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.
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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. |
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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. 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 avec les nappes captive cette 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.
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Figure 5 |
Figure 6 |
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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.
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2)
La 2ème solution
avec l‘aquathermie superficielle
Ceci en s’inspirant de ce qui est fait à Rotterdam pour la tour Maastoren.
Cette solution 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 »
La 3ème solution en combinant l‘aquathermie superficielle et les nappes captives
La puissance prélevée dans l’environnement se répartie alors sensiblement à
part égale entre l’aquathermie superficielle et l’aquathermie des nappes captive profondes. L’apport
thermique d’un fleuve comme la Seine
vu sa température à Paris est en effet importante. C’est en pratique l’aquathermie profonde qui limite la puissance pouvant être prélevée
dans l’environnement. Cette solution décrite ICI
permettrait à terme de se passer de la combustion.
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 750 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 (Isséane)
La petite étoile montre l’emplacement du 1er
immeuble
La grande étoile une réalisation de PAC sur nappe sur un groupe d’immeubles
(A noter que le site Géoportail accessible à partir des cartes des rivières françaises
est avec GoogleMap une aide précieuse pour se faire
une idée des surfaces et des distances)
C) Et la volonté politique ?
On parle beaucoup de précarité énergétique mais on ne
fait pas encore grand-chose de significatif pour la résorber. On devine les
prémisses d’une action en observant par exemple cette tentative de réseau sur
les plans de Boulogne Billancourt mais pour l’instant on ne constate que des
actions disparates entreprises sans concertation d’ensemble et sans volonté
politique, à savoir :
-
une PAC
sur nappe libre avec une copropriété se débrouillant par elle-même pour
remettre en état ses anciens forages
-
ce réseau en bleu provenant de la centrale de combustion des
ordures d’Issy les Moulineaux avec la volonté manifeste d’alimenter l’Ile
Seguin en eau chaude pour le chauffage alors que l’énergie thermique pourrait
être prélevée dans la Seine.
Ceci alors que l’on attend des pouvoirs publics qu’il fixe le cap permettant
de généraliser les réseaux chauffage pour le bien de tous. On est en droit de
s’interroger lorsque l’on sait par exemple que les centrales de combustion des ordures Syctom
d’Issy les Moulineaux (Isséane) et celle de Paris XV
fournissent annuellement 122 000 MWh d’électricité grâce à leurs turbo alternateurs alimentés par de la vapeur d’eau
surchauffée par la combustion des ordures. Avec un COP de 7* pouvant être obtenu
avec des chaufferies hybrides en mode thermodynamiques raccordées avec un réseau
d’eau à 15°C associant l’eau géothermale et l’eau superficielle cette
énergie électrique correspond à une énergie thermique de 122 000 x 7 = 854 000
MWh. En associant ces 2 centrales de combustion des ordures proches l’une de
l’autre à un tel réseau il n’est pas inenvisageable d’espérer à terme voir ces centrales assurer le besoin en énergie - chauffage
inclus - des communes adjacentes à Issy les Moulineaux (70 000 habitants)
telles que Boulogne Billancourt (120 000 habitants), Montrouge
(50 000 habitants), Vanves (30 000 habitants) voire le 15ème
arrondissement (230 000 habitants) soit un total approchant du ½ millions
d’habitants. Cela correspond en effet à une énergie thermique disponible proche
de 854 000 000 / 500 000 = 1700 kWh par habitant ce qui n’est
pas négligeable par rapport au besoin total
chauffage de 5500 kWh. On observe que malgré le niveau de performance déjà élevé des PAC sur nappe conventionnelle et
son amélioration grâce à l’apport thermique de l’eau géothermale profonde
assuré par le forage du doublet SP1 la généralisation du chauffage urbain
ne pourra se faire sans le nucléaire qu’avec l’apport du voltaïque. Avec une
« isolation à minima » diminuant quantité d’énergie dissipée dans les
bâtis de 25% c’est tout de même 24 m² de panneaux solaire voltaïque qui sont
nécessaire par habitant si l’on exclus les éoliennes
*Ceci sous réserve que la température
à la source chaude ne soit pas trop défavorable
Image 9
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.
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Quant aux actions en faveur de
la généralisation des réseaux de chaleur en région parisienne elles ne sont
assurément pas à la hauteur des besoins. Pour la région sud de Paris seule les orientations prises par la commune de
Villejuif donnent l’espoir de voir ce genre de réseaux se généraliser.
Ceci pour reprendre les termes de Nicolas Hulot en changeant d’échelle et
grâce à l’association
thermique de l’eau chaude géothermale et des eaux de surface plus froides.
Ce mode de fonctionnement étant envisageable grâce aux échangeurs à plaques
sans mélange physique entre les fluides afin de préserver les deux
écosystèmes |
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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 10 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 diamètre (voir épilogue du livre)
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Figure 11 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.
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