif fonctionnel et manuel d’utilisateur de la chaufferie Laurana Parc ;
Energie mensuelle de la chaufferie et des SST Laurana (depuis 2011) ;
Depuis le 1er octobre 2013 :
o Comptages chaufferie en 15’ (92 points de mesures) ; o Comptages sous-stations en 15’ (66 points de mesures) ;
Budget d’investissement détaillé (Etat à fin 2012) et somme finale réelle ;
Contrat de contracting SI Laurana – SIG ;
Contrat de cautionnement Laurana entre SIG et Etat de Genève.
CGC Energie (gestionnaire de la régulation des SST de certains bâtiments du CAD) :
Plan détaillé des sous-stations Laurana ;
Depuis le 1er octobre 2013, données complètes des six sous-stations Laurana en 5’
(~250 points de mesures).
Afin d’être totalement transparent, relevons que l’un des auteurs principaux de cette étude habitait jusqu’à fin 2010 au 14b route de Jussy, soit sur le périmètre Laurana. M. Faessler a participé activement aux séances de la SI Laurana en tant que représentant des copropriétaires des allées 14a et 14b route de Jussy jusqu’à fin 2010, permettant d’avoir accès aux PV et aux comptes de l’époque.
Le nombre de données conséquentes envoyées par les partenaires (plus de 400 points de mesures toutes les 5 ou 15 minutes) a nécessité la mise en place d’une base de données.
Cette base intègre plus de deux ans de données et permet d’extraire n’importe quelle donnée sur des périodes spécifiques et en pas de temps prédéfini (horaire, journalier, mensuel). Ces données brutes ont ensuite été traitées et analysées. En raison de diverses pannes informatiques chez les SIG, environ 10% des données de l’année glissante analysée n’étaient pas disponibles et ont du être reconstruites (voir plus loin partie 3.2).
Cette base de données conséquente a été conservée par l’UNIGE et va rester disponible pour d’autres futures analyses, notamment sur la demande spécifique par bâtiments.
3 ANALYSE ENERGETIQUE
Comme mentionné dans l’historique, la mise en service de la PAC a eu près de deux ans de retard sur le planning originel, ce qui a ainsi décalé le planning de suivi prévu initialement.
L’année analysée pour le fonctionnement du système avec la PAC est finalement une année glissante du 1er octobre 2014 au 30 septembre 2015 (dénommée ci-après année 14-15).
Le nouveau système construit dans la chaufferie Laurana est composé de plusieurs sous- systèmes qui sont décrits dans les prochains paragraphes (3.1). Ensuite, le bilan énergétique complet du système est montré (3.2) ainsi que le bilan de fonctionnement de la PAC avec ses différentes limitations (3.3). Puis la demande des bâtiments Laurana est analysée en détail, avec une partie générale sur les signatures (3.4.1) et les puissances (3.4.2) et une partie plus spécifique sur les consommations d’ECS et de chauffage des différentes SST (3.4.3).On compare enfin les objectifs initiaux du projet avec les performances réelles de la réalisation (3.5).
Lors du début du suivi de l’UNIGE en 2012, seul les SST Laurana étaient alimentées par les chaudières. Dès 2013, les SST du CAD Trois-Chênes ont commencé à être alimentées et leur nombre croit sans arrêt depuis lors. Cette extension du réseau Trois-Chênes en continu explique que les résultats présentés dans ce rapport sur l’année 14-15 ne peuvent pas être considérés comme une année standard pour le futur. A l’avenir, il devrait y avoir encore plus de ressource gaz pour alimenter l’ensemble des SST du réseau.
3.1 Fonctionnement schématique du système
Le système peut être schématisé comme suit (Figure 5) et les divers sous-systèmes sont décrits plus loin :
Figure 5 : schéma simplifié du système complet
En complément à la géothermie, la production de chaleur des deux réseaux est assurée par un ensemble de chaudières à gaz. La récupération de chaleur par condensation des fumées, qui s’effectue à une température trop basse pour être valorisée directement sur les réseaux, est acheminée vers un réservoir à température tiède. Cette chaleur est utilisée soit directement comme source froide pour la PAC, soit pour la recharge des sondes géothermiques, qui constituent la deuxième source froide de la PAC. La production de la PAC alimente le retour du réseau Laurana, via un accumulateur de chaleur, qui permet une gestion différenciée des débits de la PAC et du réseau Laurana (séparation hydraulique).
Mélangé à celui de Trois-Chêne, le retour du réseau Laurana repart enfin vers les chaudières à gaz, qui fournissent le complément de chaleur nécessaire à ramener ces réseaux à leurs températures de départ. Finalement, étant donné que la production de la PAC est injectée sur le retour Laurana, puis mélangé au retour Trois-Chêne, notons qu’elle est de fait
« diluée » sur l’ensemble des deux réseaux.
Les divers sous-systèmes sont décrits ci-après.
