Réseaux de chaleur et de froid

Un nouveau contexte ambivalent

Systèmes énergétiques intégrés à l’échelle urbaine, les réseaux de chaleur et de froid connaissent un regain d’intérêt, après une période de relative stagnation suite au contrechoc pétrolier. L’Union Européenne cherche aujourd’hui à renforcer le poids des réseaux afin d’accélérer l’intégration à grande échelle et à des coûts réduits de la chaleur renouvelable (biomasse, géothermie, pompes à chaleur et solaire thermique), de la cogénération et de la récupération de chaleur fatale (écologie industrielle, valorisation des déchets urbains).

Le contexte actuel de transition du parc de bâtiments vers des niveaux basse consommation constitue cependant une menace à la rentabilité économique des réseaux de chaleur . En effet, ces systèmes se sont historiquement avérés rentables dans des zones urbaines denses à forte demande thermique.

Ces éléments de contexte contradictoires incitent à développer de nouvelles stratégies politiques, technologiques, énergétiques et informatiques pour une gestion optimisée des réseaux de chaleur et de froid.

Axes de recherche

Trois domaines de recherche principaux répondant aux besoins d’acteurs variés sont abordés :

  • la planification de l’extension ou la rénovation de réseaux existants et de la construction de nouveaux réseaux ;
  • le dimensionnement optimisé des sous-ensembles d’un réseau : systèmes de production, réseaux de distribution de chaleur/froid, sous-stations à desservir ;
  • la gestion en temps réel de la demande et des systèmes de production.

Ils se déclinent en plusieurs axes de recherche :

  • L’impact de l’évolution du parc de bâtiments sur la rentabilité de réseaux existants ou futurs ;
  • La réduction des impacts CO2 des réseaux par la maximisation du poids des énergies renouvelables et de la chaleur fatale, notamment via des projets d’écologie industrielle tels que des éco-parcs ;
  • L’optimisation du dimensionnement d’un réseau ou de ses sous-parties à l’aide de la méthode du pincement et l’analyse exergétique ;
  • Les stratégies de pilotage de la demande à partir de solutions de stockage thermique (sur le réseau, via des volumes tampons, par la charge/décharge thermique de l’enveloppe des bâtiments desservis), d’appoints thermiques locaux et d’équipements hydrauliques à régulation intelligente ;
  • L’optimisation de la conduite des réseaux par des stratégies de contrôle prédictif.
Projets en cours

Des études avec l’ADEME Ile de France (2014-2017) ont été menées sur l’analyse de la demande de chaleur des bâtiments et les stratégies d’optimisation sur les réseaux. Ces travaux s’appuient sur des données issues de réseaux de chaleur et sur la simulation dynamique réalisée dans l’environnement DYMOLA/MODELICA.

Une  grande diversité du parc de bâtiments permet de foisonner les demandes et ainsi réduire significativement les pointes de puissance dans la chaufferie. La demande est surtout lissée sur la période de 5-6h à 11h du matin : relances du chauffage dans le tertiaire (5-7h), pointes de chauffage dans le résidentiel collectif (8-9h), recharge des ballons tampons d'ECS (10-11h).

Cependant, la dynamique du réseau primaire déforme la courbe de charge du réseau aux bornes de sa chaufferie par rapport à la courbe de charge du parc de bâtiments (somme des bâtiments). Les écarts entre pointes et creux peuvent augmenter. On observe un phénomène de stockage puis déstockage de la chaleur dans le réseau qui est d'autant plus important que le réseau est étendu. La dynamique du réseau amplifie notamment la relance du chauffage ou de la ventilation après un réduit de nuit.

Figure 1 : Stockage/déstockage sur un réseau de chaleur avec une loi d’eau classique

→ Des régulations optimisées de la température de départ du réseau et/ou des températures en sortie du primaire des sous-stations pourraient lisser la demande en chaufferie par rapport à la demande du parc de bâtiments. Il s'agit d’optimiser le stockage dans le réseau.

→ Pour contrer les déformations de la courbe de charge du réseau liées aux relances et coupures du chauffage dans les bâtiments intermittents, on peut les anticiper en jouant sur la température de départ du réseau.

Des stratégies d’optimisation peuvent être envisagées pour augmenter la part des Energies Renouvelables sur des réseaux biénergie (géothermie/gaz ou biomasse/gaz par exemple) et diminuer les consommations d’énergie primaire.

Dans un premier temps, nous avons étudié les  configurations tri-tubes dans le but d’épuiser les températures retour dans le réseau. Pour une consommation donnée sur le réseau, diminuer les températures retour revient à fournir la même quantité d’énergie avec un débit moindre et permet en théorie de diminuer les pertes thermiques, de diminuer la puissance de pompage et, dans le cas de la géothermie couplée à une chaudière à gaz, d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique du réseau en diminuant la consommation de gaz. Deux configurations ont été simulées, le tri-tubes et l’installation d’échangeurs en cascade dans les sous-stations. Les résultats montrent le niveau d’abaissement de température sur les retours que l’on peut obtenir sur un réseau type et les conséquences en termes d’économies de gaz et d’utilisation d’ENR.

Figure 2 : Augmentation du taux d’ENR sur réseaux grâce à des configurations « tri-tubes »

Dans un deuxième temps, nous avons étudié comment des stratégies de pilotage d’un réseau de chaleur permettraient d’optimiser les consommations d’énergie, notamment en adaptant la loi d’eau par contrôle prédictif. On a montré qu’adapter une loi d’eau d’une semaine à l’autre peut permettre de réduire les émissions de CO2 de l’ordre de 4% et la consommation d’énergie primaire de l’ordre de 20%. Par ailleurs, profiter du stockage en conduite sur un réseau alimenté par une chaufferie biomasse/gaz peut permettre de réduire d’environ 20% la consommation de gaz et de diminuer légèrement la hauteur du pic de consommation de la chaudière à gaz.

Figure 3 : Anticipation de la pointe de demande matinale par stockage en conduite
Réseaux de chaleur (chaud et froid) - MINES ParisTech
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