Bus m 2012 Despres Bertrand

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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


DESPRES Bertrand Master MEPP

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


DESPRES Bertrand Master MEPP Page 1/67

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.



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)



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 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



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.



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.



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)



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.



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.



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.



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),



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),



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).



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).



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,



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



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



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.



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.



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



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.



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.



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.



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



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



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.



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



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) :



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



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 :



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 :



Figure 20 : Plan du rseau de chaleur utilise pour ltude

ide x ~-ENERGIES ~ UNIVERSIT ~ DE lORRAINE



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



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



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



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 :



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



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 :


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.


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.



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.



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



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.



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.



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



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 (%)



3.4.2.3. Emissions de CO2 vites

Ci-dessous sont donns les ratios dmissions de CO2 vites g

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