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Evaluer les réseaux de chaleur et de froid grâce aux indicateurs clés de performance

par Redaction
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Le projet D2Grids a développé un ensemble d’indicateurs clés de performance (KPIs) pour évaluer l’état de préparation des réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération (5GDHC).

Ces KPIs ont été définis lors d’ateliers et de sessions sprint avec des partenaires techniques et des groupes d’experts, évaluant chacun des 5 principes de la 5GDHC du système DHC (Anglais). Ces principes sont les suivants : 1) échange interne, 2) adéquation de la qualité de l’énergie, 3) orientation de la demande et décentralisation, 4) intégration de tous les flux d’énergie et 5) proximité des sources d’énergie.

Après avoir obtenu davantage de données et de commentaires des sites pilotes de D2Grids, une deuxième session sprint a été organisée pour définir et ajuster tous ces indicateurs clés de performance. 

Grâce à ces sessions, l’équipe a pu définir un ensemble complet d’indicateurs de performance clés conçus pour évaluer les réseaux de chaleur et de froid selon les principes de 5ème génération de chaleur et de froid.

Pour en savoir plus sur ces sessions, consultez cet article ! (Anglais)

Les ateliers sur les indicateurs clés de performance et les sessions sprint ont permis d’obtenir des résultats significatifs. Un document complet décrivant la méthodologie de calcul des indicateurs clés de performance a été élaboré, tandis que les performances des cinq sites pilotes ont été évaluées sur la base des données collectées. Cette évaluation a fourni une indication claire de la mise en œuvre de tous les principes de la 5GDHC sur les sites pilotes du projet D2Grids.

Lisez l’article sur les 5 indicateurs clés de performance définis pour évaluer la performance de votre système !

Prenons par exemple l’évaluation d’un des sites pilotes du projet D2Grids. Dans un premier temps, le processus de mise en place du réseau a été analysé en recueillant des informations sur les sources, les consommateurs et les installations au moyen d’un questionnaire et d’une réunion en ligne. Ces informations ont servi de base à l’élaboration d’un diagramme de Sankey en vue d’une analyse plus approfondie.

Figure : Diagramme de Sankey des flux d’énergie sur l’un des projets pilotes D2Grids

En utilisant les données des projets pilotes et le diagramme de Sankey, les KPIs ont été calculés conformément à la méthodologie définie dans le document. Pour normaliser la représentation des résultats calculés, une conversion des résultats numériques a été effectuée sur une échelle de 0 à 10, où 10 indique un score parfait et 0 indique qu’il n’y a pas de correspondance avec l’ICP.

Légende des critères des KPIs

Exemple de recommandations fondées sur les KPIs

L’analyse des scores des KPI pour le site pilote de Bochum en Allemagne révèle une performance globale solide avec un score moyen de 7,3, principalement en raison de ses performances satisfaisantes dans la plupart des KPI. Toutefois, des améliorations sont possibles, en particulier pour le KPI 4.1, où le score de 4 indique que la capacité de chauffage du système est relativement élevée par rapport à la demande. Cela pourrait être dû à l’anticipation de l’augmentation de la demande et au fait que le système a été conçu en vue de connexions futures. Le raccordement de nouveaux bâtiments à l’avenir pourrait potentiellement améliorer ce score KPI.

En outre, l’utilisation de gaz pour la production combinée de chaleur et d’électricité (PCCE) a un impact sur le KPI 1.2 (externe), le KPI 2 (élevé) et le KPI 5.1 (non local), ce qui se traduit par des scores sous-optimaux. Cependant, la production d’électricité par la cogénération améliore le score KPI 5.2 et l’utilisation de panneaux photovoltaïques permet d’obtenir un score élevé de 6, par rapport aux autres sites pilotes.

Enfin, le score KPI 3.1 est évalué à 6 en raison de la température de fonctionnement relativement élevée, qui pourrait être attribuée à la température de fonctionnement de la PCCE. Pour améliorer ce score KPI, le projet pilote pourrait envisager de raccorder davantage de bâtiments ou de remplacer la PCCE par une source interne de faible qualité. Toutefois, dans ce dernier cas, la production d’électricité de la PCCE devrait également être remplacée par du photovoltaïque pour maintenir le même score pour l’ICP 5.2. Si une nouvelle source avec une température de fonctionnement plus basse est utilisée, le site pilote de Bochum pourrait potentiellement obtenir un score sur chacun des indicateurs.

Article publié sur Construction21 France
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Réseaux de chaleur et de froid de 5e génération : décarboner la fourniture de chaleur et de froid

par Redaction
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Le chauffage et la climatisation représentent aujourd’hui plus de 70% des émissions liées à l’utilisation des bâtiments en France[1]. On estime à 425 TWh la consommation de chauffage dans le secteur résidentiel et tertiaire pour l’année 2020 [2]. En 2015, plus d’un ménage sur deux se chauffait principalement aux énergies fossiles (39% gaz naturel, 12% fioul, 1% GPL). Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de ces usages, la Stratégie nationale bas carbone ambitionne de réduire la consommation individuelle des logements, et tripler le nombre de ceux connectés à des réseaux de chaleur d’ici 2035. Dans ce même objectif de réduction des émissions, la Programmation Pluriannuelle de l’Energie vise à ce que ces réseaux délivrent en moyenne 60% d’énergie renouvelable ou de récupération (EnR&R) d’ici 2035.

Face à ces enjeux, les réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération, ou 5GDHC[3], sont une solution privilégiée pour répondre aux objectifs climatiques de la France. Ces réseaux très performants tendant vers 100% d’énergie renouvelable et de récupération sont en effet particulièrement adaptés à des bâtiments peu consommateurs.

La 5ème génération de réseaux de chaleur et de froid, késako ?

Il s’agit d’un nouveau concept basé sur une distribution simultanée de chaud et de froid, entre bâtiments d’un même quartier. La 5GDHC se différencie notamment des autres générations de réseaux par sa faible température de distribution : cela permet le recours à des énergies renouvelables – ainsi qu’à la récupération de chaleur fatale – basse température. 

Valoriser le potentiel d’échange d’énergie entre “consomm’acteurs”

Les réseaux de 5ème génération sont des boucles fermées qui privilégient les échanges d’énergie entre bâtiments voisins, et ce avant de recourir à des énergies renouvelables. En effet, des pompes à chaleur localisées au plus près des bâtiments permettent de récupérer les calories émises par un consommateur de froid pour venir fournir en chaleur un autre bâtiment et inversement. Les bâtiments reliés au réseau de chaleur sont alors des “consomm’acteurs”: ils consomment et fournissent simultanément de l’énergie. 

Pour valoriser au maximum ces échanges, les réseaux de 5ème génération ont également recours au stockage de calories. Cela peut se faire sur des temps courts (quelques heures à quelques jours) dans des petits stockages décentralisés, ou sur des temps plus longs (inter-saison) dans de grands réservoirs naturels ou industriels en sous-sol (nappe aquifère ou ancienne mine par exemple) ou en surface. 

Capitaliser sur la récupération d’énergie et les énergies renouvelables

Cette solution étant basée sur une boucle tempérée (<40°C), les sources d’énergie nécessaires pour compléter les échanges d’énergie entre bâtiments n’ont pas besoin de fournir de la haute température, contrairement à de nombreux autres usages. Ils permettent ainsi de profiter d’énergie renouvelable ou de récupération basse température comme de la géothermie peu profonde, des panneaux solaires thermiques ou de la chaleur fatale issue de datacenter, de l’industrie agroalimentaire, de bouches d’aération de métro ou encore d’égouts. 

De plus, ces réseaux étant basés sur des pompes à chaleur consommant de l’électricité, ils peuvent également bénéficier d’électricité d’origine renouvelable, comme des panneaux solaires (photovoltaïques ou hybrides) pour venir les alimenter, permettant ainsi de coupler le réseau électrique et le réseau de chaleur.

Ainsi, les réseaux de chaleur de 5ème génération sont un moyen idéal de profiter des sources d’ENR&R sous-utilisées et donc d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique français. 

Des réseaux adaptés aux politiques de sobriété énergétique et de planification urbaine 

Les réseaux 5GDHC représentent une solution idéale pour les politiques nationales ou locales de déploiement des ENR, mais aussi dans le cadre d’une stratégie plus large de sobriété énergétique des territoires. En effet, ces réseaux se combinent très bien à des programmes de rénovation thermique ambitieux, ou encore au développement de nouveaux quartiers performants. La distribution d’énergie de la source jusqu’aux pompes à chaleur peut se faire à une température très faible, divisant les pertes d’énergie par 5, en comparaison avec les systèmes traditionnels. De plus, la performance de ces réseaux est optimisée lorsque les besoins énergétiques instantanés sont relativement faibles, et que les émetteurs (radiateurs, planchers chauffant) ne requièrent pas une température d’entrée trop élevée.  

Ces réseaux ont par ailleurs toute leur place dans le cadre d’une planification territoriale visant la multiplicité des usages dans un même quartier visant la sobriété énergétique. La capacité des réseaux de 5ème génération à  délivrer simultanément du chaud et du froid leur assure en effet flexibilité et polyvalence : ils peuvent s’adapter à de nombreux besoins et types de bâtiments différents (logements, industrie, laboratoires R&D, bureaux, etc.). Cette variété des usages est même à privilégier pour garantir un équilibre des besoins et permettre l’échange d’énergie entre des consommateurs de froid (laboratoires, supermarchés, datacenters) et de chaud (logements, bureaux, etc.). 

Enfin, l’alimentation des pompes à chaleur par de l’électricité renouvelable locale permet d’interconnecter intelligemment les flux électriques et thermiques et d’avoir une vue complète et holistique de la consommation énergétique à l’échelle d’un territoire. Ainsi, combiner les pratiques d’excellence des réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération avec les pratiques d’excellence sur la production, distribution, stockage et gestion d’énergie renouvelable électrique locale est une opportunité pour les territoires de créer des communautés énergétiques locales dans lesquelles l’intensité carbone est baissée au maximum, au profit d’une qualité de service garantie et durable, et d’un modèle économique compétitif lié aux interconnections profitables entre producteurs et consommateurs. 

Le réseau de chaleur et de froid de Paris-Saclay, démonstrateur français des réseaux énergétiques de 5ème génération

En France, la boucle énergétique de Paris-Saclay est le 1er démonstrateur de réseau 5e génération. Ce réseau d’échange de chaleur et de froid s’appuie sur une boucle de distribution tempérée (d’environ 30°C), pouvant être alimentée par la chaleur géothermique de la nappe de l’Albien, puisée à 700 m de profondeur, et par de la chaleur fatale issue de certaines infrastructures scientifiques et de recherche situées sur le territoire. Le réseau utilise donc une quantité significative d’énergie renouvelable et de récupération.

Il s’agit d’un des démonstrateurs du projet européen D2Grids, qui vise à déployer les réseaux 5GDHC en Europe du Nord-Ouest. Les partenaires impliqués dans le projet travaillent à une industrialisation de l’approche et au développement d’un modèle technologique standardisé. Le projet prévoit également une clarification du business model afin de renforcer l’intérêt de ces projets auprès des investisseurs. A travers ces cinq sites pilotes, situés à  Paris-Saclay, Bochum (Allemagne), Brunssum (Pays-Bas), Glasgow et Nottingham (Royaume-Uni),  le projet D2Grids vise ainsi à démontrer son efficacité et les performances de la 5GDHC et à encourager son adoption.  

A Paris-Saclay, la boucle (Figure 1) alimente dans chaque quartier du campus urbain de Paris-Saclay des pompes à chaleur qui produisent simultanément du chaud et du froid tout en valorisant l’énergie renouvelable de la boucle tempérée ainsi que la chaleur de récupération liée aux consommations de froid. Chaleur et froid ainsi produits sont distribués aux différents bâtiments du quartier par l’intermédiaire de réseaux décentralisés. Cette architecture décentralisée est une caractéristique essentielle des réseaux de 5ème génération : elle permet les échanges thermiques entre besoins de froid de certains bâtiments d’une part et besoins de chaud d’autre part.


Figure 1. Principe de la boucle d’eau tempérée du démonstrateur de Paris-Saclay

Dans le cadre du projet Interreg D2Grids, l’objectif pour l’EPA Paris-Saclay est de doter son réseau de nouvelles fonctionnalités 5GDHC pour lui apporter plus de flexibilité thermique, mais également pour renforcer son rôle de démonstrateur européen.

Cette flexibilité thermique est actuellement expérimentée à travers la mise en place de 2 projets pilotes: la gestion avancée de la demande et le stockage thermique. L’objectif est de favoriser les échanges d’énergie, en adaptant, via les capacités de flexibilité, consommation et production en chaud et en froid.

Les bénéfices attendus sont considérables. Cette flexibilité thermique permettra :

−−à court terme, de maximiser l’utilisation des ENR&R (Énergies renouvelables et de récupération) et de diminuer davantage les émissions de CO2  du réseau ;

−−à moyen-long terme, favoriser les interactions avec le réseau électrique puis l’ajout dans le réseau d’énergies renouvelables complémentaires, comme la récupération de chaleur fatale ou l’autoconsommation d’électricité issue de panneaux photovoltaïques situés sur les toits des bâtiments du campus.

Plusieurs autres projets à l’étude en France

L’un des objectifs du projet D2Grids, en complément des démonstrateurs en cours de développement, est d’étudier les possibilités de déploiement de ces réseaux dans l’ensemble de la zone Interreg Nord-Ouest Europe et de convaincre de nouveaux décideurs. Trois métropoles en France ont été sélectionnées pour une étude d’opportunité des réseaux 5GDHC : Orléans Métropole (OM), la métropole du Grand-Paris (MGP), et l’Eurométropole de Strasbourg (EMS) (cf. Figure 2).

Figure 2. Localisation des zones d’étude de déploiement de la 5GDHC sur le territoire français dans le cadre du projet D2Grids

Ces trois métropoles se sont fixées des objectifs ambitieux en termes de réduction de consommation énergétique, de recours aux énergies renouvelables et de réduction des gaz à effets de serre dans leurs plans Climat Air Energie Territoriaux ou Métropolitains.

Ainsi, dans le cadre de son PCAET, la métropole d’Orléans vise à réduire de 12 % la consommation globale d’énergie, à augmenter de 50 % la part de la production d’énergie renouvelable et à réduire de 17 % les émissions de GES à l’horizon 2025. Parmi les objectifs affichés pour augmenter la part de la production d’énergie renouvelable, Orléans Métropole prévoit l’extension du réseau de chaleur biomasse existant pour un usage collectif, le raccordement de 22 000 logements à la géothermie (une centaine de bâtiments raccordés en 2012) et de 15 000 logements au solaire thermique (soit 37 000 m² de panneau pour seulement 500 m² en 2012) ainsi que la réutilisation des rejets thermiques des sites industriels à des fins de chauffage. Une étude a été réalisée par le BRGM afin de déterminer comment l’énergie géothermique pourrait être déployée dans la métropole, notamment la géothermie de surface sur aquifère peu profonds (calcaire de Beauce) ou sur échangeurs de chaleur, en tenant compte des besoins énergétiques en surface et du plan d’urbanisation. Les résultats de cette étude ont permis de définir des zones potentielles de déploiement des réseaux 5GDHC en se basant sur les zones à urbaniser (secteurs résidentiels et secteurs d’activités économiques).

A l’horizon 2050, la Métropole du Grand-Paris prévoit un parc bâti 100% bas carbone et un mix énergétique composé de 60% d’énergies renouvelables et de récupération, dont 30% devront être produites localement. Dans ce contexte, un projet réunissant la MGP, l’APUR et le BRGM propose une approche globale pour établir un schéma directeur des énergies renouvelables, incluant l’identification des ressources potentielles et la demande en énergie, le développement de la planification urbaine et les contraintes techniques et opérationnelles pour le déploiement des énergies renouvelables. Concernant la mobilisation des ressources du sous-sol, la MGP souhaite pouvoir développer des projets de géothermie de faible profondeur dans les secteurs favorables de son territoire compte tenu des ressources considérables disponibles afin de répondre aux objectifs du PCAEM. Les résultats de l’étude en cours serviront de base pour définir les zones potentielles de déploiement des réseaux 5GDHC.

Enfin, l’Eurométropole de Strasbourg a impulsé une réflexion sur son territoire autour d’une stratégie air-énergie-climat, qui a servi de base à la construction de son PCAET. Le plan climat 2030 vise à réduire la consommation globale d’énergie de 30 % (55 % en 2050), à atteindre 40 % (100 % en 2050) de production d’énergie renouvelable dans la consommation finale d’énergie et à réduire les émissions de GES de 40 % (90 % en 2050). A ce titre, l’aquifère alluvial rhénan représente une source d’énergie locale renouvelable facilement accessible avec un fort potentiel. Ainsi cette source d’énergie renouvelable associée à une forte densité énergétique avec les objectifs de l’Eurométropole de créer 3000 nouveaux bâtiments résidentiels et de rénover 5000 bâtiments résidentiels anciens par an en font un bon candidat pour évaluer la possibilité de développement de la 5GDHC.

Ainsi, en France, de nombreux territoires seraient propices pour poursuivre la dynamique lancée par l’Etablissement Public d’Aménagement de Paris Saclay, comme les trois métropoles citées ci-dessus, dans un contexte d’évolutions réglementaires incitant à des solutions combinant efficacité énergétique et énergies peu carbonées. Le déploiement des réseaux de 5ème génération permettra de faciliter l’adaptation dans le temps des services de livraison de chaleur et de froid aux bâtiments rénovés dans le cadre des nouvelles réglementations telles que la Loi Climat et Résilience. Par ailleurs, la RE2020 dans sa version actuelle pose un objectif sérieux de réduction d’empreinte carbone des réseaux de chaleur et de froid (passage du seuil d’obligation de raccordement de 14kgCO2/m2/an aujourd’hui à 8kgCO2/m2/an en 2025[4]), qui ne pourra être atteint qu’à travers une décentralisation de la production qui permettra l’utilisation de davantage de sources renouvelables[5]. Les réseaux de chaleur 5ème génération sont donc de formidables outils à intégrer aux politiques énergétiques des collectivités ou des aménageurs, encouragées par le cadre législatif.

Article signé : Nicolas Eyraud , EPA-Paris-Saclay, Mathilde Henry, Greenflex et Virginie Hamm BRGM

[1] Stratégie Nationale Bas Carbone 2 : https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/2020-03-25_MTES_SNBC2.pdf 
[2] RTE/ADEME, Rapport Chauffage 2035,  https://assets.rte-france.com/prod/public/2020-12/SYNTHE%CC%80SE%20Rapport%20chauffage_RTE_Ademe_16dec_0.pdf 
[3] 5GDHC : 5th generation district heating and cooling
[4] Pour plus de détails, voir cet article sur GreenUnivers
[5] Découvrez en détails dans cet article comment les réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération sont particulièrement adaptés à la RE2020

Article publié sur Construction21 France
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[D2Grids] Les 5 principes des réseaux de chaleur et de froid urbains de 5ème génération

par Redaction
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En Europe, le chauffage et le refroidissement représentent 50 % de la consommation totale d’énergie des bâtiments et de l’industrie. Les réseaux de chaleur et de froid urbains de 5ème génération (5GDHC), qui sont à basse température et hautement optimisés, représentent une solution prometteuse pour décarboner notre parc immobilier. Le projet D2Grids vise à accélérer le déploiement des réseaux 5GDHC en Europe à travers une industrialisation du système, la création d’un modèle d’affaire solide et le développement de 5 sites pilotes. L’équipe du projet D2Grids a récemment atteint un objectif important, à savoir la définition du modèle technologique générique de la 5GDHC. Afin de garantir un réseau énergétique flexible et résilient pour répondre aux besoins actuels et futurs, un système de chauffage et de refroidissement de 5e génération (5GDHC) est établi sur la base des cinq principes suivants.

Une boucle énergétique fermée

Le premier principe de la 5GDHC est d’éviter le gaspillage d’énergie dans le système. Un réseau de 5e génération se distingue en effet des autres réseaux de chaleur et de froid par sa capacité à échanger de l’énergie avec d’autres consommateurs/clients connectés : c’est un réseau thermique circulaire. Le réseau est conçu comme une boucle fermée réutilisant l’énergie autant que possible : les bâtiments chauffés fournissent du froid au système, tandis que les bâtiments refroidis transmettent leur chaleur excédentaire au réseau.

Le facteur clé de l’approche 5GDHC est la réutilisation optimale des flux de retour à différentes échelles spatiales et temporelles. Le stockage d’énergie est utilisé pour gérer le déséquilibre temporel entre l’offre et la demande au sein du système, sur une base quotidienne, mais aussi saisonnière.

Par exemple, nous retrouvons souvent des pompes à chaleur dans des bâtiments écologiques pour générer les températures demandées. Ces pompes à chaleur utilisent l’air extérieur, les eaux de surface ou le sol. D’une part, cela nécessite des investissements dans des installations de source qui ont également besoin d’espace, ce qui pourrait être un obstacle. D’autre part, une partie de l’énergie produite est perdue dans le milieu environnant. Dans le cadre de la 5GDHC, l’arrière de ces pompes à chaleur est connecté au réseau et de ce fait, le flux de retour de l’énergie est conservé dans le circuit.

Ce premier principe de 5GDHC est mis en œuvre dans le cadre d’une approche graduée, en échangeant d’abord de l’énergie au sein d’un bâtiment ou d’un îlot, puis au niveau du quartier, et enfin au niveau de la ville. Une optimisation supplémentaire du réseau serait également possible grâce à un aménagement territorial optimisé.

 Valoriser l’énergie basse température

Les sources d’énergie peuvent être classées en fonction de leurs possibilités d’application. Un des fondements de la 5GDHC est l’observation des niveaux de demandes en chaleur et en froid, pour n’apporter dans le réseau que la quantité d’énergie nécessaire. Un système 5GDHC n’a pas besoin de beaucoup de sources haute température pour répondre à la plupart de ses besoins de chauffage et de refroidissement. Cela signifie que les flux disponibles d’énergie basse température (comme la géothermie peu profonde, les rejets industriels, la valorisation des déchets, l’énergie fatale des processus de refroidissement, les eaux usées, etc.) sont priorisés lorsqu’il faut apporter au système tout chauffage ou refroidissement supplémentaire non satisfait par l’échange.

Afin d’optimiser la 5GDHC, un classement par priorisation concernant les types d’énergie d’entrée à utiliser a été créé.  En priorité c’est l’énergie thermique échangée entre les utilisateurs qui va être utilisée. Ensuite, les sources thermiques à température ambiante ainsi que celles renouvelables dont les températures sont supérieures à la température « chaude » typique du réseau. La dernière source d’énergie dans le classement provient ainsi des combustibles fossiles.

Le deuxième principe du chauffage urbain de 5e génération consiste donc à faire correspondre les sources basse température disponibles avec la demande. Les besoins en énergie haute température sont alors réduits, et peuvent alors être couverts à 100 % par des énergies renouvelables telles que la géothermie profonde, les éoliennes, le solaire, l’hydroélectricité et la biomasse.

Un approvisionnement énergétique décentralisé et piloté par la demande

Les systèmes énergétiques traditionnels sont centralisés et font circuler une grande quantité d’énergie qui n’est finalement jamais utilisée. 

A l’inverse, les systèmes 5GDHC sont « axés sur la demande », ce qui signifie qu’ils ne commencent à produire et à faire circuler de l’énergie que lorsqu’il y a une demande sur le réseau. L’énergie est ainsi économisée : elle n’est produite qu’au moment et à l’endroit où elle est nécessaire. Le système peut fournir simultanément des services de chauffage et de refroidissement à différentes températures, et à différents clients en s’adaptant à la demande.

En pratique, la 5GHDC permet de passer d’un système énergétique très centralisé à un réseau décentralisé et intelligent, constitué de petites d’installations proches de l’utilisateur final.

Une approche intégrée des flux d’énergie

De nombreux systèmes énergétiques contiennent des incitations silotées : ils n’optimisent pas les besoins entre systèmes et secteurs. Par exemple, un propriétaire d’immeuble alimenté par de l’électricité induisant de fortes pointes sur le réseau électrique, pourrait vouloir se réchauffer le matin après un réduit de nuit. L’utilisation de la masse thermique et de stockage thermique peut nécessiter des investissements supplémentaires pour le bâtiment mais permettre de réaliser des économies importantes sur le réseau électrique. L’objectif de la 5GDHC est de maximiser l’efficacité de la fourniture énergétique et de son utilisation. Ceci est rendu possible grâce à une approche intégrée de tous les autres flux d’énergie sur un territoire donné (réseaux électriques, les transports, l’industrie, l’agriculture, etc.)

En effet, des pertes énormes dans certains secteurs peuvent être déployées pour en servir d’autres. Les grandes centrales électriques qui gaspillent de grandes quantités d’énergie de refroidissement à température ambiante pourraient couvrir la demande en chauffage d’autres bâtiments. Les véhicules du secteur des transports ont également un faible rendement, perdant beaucoup de chaleur, et les nouvelles technologies, comme la conversion de l’hydrogène, ont des pertes thermiques élevées. L’intégration de ces différents secteurs peut permettre de réaliser d’importantes économies sur le bilan énergétique total.

En plus de permettre des économies d’énergie, l’intégration d’un réseau 5GDHC à un réseau électrique contribuera à l’équilibrer et à accroître sa flexibilité. Cela permettra de créer des infrastructures énergétiques plus petites et plus efficaces, nécessitant moins de matériel et d’énergie de fonctionnement. Le système, grâce à des capacités de pointe plus faibles, nécessitera également des investissements globaux moins importants dans les infrastructures (canalisations, pompes, pompes à chaleur, etc.) et réduira la capacité demandée par le réseau électrique. 

Priorité aux sources locales et durables

Ce dernier principe des réseaux de chaleur et de froid urbain est une question de bon sens : privilégier ce qui peut être fourni localement plutôt que des sources thermiques lointaines.

Cette priorité au local revêt tout d’abord un avantage environnemental, de sobriété énergétique : privilégier les sources locales permet en effet de limiter les pertes énergétiques liées au transport. Mais cela constitue aussi un avantage économique important, en favorisant les investissements dans la production énergétique local, au profit du territoire dans lequel est implanté le réseau.

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[D2Grids – Entretien] Réseaux de chaleur et de froid 5e génération

par Redaction
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Sur l’ancien site de l’usine automobile Opel, l’entreprise Stadtwerke Bochum Holding a mis en place un réseau de 5e génération pour approvisionner en chaleur et en froid les habitants de la ville. En 2022, les premiers utilisateurs seront raccordés. Le Dr Frank Peper, chef du département des projets de chauffage urbain, d’eau, et d’énergie de la Stadtwerke Bochum Holding GmbH, nous donne un aperçu du projet.

un lien entre le passé charbonnier de la ville et les énergies renouvelables modernes

Dr Peper, Stadtwerke Bochum Holding veut construire un nouveau réseau de chaleur et de froid à Bochum. Pouvez-vous nous présenter brièvement le projet ?

Dr Peper : Avec plaisir. Ici, à Bochum, il y a une zone d’environ 70 hectares portant le nouveau nom de « MARK 51°7 ». Elle était il y a seulement quelques années le site d’une usine de voitures Opel. Avant qu’Opel n’y construise son usine dans les années 1960, la mine de charbon « Dannenbaum » était située sur le site.

Actuellement, la ville de Bochum et l’entreprise Opel, avec le soutien de l’état de Rhénanie du Nord-Westphalie, font de gros efforts pour revitaliser et commercialiser la région. Un mélange de clients des secteurs du commerce, de la technologie et de la recherche est prévu pour le site MARK 51°7, créant ainsi un nouveau quartier innovant sur le site. Notre tâche consiste à établir un approvisionnement en énergie pour les nouveaux propriétaires et consommateurs. Nous avons décidé de ne pas nous appuyer sur un réseau de gaz naturel classique et de ne pas étendre notre réseau de chauffage urbain existant, mais plutôt de construire un système d’approvisionnement en chaleur et en froid entièrement nouveau, dit de « 5e génération », dans une grande partie de la zone

Et en quoi cette approche diffère-t-elle des précédents réseaux de chauffage urbain ?

Dr. Peper : Il y a deux différences majeures avec les réseaux de chaleur existants à Bochum, mais aussi avec ceux répandus dans de nombreuses régions d’Europe. Premièrement, un réseau de 5e génération est exploité à un niveau de température beaucoup plus bas. Plus la température du réseau se rapproche de la température du sol, plus les pertes sont faibles. En outre, cela permet d’utiliser la chaleur renouvelable provenant de l’ancienne mine de charbon de Dannenbaum qui est aujourd’hui remplie d’eau. Au 8e niveau du bâtiment de la mine, à une profondeur d’environ 820 m, l’eau de la mine est à une température d’environ 30 °C et devrait permettre l’approvisionnement en chaleur. Pour l’approvisionnement en froid, de l’eau à une température d’environ 18°C est attendue au 4ème niveau, à une profondeur d’environ 320m.

Ici, nous réussissons à construire un pont entre le passé – la mine de charbon historique – et le présent, en utilisant la chaleur géothermique de l’eau de mine.
L’autre différence importante est le passage d’un réseau unidirectionnel – l’énergie thermique est toujours transportée de la source jusqu’aux consommateurs – à un réseau bidirectionnel et contrôlé par la demande. Nous installons un système à deux tuyaux dans lequel la « chaleur perdue » ou le « froid perdu » d’un consommateur peut être réinjecté et utilisé par le client suivant. Les pompes à chaleur décentralisées se chargent ensuite de fournir le niveau de température correspondant à l’application spécifique.

Techniquement, cela fonctionne de manière à ce que, dans le cas du chauffage, l’énergie soit prélevée du tuyau chaud en fonction de la demande et amenée au niveau de température requis pour l’alimentation du client du côté du condensateur des pompes à chaleur. L’eau, refroidie après extraction de la chaleur du côté évaporateur de la pompe à chaleur, est simultanément réinjectée dans la conduite froide. Lorsqu’il s’agit du refroidissement, le système fonctionne en sens inverse.

Mark 51°7 – Sur le site de l’ancienne usine Opel à Bochum, un nouveau campus d’entreprises, de technologies et de connaissances est en cours de construction sur environ 70 hectares dans la région métropolitaine de la Ruhr.

Les bâtiments de la mine, situés à une profondeur pouvant atteindre 820 m dans l’ancienne mine de Dannenbaum, directement en dessous du site, seront utilisés pour alimenter un réseau de chauffage et de refroidissement innovant de « 5e génération », qui est planifié et construit par Stadtwerke Bochum Holding GmbH, FUW GmbH avec la participation de Fraunhofer IEG (Institut de recherche pour les infrastructures énergétiques et les systèmes géothermiques). Le projet est financé en tant que l’un des cinq sites pilotes du projet D2GRIDS par l’Union Européenne : Interreg Europe du Nord-Ouest.

Est-ce le premier projet dans lequel la chaleur renouvelable est utilisée à Bochum, ou avez-vous déjà ici de l’expérience grâce à d’autres projets ?

Dr. Peper : Il y a plusieurs années, nous avons entrepris d’intégrer de plus en plus les énergies renouvelables dans le secteur du chauffage. Par exemple, nous alimentons notre réseau de chauffage urbain avec la chaleur d’une installation de combustion de déchets, deux de nos centrales de cogénération fonctionnent au biométhane, et deux autres au gaz de décharge. Nous comptons également sur des solutions autonomes plus petites, dans lesquelles nous avons déjà mis en œuvre des approvisionnements utilisant l’eau de mine et la chaleur des eaux usées. En outre, certains projets font appel à l’énergie géothermique de surface.

Dans le projet actuel, nous avons franchi l’étape de la construction d’une nouvelle infrastructure à plus grande échelle pour la première fois, et nous nous sommes aventurés dans le développement de l’énergie géothermique à partir de plus grandes profondeurs. Nous pensons qu’il s’agit là d’une des composantes essentielles d’une transition énergétique réussie dans le secteur du chauffage également.

Nécessairement, les nouvelles technologies et les nouvelles approches doivent être gagnantes sur le marché. Pouvez-vous nous parler des conditions techniques et économiques du nouveau réseau ?

Dr. Peper : Absolument. Avec chaque offre que nous faisons à nos clients potentiels, nous sommes en concurrence avec des solutions d’approvisionnement alternatives, mais moins « vertes ». Ces alternatives sont principalement, d’une part, la fourniture de gaz naturel, et d’autre part, le raccordement à notre réseau de chauffage urbain existant. Bien que nous puissions essayer de convaincre avec le service, la régionalité, et les énergies renouvelables, ainsi qu’avec la première offre de refroidissement connecté au réseau, nous devons en fin de compte être en mesure de proposer des prix compétitifs sur le marché. Cela montre que – compte tenu de l’état du marché et des conditions techniques du projet – les réseaux de chauffage de 5e génération ne peuvent malheureusement être présentés et mis en œuvre qu’avec un soutien financier pour atteindre leurs objectifs.

Et quelles sont les conditions techniques ?

Dr. Peper : Il faut ici faire la distinction entre la partie aérienne de l’installation – le réseau à proprement parler, le système de stockage ou les pompes à chaleur – et la partie souterraine – les forages géothermiques. Dans le cas de la partie en surface de la centrale, nous bénéficions de notre participation au projet Interreg D2GRIDS. Non seulement sur le plan financier, mais aussi grâce à l’échange technique avec des collègues des Pays-Bas, de Belgique, de France, du Luxembourg, d’Angleterre et d’Écosse.

Nous sommes également soutenus dans ce projet par l’Institut Fraunhofer pour les infrastructures énergétiques et la géothermie (IEG) pour toutes les questions concernant le développement de l’ancienne mine dans le but d’extraire les eaux de la mine. Néanmoins, le développement géothermique de l’ancienne mine de Dannenbaum est un défi technique complexe, mais aussi bureaucratique, car il y a un certain manque d’expérience dans le traitement des procédures d’autorisation nécessaires concernant le droit minier. Enfin et surtout – et cela s’applique en principe à tous les projets de ce type – le forage, et le développement effectif des ressources géothermiques, impliquent des coûts et des risques non négligeables qui doivent être pris en compte.

Dr Peper, merci beaucoup pour les explications détaillées fournies jusqu’à présent. Pouvez-vous nous donner un aperçu de la façon dont le projet  » 5e génération « va se poursuivre ?

Dr Peper : Nous avons déjà installé la majeure partie de l’infrastructure de réseau nécessaire. En outre, nous avons terminé les travaux préliminaires pour les deux forages. Nous commençons maintenant la mise en œuvre proprement dite, ce qui signifie que le forage et les métiers qui l’accompagnent (par exemple ceux concernant la construction du site) peuvent faire l’objet d’un appel d’offres. Nous prévoyons actuellement de commencer le forage du premier puits en août 2021.

Parallèlement, la planification des centres énergétiques est en cours, dans lesquels l’énergie géothermique pourra être transformée par des pompes à chaleur vers des niveaux de température adaptés aux clients pour le chauffage et le refroidissement. Si tout se passe bien, nous pourrons alors fournir aux premiers clients du site un chauffage et un refroidissement géothermiques en 2022.

Frank Peper, chef du département des projets de chauffage urbain, d’eau et d’énergie de la Stadtwerke Bochum Holding GmbH et directeur général de FUW GmbH, une société détenue à 100% par la Stadtwerke Bochum Holding.
Le Dr Peper est titulaire d’un doctorat en ingénierie mécanique et travaille à la Stadtwerke Bochum depuis 2007. Il est actuellement responsable, entre autres, de la construction du nouveau système de chaleur et de froid sur le site de l’ancienne usine Opel à Bochum.

Article publié sur C21 France
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