CHAUFFAGE URBAIN

Réseau d’alimentation en eau non potable (ENP)

Le secteur de l’habitat est un énorme consommateur d’énergie en France. Ceci dans la mesure où il représente à lui seul près de la moitié de l’énergie finale consommée en France (44%). Il va maintenant pour cette raison devenir nécessaire de revoir notre façon de consommer l’électricité pour le chauffage et d’ouvrir à cet effet les réseaux de chauffage urbain à de nouvelles sources d’énergie renouvelable.

Couvrir les besoins thermiques de quartiers urbains entiers en valorisant les ressources superficielles que nous offre l’eau présente dans la nature est dès à présent envisageable et va devenir indispensable. Ceci ne serait-ce que pour respecter notre Loi sur la Transition Energétique et la Croissance Verte. Le bon sens nous commande de le faire en :

-        minimisant autant que faire se peut la multiplication des solutions individuelles

-        trouvant un compromis entre le cout des infrastructures tuyauteries et les performances.

-        Tirant profit du travail effectué par des associations de collectivité comme Amorce

Cela non seulement pour les nouveaux bâtiments mais en alimentant les bâtiments existants difficiles à isoler après-coup par des réseaux d’alimentation en eau non potable. Ceci afin de diminuer dans des proportions importantes les consommations en électricité et en gaz.

Moyennant une volonté politique la région parisienne peut se prêter à la mutualisation du système énergétique. Particulièrement du fait de l’amélioration des performances induites par l’association des réseaux profonds et superficiels. Ceci quitte à développer de nouveaux produits associés au comptage et à la distribution d’eau non potable ayant une température intermédiaire entre celle de nos nappes libres et celle du rejet vers l’aquifère profond du réseau géothermique. Ceci de telle sorte que l’énergie thermique prélevée dans notre environnement provienne de ces deux sources, l’aquathermie superficielle étant on le sait maintenant, pérennisée dans le temps par les apports solaires. La municipalité et le préfet de région serait au titre du PREH associés pour mettre en place au plus tôt cette mutualisation afin de définir la structure juridique, le montage financier, la réalisation et l’entretien du réseau de chaleur. La taille du quartier pouvant être couvert dépendra des ressources géothermie disponibles au droit du site ainsi que des besoins thermiques en surface.

De nombreuses solutions sont envisageables pour concevoir un réseau de chauffage urbain associé à l’eau. Ceci que cette eu soit celle du fleuve, de sa nappe libre ou celle de l’eau géothermale profonde.

 

Rotterdam avec la Meuse 

Les bonnes idées sont souvent les plus simples. Il faut rendre hommage à nos amis hollandais d’avoir compris avant nous que la rivière peut être source de chaleur. C’est ainsi que le bureau néerlandais Techniplan Adviseurs a eu l’idée géniale d’utiliser l’eau de la Meuse pour chauffer et refroidir une tour haute de 165 m constituée principalement de bureaux. Le fleuve et sa nappe libre sont utilisés conjointement par une pompe à chaleur pour refroidir et réchauffer le bâtiment associé à une pompe à chaleur. L’énergie thermique générée par les industries en amont de Rotterdam élève la température à la source froide de la pompe à chaleur améliorant ses performances et en plein hiver lorsque l’eau de la Meuse est plus froide que l’eau stockée dans le sol, c’est la nappe libre en liaison avec le fleuve qui prend alors le relais. Le dispositif différent de celui proposé pour Paris ci-dessous comprend des réservoirs tampons souterrains d’eau chaude et d’eau froide qui seraient de moindre dimensions grâce à l’énergie thermique de l’eau de la Meuse. Ceci de telle sorte qu’il soit toujours possible de refroidir le bâtiment avec la source la plus froide et de chauffer avec la source la plus chaude. Selon les ingénieurs de Techniplan, l’investissement serait amorti en 3 à 4 ans rendant pratiquement inutiles les primes qui seraient offertes en complément par les pouvoirs publics

Photo 1 La tour Maastoren à Rotterdam

 

A)  Chauffer la région parisienne avec la nappe libre en liaison avec la Seine ?

Un tel système basé sur la mise en place de pompes à chaleur sur nappe est-elle généralisable sur Paris ? La réponse est NON.

Ceci en raison du manque de terrain. Cela est regrettable vu qu’elle a des performances excellentes et qu’elle permet d’abandonner totalement la combustion. Pour information cette solution est expliquée avec clarté par Mr Sovignet et est comparable à celle retenue pour une  PAC aquathermique privative  installée avec succès dans une boucle de la Marne à Saint Maur. Beaucoup de propriétés lorsqu’elles sont situées dans à l’intérieur des méandres d’un fleuve ont un aquifère sous leur pied mais peu d’entre elles ont la chance de bénéficier d’un terrain avec de la surface en pleine terre. C’est seulement dans ce cas qu’il est possible de forer l’exhaure et le rejet de ce type de pompe à chaleur.

Figure 2               Source géothermie perspective

Les nappes libres du sous-sol de la région parisienne, du fait de son sous-sol sédimentaire, sont en communication avec la Seine et bénéficient d’un potentiel géothermique superficiel allant de moyen à fort. Pour les zones trop éloignées de la Seine,

Boulogne Billancourt situé dans une boucle de la Seine, a un potentiel géothermique moyen comparable à celui situé dans la boucle de la Marne à Saint Maur.

Figure 3  La région parisienne, située en bordure de l’aquifère profond du dogger peut bénéficier à la fois de l’eau géothermale et de l’aquathermie superficielle par le fait qu’elle est irriguée par la Seine, la Marne et l’Oise se trouve dans une position particulièrement favorable pour pouvoir bénéficier du chauffage thermodynamique

 

B)  Chauffer la région parisienne avec son dogger et son fleuve ?

Paris a la chance d’être disons à proximité d’une réserve d’eau chaude souterraine importante appelée Dogger. En raison du manque de terrain en ville il est pour cette raison plus intéressant pour notre capitale d’associer le chauffage thermodynamique non pas à sa nappe libre superficielle mais directement à l’eau du fleuve associé à l’eau plus chaude et plus profonde du dogger.

L’auteur de ce site propose deux solutions allant dans ce sens. Elles présentent l’intérêt d’être encore plus performantes que la précédente A)
Leur avantage commun est de pouvoir être plus facilement généralisable en ville et de diviser sensiblement par 3 la consommation d’énergie finale par rapport aux deux chaînes énergétique actuelles. Pour chacune de ces deux solutions
les pompes à chaleur pourraient être implantées dans le sous-sol des immeubles et alimentées par un réseau d’eau non potable (ENP).

Le rédacteur de ce site est à la disposition des 40 copropriétaires de la Tour Montparnasse à l’occasion de la rénovation leur tour de 218+18 = 236 m de haut avec 850 m² de panneaux solaires voltaïques en toiture. Il se porte volontaire pour réaliser une pré-étude gratuite de faisabilité se rapportant uniquement à la rénovation thermique de cette tour orientée vers chacune des deux solutions ci-dessous, à savoir une solution orientée vers la chaufferie hybride gaz-électricité d’une part ainsi qu’une étude comparative orientée vers la solution néerlandaise. Ceci principalement dans le cadre du dimensionnement de la chaufferie assurant la génération thermique.

Figure 4   Les municipalités doivent être parties prenantes sinon rien ne peut se réaliser. Le réseau d’eau non potable (ENP) alimenterait en eau non potable et à une quinzaine de degrés l’évaporateur des pompes à chaleur installées dans la chaufferie des immeubles. Cette solution permettrait de généraliser la solution chaufferie hybride en ville telle qu’elle est décrite dans le cadre du « Cas pratique ». Ceci en faisant bénéficier ses habitants de nombreux avantages (pas de bruit, compacité de la chaufferie, excellentes performances). Les chaufferies collectives des immeubles évolueraient vers un nouveau mode de marche conforme à la chaufferie hybride avec un complément ENR aux chaudières gaz. La température de l’alimentation en ENP (source froide) étant sensiblement 5°C au-dessus de la température habituelle de la nappe libre souvent à 10°C cela permettrait de réduire notablement la consommation en énergie finale.

1)    La première solution disons hybride n’abandonne pas totalement la combustion. Elle consiste à utiliser un circuit associant la combustion et la pompe à chaleur aquathermique pour fournir le besoin. Le chauffage thermodynamique y serait assuré par un complément ENR .

On peut accéder à ce circuit ICI.  Une proposition pour la commune de Boulogne Billancourt particulièrement bien située dans une boucle de la Seine est faite ci-dessous dans le cadre de cette première solution.

Figure 5

Figure 6

Ces deux figures de la commune de Boulogne Billancourt sont à rapprocher l’une de l’autre :

-        La Figure 5 montre un projet de sous-communes pour Boulogne Billancourt

-        La Figure 6  montre comment une généralisation du chauffage urbain est possible pour ces sous-communes en associant le prélèvement de l’énergie thermique renouvelable naturelle disponible dans la Seine à celle contenue dans les 5 à 6 puits géothermals. La puissance disponible sur les réseaux de chauffage urbain basés sur la combustion des ordures étant limitée la géothermie profonde basée sur l’exploitation des ressources thermiques de nos aquifères captifs profonds va devenir, au travers des réseaux de chaleur, la structure de base sur laquelle va s’appuyer le

-        nouveau concept de chauffage de l’habitat.


L’auteur de ce site a déjà expliqué dans une réunion publique au Maire de Boulogne que sa commune avait des progrès à faire pour satisfaire les besoins en chauffage de ses administrés. Voilà une bonne d’évoluer dans ce sens. Des sociétés françaises comme Dalkia,  IDEX voire américaine comme Carrier font partie des sociétés qui sont probablement capables de gérer un tel projet à l’échelle des 6 sous-communes de Boulogne Billancourt moyennant un plan directeur èlaboré par la commune.

 

 

2)    La deuxième solution  s’inspirant de ce qui est fait à Rotterdam  pour la tour  Maastoren  permet de se passer plus facilement des combustibles fossiles pour assurer le chauffage de l’habitat urbain. La rivière y est mieux utilisée que dans le cas de la première solution et l’énergie prélevée dans le dogger est plus faible améliorant sa tenue dans le temps et la puissance disponible au plus froid de l’hiver.
Le lecteur intéressé par cette solution peut se reporter au préalable à l’étude faite dans le cadre de « l’immeuble de Mr tout le monde » mettant en évidence un besoin thermique de 6000 kWh par habitant puis prendre connaissance du texte ci-après :

Ce qui a été fait sur la Meuse à Rotterdam pour chauffer la tour pourrait être réalisé à Paris avec la Seine. Imaginons que l'on remplisse fin septembre début octobre un réservoir de 50 mètres cubes enterré à proximité de la Seine avec de l'eau provenant de cette dernière lorsqu'elle est à 20°C.
Imaginons maintenant un circuit sensiblement différent de celui imaginé dans le cadre de la SWE. Ceci dans le sens où au lieu d'assurer des transferts thermiques entre l'eau géothermal et l'eau superficielle sans aucun mélange entre les fluides comme cela est expliqué dans le cadre du circuit de la SWE on déroge à la réglementation française en les mélangeant physiquement.
Lorsque l'on décide dans le cadre de cette décision d'envoyer de l'eau géothermal à 50 °C  on peut se demander quel est le volume d’eau thermale qu'il faut t'envoyer pour passer la température de la température T1 = 20°C à T2 = 25°C dans ce réservoir.

On peut avoir réponse à cette question en écrivant que l'énergie contenue après mélange est égale à l'énergie avant mélange majorée de l'apport thermique géothermal ATG  soit en écrivant que cmT1 + ATG = cm T2   ou   ATG = cm (T2 - T1) = 4,18 × 50 000 × 5 = un million de kilojoules ou 290 kWh. L'étude du cas pratique a permis de voir qu'il est nécessaire de disposer d'une puissance de 350 kW pour chauffer 5000 m² habitable moyennement isolé ce qui revient à dire que pour en chauffer 25 avec la même classe d'isolation il faut 1,75 kW

Un évaporateur de pompe à chaleur qui refroidi l'eau de ce réservoir de 25 à 5°C en développant une telle puissance doit être parcouru par un débit d'eau Q exprimé en m3/h égal à Q = P / (DT x 1,16) Soit Q = 1,75 /(20 × 1,16) = 0,075 m3/h

Ce qui correspond sensiblement pour une période de grand froid exceptionnelle d'un mois à un volume de 50 m3 (0,075 × 30 × 24) 

À raison de 1,16 kWh par m3 et °C, la quantité de chaleur prélevée à la source froide de la pompe à chaleur aquathermique rejetant l'eau dans la Seine en sortie d'évaporateur à 5°C pendant cette période d'un mois est nettement supérieure à celle de 290 kWh provenant de l'eau géothermale.

Elle est égale à 50 × 20 × 1,16 = 1160 kWh soit dans la pratique 3 fois supérieure (1160 - 290) / 290 =3

Quant à la quantité d'énergie électrique requise pour alimenter le compresseur de la pompe à chaleur on peut raisonnablement escompter un COP minima de 6 en raison de la température favorable à la source chaude. Cela revient à dire que cette dernière sera sensiblement limitée pendant la période de chauffe vu qu'avec un tel COP on consomme 1 pour un besoin de 6 ce qui revient à dire que pour satisfaire un besoin thermique annuel de 6000 kWh, seulement 1000 kWh électrique sont nécessaire. Pour  comprendre le besoin thermique annuel moyen par habitant de 6000 kWh en région parisienne se reporter aux pages 574 et 575 du livre  « La chaleur renouvelable et la rivière »

C)   La région parisienne avec la combustion des ordures ?

Il est clair que compte tenu du pouvoir calorifique des ordures et le fait que chaque parisien en produit annuellement environ 500 kg que cette solution évoquée dans ce site ne permettra pas de satisfaire tout le monde.

Figure 7      Source Syctom  Carte situant l’emplacement des centrales de combustion des ordures en région parisienne.

Il faut sensiblement 5 tonnes de déchets pour obtenir l’équivalent de 1000 litres de fioul. Cela revient à dire vu le PCI du fioul de 10 kWh par litre que l’équivalent énergétique des quelque 500 kg d’ordures généré annuellement par habitant est de l’ordre de 1000 kWh. Chiffre à comparer aux besoins actuels pour le chauffage et l’ECS de l’habitat urbain existant de 6000 kWh (240 kWh/m² habitable pour une surface habitable en région parisienne se situant vers 25 m²) comme on le voit le compte n’y est pas. Par contre ces réseaux pourraient aider à généraliser le chauffage urbain en vile. Ceci en récupérant au moins leur énergie fatale afin d’améliorer les performances du chauffage thermodynamique en augmentant la température à la source froide

 

Figure 8     Ebauche de réseaux de chaleur IDEX provenant de la centrale de combustion des ordures d’Issy les Moulineaux Syctom nommé Isséane

A noter que le site Géoportail accessible à partir des cartes des rivières françaises est une aide précieuse pour se faire une idée des surfaces et des distances

 

Figure 9     Vue de Détail montrant l’emplacement du 1er immeuble (l’étoile)

D)    Et la volonté politique ?  

On parle beaucoup de précarité énergétique mais il est clair que pour l’instant la volonté politique est pratiquement inexistante

Image 10

L’aide fiscale sous la forme du fond chaleur renouvelable est la bienvenue mais l’incitation à l’investissement pour un Maître d’ouvrage

soucieux du RSI peut être d’une autre nature

 

Complément technique

Récupération de l’énergie fatale

 

Plutôt que de renvoyer directement dans le dogger l’eau à 30°C du circuit de rejet du puits géothermal, les réseaux de chauffage urbain réalisés par la compagnie de chauffage urbain parisien (CPCU) récupèrent parfois l’énergie fatale issue du dogger. Ceci afin d’augmenter la température à la source froide de pompes à chaleur aquathermiques situées en aval. Voir le circuit sur la figure ci-dessous. L’ilot A situé en amont utilise directement la chaleur issue du puits géothermal avec l’aide éventuelle d’une chaudière d’appoint alors que l’ilot B récupère l’énergie fatale issue du puits géothermale. Ceci indirectement en augmentant la température à la source froide des pompes à chaleur implantées dans le sous-sol des immeubles. l’ilot B. Le logiciel OCES (voir ci-dessous) permet de calculer des pertes de charges d’un tel réseau.

 

Source  Mr Lemale expert

Figure 11  La puissance thermique transmise par l’échangeur géothermique (généralement à plaques) situé en amont du réseau peut être très importante.

Un puits géothermal délivrant  un débit d’eau chaude Q de 270 m3/h à 57°C avec un rejet à 10°C transmet une puissance thermique P en kW égale à

P = 1,16 x Q x ∆T   =   1,16 x 270  x (57 – 10)   = 14 720 kW. Dans un tel réseau la chaleur en provenance de l’eau géothermale et récupérée par chacun des ilots A et B à part sensiblement égales. En raison de la température élevée à la source froide, le coefficient de performance COP de la pompe à chaleur est excellent.

 

Les pertes de charge dans les réseaux

Logiciel OCES pertes de charges linéaires dans les tuyauteries (Windows XP pro)

A titre d’information la perte de charge dans une tuyauterie de 800 mètres de long ayant un diamètre de 350mm intérieur et parcouru par un débit d’eau de 400 m3/h* (6666 l/mn) n’est que de 0,35 bar.

Ceci en provoquant une perte de puissance limitée à 1,7 kW alors que la puissance thermique transmise est voisine de 5800 kW pour une chute de température dans les évaporateurs de 10°C

*Ceci pour 3 départs de même diametre (voir épilogue du livre)

 

Figure 12   Le logiciel OCES donne des résultats comparables à ceux obtenus à partir des courbes de Mr Seltz (abaque)

 La transcription du fichier OCES sur Excel permet de faire cette correction.

 

RESEAU TUYAUTERIE d'ENP

Diamètre intérieur tuyauterie

mm

200

Viscosité cinématique

centistoke

1,0

Longueur tuyauterie

m

1000

Nombre de coudes arrondis

5

Débit

m3/h

240

Débit

litres/mn

4000

Surface intérieure tuyauterie

m²

0,031

Vitesse du fluide

m/s

2,122

Nombre de Reynolds

sans dimension

424410

Type d'écoulement

Turbulent

> 4000

Longueur équivalente totale

m

1020

Perte de charge totale

bar

2,84

Puissance perdue

kW

19