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Date de soutenance : 04/09/2012
21 rue du Marchal Fosh 54 140 Jarville
UFR PGCM
Master 2 MEPP 54 500 Vanduvre-ls-Nancy
Responsable formation : Mr Lacroix Responsable stage : Mr J. Brunet
Bertrand DESPRES
Master 2 - MEPP
2011/2012
Etude de faisabilit et de dimensionnement dun rseau de chaleur avec chaufferie biomasse
Rapport de stage
ETUDE DE FAISABILITE ET DE DIMENSIONNEMENT DUN RESEAU DE CHALEUR AVEC CHAUFFERIE BIOMASSE
DESPRES Bertrand Master MEPP
SOMMAIRE
REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................. 1
NOMENCLATURE .............................................................................................................................................. 2
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX ..................................................................................................................... 3
INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 4
1. PRESENTATION DE LENTREPRISE ............................................................................................................. 5
1.1. PRESENTATION GENERALE DU GROUPE IDEX .................................................................................................... 5 1.2. DOMAINES DACTIVITES ................................................................................................................................ 7
1.2.1. Matrise et gestion de lefficacit nergtique .............................................................................. 7 1.2.2. Protection de lenvironnement ....................................................................................................... 7 1.2.3. Multiservice technique ................................................................................................................... 7
1.3. STRUCTURE DU GROUPE ................................................................................................................................ 8 1.3.1. Les implantations............................................................................................................................ 8 1.3.2. Lorganigramme ............................................................................................................................. 8
1.4. IDEX ET LES ENERGIES RENOUVELABLES ........................................................................................................... 9 1.5. APPLICATION AUX RESEAUX DE CHALEUR ........................................................................................................ 10 1.6. QUELQUES REFERENCES .............................................................................................................................. 11
2. LE RESEAU DE CHALEUR .......................................................................................................................... 12
2.1. PRINCIPE, FONCTIONNEMENT ....................................................................................................................... 12 2.1.1. Constitution dun rseau de chaleur ............................................................................................ 12 2.1.2. Lunit de production de chaleur .................................................................................................. 13 2.1.3. Le rseau de distribution primaire ............................................................................................... 14 2.1.4. Les sous-stations dchange ......................................................................................................... 15
2.2. AVANTAGE DE LA CENTRALISATION DE LA PRODUCTION DENERGIE ..................................................................... 17 2.2.1. Efficacit nergtique ................................................................................................................... 17 2.2.2. Scurit, encombrement et entretien .......................................................................................... 17 2.2.3. Impact environnemental .............................................................................................................. 18 2.2.4. Avantage conomique .................................................................................................................. 18
2.3. SITUATION ACTUELLE DES RESEAUX DE CHALEUR EN FRANCE .............................................................................. 19 2.3.1. La chaleur en France : Objectifs du Grenelle de lenvironnement ............................................... 19 2.3.2. La situation de la France par rapport lEurope ......................................................................... 20 2.3.3. Perspectives .................................................................................................................................. 21
3. ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE DUN PROJET DE RESEAU DE CHALEUR ............................................... 22
3.1. CONTEXTE, PROBLEMATIQUE ....................................................................................................................... 22 3.2. BESOINS ENERGETIQUE DES BATIMENTS DE LA COLLECTIVITE .............................................................................. 23
3.2.1. Point de dpart ............................................................................................................................. 23 3.2.2. Calcul des puissances des sous-stations ....................................................................................... 24
3.2.2.1. Chauffage .................................................................................................................................................. 25 3.2.2.1.1. Rigueur climatique : le Degr Jour Unifi (DJU)................................................................................... 25 3.2.2.1.2. Intermittence ...................................................................................................................................... 26 3.2.2.1.3. Relation entre Consommation (kWh) et Puissance (kW) pour le chauffage dun btiment ................ 26
3.2.2.2. Production deau chaude sanitaire ........................................................................................................... 27 3.2.2.3. Rsultats .................................................................................................................................................... 27
3.3. PLAN ET DIMENSIONNEMENT DU RESEAU DE CHALEUR ...................................................................................... 29 3.3.1. Localisation des sous-stations ...................................................................................................... 29 3.3.2. Elaboration du plan du rseau de chaleur ................................................................................... 30 3.3.3. Dimensionnement du rseau de chaleur ..................................................................................... 33
3.3.3.1. Tronons .................................................................................................................................................... 33 3.3.3.2. Calcul du dbit deau dans les tronons ................................................................................................... 35 3.3.3.3. Calcul du diamtre des tronons .............................................................................................................. 38
3.4. CHAUFFERIE .............................................................................................................................................. 40
ETUDE DE FAISABILITE ET DE DIMENSIONNEMENT DUN RESEAU DE CHALEUR AVEC CHAUFFERIE BIOMASSE
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3.4.1. Type dnergie renouvelable ........................................................................................................ 40 3.4.1.1. La gothermie ........................................................................................................................................... 40 3.4.1.2. La biomasse ............................................................................................................................................... 41
3.4.2. Description dune chaufferie bois ................................................................................................. 42 3.4.2.1. Le bois, une nergie renouvelable ............................................................................................................ 42 3.4.2.2. PCI du bois ................................................................................................................................................. 43 3.4.2.3. Emissions de CO2 vites ......................................................................................................................... 44 3.4.2.4. Principe de fonctionnement ..................................................................................................................... 44
3.4.3. Dimensionnement des chaudires ............................................................................................... 45 3.4.3.1. Puissances appeles en chaufferie ........................................................................................................... 46 3.4.3.2. Puissances des chaudires ........................................................................................................................ 47
3.4.4. Dimensionnement des silos de stockage ..................................................................................... 53 3.5. ETUDE ECONOMIQUE .................................................................................................................................. 54
3.5.1. Chaufferie ..................................................................................................................................... 54 3.5.1.1. Chaudires biomasse ................................................................................................................................ 54 3.5.1.2. Chaudires gaz avec brleur ..................................................................................................................... 55 3.5.1.3. Gnie civil .................................................................................................................................................. 55 3.5.1.4. Fumisterie et hydraulique......................................................................................................................... 55
3.5.2. Rseau de chaleur ......................................................................................................................... 56 3.5.3. Sous-stations ................................................................................................................................. 56 3.5.4. Analyses et solutions technico-conomiques .............................................................................. 57 3.5.5. Rcapitulatif ................................................................................................................................. 58
CONCLUSION DE LETUDE ............................................................................................................................... 59
CONCLUSION GNRALE ................................................................................................................................ 60
ANNEXES ........................................................................................................................................................ 61
RESUME ......................................................................................................................................................... 67
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REMERCIEMENTS Mes remerciements vont en premier lieu lattention de Mr. Thierry MOUROT, Directeur Gnral Dlgu, qui a accept de maccueillir durant ces 6 mois au sein de la Direction Rgionale IDEX Energies de Normandie Nord-Est, JARVILLE, dans un contexte o lobtention dun stage en entreprise savre difficile. Je tiens remercier tout particulirement mon tuteur de stage Mr. Jacques BRUNET, Directeur Technique Rgional, qui m'a accord sa confiance et attribu des missions valorisantes durant ce stage, Mr. Rmy BIGAUT, Ingnieur dEtudes, qui a supervis mon stage au jour le jour, et Mr. Frederic JOLY, Responsable des achats pour avoir su partager son bureau lors de mon stage, mais galement toute l'quipe de la Direction Rgionale car chacun d'entre eux a su trouver un peu de temps pour m'aider dans mes missions ou dans mon intgration au sein de lentreprise. Faire mon stage de dernire anne dans votre entreprise a t un plaisir, j'ai pu apprendre beaucoup grce vous et surtout tre confort dans mon projet professionnel, ce qui est un aboutissement mon cursus universitaire.
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NOMENCLATURE
ml : Mtre linaire
m : Mtre carr
m3 : Mtre cube
Nm3 : Normo Mtre Cube
T : Temprature (Kelvin)
v : Vitesse (m/s)
P : Puissance (W)
Q : Consommation (Wh)
Tep : Tonne Equivalent Ptrole
Qm : Dbit massique (kg/s)
Qv : Dbit volumique (m3/s)
: Masse volumique (kg/ m3)
: Viscosit dynamique (Pa.s)
: Viscosit cinmatique (m/s)
Cp : Chaleur massique (J/kg.K)
P : Diffrence de pression (Pa)
: Coefficient de perte de charge rgulire
: Coefficient de perte de charge singulire
: Rugosit dune surface ( m)
PCI : Pouvoir Calorifique Intrieur (J/kg ou kWh/t)
mmCE : Millimtre de colonne deau
Re : Nombre de Reynolds
h : Humidit relative (% ou kg)
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Liste des figures et tableaux Figure 1 : Chiffre daffaires par secteur de clientle (2009)
Figure 2 : Implantations du sige social (Boulogne Billancourt), des directions rgionales et des agences
Figure 3 : Organigramme du groupe IDEX
Figure 4 : Usine de mthanisation Amiens ( 10 millions de Nm3/an de biogaz produit)
Figure 5 : Centrale biomasse avec rseau de chaleur, Saint-Etienne du Rouvray (76)
Figure 6 : Schma global dun rseau de chaleur
Figure 7 : Canalisations pr-isoles en attente de pose
Figure 8 : Caniveau enterr avec ventilation
Figure 9 : Tranche
Figure 10 : Principe de fonctionnement dune bouteille de mlange
Figure 11 : Principe de fonctionnement dun changeur plaques
Figure 12 : Schma gnral dune sous-station avec changeur plaques et bouteille de mlange
Figure 13 : Rpartition des consommations dnergie en France
Figure 14 : Place des rseaux de chaleurs dans laugmentation des nergies renouvelable (en Mtep)
Figure 15 : Vue 3D dune potentielle future chaufferie biomasse lemplacement de la friche industrielle
Figure 16 : Rseau chauffage et ECS dans une sous-station
Figure 17 : Modle dintermittence
Figure 18 : Profil journalier de production dECS en Europe
Figure 19 : Repres de lensemble des sous-stations sur une carte du logiciel Google Earth
Figure 20 : Plan du rseau de chaleur utilise pour ltude
Figure 21 : Fractionnement n1 du rseau de chaleur au niveau de la chaufferie
Figure 22 : Fractionnement n2 du rseau de chaleur
Figure 23 : Schma montrant les piquages dans les circuits dpart eau chaude et retour eau froide
Figure 24 : Diffrents tronons du rseau
Figure 25 : Tronon Chaufferie A
Figure 26 : Tronon Chaufferie A
Figure 27 : Abaque de Daris
Figure 28 : Schma dun rseau de chaleur gothermique
Figure 29 : Cycle du CO2
Figure 30 : Diffrents types de combustibles bois utiliss dans les chaudires
Figure 31 : Logigramme du principe de fonctionnement dune chaufferie biomasse
Figure 32 : Schma dun ensemble chaudire bois
Figure 33 : Evolution de la puissance utile ncessaire en chaufferie
Figure 34 : Graphique montrant un mauvais dimensionnement de chaudires
Figure 35 : Mixit du bois en fonction de la puissances des chaudires bois
Figure 36 : Tarifs moyen des chaudires bois en fonction de leurs puissances
Tableau 1 : Fichier Excel brut : consommation des sous-stations du futur rseau de chaleur
Tableau 2 : Puissances appeles des sous-stations
Tableau 3 : Caractristiques physiques de leau 80C
Tableau 4 : Conversion diamtre intrieur DN
Tableau 5 : Classification et longueur de canalisation du rseau de chaleur
Tableau 6 : Dure de reconstitution de diffrentes nergies
Tableau 7 : PCI du bois (kWh/t) en fonction de lhumidit relative (%)
Tableau 8 : Emissions de CO2 vites
Tableau 9 : Puissances utiles maximales en chaufferie non calcules
Tableau 10 : Exemple de calcul des puissances appeles annuelles et mensuelles en fonction des tempratures extrieures moyennes
Tableau 11 : Puissances utiles maximales en chaufferie
Tableau 12 : Les chaudires et leurs caractristiques
Tableau 13 : Appels de puissances des diffrentes chaudires
Tableau 14 : Mixits obtenues avec les chaudires prises en exemple
Tableau 15 : Longueurs, diamtres, et prix des tubes
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INTRODUCTION
Le contexte dans lequel nous vivons nous impose de nous poser quelques questions fondamentales.
En effet, la rarfaction des ressources naturelles, notamment nergtiques, ainsi que le
rchauffement climatique d aux missions de gaz effet de serres sont des problmes cruciaux
pour lesquels il va falloir trouver des rponses court terme, si lon souhaite continuer se
dvelopper et prosprer.
Dans cette optique, la France sest fixe, via le Grenelle de lenvironnement, un taux de production
denviron 20% dnergie dorigine renouvelable dici lhorizon 2020.
Le groupe IDEX, exploitant nergtique, na pas attendu ces objectifs pour se dvelopper dans le
domaine des nouvelles nergies renouvelables. En effet, aprs le 2me choc ptrolier (dbut des
annes 80),le groupe IDEX a ralis dimportantes oprations dans diffrents secteurs, comme par
exemple la construction du premier parc olien franais de Port la Nouvelle, prs de Perpignan
(1992), ou bien lusine de mthanisation anarobie de dchets mnagers avec valorisation
nergtique Amiens, premire mondiale lchelle industrielle (1990), ou encore le
dveloppement des chauffages urbains via des rseaux de chaleurs aliments en nergies
renouvelables.
Mon sujet de stage porte sur ce dernier exemple, en effet la problmatique est la suivante :
Comment centraliser la production dnergie pour le chauffage des btiments dune collectivit
territoriale afin den rduire les cots tout en utilisant un maximum dnergies dorigines
renouvelables, au dtriment dnergies fossiles, afin de limiter les impacts environnementaux ?
Mon objectif est donc deffectuer une tude de faisabilit et de dimensionnement pour la mise en
uvre dune chaufferie biomasse, et dvaluer limpact sur la distribution du fluide caloporteur
(rseau de chaleur) vers les tablissements identifis, en adquation avec collectivit territoriale.
Je prsenterai le groupe IDEX, son domaine dactivit, sa structure,
Dans la seconde partie du prsent mmoire, je dvelopperai la centralisation de la production
dnergie en dfinissant un rseau de chaleur, en prcisant son fonctionnement, en numrant ses
avantages, et en analysant sa place actuelle dans la production dnergie en France et en Europe.
Enfin, la troisime partie exposera ltude technico-conomique dun projet de rseau de chaleur
dune collectivit se situant dans le nord de la France. Cette tude comprendra la prsentation du
projet, le dimensionnement du rseau de chaleur avec chaufferie partir des donnes fournies par la
collectivit, et le chiffrage du projet.
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1. Prsentation de lentreprise
1.1. Prsentation gnrale du groupe IDEX
IDEX est le premier oprateur indpendant dans les domaines de la
maitrise et la gestion de l'nergie, de la maintenance multitechniques
et de l'installation d'quipements de production d'nergie et
d'quipements techniques.
IDEX est un pionnier du dveloppement des nergies nouvelles et
renouvelables.
Cr par Georges PLANCHOT le 1er juillet 1963, et prsid
entre 1992 et 2011 par son fils Alain PLANCHOT, le Groupe
IDEX na cess dentreprendre et dinnover au fil des
dcennies pour devenir un acteur majeur dans les secteurs
nergtiques et environnementaux.
Il faut remonter au tout dbut des annes 60 pour voir une
socit, alors nomme L'Industrielle de Chauffage,
s'illustrer sur des projets complexes dinstallations de
chauffage et de climatisation. Les programmes de
construction de grands ensembles immobiliers se
dveloppent de faon spectaculaire et lnergticien se fait le spcialiste des systmes de chauffage
collectif distance.
Au fil des ans, les avances techniques, le souci d'utilisation optimale des combustibles et les
impratifs de scurit et de continuit de service, rendent ncessaire la formation d'quipes
spcialises dans la gestion de ces quipements. Dans cette optique, "L'Industrielle d'Exploitation de
Chauffage", qui deviendra le groupe IDEX, voit le jour.
Le socle historique des activits dIDEX tait constitu de
contrats de gestion de rseaux de chaleur revtant alors
principalement la forme daffermage. Trs rapidement, la
socit largit ses activits aux services de gestion et de
maintenance des quipements thermiques et
lectromcaniques ncessaires au confort et au
fonctionnement des btiments : logements, bureaux, tertiaire,
quipements collectifs, sant.
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Le Groupe IDEX sest dvelopp et structur dans lindpendance actionnariale autour de la famille
dirigeante en revendiquant et respectant depuis plus de quarante ans, sous des formes
rgulirement adaptes et renouveles, ses valeurs fondatrices :
assurer un service de proximit dans une relation durable avec les clients,
atteindre lexcellence nergtique et environnementale via la matrise des techniques et de
linnovation,
garantir son indpendance lgard des fournisseurs dnergies primaires et des
multinationales de services publics dlgus.
En 2012, le Groupe IDEX compte 3500 collaborateurs et
ralise 500 M de chiffre daffaires
Les activits exerces sont rparties comme suit :
services defficacit nergtique et de maintenance
technique : 320 M,
gestion de rseaux de chaleur et de froid : 75 M,
gestion dusines de valorisation nergtique de
dchets mnagers : 25 M,
ingnierie de gnie climatique : 80 M.
Lessentiel des revenus provient de plus de 10.000 contrats de services, dont la dure rsiduelle
moyenne dpasse 7 ans. La clientle se rpartit paritairement entre le secteur public (lEtat et les
collectivits territoriales comptent pour 47% du CA) et le secteur priv, et prsente les
caractristiques suivantes :
Figure 1 : Chiffre daffaires par secteur de clientle (2009)
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1.2. Domaines dactivits
1.2.1. Matrise et gestion de lefficacit nergtique
IDEX assure la gestion, la fourniture, la production et la transformation des nergies primaires sous
toutes ses formes (fioul, gaz, lectricit, nergies renouvelables).
Les modalits dintervention des quipes dIDEX sont diverses :
Conduite et maintenance des installations de toutes puissances
Production et vente de fluides thermiques et frigorifiques
Ingnierie dtudes et de travaux :
conseils, conceptions
audits, optimisations
installation
Matrise des technologies :
Gothermie
Biomasse
Cognration, Trignration
1.2.2. Protection de lenvironnement
IDEX est un des acteurs majeurs dans le
domaine de la gestion et de la valorisation des
dchets (ordures mnagres, dchets
industriels) ainsi que dans la surveillance de la
qualit de lair (contrle des combustions,
traitement des fumes)
1.2.3. Multiservice technique
A partir dun noyau technique, IDEX prend en charge lensemble des prestations
ncessaires pour maintenir les installations en parfait tat et grer tous types de
btiments afin dobtenir toutes les garanties de puissance, de scurit et de
confort pour les usagers.
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1.3. Structure du groupe
1.3.1. Les implantations
Figure 2 : Implantations du sige social (Boulogne Billancourt), des directions rgionales et des agences
1.3.2. Lorganigramme
La vocation de proximit d'IDEX vis--vis de ses clients a guid l'organisation de la socit :
3 Directions rgionales (Ile de France, Grand Sud, Nord Est)
50 agences rparties sur le territoire
Plusieurs dizaines de secteurs et sous secteurs d'intervention.
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Figure 3 : Organigramme du groupe IDEX
Rattach la direction Normandie Nord Est (Jarville) dont le directeur est Mr. Thierry MOUROT,
je suis affect au service technique rgional intervenant sur une grande moiti nord de lhexagone.
1.4. IDEX et les nergies renouvelables
Depuis deux dcennies, IDEX a fortement ancr son activit dans les mtiers des nergies
renouvelables.
Cet engagement sest traduit, ds le dbut des annes 80 conscutives au second choc ptrolier, par
la ralisation dimportantes oprations dans diffrents secteurs :
Construction du premier parc olien franais de Port la Nouvelle (1992),
Oprations de Gothermie pour le chauffage urbain,
Mthanisation anarobie des dchets mnagers avec valorisation nergtique Amiens,
premire mondiale lechelle industrielle (1990),
Multiples oprations dans les domaines du bois nergie et du solaire thermique.
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Ces oprations, aujourdhui en pleine exploitation,
dmontrent clairement la justesse des choix de lpoque
ainsi que la prennit des filires concernes.
Figure 4 : Usine de mthanisation Amiens ( 10 millions de Nm
3/an de biogaz produit)
Lacquisition en 2001 de SINERG (aujourdhui ADELIS), filiale du Groupe Caisse des Dpts spcialise
en tiers investissement en nergie, a galement permis IDEX daccrotre son rle de dveloppeur et
de gestionnaire de projets dans ce secteur dactivits.
1.5. Application aux rseaux de chaleur
Les rseaux de chaleur ou plus simplement les grandes chaufferies collectives reprsentent une cible
privilgie pour la mise en uvre doprations dnergies renouvelables pour les raisons suivantes :
Lintervention sur des oprations existantes permet de recourir des nergies faible
mission de CO2 (Bois, gothermie) en substitution aux combustibles fossiles (charbon,
fioul, gaz) couramment utiliss,
Pour des projets neufs, la cration de chauffages urbains vite davoir recours des
chaufferies en pied dimmeubles fonctionnant au gaz ou au chauffage lectrique individuel et
permet une meilleure rcupration des charges pour le bailleur social,
Sur le plan fiscal, ce type dopration permet de faire bnficier les abonns et clients finaux
dune forte conomie due :
au taux rduit de TVA (5,5 %) sur toute la facture de chauffage,
au produit de la vente des certificats CO2 librs par lopration (rseaux existants)
ou ligibles aux procdures dchange europen (Certificats Mise en uvre Conjoint
MOC ).
au produit de la vente des certificats dconomie dnergie (CEE).
IDEX en sa qualit de dlgataire de rseaux de chaleur est soumis depuis 2004 au Plan National
dAllocation de Quota de CO2 (PNAQ1 et PNAQ2) ; il est par ailleurs oblig dans le cadre de la loi
de 2006 sur la matrise de lnergie (CEE).
Pour rpondre ces exigences rglementaires, IDEX a mis en place un service nergtique charg :
de la valorisation quotidienne des diffrents droits attachs aux oprations (CO2, CEE, MOC,
certificats verts),
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de suivre la rglementation fiscale (TVA, pratique de lamortissement drogatoire, rduction
des bases de taxe professionnelle),
de mettre en place et ngocier les contrats dachat dnergies traditionnelles (fioul, gaz
drgul, charbon, lectricit) ou renouvelables (Biomasse, bois, nergie de rcupration
thermique).
1.6. Quelques rfrences
Ou bien encore de grandes socits telles que : AIRBUS (Toulouse), NESTLE Waters (Vittel),
ThyssenKrupp (Florange),
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2. Le rseau de chaleur
2.1. Principe, fonctionnement
Un rseau de chaleur est une installation comprenant :
une chaufferie centralise transformant une ou plusieurs nergies primaires en une nergie
calorifique,
Un rseau de distribution du fluide caloporteur (gnralement de la vapeur d'eau sous
pression ou de l'eau chaude)
un ensemble de sous-stations alimentant des usagers finaux, qui peuvent tre des industries,
des btiments communaux, des hpitaux, des btiments tertiaires et des habitations dans un
grand nombre de cas.
2.1.1. Constitution dun rseau de chaleur
Tout rseau de chaleur comporte les principaux lments suivants :
Lunit de production de chaleur qui peut
tre, par exemple, une usine dincinration
des ordures mnagres (UIOM), une
chaufferie alimente par un combustible
(fioul, gaz, bois...), une centrale de
gothermie profonde, etc. Gnralement
un rseau comporte une unit principale
qui fonctionne en continu et une unit
dappoint utilise en renfort pendant les
heures de pointe, ou en remplacement
lorsque cela est ncessaire.
Le rseau de distribution primaire compos de canalisations dans lesquelles la chaleur est
transporte par un fluide caloporteur (vapeur ou eau chaude). Un circuit aller (rouge)
transporte le fluide chaud issu de lunit de production. Un circuit retour (bleu) ramne le
fluide, qui a cd ses calories (Variation ngative denthalpie) au niveau des sous-stations
dchange. Le fluide est alors nouveau chauff (Variation positive denthalpie) par la
chaufferie centrale, puis renvoy dans le circuit. La conception du rseau vise assurer une
densit thermique (nombre de btiments raccords par kilomtre de conduite pose) aussi
leve que possible, afin de permettre la viabilit conomique du rseau (cot
dinvestissement fortement li au linaire de conduite ; recettes lies au nombre dusagers).
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Les sous-stations dchange, situes en pied de btiment, permettent le transfert de chaleur
par le biais dun changeur entre le rseau de distribution primaire et le rseau de
distribution secondaire qui alimente les metteurs implants dans un btiment. Le rseau
secondaire ne fait pas partie du rseau de chaleur au sens juridique, car il nest pas gr par
le responsable du rseau de chaleur mais par le responsable de limmeuble.
Figure 6 : Schma global dun rseau de chaleur
2.1.2. Lunit de production de chaleur
La chaleur est produite dans des installations robustes et fiables, surveilles en permanence et
entretenues par des professionnels. Elle peut tre gnre partir de diverses sources dnergie :
Les nergies conventionnelles (fossiles) telles que le gaz ou le fioul qui produisent de la
chaleur par leur combustion (Raction exothermique) ; ces nergies sont fortement
mettrices de gaz effet de serre. Elles sont bien adaptes la fourniture de chaleur lors des
pointes de consommations.
Les nergies renouvelables : la biomasse (bois, rsidus agricoles, cultures nergtiques...) qui
produit de la chaleur par combustion dans une chaufferie spcifique, la gothermie profonde
qui permet la rcupration de la chaleur (via un changeur) de nappes aquifres profondes
( partir de 1500m de profondeur).
Lnergie de rcupration telle que la chaleur fatale dgage lors de lincinration des
dchets dans les UIOM ou encore celle issue de sites industriels (Compression de gaz,
raffinerie).
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Avec la consommation rduite des nouveaux btiments (Rglementation Thermique 2012), dautres
sources de chaleur peuvent alors devenir exploitables par les rseaux, comme la gothermie peu
profonde ou encore la chaleur prleve dans les eaux uses ; ces systmes font appel des pompes
chaleur qui permettent dextraire lnergie de la source pour la transfrer au rseau, en utilisant
uniquement une force motrice et la proprit des gaz voluant dans un cycle de carnot (Fluide
frigorigne).
Les installations produisant des fumes sont quipes de systmes de traitement perfectionns et
contrls, ce qui permet de rduire fortement leur impact sur la qualit de lair par rapport des
systmes individuels. Certaines units de production de chaleur fonctionnent par ailleurs
en cognration, permettant de produire simultanment de llectricit (revendu sur le rseau EDF)
et de la chaleur ncessaire au rseau de chaleur.
2.1.3. Le rseau de distribution primaire
Le rseau de distribution primaire constitue une boucle qui conduit le fluide caloporteur de lunit de
production de chaleur jusquaux sous-stations dchange. On emploie trois types de fluides.
Les types de fluide caloporteur :
Le rseau eau chaude a une temprature comprise entre 60 et 110C. Il est gnralement prvu
pour les groupes dimmeubles dhabitation ou de bureaux, ou encore les hpitaux et tablissements
industriels qui ne consomment pas de vapeur.
Le rseau eau surchauffe a une temprature comprise entre 110C et 180C, sous une pression
suprieure 4 bars. Il est principalement utilis dans
les rseaux de grande envergure qui alimentent des
btiments ncessitant des tempratures leves
(laveries, abattoirs, industries textiles...).
Le rseau vapeur a une temprature de 200C
300C. Son utilisation est de plus en plus limite. Il
est prsent essentiellement pour la fourniture de
chaleur industrielle, mais Paris lutilise pour son
rseau de chaleur (rseau de la CPCU). F
Figure 7 : Canalisations pr-isoles en attente de pose
La tuyauterie et les diffrents types de pose :
Les canalisations sont en gnral constitues dun systme double enveloppe : une gaine extrieure
en acier (jusqu 800 mm de diamtre) lintrieur de laquelle se trouve une autre gaine en acier
transportant le fluide caloporteur entoure dune paisseur disolant (laine de roche, mousse de
polyurthane, etc.).
La pose peut se faire en caniveau enterr, ce qui permet une protection mcanique et minimise les
effets dus lhumidit par ventilation de ces caniveaux. Elle peut galement se faire en tranche,
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solution moins coteuse, mais ncessitant que les gaines soient entoures dun film protecteur
contre lhumidit et quelles soient installes une profondeur suffisante afin dabsorber les efforts
de la surface.
Figure 8 : Caniveau enterr avec ventilation Figure 9 : Tranche
2.1.4. Les sous-stations dchange
La chaleur est livre aux clients en diffrents points de livraison (ou sous-stations) tout au long du
rseau.
Gnralement situe en pied de btiment, la sous-station a pour rle :
de transfrer la chaleur du rseau primaire (rseau allant de la production de
chaleur aux sous-stations) au rseau secondaire (rseau interne de limmeuble),
dadapter le dbit et la temprature aux besoins des utilisateurs,
de compter la chaleur consomme.
Le transfert de chaleur entre les rseaux primaire et secondaire seffectue par le biais dune bouteille
de mlange ou par changeur :
Une bouteille de mlange permet un transfert de
chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid en les
mlangeant, contrairement l'changeur. Dans la
bouteille de mlange (voir schma ci-contre), une
partie du retour du circuit chauffer (secondaire,
chez le client) est mlange au dbit du circuit chaud
(rseau de chaleur, primaire), puis renvoye dans la
boucle du secondaire.
Figure 10 : Principe de fonctionnement dune bouteille de mlange
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DESPRES Bertrand Master MEPP Page 16/67
Pour une configuration avec changeurs de
chaleur, les rseaux primaire et secondaire
sont deux boucles diffrentes, sans mlange
des deux fluides. Lchange de chaleur entre
les deux boucles se fait au niveau dun
changeur primaire.
Figure 11 : Principe de fonctionnement dun changeur plaques
Les bouteilles de mlanges sont trs prsentes sur les anciennes installations, mais sont petit petit
remplaces par des changeurs de chaleur qui ont un gros avantage : les fluides des deux circuits ne
se mlangent pas. Cest indispensable lorsque les deux fluides sont diffrents ou que leurs tats sont
diffrents (exemple : eau chaude et vapeur deau), ou bien lorsque la pression des deux rseaux nest
pas la mme. Linconvnient dun changeur est quil gnre beaucoup plus de pertes de charges
quune bouteille de mlange. Enfin, ces deux appareils permettent des dbits diffrents entre les
deux rseaux.
Un changeur secondaire entre le fluide secondaire et leau de ville (3me boucle) permet de
prparer lEau Chaude Sanitaire (ECS). Lchange de chaleur est comptabilis par un compteur de
chaleur agr et contrl annuellement. Ce compteur est relev mensuellement pour la facturation
et la consommation est analyse pour vrifier toute drive.
Le schma suivant prsente une sous-station possdant les deux appareils de transfert de chaleur,
savoir un changeur primaire plaques, pour lchange entre le rseau primaire et secondaire, et
une bouteille de mlange pour la prparation ECS :
Figure 12 : Schma gnral dune sous-station avec changeur plaques et bouteille de mlange
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2.2. Avantage de la centralisation de la production dnergie
Les rseaux de chaleur prsentent des avantages importants par rapport des solutions de
production de chaleur dcentralis, notamment en matire d'efficacit nergtique, de matrise de
l'nergie, et de diminution des missions de gaz effet de serre :
simplicit d'utilisation matrise des cots nergtiques dveloppement multi-nergtique diminution des rejets atmosphriques prservation de l'environnement sur les plans esthtiques, visuels et sonores scurit accrue par l'absence d'installation de combustion dans les immeubles desservis suppression des charges d'entretien ou de mise en conformit lies aux productions
localises prise en compte prventive des risques sanitaires
2.2.1. Efficacit nergtique
La grande diversit des sources dnergie (gaz, fioul, charbon, incinration des ordures mnagres,
biomasse, cognration, gothermie, ) permet de choisir les combinaisons dnergie les plus
performantes en fonction de la demande nergtique au cours de lanne.
De plus, les installations de grandes puissances ont de meilleurs rendements car le ratio pertes
thermiques/puissance est en partie plus faible que pour les petites installations. Ce rendement est
amlior grce une gestion et une rgulation permanente de la production dnergie par des
professionnels prsents sur site.
2.2.2. Scurit, encombrement et entretien
Les btiments raccords au rseau de chaleur bnficient d'une scurit absolue et d'une garantie de
livraison de chaleur parfaitement fiable. La chaleur est achemine sous forme d'eau chaude ou de
vapeur deau jusqu'aux sous-stations. Ces dernires ne produisent ni fumes, ni poussires, ni odeurs
et fonctionnent sans combustible, donc sans danger pour les usagers et l'environnement.
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De plus, elles sont moins encombrantes que des chaufferies locales collectives puisquelles ne
ncessitent ni chaudire, ni chemine, ni stockage de combustible, et propose un emplacement
rduit pour la mise en place de lchangeur.
Lensemble des installations est conu gnralement pour une dure de vie de 20 30 ans environ,
sans baisse de rendement. Lexploitation de la chaufferie, du rseau et de la partie primaire des
sous-stations relve de la responsabilit du dlgataire ou exploitant. Dans la plupart des cas, ce
dernier est disponible 24h/24 et 7j/7 en vertu du contrat dabonnement. Labonn ne gre que le
systme de distribution interne du chauffage et de leau chaude sanitaire, c'est--dire le rseau
secondaire, celui qui se trouve aprs lchangeur de la sous-station.
2.2.3. Impact environnemental
La taille et la gestion industrielle des installations
permettent dobtenir de meilleurs rendements de
combustion et de plus faibles rejets que la plupart des
installations classiques de chauffage. De plus, les rseaux
de chauffage urbain sont des installations soumises des
rglementations trs strictes impossibles dvelopper au
niveau individuel et leurs rejets (poussires, CO2, NOx, SOx,
mtaux lourds ...) font lobjet de contrles continus.
Techniquement, ils permettent dutiliser des nergies renouvelables difficiles daccs ou
dexploitation, telles que la biomasse sous toutes ses formes, la gothermie profonde ou encore
la chaleur de rcupration, par exemple issue des usines dincinration des dchets. Par ailleurs, en
zone urbaine dense o lhabitat est essentiellement collectif, les amnagements individuels tels que
linstallation de chauffage au bois, la gothermie superficielle ou encore la pose de panneaux solaires
pour la production deau chaude sont souvent difficiles, parfois mme impossibles. Le rseau de
chaleur parait tre alors une bonne solution pour la substitution dnergie fossile par des nergies
dites renouvelables.
2.2.4. Avantage conomique Grce des chaufferies centrales fonctionnant sur le mode de la multi-nergie, les rseaux de chaleur permettent tout moment d'offrir des prix trs comptitifs aux utilisateurs.
De plus, l'installation, l'entretien, lexploitation et le renouvellement
des quipements ncessaires la production et au transport de la chaleur tant supports par
lexploitant, le rseau de chaleur se rvle tre une solution de chauffage qui simplifie la vie des
clients.
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En ce qui concerne les chaufferies biomasse, l'utilisation
du bois permet de maintenir un cot de chaleur
extrmement comptitif grce au recours des filires
locales d'approvisionnement. Cette tendance devrait se
confirmer car la biomasse (nergie renouvelable) ne
subit pas les tensions du march des produits ptroliers
(nergies fossiles).
En conclusion, le rseau de chaleur est un outil de chauffage sr, cologique et conomique.
2.3. Situation actuelle des rseaux de chaleur en France
Pour atteindre les objectifs de rduction des missions de gaz effet de serre, la France doit
fortement augmenter sa production dnergie partir de sources renouvelables dici 2020. Les
rseaux de chaleur, mis en place par les collectivits sur leurs territoires, permettent de mobiliser
dimportants gisements dnergie renouvelable difficiles daccs ou dexploitation. Ces rseaux
devront tre dvelopps et moderniss de faon trs volontariste au cours des prochaines annes :
lobjectif fix pour 2020 est un triplement du nombre de raccordements et du taux dnergies
renouvelables utilises comme sources de chaleur (76% de la chaleur distribue par les rseaux de
chaleur produite partir dnergies renouvelables).
2.3.1. La chaleur en France : Objectifs du Grenelle de lenvironnement
La chaleur (chauffage de btiments, eau chaude sanitaire, chaleur industrielle et chaleur de cuisson)
reprsente environ la moiti de lnergie consomme en France chaque anne ; titre de
comparaison, le secteur des transports en reprsente un tiers et llectricit (hors chauffage) 15%.
Figure 13 : Rpartition des consommations dnergie en France
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En 2007, anne prise comme rfrence pour les objectifs lhorizon 2020, seulement 13% de cette
chaleur provenait dnergies renouvelables.
Dans le cadre du Grenelle de lEnvironnement, la France sest fix lobjectif daugmenter de 20
millions de tonnes quivalent-ptrole (Mtep) sa production dnergies renouvelables, lhorizon
2020 ( titre de comparaison, la consommation annuelle totale dnergie en France est de lordre de
160 Mtep). Les nergies renouvelables devront ainsi reprsenter 23% de la production nergtique
nationale.
La moiti de ces 20 Mtep devront provenir de la production de chaleur.
Les rseaux de chaleur offrent donc un moyen de dvelopper lutilisation de chaleur renouvelable
dans les villes. Ils devront contribuer lhorizon 2020 au quart de leffort de production
supplmentaire de chaleur renouvelable (+2,5 Mtep).
Figure 14 : Place des rseaux de chaleurs dans laugmentation des nergies renouvelable (en Mtep)
2.3.2. La situation de la France par rapport lEurope
On estime quil existe en Europe environ 5000 rseaux de chaleur,
reprsentant 10% du march du chauffage. Limportance
des rseaux de chaleur est trs variable dun pays un autre : au
Royaume-Uni ou aux Pays-Bas, ils desservent moins de 4% des
logements ; linverse, en Finlande, en Lituanie ou en Sude, le
chauffage urbain est le mode de chauffage dominant, avec des taux de
pntration de lordre de 50%.
Les rseaux de chaleur sont en gnral plus dvelopps dans le nord,
lest et le centre de lEurope. Ces diffrences entre les pays sexpliquent
en partie par les conditions climatiques et les
ressources nergtiques locales (comme en Islande, o labondance de la
ressource gothermique permet aux rseaux de chaleur datteindre un
taux de pntration de 95%), mais aussi et surtout par les politiques
menes par les diffrents pays en matire dnergie depuis les annes
70-80.
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En 2011, les 450 rseaux de chaleur recenss en France desservaient environ 2 millions dquivalents
logements, soit un taux de raccordement denviron 5 6%, bien en dessous de la moyenne
europenne ; il est de 14% en Allemagne.
Les rseaux de chaleur franais reprsentent une production totale dnergie de lordre de 2 Mtep.
Ils sont aliments, en 2009, plus de 30% par des nergies renouvelables ou de rcupration, ce qui
les place bien au-dessus des taux moyens nationaux, que ce soit pour la production dlectricit
(environ 10%) ou pour la chaleur tous systmes confondus (15%). En 2009 toujours, 22% des rseaux
de chaleur sont aliments plus de 50% par des nergies renouvelables.
2.3.3. Perspectives
A lchelle europenne, les rseaux de chaleur sont aujourdhui perus comme un moyen de
contribuer la lutte contre le rchauffement climatique. Dans les pays o la production dlectricit
est essentiellement thermique, le dveloppement de rseaux de chaleur aliments par la
cognration permet daugmenter lefficacit nergtique.
Les rseaux de chaleur sont galement perus comme un moyen de mobiliser massivement certaines
sources dnergies renouvelables et de rcupration, et certains pays comme lAllemagne ou la
France, qui disposent de marges de progression importantes en matire de chauffage urbain,
intgrent clairement cet outil dans leur politique de rduction des missions de gaz effet de serre.
Par exemple, le Fond Chaleur cr en France en 2008 pour accompagner certains engagements
du Grenelle de lEnvironnement (dont l'objectif, pour rappel, est d'atteindre 23% dnergie dorigine
renouvelable avant 2020), est un des outils d'accompagnement de l'volution des rseaux de
chaleur.
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3. Etude technico-conomique dun projet de rseau de chaleur
3.1. Contexte, problmatique
Dbut danne 2010 dans une ville du Nord-Pas-de-Calais denviron 23 000 habitants, le prsident
dune association annonait, loccasion dune grande confrence de presse, le lancement du projet
Eco-zone . Lide est de convertir une ancienne friche industrielle de 2 hectares en vitrine du
dveloppement durable, de lconomie solidaire et de la pdagogie populaire.
Le cur du projet consiste implanter une chaufferie, avec nergie renouvelable, associe un
rseau de chaleur desservant une vingtaine de sous-stations en chauffage et en Eau Chaude Sanitaire
(ECS) situes moins de 3,5 km du site. Ce projet trs innovant permettrait de crer 9 emplois
durables et non dlocalisables. Il permettrait de voir merger une vritable filire ENR locale.
Figure 15 : Vue 3D dune potentielle future chaufferie biomasse lemplacement de la friche industrielle
Les autres dveloppements prvus : remplacer la toiture amiante des 5 000 m de btiments
existants par une centrale photovoltaque (sans doute une des plus puissantes au nord de la Loire),
une olienne, des systmes de rcuprations deaux de pluies, un magasin solidaire, un verger
pdagogique, un potager, des serres gothermiques, un schoir bois, une activit de recyclage des
panneaux solaires, un centre de formation et un groupement demployeurs.
Reconnaissante du soutien apport depuis le dbut par la Communaut Urbaine de la ville,
lassociation a tenu renvoyer la balle en accueillant, pendant 6 mois, 40 tudiants universitaires
dans le cadre du lancement de projets tutors.
Ce partenariat (notamment avec un IUT Gnie Thermique et Energie) a, ds la rentre 2011, pris plus
dampleur avec le projet de chalets pdagogiques ddis aux Energies Nouvelles Renouvelables
(ENR). Ce projet consiste mettre en place des chalets pouvant accueillir du public, et mettant en
valeur les dveloppements rcents tant dans le domaine de la performance nergtique des
btiments (matriaux isolants innovants) que dans celui de lco-construction ou celui des ENR.
Cest dans ce contexte quIDEX Energies a dcid de raliser une pr-tude ou tude de faisabilit
dans le but davoir un aperu de la taille du projet, des puissances de chaufferie mises en jeu ainsi
que du prix moyen global.
Cette pr-tude est dtaille dans la suite du mmoire.
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3.2. Besoins nergtique des btiments de la collectivit
3.2.1. Point de dpart
Le point de dpart pour cette tude de dimensionnement dun rseau de chaleur est un fichier Excel
que nous a fait parvenir la commune, et qui donne lensemble des sous-stations raccorder au
rseau de chaleur, avec leur consommation moyenne annuelle en kWh, comme nous le montre la
figure suivante :
Tableau 1 : Fichier Excel brut : consommation des sous-stations du futur rseau de chaleur
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Si nous zoomons sur quelques lignes :
Nous pouvons voir que nous avons comme informations les noms ou les types de sous-station qui
sont toutes situes dans des btiments communaux, avec leurs numros de rfrence, ainsi que leurs
adresses dans certains cas qui nous seront utiles pour la go-localisation de celles-ci.
Ensuite nous avons les consommations de chaque sous-stations de lanne 2006 jusqu lanne
2010 qui nous permettent davoir un moyenne sur 4 ans, en kWh.
A laide de ces donnes, nous allons pouvoir dans un premier temps calculer la puissance appele de
chaque sous-station (en kW) et dans un second temps tracer le plan du rseau.
3.2.2. Calcul des puissances des sous-stations
Dans les consommations des btiments donnes par la commune, il y a une part pour le chauffage et
une autre pour leau chaude sanitaire (ECS). Statistiquement, et daprs lexprience dIDEX Energies,
la part de chauffage dans la consommation totale est gnralement de 95%, la part dECS tant donc
de 5%.
La configuration des rseaux chauffage et ECS dans uns sous-station est dfinie selon le schma de
principe suivant (avec une temprature de sortie ECS de 60c) :
Figure 16 : Rseau chauffage et ECS dans une sous-station
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La mthode pour calculer la puissance partir de la consommation dnergie nest pas la mme pour
le chauffage ou pour la production dECS.
Il existe une relation pour calculer la puissance ncessaire afin de chauffer un btiment partir de sa
consommation nergtique, et vice-versa. Cette relation fait intervenir plusieurs critres que sont la
rigueur climatique, lintermittence et les tempratures intrieures et extrieures.
Pour calculer la puissance ncessaire afin de chauffer lECS, cest moins compliquer car la production
dECS est constante au cours de lanne et ne dpend pas ou trs peu de la rigueur climatique.
3.2.2.1. Chauffage
3.2.2.1.1. Rigueur climatique : le Degr Jour Unifi (DJU)
Les degrs jour unifis ou DJU permettent de raliser des estimations de consommations d'nergie
thermique en fonction de la rigueur climatique.
Il existe deux mthodes de calcul des DJU donnant des rsultats diffrents : une mthode dite
Mto et une mthode dite Professionnels de l'nergie : la mthode COSTIC (conforme la
mthode COSTIC rglementaire pour les marchs d'exploitation chauffage utiliser pour le suivi).
Par dfinition, le nombre de degrs jours unifis (DJU) est dtermin en faisant la diffrence entre la
temprature de rfrence (18 C), et la moyenne entre la temprature minimale et la temprature
maximale du jour. C'est donc une estimation de la diffrence entre la temprature intrieure de
rfrence (hors apports naturels et domestiques) et la temprature extrieure moyenne de la
journe. Cette donne est utile pour l'estimation des consommations d'nergies de chauffage d'un
btiment.
Par convention, le DJU est gale 0 si
La mthode mto est plus prcise car elle utilise les relevs de temprature toutes les heures et fait
une moyenne sur la journe tandis que la mthode COSTIC ne prend que les tempratures minimales
et maximales de la journe. Mais cest la 2me mthode qui est pris en compte dans le cadre dun
march public et qui fait foi dans un contrat dexploitation de chauffage.
IDEX Energies utilise une banque de donnes rpertoriant les DJU moyens des villes en France,
moyenne ralise sur les 30 dernires annes. Pour ce qui est de notre commune, nous avons pris le
nombre de DJU dune grande ville du Nord proximit, savoir Dunkerque, qui est de 2334,58.
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3.2.2.1.2. Intermittence
Lintermittence est dfinie comme tant le
rapport du temps dutilisation des quipements
de chauffage par le temps dactivit dun
tablissement.
Une grande partie des rductions de
consommation peut tre obtenue par ralenti ou
arrt programm. Cest le cas, en particulier en
tertiaire, o les profils de temprature de nuit,
ou de fin de semaine ont souvent une allure
suivante :
Figure 17 : Modle dintermittence
On peut montrer que, si lintermittence est priodique (ce qui est le cas gnral), lconomie
apporte en chauffage continu est indique par lcart moyen de temprature (Ti Te) pendant le
cycle.
Des ratios ont t tablis par statistiques pour diffrents types de btiments, voici quelques
exemples :
Lensemble des btiments aliments par le rseau de chaleur sont des btiments communaux
(coles, salles de sport, administrations,) et lintermittence moyenne totale est estime 85%.
3.2.2.1.3. Relation entre Consommation (kWh) et Puissance (kW) pour le chauffage dun btiment
Voici donc la relation entre la consommation annuelle dun btiment (en kWh) et la puissance quil
faut lui dlivrer pour le chauffer (en kW) :
Avec : - Consommation en kWh/an - Intermittence en %
- Puissance en kW - Les tempratures en C
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3.2.2.2. Production deau chaude sanitaire
La relation entre la consommation dnergie en kWh pour la production dECS et la puissance quil
faut fournir est plus simple ici : il suffit juste de diviser la consommation par le nombre dheure de
production dECS par anne. On peut voir, daprs le graphique suivant, que la production journalire
dECS, en Europe, est denviron 6h (nombre dheure ayant un coefficient horaire suprieur 1) :
Figure 18 : Profil journalier de production dECS en Europe
La relation est donc la suivante :
Avec : - Puissance en kW
- Consommation en kWh
- 6 le nombre dheure par jour et 365 le nombre de jour dans une anne
3.2.2.3. Rsultats
Voici donc le tableau suivant rpertoriant les puissances calcules laide des relations ci-dessus
pour chaque sous-station (puissance chauffage + puissance de production dECS) ainsi que la
puissance totale souscrite qui correspond la puissance totale multiplie par un coefficient de
scurit de 1,15. Et enfin la puissance totale de lensemble des sous-stations (Case bleu) :
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Tableau 2 : Puissances appeles des sous-stations
ide x ~-ENERGIES
CHAUFFERIE Sous-station ECOLE 37 ECOLE 34 CH.i.TEA.U 1 SALLE DE REMISE EN FORME 6 FOYER ASSOCIATIF 8 POLICE f1IUNICIPALE 70 SA.LLE DES FETES 72 ECOLE 85 ECOLE 45 f1IAIRIE 27 OFF ICE DU TOURISI.IE 33 GROUPE SCOLA.IRE 86 ESPACE ASSOCIATIF 30 ATELIERS f1IUNICIPAUX 22 BEA.UX t..RTS 87 BIBLIOTHEQUE 88 CENTRE NAUTIQUE 58 CYBER CEf'JTRE 89 ESPACE ASSOCIATIF 42 BIBLIOTHEOUE 43 INSTITUT D'EDUCATION f1IOTRICE 44 BIBLIOTHEQUE 90 SALLE DES SPORTS 21 SERVICE m JA.I' ICIER 36 SERVICE JEU~IESSE ET SPORTS 91 CHAL ET A,SSOCiii,TIF 92 TEtlt iiS 54 CEtiTRE SOCIAL 93 SP.LLE DES SPORTS 59 SALLE DES SPORTS 53 ECOLE 51 SALLE DES SPORTS 18 SALLE DES SPORTS 52 SA.LLE DES SPORTS 94 filAI RIE ANNEXE 71 f1IDN FOYER 95 FOYER A,SSOCIA.TIF 96 CEn TRE .:..sSOCI.:..TIF 97 ECOLE 79 ECOLE 98 ECOLE 73 SA.LLE DES SPORTS 99 SA.LLE DES SPORTS 100 ECOLE 49 HALTE GARDERIE 48 A.CA.DEI.liE DE r.IUSIQUE 75 PISCINE 38 ESPt..CE CO J.U.IUti >~.L DES SOLID>~.R ITES 28 ESPACE PREVENTION ET INFO SANTE 29 J.oi.A.ISON DE L EMPLOI 32
TOTAL
Consommation Puissance moyenne
totale (kW) annuelle (kWh) 365 284 212,4
1t30 000 93.0 36 000 20,9 28 800 16,7 62 100 36,3 27 000 1:'.8
106 088 6 1.7 150 384 87,4 615 254 357,7
373 674 2 17.2 364 530 211 ,9 133458 77,6
37 11 6 2 1.6 :: 1 -l-!8 29.9 45426 26,4 7 1 494 4 1.6
813 466 472,9
25 926 15.1 170 488 99,1
42 7J6 24.9 46 11 2 26.8 11 11 8 6.:5
11 2 3::'2 6::'.3 264 198 153.6 294 280 171 '1 308 4 16 179,3 141 690 82.4 127 230 74,0
76 828 44.7 124 794 72.'3: 106 102 61.7 290 480 168,9 130 106 7::'.6 153 912 89.'3: 137 442 79,9 22 1 500 128.8 11 9 200 69,3 132 916 77.3 12 1 688 70.7 304 548 177,1
73 678 42.8 804 442 467,7
38 5:0 22.J 290 337 168,8
71 028 41,3 Total Tota l 8 183 629 4 757,8
Puissance totale
souscrite (kW) 244,2
107.0 24,07 19,3 41,7 18,1 70,9
100,5 411,3
249.8 243,7 89,2 24.8 34.4 30,4 47.8
54 3,9
17.3 114,0 28.6 30.8 7.4 75.1
176.6 196,7 206,2 94 ,7 85,1 51,4 83.4 70,9
194,2 87.0
102.9 91,9
148.1 79,7 88.9 81.4
203,6
49.3 537,8 25,8
194,1 47,5
Total 5 471,5 ~
~ UNIVERSIT ~ DE lORRAINE
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3.3. Plan et dimensionnement du rseau de chaleur
Maintenant que nous avons les puissances appeles de toutes les sous-stations, il convient de
raliser un plan du rseau de chaleur qui permettra de les alimenter.
Pour laborer ce plan, il faut respecter quelques rgles , savoir :
Partir de lendroit o limplantation de la chaufferie est prvue,
Relier toutes les sous-stations en prenant soin davoir une longueur de rseau minimal afin de limiter les pertes nergtiques et le cot du rseau lui-mme,
Tout en gardant une longueur de rseau minimal, prendre soin privilgier son passage par des chemins de terre ou dherbe o les cots des travaux de terrassement sont sensiblement infrieurs un passage sous une route ou un trottoir (prsence dune couche de bitume, de canalisations enterres,),
Ne pas hsiter crer des piquages dans le rseau principal pour crer des branches plus petites, ncessitant moins dapport dnergie, et qui utiliseront donc des diamtres de canalisation plus faibles et moins coteux.
Ces rgles sont appliquer dans le but de faire des conomies dnergie et donc forcement des
rductions du cot global du projet.
3.3.1. Localisation des sous-stations
A laide des noms et parfois des adresses des sous-stations lorsquelles nous sont communiques,
nous pouvons les localiser et les reprer sur une carte partir du logiciel Google Earth afin davoir
une vue densemble, comme nous pouvons le voir sur la figure suivante :
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Figure 19 : Repres de lensemble des sous-stations sur une carte du logiciel Google Earth
Donc chaque sous-station est repre par un point rouge, avec son numro de rfrence en jaune
(voir fichier Excel prcdent). La Chaufferie est prvue au sud-ouest de la carte dans lactuelle friche
industrielle, et est repre par un point jaune. Cest donc partir de ce point que le rseau de
chaleur doit partir, avec ses deux canalisations, aller et retour.
3.3.2. Elaboration du plan du rseau de chaleur
Il convient donc de relier tous ces points synonymes de sous-station au rseau, tout en respectant les
rgles prsentes prcdemment.
Voici une des possibilits de plan de rseau de chaleur de la ville, que nous utiliserons pour le reste
de ltude :
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Figure 20 : Plan du rseau de chaleur utilise pour ltude
ide x ~-ENERGIES ~ UNIVERSIT ~ DE lORRAINE
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On peut dcomposer ce rseau en trois parties,
correspondant de plus petits rseaux.
En effet, nous avons un premier fractionnement
du rseau ds son entame, au niveau de la chaufferie,
comme le montre la figure ci-contre. Les traits rouges
reprsentent le circuit dpart eau chaude et les
traits bleus le circuit retour eau froide .
On peut voir quune partie sort de la chaufferie pour
alimenter la sous-station n1 Le chteau , dune
puissance totale de 93 kW (puissance calcule et
donne dans le prcdent tableau n2), et que lautre
partie alimente tout le reste du rseau.
Figure 21 : Fractionnement n1 du rseau de chaleur au niveau de la chaufferie
Le 2me fractionnement sopre
entre les sous-stations n21/22 et
32, comme le montre la figure ci-
contre.
En effet, nous pouvons voir deux
groupements assez distincts qui
nous permettent de pouvoir
scinder le rseau en deux parties
afin davoir des diamtres de
canalisation plus petits, comme
expliqu prcdemment.
Figure 22 : Fractionnement n2 du rseau de chaleur
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3.3.3. Dimensionnement du rseau de chaleur
Le plan du rseau de chaleur tant ralis, il convient maintenant de le dimensionner, c'est--dire de
calculer tous les diamtres et longueurs de canalisations ncessaires aux circuits dpart eau
chaude et retour eau froide .
Nous allons donc, dans cette partie, prsenter les outils et les mthodes de calcul ncessaires au
dimensionnement de ce rseau.
3.3.3.1. Tronons
En sortie de chaufferie, le circuit dpart eau chaude commence desservir les premires sous-
stations, et son dbit diminue alors au fur et mesure jusqu tre minimal et pratiquement nul
lorsquil atteint la dernire sous-station.
Cest exactement le mme cas pour le circuit retour eau froide . En effet si on se place au niveau
de la dernire sous-station du rseau, son dbit est minimal, et au fur et mesure du retour vers la
chaufferie, le circuit rcupre les eaux de retour qui ont cdes leurs calories aux diffrentes sous-
stations.
Pour rsumer, leau chaude arrive dans la sous-station via un piquage dans le circuit dpart eau
chaude , passe travers un changeur qui transfre les calories du circuit primaire au circuit
secondaire, et ressort une temprature infrieure pour tre rendu au circuit retour eau froide ,
comme le montre la figure suivante :
Figure 23 : Schma montrant les piquages dans les circuits dpart eau chaude et retour eau froide
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Donc en dfinitive, aprs chaque piquage dans le rseau, c'est--dire aprs chaque sous-station, le
dbit varie, et donc le diamtre de la canalisation est susceptible de varier galement.
Nous allons donc dcouper le rseau en plusieurs petits tronons et la mthode est la suivante : ds
lors que lon a un piquage dans le rseau, il faut changer de tronon.
La finalit est de pouvoir, pour chaque tronon, calculer un dbit deau et donc un diamtre de
canalisation adquate. Aprs cela, nous pourrons rpertorier tous les tronons qui possdent le
mme diamtre nominal (DN), et ainsi avoir une longueur totale de tuyauterie pour chaque DN.
Aprs avoir dcoup le rseau, nous obtenons environ 85 tronons rpertoris par lettre de
lalphabet, chaque piquage est marqu par une lettre.
Par exemple : Tronon A-B ; Tronon J-K ;
Lorsque le rseau se spare en petites ramifications, des numros sont rajouts aux lettres.
Par exemple : Tronon H-H1 ; Tronon K81-K82 ;
La figure suivante montre ces tronons sur la carte Google Earth , mais il est difficile de tout
discerner en raison de la petite taille des tronons par rapport au rseau de chaleur entier, ainsi que
de leur grande densit par endroit.
Figure 24 : Diffrents tronons du rseau
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3.3.3.2. Calcul du dbit deau dans les tronons
Afin de pouvoir dterminer le diamtre adquat de canalisation, il faut dabord calculer le dbit dans
chaque tronon. Pour cela, nous allons nous servir des puissances des sous-stations calcules
prcdemment.
Mais il ne faut pas oublier quici, nous sommes du point de vue du rseau de chaleur, et non plus des
sous-stations. En effet les puissances calcules prcdemment sont considres pour des sous-
stations isoles du rseau, il faut donc faire attention ici ne pas ngliger les pertes thermiques du
rseau, si bien isol soit-il.
Les fournisseurs de canalisations pr-isoles garantissent, dans leurs fiches techniques, un
rendement moyen du rseau de 95% sur une anne. Ce rendement fluctue, en effet, au cours de
lanne, il est maximal lorsque le rseau fonctionne pleine puissance, c'est--dire en hiver, et
minimal (70 80%) en t, puisque le dbit deau chaude circulant dans les canalisations est plus
faible, et de ce fait, cette eau doit chauffer la partie vide de la canalisation, laisse vacante. Les
pertes thermiques du rseau reprsentent donc 5% de la quantit dnergie qui transite dans celui-
ci. On peut donc calculer ces pertes de la faon suivante :
Nous avons donc une consommation totale qui a augment de 430 717 kWh, ce qui correspond
une augmentation de la puissance totale de :
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La puissance totale finale fournir au rseau de chaleur est donc de 5 530,3 kW, ce qui correspond
lajout des 51,08 kW de pertes thermiques la puissance des sous-stations, le tout multipli par le
coefficient 1,15 :
La mthode pour calculer le dbit dans une canalisation partir dune puissance est la suivante :
1) Connaitre la puissance ou la quantit de chaleur potentiellement changeable travers
un changeur de chaleur pour un donn.
2) Connaitre les caractristiques physiques du fluide, en loccurrence ici de leau, la
temprature moyenne.
3) Utiliser la relation suivante :
Avec : - P = Puissance (kW)
- = Dbit massique de leau (kg/sec)
- = Dbit volumique de leau ( /sec)
- = Masse volumique de leau (kg/ )
- = Chaleur massique (kJ/kg.K)
- = Diffrence de temprature entre le dpart eau chaude et le
retour eau froide (C)
Nous avons vu prcdemment que le fluide utilis dans ce rseau de chaleur est de leau chaude.
Gnralement dans ce type de rseau, les tempratures de leau sont de 90C en dpart de
chaufferie et de 70C en retour de chaufferie. Nous avons donc un de 20C.
Les caractristiques de leau chaude sont prises la temprature moyenne T = 80C, et sont les
suivantes :
Tableau 3 : Caractristiques physiques de leau 80C
Il ne nous reste maintenant plus qu connaitre la puissance qui transite dans chaque tronon. La
mthode pour y parvenir est de partir de la chaufferie avec la puissance totale qui est de 5 530,3 kW
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et de parcourir le rseau en soustrayant la puissance de chaque sous-station. Lorsque lon tombe sur
des petites ramifications, il faut suivre la mme mthode, c'est--dire partir du dpart avec la somme
des puissances des sous-stations prsentes dans la ramification, et soustraire successivement.
Par exemple, pour commencer au dpart de la
chaufferie, nous avons ce que nous appelons le 1er
fractionnement du rseau, si nous prenons la plus petite
partie, c'est--dire la canalisation qui part de la
chaufferie pour aller la sous-station 1 et qui correspond
au tronon appel Chaufferie A (voir figure ci-
contre), nous avons donc une seule sous-station
desservir qui a besoin dune puissance de 107 kW. Donc
la puissance de ce tronon est de 107 kW.
Pour apporter cette puissance la sous-station, avec un
de 20C, il faut le dbit suivant :
Figure 25 : Tronon Chaufferie A
soit 4,724
Autre exemple, toujours partir de la chaufferie, si nous prenons
cette fois la plus grosse partie, celle qui dessert tout le reste du
rseau, nous avons une puissance gale notre puissance totale
de 5 530,3 kW laquelle nous devons soustraire la puissance du
tronon prcdent Chaufferie A de 107 kW. Cela revient
une puissance de 5 423,3 kW, et donc avec le mme calcul que
prcdemment, un dbit de : soit
. Ce qui est le dbit maximal du rseau.
Figure 26 : Tronon Chaufferie A
Il faut donc rpter cette opration tous les tronons du rseau de chaleur. Maintenant que nous
avons les dbits de tous les tronons, nous pouvons dsormais calculer leurs diamtres.
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3.3.3.3. Calcul du diamtre des tronons
Il existe diffrentes mthodes pour obtenir le diamtre dune canalisation, par exemple :
la mthode analytique qui consiste rsoudre des quations,
la mthode graphique qui utilise des abaques.
En ce qui concerne la mthode analytique, il fait intervenir les relations de pertes de charges
suivantes :
Pertes de charge rgulires :
Relation de Colebrook :
Pertes de charge singulires :
Nombre de Reynolds :
Connaissant les caractristiques physiques de leau 80C, le dbit, la rugosit des canalisations
, les pertes de charges qui doivent tre comprises entre 10 et 25 mmCE pour
garantir un bon fonctionnement du rseau, nous pouvons calculer le diamtre. Mais cette mthode
est complique et longue.
Il est donc plus simple et plus rapide dutiliser des abaques, comme celui de Daris (voir figure 27 ci-
aprs pour illustration, et en annexe pour utilisation), qui connaissant deux lments (dbit et pertes
de charge dans notre cas) nous permettent dobtenir le diamtre de canalisation et la vitesse de
leau. Cette mthode est moins prcise, mais ces imprcisions seront comprises dans le coefficient de
scurit que nous rajoutons.
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Figure 27 : Abaque de Daris
Nous avons donc maintenant les diamtres de chaque tronon, et la
dernire tape du dimensionnement est de convertir ces diamtres en
DN partir du tableau ci-contre, puis de mesurer la longueur de chaque
tronon avec loutil Google Earth , et enfin de classer dans un tableau
(ci-dessous) la longueur de canalisation pour chaque DN afin de pouvoir
demander des devis auprs des fournisseurs.
Tableau 4 : Conversion diamtre intrieur - DN
Tableau 5 : Classification et longueur de canalisation du rseau de chaleur
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3.4. Chaufferie
3.4.1. Type dnergie renouvelable
Le rseau de chaleur tant dimensionn, il faut maintenant sintresser la chaufferie, et
notamment aux chaudires, leurs types de combustibles et leurs puissances.
Nous avons dj vu prcdemment, que la commune souhaitait que le rseau de chaleur soit
aliment par une ou des nergie(s) renouvelable(s). Qui dit nergies renouvelables, dit notamment
ressources locales ; et les ressources disponibles dans la rgion du Nord-Pas-de-Calais, tant en
adquation avec une nergie renouvelable, sont la gothermie et lutilisation de la biomasse.
3.4.1.1. La gothermie
La gothermie permet daller prlever lnergie sous forme de chaleur contenue dans le sous-sol.
Pour arriver puiser l'nergie gothermique, soit on pompe leau contenue dans le sous-sol (
environ 12C), soit on fait circuler un fluide dans les profondeurs de la terre. Pour la 2me option, le
fluide se rchauffe et remonte charg d'nergie qui peut tre transforme en lectricit ou utilise
directement pour le chauffage des btiments. On distingue trois types de gothermie :
la gothermie peu profonde basse temprature (30 100m)
la gothermie profonde haute temprature (profondeur fonction de la
temprature et de la rgion du globe considre)
la gothermie trs profonde trs haute temprature (profondeur fonction de la
temprature et de la rgion du globe considre)
Par rapport dautres nergies renouvelables, la gothermie de profondeur (haute et basse nergie),
prsente lavantage de ne pas dpendre des conditions atmosphriques (soleil, pluie, vent). Cest
donc une source d'nergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des oprations
de maintenance sur la centrale gothermique ou sur le rseau de distribution de l'nergie. Les
gisements gothermiques ont une dure de vie de plusieurs dizaines d'annes (30 80 ans en
moyenne). Elle peut quand mme contribuer un rchauffement local des milieux l o les calories
seront valorises, si elles le sont massivement.
Le principal inconvnient de la gothermie basse temprature, est justement que leau prleve, ou
le fluide caloporteur, est une temprature denviron 12C, il faut donc utiliser une pompe chaleur
afin dobtenir des tempratures jusqu 60-65c. Les metteurs de chaleurs dans les btiments ne
fonctionnant que rarement en basse temprature, les eaux du rseau doivent tre rchauffes pour
atteindre un niveau de temprature denviron 90C. Le cot dexploitation de cette gothermie est
donc index sur le prix de llectricit (PAC) et du gaz (hausse de la temprature), qui sont deux
nergies dont les prix ont une forte probabilit daugmentation.
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Pour la gothermie haute temprature, il est impratif de forer bien plus profondment, et alors ce
sont les cots de mise en uvre de linstallation qui deviennent le principal inconvnient.
Voici un schma dun rseau de chaleur gothermique, avec une gothermie profonde haute
temprature :
Figure 28 : Schma dun rseau de chaleur gothermique
3.4.1.2. La biomasse
Dans le domaine de l'nergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matires organiques
pouvant devenir des sources d'nergie.
La biomasse est une ressource renouvelable lorsqu'elle est utilise et gre de faon durable.
Elle permet de rduire la quantit de dchets envoys aux sites denfouissement. Grce la
combustion de matires inutilisables telles lcorce, les dchets de construction (non traits), on peut
produire de lnergie utile, et il est moins ncessaire dlargir les sites denfouissement locaux. Elle
peut apporter des solutions lenjeu du changement climatique.
En effet, la solution biomasse aide la gestion des dchets solides. Chaque jour, des millions de
tonnes de dchets solides sont produits, dont notamment les dchets biodgradables. Lorsque les
dchets sont utiliss comme biomasse, on rpond deux demandes : la baisse de la pollution et
laugmentation des ressources nergtiques.
Lutilisation de lnergie biomasse naugmente pas les missions atmosphriques de dioxyde de
carbone, une des principales sources de gaz effet de serre, grce aux cycles de repousse des plantes
et des arbres. Elle peut galement rduire les missions de mthane, un autre gaz effet de serre,
qui provient de la dcomposition de matire organique.
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En revanche, il est ncessaire davoir une chaudire gaz en appoint de celles fonctionnant bois, afin
de palier au problme des minimums techniques des chaudires bois et aux ventuelles
impossibilits de livraison du bois.
Lorsque les matires inutilisables telles que les corces, dchets de construction , ne suffisent pas
combler les besoins nergtique de la chaufferie, il faut alors se tourner vers les exploitants
forestiers afin de leur acheter du bois. Ce secteur tant en concurrence avec des filires qui utilisent
le matriau bois comme matire premire, de faon plus noble (menuiserie, bnisterie, ), le prix
du bois peut parfois tre assez lev.
L o ce projet possde un gros avantage, cest dans le fait que le prsident de lassociation
lorigine du projet Eco-Zone , possde aussi une Socits Coopratives de Production (SCOP) qui
exploite le bois-nergie localement. Cest donc une grosse opportunit, et ntant pas en
concurrence avec dautres filires, le prix du bois sera trs comptitif.
De plus, la socit tant trs proche gographiquement de la chaufferie, cela permet dviter les
cots et limpact du transport sur lenvironnement. La socit exploite le bois dans un rayon de 60
km.
En conclusion, les deux solutions sont intressantes et se valent dun point de vue de la technique et
du dveloppement durable, mais dun point de vue purement conomique, cest la solution
biomasse qui parait tre la meilleure, et cest un argument de taille face la conjoncture actuelle qui
ncessite aux villes et plus globalement au domaine publique raliser des conomies. Ce sera cette
solution que nous retiendrons dans la suite de ltude.
3.4.2. Description dune chaufferie bois
3.4.2.1. Le bois, une nergie renouvelable
Le bois est une source dnergie locale, naturelle et renouvelable par photosynthse. Le combustible
bois est consomm par tous sur la plante et peut tre considr comme inpuisable. Sa
consommation raisonne nentame pas le patrimoine des gnrations futures et permet
dconomiser les nergies fossiles dont les stocks sont limits (ptrole, gaz, charbon, uranium). La
dure de reconstitution du bois est de loin la plus rapide en comparaison avec les autres nergies
fossiles.
Tableau 6 : Dure de reconstitution de diffrentes nergies
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L'utilisation du bois-nergie contribue aussi fortement
la lutte contre le rchauffement climatique (effet de
serre) puisque, la diffrence des nergies fossiles,
elle recycle dans l'atmosphre le gaz carbonique (CO2)
absorb par les forts.
Le bois-nergie constitue en outre une excellente
valorisation des sous-produits et dchets de la filire
bois.
Enfin, cette ressource participe la gestion rationnelle
de nos forts et donc, la qualit des paysages et au
maintien des quilibres hydrologiques et climatiques. Figure 29 : Cycle du CO2
Voici les diffrents types de combustibles qui peuvent tre utiliss dans les chaudires bois :
Figure 30 : Diffrents types de combustibles bois utiliss dans les chaudires
3.4.2.2. PCI du bois
Le PCI du bois nergie varie essentiellement en fonction de son essence et de son taux dhumidit. La
formule suivante donne le PCI moyen des feuillus durs en fonction du taux dhumidit :
Formule (en kWh/t) :
Avec : - PCI (0 %) = contenu nergtique moyen du bois sec, soit 5 000 kWh/t.
- h = humidit relative (sur masse brute) du bois en pourcentage.
Tableau 7 : PCI du bois (kWh/t) en fonction de lhumidit relative (%)
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3.4.2.3. Emissions de CO2 vites
Ci-dessous sont donns les ratios dmissions de CO2 vites g