Etat de l’art sur l’optimisation des réseaux de chaleur

Contexte énergétique global

Depuis la révolution industrielle, le développement de la plupart de pays est inextricablement lié à la présence d’énergie abordable et facilement accessible [1]. À l’échelle mondiale, la consommation d’énergie ne cesse de croître, ayant plus que doublé en quarante ans. Les énergies fossiles représentent actuellement plus de 80% de la production mondiale d’énergie primaire .

Il existe une forte corrélation entre les émissions de CO2 et la croissance économique des pays, surtout quand cette croissance est basée sur des sourcesd’énergie fortement émissives [2]. Une forte augmentation des rejets de gaz à effet de serre, principalement issus de la combustion (charbon, pétrole, gaz), est ainsi observée depuis 1960. Les émissions mondiales de dioxyde de carbone ont atteint les 36 gigatonnes/an en 2015 .

Contexte énergétique en France

En ce qui concerne la France, le secteur du bâtiment (résidentiel-tertiaire) représente environ 1/3 de la consommation énergétique finale, tous secteurs confondus (transports, agriculture, sidérurgie, industrie) (Figure 3) et produit la plus grande partie des émissions de gaz à effet de serre [5]. Ceci est principalement lié au fait que les systèmes utilisés pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire (ECS) consomment des combustibles fossiles. [6]

La consommation dans le résidentiel – tertiaire s’élève à 67 Mtep en 2015. La consommation de produits pétroliers diminue depuis 1980, et est remplacée progressivement par du gaz et de l’électricité (Figure 4). La production de chaleur et de froid pour assurer des besoins de conditionnement d’ambiance, d’eau chaude sanitaire et de réfrigération constitue une grande part de l’énergie consommée dans le bâtiment. Ces énergies sont souvent produites par des systèmes indépendants (ex. chaudières, cogénération,..) et véhiculés par des réseaux séparés de chaud et de froid. La chaleur rejetée par la production de froid (réfrigération, rafraichissement…) ainsi que des sources d’énergie renouvelables à faible température (solaire thermique, géothermie…) est peu valorisée à l’heure actuelle faute de systèmes intégrés disposant d’une flexibilité de gestion nécessaire. Compte tenu des enjeux climatiques et en respectant le développement durable, la part des énergies renouvelables et locales dans le mix énergétique doit être maximisée. Pour ce faire, les réseaux de chaleur urbains (RCU), intégrant des technologies de poly génération (cogénération, cycles combinés) et des systèmes de conversion (PAC, ORC) présentent une solution intéressante à considérer. [7]

Contexte énergétique à l’échelle de la ville

Dans un réseau de distribution de chaleur, l’énergie thermique peut être transportée sur plusieurs kilomètres.  le réseau comprend au moins deux canalisations. Une (en rouge) permet la distribution de la chaleur vers les consommateurs, l’autre (en bleu) constitue le retour du fluide refroidi vers les unités de production. Le fluide est distribué dans les réseaux à des pressions allant de 5 à 15 bars. Les températures du réseau peuvent être variables, dépendant des sources de chaleur et du profil de la demande.

L’unité de production thermique et le réseau de distribution sont du côté primaire, tandis que les utilisateurs finaux sont du côté secondaire. Le réseau de distribution secondaire assure la répartition de la chaleur entre les différents bâtiments/consommateurs. La limite entre les côtés primaire et secondaire est matérialisée par l’échangeur de chaleur de chaque sous-station (Figure 6). Les réseaux de chaleur et de froid urbains sont généralement considérés comme un moyen pratique, économique et écologique pour fournir (ou extraire) de la chaleur à l’échelle d’un quartier ou d’une ville. La prestation apportée par un réseau de chaleur (chauffage et ECS) correspond aux 3/4 de la totalité des besoins énergétiques d’un logement moyen. Même si cette part est en baisse, notamment par rapport à une diminution globale des besoins énergétiques liée aux nouvelles réglementations sur la thermique des bâtiments, elle reste significative [5]. Contrairement au système de chauffage individuel, la majorité des réseaux de chaleur sont multi‐énergies. Ils sont capables de mobiliser plusieurs sources : énergies renouvelables (biomasse, géothermie, solaire), énergies de récupération (chaleur issue des procédés industriels, biogaz, data centers, eaux usées…) et énergies fossiles (gaz naturel, charbon et fiouls) [9]. Le gaz reste la principale source d’énergie des RCU, comme l’indique la Figure 7. Les énergies renouvelables, en hausse, représentent près du tiers de la consommation primaire des réseaux de chaleur. Les réseaux de chaleur permettent donc un usage plus efficace des ressources énergétiques, contribuant à une atténuation des émissions de gaz à effet de serre. De plus, des synergies énergétiques sont possibles si on considère à la fois l’environnement industriel et urbain. Par exemple, l’efficacité énergétique des systèmes de cogénération (CHP) peut être accrue s’ils sont connectés à un réseau urbain.

Cadre réglementaire en France

La plupart des pays dans le monde se sont engagés sur des actions communes pour lutter contre le dérèglement climatique. Dans un contexte réglementaire spécifique à chaque pays et devenant de plus en plus stricte, l’intégration des énergies renouvelables ou bien les seuils des émissions de CO2 sont des contraintes à respecter. L’Union européenne (UE) a adopté un cadre commun de mesures visant à promouvoir l’efficacité énergétique et à réaliser l’objectif de réduction de la demande d’énergie primaire pour 2020 [10].

Les objectifs du Grenelle puis de la Loi de Transition Energétique (LTECV du 18 août 2015) prévoient une multiplication par 5 d’ici 2030, en matière de chaleur produite par des énergies renouvelables et récupérables (EnR&R) livrées par les réseaux de chaleur ou de froid [11]. Plus la température du réseau est basse, plus les opportunités d’intégration de certaines sources fatales ou renouvelables (directement ou par conversion) deviennent importantes. De plus, il y a moins de pertes dans les canalisations ce qui augmente le rendement de la distribution. Ceci démontre l’importance de raisonner en « qualité d’énergie » correspondante entre la production et la demande, c’est-à-dire en énergie produite ou consommée à un certain niveau de température. [12]

Le verdissement des réseaux de chaleur s’intensifie et va totalement dans le sens de l’objectif de 1,35 Mtep de chaleur livrée produite par EnR&R fixé par la Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) pour 2018  . En outre, le Fonds chaleur renouvelable a été créé pour accélérer le développement de la chaleur à partir d’énergies renouvelables et de récupération. Ce fonds a permis, depuis sa mise en place en 2009, de concrétiser de nombreux projets en les rendant compétitifs par rapport à des installations recourant à des énergies fossiles.

Les réseaux de chaleur aujourd’hui

Les réseaux de chauffage urbain (RCU) sont utilisés depuis 1900 pour fournir de la chaleur dans les zones urbaines. Les systèmes décentralisés transportant de la vapeur (RCU de 1ère génération) sont remplacés aujourd’hui par des systèmes de transport d’eau à environ 100°C (RCU de 3ème génération). Cette technologie est développée dans la plupart des grandes villes d’Europe [14]. En effet, les réseaux de vapeur intégrant des équipements lourds, ont été remplacés par des réseaux mixtes centralisés-décentralisés, afin d’optimiser la production et la distribution (Figure 9). La 4ème génération des RCU, en cours de développement, permettra de relever les défis de la faible demande des bâtiments à haute performance énergétique d’un côté, et de l’intégration des énergies renouvelables de l’autre [6] .

Au cours des dernières années, les approches de conception et de pilotage des systèmes énergétiques ont connu des développements importants. La production de chaleur décentralisée ainsi que le développement de plusieurs typologies et équipements de conversion et de stockage deviennent de plus en plus répandus. Ceci implique une multiplication des configurations possibles lors de la conception d’un réseau de chaleur, compliquant le travail de conception.

Table des matières

Liste des tableaux
Liste des figures
Nomenclature
Introduction
Chapitre 1 Etat de l’art sur l’optimisation des réseaux de chaleur
1. Contexte
1.1. Contexte énergétique global
1.2. Contexte énergétique en France
1.3. Contexte énergétique à l’échelle de la ville
1.4. Cadre réglementaire en France
2. Réseaux de chaleur : Enjeux
2.1. Les réseaux de chaleur aujourd’hui
2.2. Les réseaux de chaleur de 4ème génération
2.3. Problématiques sur l’optimisation d’un réseau de chaleur
3. Méthodes d’analyse et d’optimisation des systèmes énergétiques
3.1. Intégration énergétique
3.1.1. Intégration énergétique : Méthodes « graphiques »
3.1.2. Méthodes de programmation mathématique
3.2. Optimisation des réseaux de chaleur – échelle urbaine
3.2.1. Approches statiques
3.2.2. Approches dynamiques
3.2.3. Approches multi-objectifs
3.2.4. Incertitudes
3.2.5. Synthèse
4. Stockage
4.1. Etat de l’art sur l’intégration du stockage thermique
4.2. Synthèse
5. Réduction de la complexité du problème
5.1. Echelle temporelle
5.2. Décomposition du problème global
5.2.1. Approches méthodologiques de décomposition du problème en plusieurs étapes
5.3. Synthèse
6. Synthèse sur l’état de l’art
7. Problématique de la thèse – positionnement du sujet
7.1. Périmètre du travail de thèse et objectifs
7.2. 1ère approche : modèle linéaire
7.3. 2ème approche : modèle non linéaire
8. Conclusions – Ambitions
Chapitre 2 Conception d’un réseau de chaleur avec dimensionnement du stockage
1. Introduction
2. Définition des variables du problème
2.1. Production
2.2. Demande
2.3. Paramètres d’entrée du modèle
2.4. Variables du modèle
3. Formulation mathématique du problème M1
3.1. Correspondance en température
3.2. Ajout des utilités locales
3.3. Bilan énergétique
3.4. Bilan massique
4. Stockage
4.1. Introduction
4.2. Modélisation mathématique du stockage
4.3. Echelle temporelle à 2 niveaux
4.4. Formulation mathématique
5. Echangeurs de chaleur
6. Fonction objectif
7. Cas d’étude
7.1. Objectif
7.2. Description
7.3. Dimensionnement du stockage sur un jour « type » (1 macro-période)
7.3.1. Cas de référence
7.3.2. Intégration d’un réservoir de stockage
7.3.3. Sensibilité du volume du stockage sur le prix annuel considéré
7.3.4. Sensibilité du modèle sur le nombre des périodes considérés
7.4. Dimensionnement du stockage sur une année type
7.4.1. Cas de référence
7.4.2. Intégration d’un réservoir de stockage
7.5. Conclusions
Chapitre 3 Conception d’un réseau de chaleur urbain avec dimensionnement de systèmes de conversion thermodynamiques – application aux pompes à chaleur
1. Introduction
2. Définition du problème
2.1. Nouvelles variables du modèle
3. Modèle mathématique(M2)
3.1. Modifications liées à la configuration du réseau
3.2. Bilan énergétique
3.3. Bilan de masse
3.4. Intégration des pompes à chaleur
3.5. Echanges locaux
3.6. Echangeurs de chaleur
3.7. Fonction objectif
4. Etudes de cas
4.1. 1ère étude de cas : Etude en mono-période – dimensionnement d’une pompe à
chaleur selon un critère exergétique
4.1.1. Description
4.1.2. Deux scénarios d’étude
4.1.3. Synthèse
4.2. 2ème étude de cas : Etude en multi-période : Valorisation d’une source
géothermique à basse température avec une PAC
4.2.1. Cas de référence (sans PAC)
4.2.2. Intégration d’une pompe à chaleur
4.2.3. Décomposition du problème multi-période dans le cas d’intégration des PAC
4.2.4. Synthèse
4.2.5. Comparaison avec un modèle linéaire
5. Conclusion
Conclusion

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