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L’intelligence pour améliorer la gestion des réseaux de chaleur et de froid

Les réseaux de chaleur et de froid intégrent de nouvelles sources d’énergie. Le développement des technologies de l’information et de la communication (TIC) sur ces réseaux permet de rendre les réseaux intelligents en facilitant l’intégration de ces multiples sources d’énergie et en améliorant leur efficacité.

Les réseaux de chaleur et de froid intelligents permettent une gestion dynamique de l’énergie thermique en fonction des conditions de marché et au plus près de la demande finale. Les réseaux sont désormais capables de gérer plusieurs sources d’énergie suivant plusieurs paramètres variables dans le temps (ensoleillement, vent, appel de puissance, prix de l’électricité, température extérieure, etc.).

Intégrer les NTIC dans les réseaux de chaleur et de froid

Les réseaux de chaleur et de froid intègrent désormais de nombreuses sources d’énergie : les énergies conventionnelles (fossiles – gaz naturel, fioul ou charbon), les énergies de sources renouvelables (biomasse et géothermie profonde) et les énergies de récupération (chaleur fatale dégagée lors de l’incinération des déchets, celle des eaux usées, celles des data centers).

À l’image des réseaux électriques et des réseaux de gaz, la gestion de ces nombreuses sources et le besoin d’optimisation du fonctionnement du réseau nécessite l’introduction d’équipements intelligents : capteurs communicants, sous-stations intelligentes qui permettent le pilotage des réseaux, régulateurs de débit et de pression intelligents, interconnexion de ces éléments grâce à des réseaux informatiques, surveillance permanente, lien avec les autres éléments – bâtiments intelligents, capteurs météorologiques, Smart grid électrique, Smart grid gazier, stockage chaleur et production de l’eau chaude sanitaire.

Le déploiement des TIC sur les réseaux de chaleur et de froid donne la possibilité d’en optimiser la gestion (diminution des pertes, augmentation du taux de couverture des besoins par les sources les moins coûteuses sur le plan économique et sur le plan environnemental) en fournissant à chaque instant une image complète de la situation sur l’ensemble du réseau. L’objectif est de mieux ajuster la production à la demande, d’anticiper davantage les périodes de pointe de chauffage et de réduire les pertes d’énergies.

Elles participent également à la fiabilisation du réseau, en renforçant la sécurité des équipements du réseau de chaleur par l’intermédiaire de nouvelles alertes en cas de panne ou de réparation des infrastructures et permettent ainsi de réduire les délais des interventions.

Côté client, comme en gaz et en électricité, le comptage communicant permet de suivre sa consommation de chaleur pour mieux maîtriser sa dépense énergétique.

Améliorer l’efficacité du réseau en réduisant les pertes

Tout réseau de distribution de chaleur ou de froid subit des pertes d’énergie et des surconsommations : pertes dans les canalisations, pertes aux sous-stations, etc.

Avec la diminution des quantités de chaleur utile fournies aux bâtiments (les bâtiments sont de mieux en mieux isolés et deviennent basse consommation), la part relative de ces pertes augmente dans le bilan de consommation d’un réseau de chaleur. La compétitivité du réseau, sur le plan énergétique (et donc également économique) s’en trouve affectée.

Différentes techniques d’optimisation des réseaux de chaleur permettent d’améliorer l’efficacité des réseaux en réduisant les quantités d’énergie perdues.

Ajustement dynamique des températures

La plupart des réseaux sont dimensionnés de telle sorte qu’ils fournissent la quantité d’énergie suffisante aux bâtiments raccordés pour une température extérieure dite « de base ». Cependant, durant la plupart de la saison de chauffe, la température est supérieure à cette valeur de référence. Le réseau est donc maintenu à une température élevée sans que les besoins des bâtiments ne le justifient. Statistiquement, l’analyse des températures moyennes journalières en France montre que la température du réseau peut être abaissée à 65 °C la majorité du temps.

Optimisation de la température de départ

En équipant le réseau d’éléments intelligents capables de moduler la température de départ du fluide caloporteur en fonction des conditions météorologiques réelles, il est possible de réduire les pertes thermiques dans les canalisations. Une diminution de 15 °C de la température de départ permet ainsi de réduire de 16 % les pertes.

D’autres paramètres, comme les appels de puissance des usagers mesurés en temps réel, ou anticipés à partir de mesures passées, peuvent aussi être intégrés pour moduler plus finement la température, et donc réduire encore les pertes.

Variation des vitesses des pompes

Les réseaux de chaleur fonctionnent la majorité du temps à débit variable alors que les pompes qui les alimentent sont la plupart du temps entraînées par des moteurs à vitesse constante. Il est possible de diminuer de près de 50 % les consommations électriques en couplant aux moteurs un variateur électronique. Celui-ci permet d’abaisser la vitesse des pompes à pression constante. Le point de fonctionnement de la pompe est donc optimisé.

Le stockage

Certaines sources de chaleur produisent toute l’année, sans qu’il soit possible d’arrêter la production ou sans que cela présente un intérêt économique ou environnemental. C’est par exemple le cas de la chaleur de récupération des UIOM ou des data centers, ou de l’énergie produite par les panneaux solaires.
L’excédent de chaleur produit en été peut être stocké puis utilisé en période hivernale. Inversement, on peut emmagasiner du froid en hiver pour rafraîchir des bâtiments en été. Le stockage peut se faire dans des silos d’eau, dans le sous-sol, dans de la glace, etc.

Le stockage peut également être journalier (effacement des pics horaires) ou hebdomadaire (équilibrage entre les différents jours de la semaine).

Le stockage de l’énergie thermique présente plusieurs avantages. Il permet d’augmenter la quantité d’énergie gratuite ou à bas coût utilisable par le réseau, d’abaisser les puissances nominales de production, et donc les coûts des chaudières et échangeurs et d’améliorer de façon importante des rendements énergétiques des machines thermodynamiques et des systèmes de production de chaleur solaire (lissage de la courbe d’appel de puissance).

D’autres techniques existent pour réduire les pertes comme la surisolation des canalisations et la distribution en basse température.

Développer l’évolutivité des réseaux

À l’inverse du réseau de chaleur classique, à l’architecture centralisée, un réseau à très basse température peut être alimenté par un très grand nombre de points de production ou récupération d’énergie thermique (géothermie, SWAC, solaire thermique, etc.). Ce réseau multi-sources augmente son taux de couverture par des sources renouvelables et de récupération peu coûteuses, voire gratuites.

Ainsi, l’un des atouts des réseaux de chaleur est leur capacité à faire évoluer les sources de chaleur et de froid et les lieux de stockage de l’énergie thermique. Une source initialement dimensionnée pour un unique bâtiment (par exemple : petite installation de géothermie superficielle pour un immeuble tertiaire ; panneaux solaires thermiques individuels) peut finalement être raccordée au réseau. Ceci facilite le déploiement progressif du réseau : si, sur un aménagement neuf, on sait qu’une part significative des bâtiments ne sera pas construite avant plusieurs années, les premiers bâtiments peuvent être équipés de systèmes individuels qui pourront ensuite être reliés au réseau qui desservira l’ensemble du quartier.

Encore plus qu’avec un réseau classique, ce type de réseau nécessite une implication forte de la collectivité territoriale concernée. Il doit être parfaitement intégré dans le projet urbain, afin que toutes les sources de chaleur puissent être mobilisées et que tous les bâtiments neufs situés dans le périmètre du réseau soient raccordés.

Ce Smart grid thermique est plus évolutif, mais est encore au stade expérimental (quel sera le niveau de performance du système ? quelles sont les modalités d’achat de l’énergie auprès des sources ?).

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