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Fonctionnement d’un réseau de chaleur / de froid : les technologies

Le réseau de chaleur

Le réseau de chaleur ou chauffage urbain est un ensemble d’installations qui produisent et distribuent de la chaleur à plusieurs bâtiments pour le chauffage et/ou l’eau chaude sanitaire. Il est constitué d’une unité de production de chaleur, d’un réseau primaire de canalisation transportant la chaleur et la distribuant aux sous-stations.

L’unité de production de chaleur

La chaleur peut être produite à partir de différentes sources d’énergie et de différentes technologies :

  • les énergies conventionnelles (fossiles) telles que le gaz naturel, le fioul ou le charbon produisant de la chaleur par combustion. Ces énergies sont fortement émettrices de gaz à effet de serre. Elles sont adaptées à la fourniture de chaleur pendant les pointes ;
  • les énergies de sources renouvelables comme :
    • la biomasse (bois, résidus agricoles, cultures énergétiques, etc.) qui produit de la chaleur par combustion dans une chaufferie spécifique,
    • ou la géothermie profonde qui permet la récupération de la chaleur de nappes aquifères profondes (à partir de 1 500 mètres de profondeur) grâce à un échangeur ;
  • les énergies de récupération telles que la chaleur fatale dégagée lors de l’incinération des déchets dans les usines d’incinération des ordures ménagères (UIOM), celles des eaux usées, appelées aussi eaux grises, ou celle issue de sites industriels et des data centers. Les systèmes qui permettent de récupérer cette énergie font appel à des pompes à chaleur qui extraient l’énergie pour la transférer au réseau. Ces sources de chaleur sont peu à peu devenues exploitables parce que les bâtiments sont de moins en moins consommateurs d’énergie.

Ces différentes sources de chaleur ne permettent pas d’atteindre les mêmes régimes de température. Les combustibles (fossile comme le gaz ou renouvelable comme le bois) permettent d’atteindre plusieurs centaines de degrés et peuvent donc aisément amener un fluide caloporteur à une température de 100 °C. A contrario, la géothermie superficielle permet d’atteindre une température autour de 20 à 30 °C et la récupération sur eaux usées une température autour de 10 à 20 °C). Le solaire thermique, la récupération de chaleur industrielle, la chaleur collectée dans un immeuble climatisé occupent des plages de température intermédiaires.

Les pompes à chaleur (PAC) permettent d’élever la température à partir d’une source donnée, mais leur efficacité énergétique diminue lorsque l’écart de température à combler augmente. Ainsi, plus la température du réseau est basse, plus celui-ci a accès à une variété importante de sources de chaleur exploitables dans des conditions optimales (par échange direct si la température de la source est supérieure à celle du réseau, par une PAC si la température est légèrement inférieure). Le fonctionnement à très basse température permet en outre de faciliter le stockage de chaleur, en particulier dans le sous-sol. En effet, plus l’écart de température entre le stockage et son environnement est réduit, plus les pertes sont faibles.

Certaines unités de production de chaleur fonctionnent par ailleurs en cogénération, permettant de produire simultanément de l’électricité et de la chaleur.

Le gaz naturel représente 40 % de la chaleur produite (dont la moitié de ce chiffre environ avec cogénération), les énergies de sources renouvelables 35 %, le solde étant réparti entre le fuel, le charbon et les énergies de récupération.

La plupart du temps, les réseaux de chaleur ne sont alimentés que par une seule installation de production, fonctionnant en continu. Cependant, il est possible qu’ils soient alimentés par plusieurs unités, permettant ainsi de gérer l’alimentation dans les meilleures conditions, notamment pendant les heures de pointe ou en cas de défaillance de l’installation principale.

La centralisation de la chaufferie a l’avantage de la souplesse. Elle rend plus facile par exemple l’utilisation d’énergies renouvelables ou de récupération (chaleur, ordures ménagères, géothermie, biomasse) alors que les chaudières des particuliers sont, en général, alimentées au gaz ou au fioul.

Le réseau de distribution primaire

Formant une boucle fermée, le réseau de distribution primaire est composé de canalisations dans lesquelles la chaleur est transportée par un fluide caloporteur depuis l’unité de production de chaleur jusqu’à la sous-station d’échange. Un circuit aller (rouge sur le schéma) transporte le fluide chaud issu de l’unité de production. Un circuit retour (bleu sur le schéma) rapporte le fluide, qui s’est délesté de ses calories au niveau de la sous-station d’échange. Le fluide est alors à nouveau chauffé par la chaufferie centrale, puis renvoyé dans le circuit. La conception du réseau vise à assurer une densité thermique (nombre de bâtiments raccordés par kilomètre de conduite posée) aussi élevée que possible, afin de permettre la viabilité économique du réseau (coût d’investissement fortement liée au linéaire de conduite et recettes liées au nombre d’usagers).

Il existe trois types de fluides caloporteurs :

  • l’eau chaude (température entre 60 °C et 110 °C) utilisée pour les groupes d’immeubles d’habitation ou de bureaux, ou encore les hôpitaux et établissements industriels qui ne consomment pas de vapeur ;
  • l’eau surchauffée (température entre 110 °C et 180 °C) utilisée dans les réseaux de grande envergure qui alimentent des bâtiments nécessitant des températures élevées (laveries, abattoirs, industries textiles) ;
  • la vapeur (température entre 200 °C à 300 °C) dont l’utilisation est de plus en plus limitée. Elle est essentiellement utilisée pour la fourniture de chaleur industrielle, mais la ville de Paris l’utilise pour son réseau de chaleur.

Les réseaux de chaleur ne peuvent qu’être locaux et décentralisés. Contrairement au gaz naturel, les pertes en lignes y sont très fortes et on ne peut transporter le fluide porteur de la chaleur sur plus de quelques kilomètres. En l’absence d’une fiscalité carbone suffisante, ils ont du mal à rester compétitifs dans des zones d’habitat à relativement faible densité.

Pour en savoir plus :

Consulter la fiche sur le comptage d’énergie thermique intelligent

Les sous-stations d’échange

Situées au pied des immeubles, les sous-stations d’échange se composent d’un échangeur thermique qui permet le transfert de la chaleur entre le réseau de distribution primaire et le réseau de distribution de l’immeuble. La sous-station est dotée d’un compteur de chaleur qui permet de connaître et de facturer la consommation d’énergie du bâtiment.

Le réseau secondaire ne fait pas partie du réseau de chaleur au sens juridique, car il n’est pas géré par le responsable du réseau de chaleur mais par le responsable de l’immeuble.

Le réseau de froid

Un réseau de froid fonctionne comme un réseau de chaleur mais en sens inverse. Alors que le réseau de chaleur transporte de la chaleur d’une chaufferie aux bâtiments, le réseau de froid évacue la chaleur des bâtiments et la transporte jusqu’à un point de rejet dans l’air ou dans l’eau.

Sur le modèle du réseau de chaleur, le réseau de froid est donc composé de :

  • une ou plusieurs unités d’évacuation de la chaleur – qui peuvent être considérées comme des centrales frigorifiques ou des installations de production d’eau glacée ;
  • un réseau de canalisations permettant le transport de chaleur par un fluide caloporteur (en général de l’eau, dont la température se situe entre 1 et 12°C à l’aller et entre 10 °C et 20 °C au retour) ;
  • de sous-stations assurant la collecte de la chaleur dans les immeubles à climatiser.

L’eau glacée cède une partie de son énergie frigorifique aux installations de l’immeuble, puis l’eau réchauffée est ramenée vers les centrales de production grâce à une autre canalisation. Les réseaux de froid fonctionnent en circuit fermé et comprennent, donc, toujours au moins deux canalisations.


Source des schémas : Climespace

Les techniques utilisées pour la production de froid

La technique la plus utilisée en France (à 95 %) pour produire du froid est le compresseur, avec rejet de la chaleur dans l’air ou dans l’eau.

Les énergies renouvelables et de récupération ne représentent actuellement que 3 % du bouquet énergétique des réseaux de froid. On produit du froid à partir de chaleur fatale d’UIOM, inutilisée en été, à l’aide d’une machine à absorption.

La technique dite du « free cooling » (refroidissement naturel) permet d’utiliser directement (sans compresseur) le froid ambiant de l’air ou de l’eau, augmentant alors fortement la performance énergétique du dispositif. Cette technique est utilisée par le réseau Climespace à Paris, la Seine fournissant environ 50 % des besoins de froid du réseau.

Outre le réseau de froid classique, il est possible de produire du froid à partir d’un réseau de chaleur alimentant des machines à absorption situées au niveau des immeubles. Cette approche ne permet pas de bénéficier des avantages liés à la centralisation des équipements de production de froid, mais elle permet de mutualiser une infrastructure coûteuse. Un seul réseau en France utilise cette technique.

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