MEMOIRE DE PROJET DE FIN D’ TUDE -...

RECONVERSION DU RESEAU DE CHALEUR

URBAIN DE STRASBOURG-HAUTEPIERRE

[Photo Patrick Bantzhaff ]

Auteur : Nicolas MARY INSA Strasbourg, Spécialité Génie Civil, Option Aménagement du Territoire

Tuteur Entreprise : Eric HARTWEG Directeur Opérationnel, SERS

Tuteur INSA Strasbourg : Abdellah GHENAIM Professeur, INSA Strasbourg

Janvier-Juin 2011

MEMOIRE DE PROJET DE FIN D’ETUDE

- Spécialité Génie Civil - Option Aménagement du territoire

Nicolas MARY - Mémoire de PFE - 2

Sommaire Remerciements : ............................................................................................................... 4 Introduction : .................................................................................................................... 5 1 Présentation de la SERS : ............................................................................................ 6 2 Réseau de chaleur de Strasbourg-Hautepierre : .......................................................... 9

2.1 Fonctionnement général d’un réseau de chaleur ...................................................... 9

2.2 Installation de la chaufferie de Hautepierre ............................................................ 12

2.2.1 Implantation et occupation du terrain ............................................................... 12

2.2.2 Chaufferie ........................................................................................................... 13

2.2.3 Réseaux de distribution : .................................................................................... 14

2.2.4 Sous stations ....................................................................................................... 15

2.3 Informations sur le réseau de Hautepierre : ............................................................ 16

2.3.1 Données énergétiques : ..................................................................................... 16

2.3.2 Tarification pour les usagers : ............................................................................ 17

2.4 Bilan sur le réseau de Chaleur de Hautepierre ........................................................ 18

3 Pistes de réflexion pour le réseau de Hautepierre : ................................................... 19

3.1 La nécessité de se tourner vers les énergies renouvelables : .................................. 19

3.1.1 Respect des normes de rejets de gaz dans l’atmosphère : ................................ 19

3.1.2 Soutien financier pour le développement des énergies renouvelables : .......... 20

3.2 Pistes envisagées : .................................................................................................... 20

3.2.1 Abaissement de la température du réseau : ...................................................... 20

3.2.2 La biomasse : ...................................................................................................... 21

3.2.3 Géothermie : ...................................................................................................... 22

3.2.4 Récupération d’énergies fatales :....................................................................... 30

3.2.5 Solaire avec stockage d’énergie ........................................................................ 31

3.2.6 Raccordement avec le réseau de Strasbourg Énergie (Quartier de l’ELSAU) : .. 33


4 Analyse des différentes pistes envisagées : ............................................................... 34

4.1 Intégration d’énergies renouvelables ...................................................................... 35

4.1.1 Géothermie de surface : ..................................................................................... 35

4.1.2 Récupération des calories des eaux usées : ....................................................... 39

4.1.3 Solaire avec stockage d’énergie : ....................................................................... 41

4.1.4 Biomasse :........................................................................................................... 47

4.1.5 Géothermie profonde : ...................................................................................... 58

4.2 Passage en réseau basse température <110°C : ...................................................... 63

4.2.1 Abaissement de la température du réseau de Vandœuvre-lès-Nancy : ............ 63

4.2.2 Abaissement de la température du réseau de Hautepierre : ............................ 64

4.3 Raccordement avec le réseau de Strasbourg Energie (Quartier de l’Elsau) : .......... 66

4.3.1 Possibilité de créer un seul gros réseau pour Strasbourg : ................................ 67

4.3.2 Interconnexion de Strasbourg Energie et SETE : ................................................ 67

4.3.3 Interconnexion Strasbourg Energie et Hautepierre Energie : ............................ 68

5 Bilan et scenarios d’évolution : ................................................................................. 70

5.1 Bilan des différentes solutions : ............................................................................... 70

5.1.1 Géothermie Profonde : ...................................................................................... 70

5.1.2 Biomasse :........................................................................................................... 70

5.1.3 Solaire avec stockage d’énergie : ....................................................................... 70

5.1.4 Interconnexion : ................................................................................................. 71

5.2 Scénarios d’évolution : ............................................................................................. 71

5.2.1 Mise en place de géothermie Profonde : ........................................................... 72

5.2.2 Mise en place de Biomasse : .............................................................................. 73

Conclusion : .................................................................................................................... 74


Remerciements :

Pour commencer je tiens à remercier Mr Eric HARTWEG mon tuteur entreprise pour m’avoir permis de réaliser ce PFE au sein de la SERS qui est une entreprise à laquelle je porte beaucoup d’intérêt. Je le remercie pour les différents conseils qu’il m’a donnés et pour avoir mis à ma disposition les moyens nécessaires à la bonne réussite de mon PFE. Je tiens également à remercier son assistante Mme Patrice GEIGER pour tous les conseils pratiques qu’elle m’a apportés au quotidien. De manière générale je remercie les employés du service opérationnel de la SERS qui m’ont accordé un peu de leur temps et ont contribué à ce que mon Projet de Fin d’Etude se déroule dans les meilleures conditions possibles. Je remercie bien évidement tous les autres employés de la SERS ainsi que son directeur général Mr Eric FULLENWARTH. D’autre part, je tiens à remercier toutes les entreprises et organismes que j’ai pu rencontrer qui m’ont apporté leur avis et leur connaissance dans les différents domaines abordés dans mon rapport. Je remercie ainsi en espérant ne pas en avoir oublié : ADEME (Mr Muller), Chambre d’Agriculture du Bas-Rhin (Mr Gintz), Cofely (Mr Laugier et Mr Keller), Dalkia (Mr Garotte et Mr Eckart), EBM (Mr Marre), Pôle Energivie (Mr Jordan), ES géothermie (Mr Imbs), Lyonnaise des Eaux (Mr Blanc), Service Energie de la communauté urbaine de Strasbourg (Mr Spreng et Mme Monteillet), Sonnenkraft (Mr Fritz et Mr Sirguey)… Pour terminer je tiens à remercier Mr Abdellah Ghenaim, tuteur école ainsi que l’équipe enseignante du département Génie Civil de l’INSA de Strasbourg, pour les connaissances qu’il m’on transmit durant mes 5 années passées à l’INSA.


Introduction : La SERS est en charge de l’aménagement du quartier de Hautepierre. En effet, elle a signé le 30 décembre 1967, avec la ville de Strasbourg une convention de concession pour l’aménagement de ce quartier. Cette convention a été transférée de plein droit à la Communauté Urbaine de Strasbourg, lors de sa création en 1968. La SERS est donc en charge d’un certain nombre d’équipements, dont le chauffage urbain. C’est à ce titre qu’elle a signé en 1971, une convention avec un groupement d’entreprises pour le chauffage urbain. Ceci afin de lui confier la réalisation des installations de production, de transport et de distribution collective de la chaleur, ainsi que l'exploitation des installations construites. Le réseau de chaleur et la chaufferie de Strasbourg -Hautepierre ont donc été construits en 1973 par le groupement Caliqua SAC STREC, appelé aujourd’hui Hautepierre Énergie. La concession accordée initialement jusqu’en 1999 a été prolongée jusqu’au 30 novembre 2014. Afin de poursuivre le service public de chauffage urbain après cette date, la SERS va engager le processus de désignation d’un nouveau délégataire. C’est donc l’occasion de s’interroger sur le réseau de chauffage urbain actuel et sur les modifications qui pourront y être apportées par le futur délégataire. Aujourd’hui, les contraintes ne sont plus les mêmes qu’il y a 40 ans, les énergies fossiles sont de plus en plus chères et les rejets de gaz dans l’atmosphère de plus en plus encadrés. Le réseau de chauffage urbain de Hautepierre doit donc évoluer en tenant compte du contexte actuel. C’est pourquoi il est plus que nécessaire de chercher des énergies alternatives pour son fonctionnement. Mon Projet de Fin d’Études a donc pour objectif de déterminer les solutions qui pourront être envisagées pour faire évoluer le réseau de chaleur de Strasbourg -Hautepierre. Ceci en tenant compte du contexte actuel et des intérêts de la collectivité et des abonnés. Mon rapport commencera donc par faire le bilan du réseau de chaleur de Hautepierre. Puis j’aborderai les différentes énergies renouvelables qui peuvent être mis es en place sur un réseau de chaleur. J’étudierai ensuite plus en profondeur celles qui peuvent être utilisées à Hautepierre, en déterminant la quantité de chaleur qu’elles peuvent apporter et en donnant une estimation de leur coût. Pour terminer je ferai le bilan des énergies envisageables et déterminerai des scénarios d’évolution pour le réseau.


1 Présentation de la SERS : D’après la présentation que l’on peut trouver sur le site internet de la SERS 1. La SERS est une société d’économie mixte qui a été créée en 1957 pour aménager le quartier de l’Esplanade.

Le capital de la société se réparti de la manière suivante :

Ville de Strasbourg : 26.04 %

Communauté Urbaine de Strasbourg : 12.30 %

Département du Bas-Rhin : 27.55 %

Caisse des Dépôts et Consignations : 25.10 %

Caisse d’Épargne d’Alsace : 4.34 %

Habitation Moderne : 2.43 %

Chambre de Commerce et d’Industrie de Strasbourg et du Bas -Rhin : 1.25 %

Société Immobilière du Bas-Rhin : 0.99 % Depuis sa création, la SERS conduit des opérations d’aménagement en Alsace en partenariat avec les collectivités territoriales et les acteurs privés. Ses activités sont regroupées en trois métiers : elle aménage, construit et gère.

L’aménagement est le premier métier de la SERS. Elle travaille en coordination avec les collectivités locales et prend en charge l’aménagement d’espaces et de sites

complexes. Pour chaque projet, la SERS définit les conditions de faisabilité et de bonne intégration dans l’environnement existant. Elle s’occupe du choix des intervenants et assume la maîtrise d’ouvrage de l’ensemble. La SERS exerce ainsi sa mission d'aménageur à travers d'importantes opérations en site urbain, reconnues pour leur complexité (Hautepierre, le Centre Halles, le Bon Pasteur, l'Étoile, Danube etc.).

Figure 1 Aménagement du quartier de l'Étoile Figure 2 Aménagement de la ZAC des Poteries

La SERS a également une activité de constructeur, soit pour son compte, soit pour le compte de clients publics ou privés.

1 www.sers.eu

AMÉNAGER

CONSTRUIRE


Elle exerce ses activités de construction dans différents domaines tels que la culture, les sports, les loisirs, le retraitement des déchets, le stationnement, le secteur tertiaire, l’enseignement secondaire et supérieur, la petite enfance, l’accueil des personnes dépendantes ou encore la communication. Ainsi, pour le compte de ses clients le plus souvent , la SERS mène à bien des projets de construction d’équipements neufs ou de rénovation et de mise en valeur de bâtiments, en assurant la maîtrise d’ouvrage et en prenant en charge l’ensemble de la gestion du projet.

Figure 3 Parlement Européen de Strasbourg Figure 4 Zénith de Strasbourg

Cette activité de la SERS s'est développée dès les premières opérations d'aménagement puisque l'entretien des espaces ve rts et de certains équipements ont nécessité la mise en place de structures de gestion adaptées. La SERS a ainsi créé ou pris des

participations dans des sociétés spécialisées dans la gestion d'équipements spécifiques pour le loisir, le stationnement, etc. La SERS assure également la gestion immobilière, juridique, financière, l'exploitation ou l'administration d'équipements, notamment certaines de ses propres ré alisations. Cette activité permet à la SERS de préserver la pérennité des équipements qu'elle réalise, avec le souci de l'intérêt collectif.

Figure 5 Golf de la Wantzenau Figure 6 Chaufferie de Hautepierre

Gérer

Directeur Général Eric FULLENWARTH

Secrétaire Général Christian HAENTZLER

Directeur Administratif &

Financier Gilles MOREAU

Directeur Opérationnel

Adjoint

Alain CHIESA

Assistante de

Direction

Patrice

GEIGER

Anaïs

GHIA

Maude

RIVES

Cécile

CLOIREC

Christophe

ROTH

Denis

WOLLJUNG

Matthieu

BERG

CHEFS DE PROJETS

Assistante

Nadine ZINGER

Assistante

Patrice GEIGER

Assistante

Patricia BENAD

Assistante

Valérie MEYER

Responsable

Développement

Christophe

SZCZESNIEWSKI

Moi

Secrétariat Général Direction Administratif

& Financier

Direction Opérationnel

Tuteur de PFE

Directeur Opérationnel Eric HARTWEG

Figure 7 Organigramme de la SERS


2 Réseau de chaleur de Strasbourg-Hautepierre : Mon premier travail à la SERS a consisté à découvrir les réseaux de chaleur, comprendre leur fonctionnement et les différentes parties qui les composent. Je me suis ensuite intéressé au réseau de Hautepierre en réunissant un maximum d’informations. J’ai également effectué une visite de la chaufferie de Hautepierre avec le responsable d’exploitation, Mr Jean -Luc ECKART, afin de voir les installations du sit e actuel et d’obtenir certains renseignements nécessaires pour le déroulement de mon PFE.

2.1 Fonctionnement général d’un réseau de chaleur Un réseau de chaleur ou réseau de chauffage urbain peut être comparé à un chauffage central, mais à l’échelle d’une ville. Il permet d’alimenter en chauffage et en eau chaude sanitaire les différents bâtiments qui y sont raccordés. En France, environ 60 % de la chaleur délivrée par ces réseaux alimente le secteur résidentiel, le reste est généralement destiné au secteur tertiaire (commerces, école) et au secteur hospitalier. Un réseau de chaleur se compose d’une ou plusieurs centrales thermiques raccord ées à un système de canalisations appelé réseau primaire qui sert à alimenter des sous-stations. Ces dernières sont utilisées pour transférer la chaleur du réseau primaire vers les réseaux secondaires qui desservent les bâtiments. Les centrales thermiques : Les centrales thermiques servent à produire de la chaleur pour alimenter le réseau primaire. Elles peuvent utiliser trois types d’énergies

- Les énergies fatales ou de récupération : chaleur provenant des usines d’incinération d’ordures ménagères ou de biogaz issus de la fermentation de matières organiques.

- Les énergies « classiques » : énergies fossiles (gaz naturel, fioul, charbon) - Les énergies renouvelables : Bois, géothermie, solaire, etc.

Certaines centrales thermiques sont équipées d’un système de cogénération qui permet la production simultanée de chaleur et d’électricité. Le réseau primaire : Le réseau primaire sert à véhiculer la chaleur vers les sous -stations qui alimenteront ensuite les réseaux secondaires. La chaleur peut être transportée de différentes façons :

- Eau surchauffée : eau à 180 – 190 °C maintenue liquide grâce à une forte pression.

- Eau chaude : eau dont la température est limitée par la réglementation à 110 °C - Vapeur.


Les sous-stations : Les sous-stations servent au transfert de chaleur entre le réseau primaire et le s réseaux secondaires. Les deux réseaux étant indépendant il n’y a pas d’échange de fluide entre eux. L’échange de chaleur se fait par l’intermédiaire d’échangeurs thermiques. Les réseaux les plus anciens sont généralement équipés d’échangeurs tubulaires. Ils sont constitués d'un ensemble de tubes, disposés à l'intérieur d'une enveloppe appelée calandre (voir schéma ci-dessous). Le fluide secondaire circule à l'intérieur des tubes alors que le fluide primaire circule autour des tubes, dans la calandre. Ce système est relativement volumineux dans le cas d’un chauffage urbain. En effet , il est nécessaire d’avoir une surface d’échange suffisamment grande pour assurer un bon transfert de la chaleur.

Les réseaux plus récents sont généralement équipés d’échangeurs à plaque s. Ceux-ci sont moins volumineux et possèdent un meilleur rendement. Ils sont composés d'un grand nombre de plaques disposées les unes derrière les autres et séparées de quelques millimètres. Les plaques sont entourées d’un joint étanche qui permet d’éviter les fuites. Les fluides peuvent ainsi circuler entre les plaques, en alternant une plaque sur deux pour le fluide primaire et le reste pour le fluide secondaire (voir schéma ci-dessous). L’utilisation de plaque permet d’obtenir une plus grande surface de contact entre les deux fluides et donc un meilleur échange thermique tout en réduisant la taille de l’échangeur.

Fluide secondaire

Fluide primaire

Fluide primaire

Fluide secondaire

Figure 8 Schéma d'un échangeur tubulaire

Figure 9 Schéma d'un échangeur à plaques


Le système de chauffage urbain possède plusieurs avantages. Il est écologique puisque pour un même nombre de logements, les rejets dans l’atmosphère des centrales thermiques sont moins importants que la somme des rejets des systèmes de chauffage individuels. Il permet un gain de place et de sécurité pour l’usager, car les installations de chauffage ne sont plus présentes dans le logement. D'autre part, l’usager n’a plus de frais d’entretien ou de dépannage.

Centrale thermique

Sous-stations

Réseau primaire

Réseau secondaire

Figure 10 Schéma d'un réseau de chauffage urbain


2.2 Installation de la chaufferie de Hautepierre La SERS est chargée de l’aménagement du quartier de Hautepierre, elle doit donc s’occuper de la réalisation d'un certain nombre d'équipements, dont le chauffage urbain. Le 1er juillet 1971, une convention a été signée avec le groupement Caliqua SAC STREC, appelé aujourd’hui Hautepierre Énergie. Ce groupement s’est engagé à réaliser les installations de production, de transport et de distribution collective de la chaleur et à exploiter ensuite ces installations . C’est dans ce cadre que la chaufferie de Hautepierre a été construite en 1973. Depuis, cette convention a fait l'objet de six avenants, dont l'un a prolongé sa durée jusqu'au 30 novembre 2014. La centrale de Hautepierre produit de l’eau surchauffée, de la vapeur ainsi que de l’électricité. L’eau surchauffée sert à alimenter en eau chaude sanitaire et en chauffage les grands ensembles d’habitations de la zone urbaine de Hautepierre, des Poteries et de Koenigshoffen Hohberg ainsi que divers utilisateurs du secteur tertiaire (écoles, commerces) et du secteur hospitalier (CHU de Hautepierre). La vapeur industrielle (moyenne pression) produite par la centrale est utilisée pour alimenter toute l’année la buanderie des hôpitaux universitaires de Strasbourg. L’électricité produite est quant à elle entièrement vendue à Électricité de Strasbourg.

2.2.1 Implantation et occupation du terrain Les activités de la centrale de Hautepierre sont établies sur un terrain de 11 382 m², situé à l'ouest de la commune de Strasbourg. Le site se situe en face du quartier d’habitation de Hautepierre, le long de l’autoroute A351. Il comporte un bâtiment principal complété par d’autres installations (cuve de stockage du fioul, zone de stockage des déchets, etc.), le reste du terrain est occupé par des aires de stationnement, des voies de circulation et des espaces verts. Le plan suivant permet de visualiser la configuration générale du site :

Figure 11 Plan du site de la chaufferie de Hautepierre

L’entrée principale du site donne sur la rue Jean Giraudoux et se trouve à l’extrémité sud-ouest du terrain.


2.2.2 Chaufferie

La puissance thermique de la chaufferie actuelle est de 152 MW. Elle fonctionne aux deux tiers avec du gaz naturel et le reste avec du fioul lourd à très basse teneur en souffre (TBTS).

La chaufferie est constituée de quatre chaudières :

Générateurs mixtes Chaudière à

vapeur haute pression

Chaudière à vapeur moyenne

pression GE1 GE2 HP3 CHVB

Année de construction

1970 1973 1989 1981

Combustible Fioul lourd/ gaz naturel alterné

Fioul lourd/ gaz naturel alterné

Fioul lourd/ gaz naturel simultané

Gaz naturel

Production Eau surchauffée à

14bar et 180 °C maximum

Eau surchauffée à 14bar et 180 °C

maximum

Vapeur surchauffée à

56bar et 450 °C

Vapeur saturée à 13bar

Puissance thermique

31 MW 53 MW 58 MW 10 MW

Période de fonctionnement

Toute l’année (de novembre à mars

en complément de HP3)

Toute l’année (de novembre à mars

en complément de HP3)

novembre à mars Toute l’année

Durée de fonctionnement

Environ 4000h/an Environ 1200h/an Environ 3600h/an Environ

2650h/an

- Les générateurs mixtes GE1 et GE2 fonctionnent toute l’année et servent à couvrir les besoins en eau chaude sanitaire et en chauffage des usagers.

- La chaudière à vapeur haute pression HP3 est utilisée 5 mois dans l’année (novembre à mars). Elle entraine un groupe turbo-alternateur d’une puissance électrique de 12.5 MW. L’électricité ainsi produite est entièrement revendue à Électricité de Strasbourg.

- La chaudière à vapeur Moyenne Pression (CHVB) est utilisée toute l’année pour fournir de la vapeur à la buanderie des Hôpitaux Universitaires de Strasbourg.


2.2.3 Réseaux de distribution : Le réseau de distribution de chauffage se compose de deux types de réseaux distincts. Le premier appelé réseau primaire est le réseau principal. Il transporte de l’eau surchauffée à environ 28 bar et 180 °C. Ce réseau sert à redistribuer la chaleur aux réseaux secondaires qui viennent alimenter les bâtiments. La température de l’eau présente dans ces réseaux est moins élevée puisqu’elle est comprise entre 80 et 100 °C. Le transfert de chaleur entre les réseaux primaire et secondaires se fait par l’intermédiaire des sous-stations. La partie la plus ancienne du réseau de Hautepierre a été construite en 1969, elle couvre une partie du quartier de Hautepierre. Une première extension du périmètre a eu lieu en 1978, elle relie le quartier du Hohberg à la centrale. Par la suite en 1986 une nouvelle extension vers le Parc des Sports de Hautepierre a permis d’alimenter de nouveaux bâtiments. La dernière extension du réseau date de 1996, elle a raccordé le nouveau quartier des poteries au réseau de chaleur. Ce quartier recèle encore un potentiel de raccordement de 400 à 500 logements supplémentaires (standard BBC ou RT 2012). En 2010, le réseau de chaleur alimentait 17 577 équivalents logements.

Réseau Longueur Type Année Age Localisation Produit transporté

Primaire 4.4 km Caniveau 1969 42 ZUP Eau surchauffée

180/120 °C 0.8 km Caniveau 1978 33 Hohberg

Secondaire 5.53 km Caniveau 1969 42 ZUP

Eau chaude 100/80°C

0.44 km Pré isolé 1986 25 Parc des Sports 2.33 km Pré isolé 1996 15 Poteries

Buanderie 0.5 km Caniveau 1981 30 Buanderie Vapeur moyenne pression 14bars

Le réseau actuel est globalement en bon état. Des mesures de température effectuées en 2009 ont montré que les pertes du réseau primaire étaient très faibles. Néanmoins, aucune information permettant d’apprécier l’état de corrosion interne du réseau n’est disponible. C’est pourquoi il n’est pas possible de se prononcer sur sa durée de vie.

Figure 12 Photographies des chaudières de la chaufferie de Hautepierre


L’implantation du réseau actuel est la suivante :

Figure 13 Plan du réseau primaire et du réseau secondaire des Poteries

2.2.4 Sous stations Une sous-station permet un échange thermique et assure une séparation hydraulique entre l’eau qui circule dans le réseau primaire et celle qui circule dans le réseau secondaire. Le réseau de Strasbourg-Hautepierre est équipé de 19 sous-stations primaires qui permettent un échange de chaleur entre le réseau primaire et les réseaux secondaires. Il est également équipé de 120 sous-stations secondaires qui permettent de desservir les différents usagers.

Réseau primaire HP : Eau surchauffée 180°C/120°C

Réseau secondaire BP: Eau Chaude 100°C/80°C


Bilan des sous-stations :

Type Nombre caractéristiques Primaire 19 Alimentées depuis la chaufferie en eau surchauffée 190/80°C

Secondaire 120 Alimentées depuis les sous-stations primaires en eau chaude 110/70°C

Buanderie 1 Alimentée depuis la chaufferie en vapeur moyenne pression Les sous-stations en place sur le réseau sont celles d’origine, elles sont généralement munies d’échangeurs tubulaires. Elles ont été régulièrement entretenues et donc sont en état de fonctionnement avec une usure normale.

2.3 Informations sur le réseau de Hautepierre :

2.3.1 Données énergétiques :

Énergie consommée en 2008 :

Gaz naturel 146 752 MWh

Fioul lourd TBTS 54 996 MWh

Total : 201 748 MWh

Énergie produite en 2008 :

Chaleur délivrée en sous-stations 122 032 MWh

Vapeur buanderie 11 535 MWh

Eau chaude sanitaire 26 412 MWh

Électricité 17 252 MWh

Total : 177 231 MWh

Rendement global 2008 87.8 %

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

Janv. Févr Mars Avr Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc

(MW

h)

Répartition des ventes de chaleur sur l'année

Buanderie

Réseau de chaleur


En 2008, la chaufferie a fourni environ 148 GWh au réseau de chaleur (122GWh aux sous stations + 26 GWh ECS). Les besoins thermiques des bâtiments actuellement desservis pourraient évoluer à la baisse. En effet dans le cadre du Plan de Rénovation Urbaine (PRU) de Hautepierre certains bâtiments vont être démolis et remplacés par d’autres plus économes en énergie. De plus CUS habitat qui possède plus de 2500 logements a lancé un programme d’installation de capteurs solaires sur son parc d’habitation ce qui pourrait faire diminuer sensiblement les besoins thermiques d’été, sans toutefois excéder 15 à 20%.

2.3.2 Tarification pour les usagers : La tarification du chauffage urbain se décompose en deux parties :

R1 : redevance proportionnelle à la consommation énergétique, elle s’exprime en Euros/MWh. Ce prix dépend principalement du prix des matières premières nécessaires à la production de chaleur. Dans le cas du réseau de Hautepierre, la consommation est mesurée au compteur d’énergie thermique de chaque sous-station. Certaines sous-stations sont équipées d’un compteur pour l’eau chaude sanitaire et différencient donc celle-ci du chauffage.

R2 : redevance fixe qui ne dépend donc pas de la consommation des usagers, mais de la puissance souscrite. Elle est représentative des coûts suivants :

- Les coûts d’entretien qui assure le bon fonctionnement des installations primaires. - Le coût de l’énergie électrique utilisée comme force motrice pour le fonctionnement des

installations primaires. - Le coût d’entretien des branchements et des compteurs primaires. - Les coûts liés au financement des investissements réalisés pour la mise en conformité des

installations. Au final, la facture des abonnées est égale à R1*consommation + R2*puissance souscrite. Les prix moyens de vente aux usagers sur les dernières années sont les suivants :

Figure 14 Evolution du prix de vente de la chaleur du réseau de Hautepierre [CFERM]


En 2008, le prix moyen de vente constaté pour le réseau de Hautepierre était de 58.79 euros HT/MWh. Selon l’Amorce (Enquête « Prix de vente de la chaleur 2008 ») pour cette même année, le prix moyen de vente des réseaux de chaleur dont l’énergie provenait majoritairement d’une cogénération au gaz naturel était de 64.6 euros HT/MWh. Les prix de vente aux usagers du réseau de Hautepierre se situent donc sous la moyenne nationale des réseaux de chauffage équipés d’une chaufferie du même type. Cela s’explique par le fait que les installations du réseau de Hautepierre sont relativement anciennes et ont donc été amorties. Cependant, on note que depuis 2002 les prix ont presque doublé. Cela est lié directement à l’envolée des prix des énergies fossiles.

Figure 15 Enquête AMORCE, "Prix de vente de la chaleur 2008"

2.4 Bilan sur le réseau de Chaleur de Hautepierre

Le réseau de chaleur de Strasbourg-Hautepierre est donc un réseau assez ancien, mais dont les installations fonctionnent encore correctement. Cependant, l’utilisation exclusive d’énergies fossiles le rend très dépendant du prix de ces matières premières. L’intégration d’autres énergies, notamment des énergies renouvelables, permettrait d’obtenir une plus grande souplesse et de pouvoir basculer d’une énergie à l’autre en fonction du coût des matières premières et de la demande. D’autre part, les normes qui encadrent les rejets dans l’atmosphère sont de plus en plus contraignantes et risquent de pénaliser les installations de la chaufferie si rien n’est fait. Le changement de délégataire qui aura lieu fin 2014 est donc l’occasion idéale pour moderniser les installations actuelles.


3 Pistes de réflexion pour le réseau de Hautepierre : La suite de mon PFE a consisté à chercher les principales pistes d’évolution du réseau qui pourraient être étudiées. En m’intéressant à ce qui existe sur d’autres réseaux en France et à l’étranger, j’ai pu me rendre compte de l’intérêt ou non d’étudier plus en profondeur certaines pistes.

3.1 La nécessité de se tourner vers les énergies renouvelables : Dans le contexte actuel, où le prix des énergies fossiles ne cesse d’augmenter il est nécessaire de trouver des énergies alternatives pour rendre la production de chaleur moins dépendante des fluctuations de ces énergies. D'autre part, les énergies fossiles sont à l’origine de la majeure partie des gaz à effets de serre rejetés dans l’atmosphère. Il est donc nécessaire de réduire leur utilisation et de trouver d’autres énergies.

3.1.1 Respect des normes de rejets de gaz dans l’atmosphère : La chaufferie de Hautepierre est soumise au Plan National d’Allocation de Quotas de CO2 (PNAQ), car la puissance de ses installations de combustion dépasse les 20MW. Ce plan définit la quantité de tonnes de CO2 que peuvent émettre les entreprises de chaque pays membre de l’Union européenne. Chacun de ces pays doit élaborer son propre PNAQ dans lequel il indique la quantité totale de quotas qu'il a l’intention d'allouer et la manière dont il se propose de les attribuer en fonction des différents secteurs. Dans le cas où une entreprise dépasse ses quotas, elle est dans l’obligation d’acheter à d’autres entreprises les quotas qu’il lui manque. Les premiers PNAQ ont débuté le 1er janvier 2005 pour une période de trois ans (2005-2007). Les seconds sont entrés en vigueur en 2008 et prendront fin en 2012. Entre ces deux PNAQ les quotas de rejets de CO2 alloués aux entreprises de chauffage urbain ont diminué de 31 %. La centrale thermique de Hautepierre s’est vue attribuer une allocation annuelle de 45 308 t de CO2 en 2008. Depuis l’entrée en vigueur de ce second PNAQ, la centrale de Hautepierre a dépassé tous les ans ses quotas. Les quotas ont ainsi été dépassés en 2008, 2009 et 2010 respectivement de 404 t, 4334t et 1259t. Des mesures ont été prises pour réduire les rejets. La centrale utilise plus de gaz et moins de fioul, car le facteur d’émission de CO2 du gaz est inférieur de 27% à celui du fioul. Ainsi la centrale a consommé 46% de fioul en 2009 et seulement 16% en 2010.

Figure 16 Graphique des rejets de CO2 de la chaufferie de Hautepierre [CFERM]


Le PNAQ 2 est donc déjà contraignant à l’heure actuelle pour la centrale thermique de Hautepierre. Le prochain PNAQ 3 (2013-2020) prévoit que les quotas qui étaient jusqu’ici gratuits deviennent progressivement payants. Ainsi, le secteur du chauffage urbain pourrait en 2013 ne plus obtenir que 80 % de quotas gratuits, ce taux diminuera pour atteindre 30 % en 2020 et 0% à l’horizon 2027. Les objectifs des entreprises vont donc totalement changer. Le but ne sera plus de ne pas dépasser les quotas, mais de réduire au maximum les émissions de CO2 pour éviter de devoir payer trop. Le nouveau délégataire qui sera désigné pour gérer le chauffage urbain de Hautepierre obtiendra un contrat pour un nombre d’années relativement important (une vingtaine d’années en général). Il est donc nécessaire d’anticiper le prochain PNAQ pour que les quotas de CO2 qui devront être achetés ne soient pas trop importants et ne pèsent pas trop sur la facture des abonnés.

3.1.2 Soutien financier pour le développement des énergies renouvelables :

3.1.2.1 Le fonds chaleur :

Le fonds chaleur est un engagement pris par le Grenelle de l’environnement, il a été confié à l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de L’Énergie). Ses objectifs sont d’accroitre la production de chaleur à partir d’énergies renouvelables (biomasse, géothermie, solaire thermique…). Il aide ainsi financièrement l'habitat collectif, les collectivités et toutes les entreprises investissant dans la production de chaleur à partir d’énergies renouvelables. Le fonds chaleur soutient la création des installations de production de chaleur renouvelable, mais également les réseaux de distribution (pompes, canalisations isolées, génie civil des tranchées, équipement des sous-stations). Toutes ces aides sont néanmoins soumises à l’utilisation d’au moins 50% d’énergies renouvelables dans la production de chaleur.

3.1.2.2 La fiscalité :

Lors de la facturation des usagers, la TVA sur la partie abonnement est de 5,5 % quelles que soient les énergies utilisées. Cependant, afin de favoriser l’utilisation des énergies renouvelables, les réseaux approvisionnés à plus de 50% en énergies renouvelables profitent également d’une TVA à 5.5% sur la partie consommation de chaleur. Cette diminution de la TVA profite donc directement aux usagers.

3.2 Pistes envisagées :

3.2.1 Abaissement de la température du réseau : La plus part des nouveaux réseaux de chauffage urbain utilisent de l’eau chaude (entre 90 et 110°C) pour leur réseau principal. Le réseau primaire de Hautepierre fait circuler de l’eau surchauffée entre 180 et 120°C. La reconversion du réseau en un réseau basse température, alimenté en eau comprise entre 90 et 110°C permettrait de diminuer les pertes thermiques. En effet, en réduisant l’écart de température entre l’eau transportée dans le réseau et le milieu extérieur on réduit les pertes de chaleur. Cet abaissement de la température du réseau primaire permettrait également de diminuer les couts de maintenance et d’améliorer la sécurité du personnel d’exploitation.


Le passage d’un réseau eau surchauffée à un réseau basse température, nécessite la réalisation de travaux sur le réseau actuel. Si l’on diminue la température délivrée aux sous-stations, le débit nécessaire pour obtenir la même quantité de chaleur doit augmenter. Certaines canalisations vont donc devoir être remplacées par d’autres de plus gros diamètres pour permettre d’obtenir des débits plus importants. L’intérêt économique d’un tel changement se pose donc. D’autant plus que dans le cas du Plan de Rénovation Urbaine (PRU) de Hautepierre et de l’extension de la ligne de tram dans cette zone, certaines parties du réseau doivent être modifiées ou déplacées. Ces modifications prévues pourraient donc être l’occasion de changer le diamètre d’une partie des canalisations. Si l’on souhaite abaisser la température du réseau, il faudra également changer les échangeurs dans les sous-stations. Ceux qui sont actuellement en place sur la plupart des sous-stations sont des échangeurs tubulaires, très encombrants et aux rendements plus faibles que les nouveaux échangeurs à plaques. En remplaçant tous les échangeurs, on faciliterait donc l’échange de chaleur entre le réseau primaire et les réseaux secondaires.

3.2.2 La biomasse : Cette énergie est bien appropriée pour les réseaux de chaleur urbains, munis ou non d’une cogénération (production combinée d´électricité / chaleur). Elle fonctionne à partir de bois ou d’autres matières premières renouvelables. L’association de la cogénération à un réseau de chauffage urbain alimentant les bâtiments proches de la centrale de cogénération est une combinaison envisageable pour de nombreux réseaux de chaleur. C'est pourquoi les chaufferies utilisant le bois comme combustibles se sont fortement développées ces dernières années.

Figure 17 Schéma du fonctionnement d'une chaudière bois et des équipements annexes

[www.biomasse-normandie.org]


Cependant, la mise en place d’une installation de ce type est 5 à 10 fois plus chère qu’une chaudière de même puissance fonctionnant au gaz ou au fioul. Ceci est dû à la taille des chaudières bois plus importante, au traitement des fumées qui nécessite des équipements importants et au stockage du combustible bois. Les chaufferies biomasses peuvent utiliser différentes matières premières parmi lesquelles on trouve : Bois :

- Bois de coupe, bois restant sur coupe ou rémanents - Chutes de scierie (largement utilisées par les fabricants de pâtes et panneaux) - Les sous-produits du bois : déchets produits par les industries de transformation du bois ainsi

que les emballages tels que les palettes (Bois de classe A) Sous-produits de l'industrie :

- boues issues de la pâte à papier (liqueur noire) - déchets des industries agroalimentaires (marcs de raisin et de café, pulpes et pépins de

raisin, etc.) Produits issus de l'agriculture traditionnelle :

- céréales, oléagineux - Résidus tels que la paille, la bagasse (résidus ligneux de la canne à sucre) - Plantations à vocation énergétique telles que les taillis à courte rotation (saules, miscanthus,

etc.) Les déchets organiques :

- Déchets urbains comprenant les boues d'épuration, les ordures ménagères, et les déchets en provenance de l'agriculture tels que les effluents agricoles.

Les matières premières utilisables dans le cas de la biomasse sont donc nombreuses. Néanmoins, le bois est la principale matière première utilisée pour la biomasse. Ces dernières années, les projets se sont multipliés en Alsace et de nombreux projets de plus en plus gros sont en cours d’élaboration. Notamment le projet d’une nouvelle centrale de cogénération bois d’une puissance électrique de 10 MW et thermique de 22 MW qui sera construite à Strasbourg. Le projet utilisera environ 110 000 tonnes de bois par an, ce qui pose logiquement la question de l’impact sur le prix du bois et les ressources disponibles dans la région. L’utilisation de la biomasse est une alternative envisageable pour le réseau de chaleur de Hautepierre, cependant en plus des études de faisabilité, il faudra étudier les ressources en matière première et l’évolution de ces ressources dans les années à venir.

3.2.3 Géothermie :

3.2.3.1 Géothermie profonde :

Cette technique nécessite la réalisation d’un puits qui vient capter l’eau de la nappe phréatique ou d’un réservoir souterrain à une profondeur généralement comprise entre 2000 et 5000 m. La température de l’eau recueillie dépend de la profondeur, elle est en général comprise entre 70 et 180°C.


L’eau remonte à la surface grâce à la pression naturelle présente dans le sol. Cependant, la mise en place d’un système de pompage permet d’augmenter le débit. L’eau chaude ainsi recueillie sert à réchauffer le réseau primaire. L’eau étant captée à des profondeurs importantes, elle est généralement salée et/ou chargée en sulfure, elle ne peut donc pas être rejetée en surface. C’est pourquoi on réalise un second puits pour réinjecter l’eau dans l’aquifère d’origine. La réinjection permet également d’éviter les problèmes liés à l’équilibre de la nappe aquifère. En France, la géothermie profonde est utilisée pour des réseaux de chaleur urbains principalement situés dans le bassin parisien, le bassin aquitain et dans les Territoires d’outre-mer.

Figure 18 Schéma de principe d'un réseau de chaleur alimenté par géothermie profonde

[www.codev.pays-des-paillons.fr]

3.2.3.1.1 Géothermie profonde à Cronenbourg : Un forage géothermique profond a déjà été réalisé dans les années 80 à Cronenbourg, non loin du quartier de Hautepierre. Ce forage d’une profondeur de 3200 m a permis d’atteindre des températures de 150 à 160 °C. Néanmoins, les débits soutirés n’ont pas dépassé 15 à 20m3/h, ce qui était très insuffisant, un minimum de 150 m3/h étant nécessaire pour la rentabilité de l’exploitation [1][2]. Ce forage a donc été abandonné malgré les moyens financiers importants mis en place à l’époque.

3.2.3.1.2 Potentielle géothermique en Alsace : Le potentiel géothermique profond de l’Alsace est pourtant très important comme le montre la carte ci-après :


Figure 19 Carte des potentialités de géothermie profonde pour la production d'électricité

[Atlas of Europe, Hermann Haak (Hurtog, Cermak,Zui)] De nouvelles technologies ont permis de parer au problème de débits trop faible. Un projet pilote a ainsi été mené dans le nord de l’Alsace à Soultz-sous-Forêts. Il sert à la fabrication d’électricité à partir des ressources géothermiques profondes (- 5000 m). Le principe est le suivant, on injecte de l’eau sous terre grâce à un premier forage, puis on la récupère un peu plus loin grâce à deux autres forages. L’eau circule en boucle en passant par la roche fracturée, elle est ainsi réchauffée naturellement et ressort à travers les deux forages de récupération à une température de 180 à 200°C.

Cette technique est très récente et ses effets sur l’environnement sont encore peu connus. Il semblerait qu’elle soit à l’origine de séismes qui ont eu lieu ces dernières années à proximité des lieux de forages *3+. Lors de l’injection de l’eau en profondeur certaines failles sont stimulées ce qui provoque des séismes. Ainsi à Bâle (Suisse), à la fin 2006 et au début 2007 trois tremblements de terre d’une magnitude supérieure à 3 ont ainsi été observés lors d’opérations de fracturation sur un projet de géothermie profonde. Le plus important a atteint 3,7 sur l’échelle de Richter, ce niveau est faible, mais suffisant pour être ressenti par les habitants et engendrer des dégâts mineurs. Au total, près de 56 millions d’euros ont été investis dans le projet de Bâle qui a finalement été arrêté suite à de nombreuses études qui ont conclu que les risques étaient trop importants. À Soultz-sous-Forêts des milliers de microséismes ont été enregistré dont un de 2.9 en mai 2003.


Les projets de ce type nécessitent donc de nombreuses études complémentaires afin de limiter les risques. D'autre part, la communauté urbaine de Strasbourg (CUS) a lancé un projet de cartographie des ressources de géothermie profonde, mais les résultats ne seront disponibles qu’à la fin 2011.

Figure 20 Géothermie de Soultz-Sous-Forêts [www.geothermie-perspectives.fr]

Il me semble toutefois intéressant d’étudier la géothermie profonde dans le cas du réseau de chaleur urbain de Hautepierre afin d’avoir une idée des coûts de mise en œuvre et des quantités de chaleur qui pourraient être récupérées.

3.2.3.2 Géothermie de surface :

La géothermie de surface utilise la chaleur du sol ou d’une nappe d’eau peu profonde. Les calories captées sont transformées grâce à une pompe à chaleur. Cependant, cette technique semble peu adaptée dans notre cas. En effet, la quantité de chaleur nécessaire pour satisfaire les besoins du réseau de chauffage actuel est trop importante, on peut cependant envisager cette technique pour augmenter la température de l’eau du circuit de retour de quelques degrés. Cela permettrait de réduire la consommation énergétique de la centrale thermique.


3.2.3.2.1 Les différents capteurs pour la géothermie de surface :

La géothermie de surface peut utiliser différents types de captages :

- le captage sur nappe peu profonde : Ce système consiste à prélever l’eau de la nappe et à en récupérer les calories. On réalise un premier forage pour capter l’eau et un second pour la rejeter une fois les calories extraites. Les deux forages doivent être suffisamment espacés pour que l’eau captée ne soit pas celle qui vient d’être rejetée. La température de l’eau d’une nappe varie très peu en fonction des saisons (comprise entre 10 et 15°C selon les endroits).

Circuit de retour du réseau primaire

Pompe à chaleur géothermique

Eaux captées entre 10 et 15°C

Figure 21 Utilisation de la géothermie de surface pour un réseau de chauffage urbain

Figure 22 Géothermie avec captage sur nappe peu profonde

Réseau

primaire

Pompe à chaleur

géothermique Sondes

géothermiques

Centrale thermique


Le coefficient de performance pour une telle installation peut atteindre 5, c'est-à-dire que pour 1 kWh d’électricité consommée, 5 kWh sont restitués. Pour les autres modes de captage géothermique de surface, ce coefficient varie entre 3 et 4,5.

- Sondes géothermiques horizontales : Le captage horizontal récupère les calories du sol à une profondeur relativement peu importante, environ 60cm. On dispose des tuyaux horizontalement sur une surface généralement égale à 1,5 à 2 fois la surface à chauffer. L’emprise d’une telle installation peut donc devenir très contraignante surtout pour une installation à grande échelle, d’autant plus qu’il faut généralement éviter de planter des arbres ou de disposer d’autres installations sur le terrain qui pourraient endommager les capteurs.

Figure 23 captage géothermique horizontal [www.labeaune.com]

- Sondes géothermiques verticales :

Ce système consiste à récupérer la chaleur du sol à des profondeurs comprises généralement entre 80 et 120 mètres. On réalise des forages dans lesquels viennent se loger des sondes géothermiques. Ce système a l’avantage d’être beaucoup moins encombrant que le captage horizontal, néanmoins il faut veiller à ce que les forages soient suffisamment bien espacés, pour obtenir un bon rendement.

- Fondations géothermiques Ce système est proche du système précédent. Le principe est que les sondes géothermiques sont directement intégrées dans les pieux de fondation des nouvelles constructions. Il est donc parfaitement adapté aux zones où la construction d’immeubles sur ce type de fondation est programmée. Les fondations géothermiques ne sont cependant pas implantables partout. En effet, leur mise en place dépend de la nature du sol (besoin ou non de réaliser des fondations sur pieux) et de la capacité de régénération thermique du sol. Les fondations géothermiques sont généralement moins profondes que les sondes géothermiques verticales classiques et beaucoup plus rapprochées ce qui provoque un refroidissement du sol. Pour éviter ce problème on réalise généralement ce type de fondation dans un sol où l’aquifère est peu profond et les vitesses d’écoulement de l’eau suffisamment importante pour régénérer la température du sol.


Figure 24 armatures pour fondations géothermiques [www.batiproduitsmaison.com]

3.2.3.2.2 Accident lié à la géothermie de surface : À la suite d’une demande de projet de géothermie de surface pour la mairie de Staufen (Allemagne), une société a réalisé en septembre 2007 sept forages à 140 mètres de profondeur derrière la mairie. Lors de cette opération, il semblerait qu’un bouleversement des nappes d'eau souterraines ait humidifié une couche de sédiments contenant de l'anhydrite. Celle-ci se transforme depuis en gypse ce qui entraine une augmentation du volume du sol. On observe une élévation du sol d’un centimètre par mois. Des colmatages des forages ont permis de réduire ce gonflement à 8mm par mois, mais les dégâts sur les bâtiments sont de plus en plus importants. Des fissures sont apparues sur environ 300 maisons.

Figure 25 Carte de mesure du gonflement (en m) du sol à Staufen de 07/08 à 01/09 [www.infoterra.de]

Ce type d’incident reste néanmoins exceptionnel, mais il montre l’importance de mener des études d’impact approfondies même dans le cas de la géothermie de surface.


En conclusion, il me semble intéressant d’étudier la géothermie de surface dans le cas du réseau de chaleur de Hautepierre. Cependant, après m’être renseigné sur le sol du quartier de Hautepierre, il semblerait que les fondations géothermiques ne soient pas envisageables pour les nouvelles constructions du secteur. En effet, le sol de cette zone est généralement constitué d’une couche de terre végétale sous laquelle apparaît une couche de 5 à 7 m de lœss située hors nappe. Les fondations des immeubles sont donc généralement des fondations peu profondes et hors nappe, l’utilisation de fondation géothermique risquerait donc d’abaisser la température du sol sans que celui-ci soit régénéré par la nappe. Les capteurs horizontaux semblent être une solution trop encombrante à mettre en place, le projet étant un projet trop important et la place disponible sur le site de la chaufferie étant limitée. Les deux seuls modes de captage pour la géothermie de surface qu’il faudrait étudier dans le cas de ce réseau de chaleur sont donc le captage en nappe et les sondes géothermiques profondes.

3.2.3.3 Récupération de l’énergie des eaux usées :

Un nouveau procédé est développé par la Lyonnaise des eaux à travers son programme « Degrés bleus » depuis 2008. Il fonctionne grâce à un échangeur placé dans les canalisations des eaux usées et une pompe à chaleur. La technique permet de récupérer une partie des calories qui sont actuellement perdues dans les réseaux d’assainissement. En effet, la température moyenne des eaux véhiculées dans ces réseaux est généralement comprise entre 11 et 17 °C, ce qui est bien plus élevé que les températures extérieures en hiver. La température des eaux usées ne suffit cependant pas à alimenter directement un réseau de chaleur c’est pourquoi l’échangeur est relié à une pompe à chaleur qui permet de réchauffer l’eau du réseau de chauffage jusqu’à une température comprise entre 50 et 70°C.

Figure 26 Schéma du fonctionnement du système de récupération des calories des eaux usagées

[Lyonnaise des eaux, "Degrés bleus"]

Cette technique dépend de nombreux facteurs comme la température des réseaux d’assainissement, leur débit, la qualité des eaux qui circulent dedans, etc.


Figure 27 Différents types d'échangeurs pour canalisations neuves ou existantes

[Lyonnaise des eaux, "Degrés bleus"]

3.2.4 Récupération d’énergies fatales :

Les usines d’incinération des ordures ménagères (UIOM) produisent lors de leur fonctionnement une grande quantité de chaleur qui peut être récupérée pour alimenter les réseaux de chauffage urbain. On la considère comme une énergie fatale, car elle provient d’un processus dont le but premier n’est pas de produire de la chaleur. Des énergies fatales peuvent également être récupérées sur certaines grosses usines dont l’activité produit de grandes quantités de chaleur. Cette énergie est généralement peu chère, c’est pourquoi elle est beaucoup utilisée par les réseaux de chaleur. En effet comme on peut le voir sur le résultat de l’enquête de la SNCU réalisée en 2008 la récupération des énergies fatales (UIOM + Chaleur industrielle) représente 22% de la production totale des réseaux de chaleur en France. C’est la deuxième source d’énergie après le gaz naturel. Elle est généralement considérée comme une énergie renouvelable, car elle serait perdue si elle n’était pas récupérée par les réseaux de chaleur.

Figure 28 Enquête nationale de branche sur les réseaux de chaleur et de froid (2008) [SNCU]


À côté de Strasbourg, la raffinerie Shell produisait de la chaleur fatale qui était récupérée et permettait de fournir une partie des 40.000 MWh vendus sur les réseaux de chaleur de Hoenheim et Reichstett. Néanmoins après étude, il se trouve qu’aucune industrie ou UIOM ne se trouve à proximité de Hautepierre. Le quartier est principalement composé de zones commerciales et d’autres activités du secteur tertiaire ainsi que d’habitations. La récupération d’énergie fatale n’est donc pas envisageable pour le réseau de chaleur de Hautepierre.

3.2.5 Solaire avec stockage d’énergie Dans certains pays comme l’Allemagne ou le Danemark, les réseaux de chaleur urbains sont en partie alimentés par l’énergie solaire. En été, les besoins du réseau de chaleur sont limités, car il ne sert qu’à alimenter les habitations en eau chaude sanitaire. Ces besoins peuvent être couverts par une installation solaire. Lorsque la production de chaleur solaire et supérieure à la demande des usagers, la chaleur peut être stockée et réutilisée en hiver lorsque la demande est plus forte. C’est ce qu’on appelle le stockage inter saisonnier de la chaleur. Des installations de ce type ont été mise en place à grande échelle en Allemagne. L’énergie solaire est captée grâce à des panneaux solaires puis stockée. Le stockage peut s’effectuer de quatre manières différentes en fonction du lieu et de la quantité à stocker.

Technique Schéma illustration

Réservoir

Bassin Eau/gravier

Diffusif : sondes enterrées


Aquifère

Tableau 1 source [www.ines-solaire.com] Exemples de réalisations :

- Réservoir : La ville de Friedrichshafen en Allemagne a installé environ 4300m² de panneaux solaires sur les toits des bâtiments pour alimenter son réseau de chaleur urbain. L’énergie solaire emmagasinée est transmise par le biais d’un échangeur à un réservoir en béton enterré d’une capacité de 12 000 m3. La température à l’intérieur de celui-ci varie entre 40 et 90°C, ce qui permet de produire 1980 MWh/an. L’eau qui circule dans le réseau de chaleur est puisée dans le réservoir et passe ensuite par une centrale thermique qui permet de la réchauffer lorsque sa température est trop basse. Le dispositif solaire mis en place permet donc de réduire la quantité de chaleur fournie par la chaufferie puisque l’eau est déjà préchauffée.

- Bassin eau/gravier : Ce système est moins couteux que le réservoir. Il a été mis en place dans plusieurs villes, dont celle de Chemnitz, en Allemagne. Dans cette ville, un bassin d’une capacité de stockage de 8000m3 a été réalisé. Il fonctionne selon le même principe qu’un réservoir. Une enveloppe étanche et isolée a tout d’abord été construite pour le bassin. Il a ensuite été rempli d’eau et de gravier puis recouvert d’un couvercle étanche et isolé.

Figure 29 Schéma d'un bassin de stockage gravier/eau [Chemnitz University of tecnology]


L’échange de chaleur avec le bassin se fait soit de manière directe avec un système de pompage d’eau et rejet dans le bassin, soit de manière indirecte, c'est-à-dire que l’on dispose des tuyaux en serpentin au milieu du bassin comme pour la géothermie de surface. Dans le second cas, il n’y a aucun échange d’eau entre le réseau de chaleur et le bassin.

Figure 30 Enveloppe du bassin de Chemnitz 8000 m3 [Chemnitz University of technology]

Les systèmes de chauffage solaires avec stockage ne suffisent pas à couvrir entièrement les besoins d’un réseau de chaleur. Ils servent donc de base et doivent être complétés par une chaufferie qui permet de compléter l’approvisionnement du réseau en hiver. Il me semble toute fois intéressant d’étudier la possibilité d’installer un système de chauffage solaire avec stockage. En effet, le quartier de Hautepierre possède de nombreux immeubles sur lesquels on peut tout à fait installer des panneaux solaires puisque certains en sont déjà équipés.

3.2.6 Raccordement avec le réseau de Strasbourg Énergie (Quartier de l’ELSAU) :

Le réseau de Strasbourg Énergie situé en partie dans le quartier de l’Elsau possède une interconnexion avec le réseau de Strasbourg SETE situé dans le quartier de l’Esplanade. C’est dans ce quartier qu’il est prévu la création d’une centrale de cogénération au bois qui alimentera le réseau de chaleur de l’Esplanade, mais aussi celui de l’Elsau grâce à leur interconnexion. Cette centrale d’une puissance électrique de 10 MW et d’une puissance thermique de 22MW est prévue pour fonctionner toute l’année. Néanmoins, pendant l’été, le potentiel thermique de l’installation ne sera pas totalement utilisé. Un raccordement entre les réseaux de l’Elsau et de Hautepierre permettrait donc d’approvisionner en partie le réseau de Hautepierre. Cette interconnexion, d’une longueur d’environ 2km ferait profiter au réseau de Hautepierre d’une chaleur provenant d’énergies renouvelables.


4 Analyse des différentes pistes envisagées : Le travail accompli jusqu’ici a permis de déterminer les besoins du réseau de chaleur ainsi que les pistes d’évolution du réseau actuel. Afin de faire évoluer ce réseau vers un réseau plus respectueux de l’environnement j’ai distingué trois axes principaux qui vont être étudiés dans cette partie. Grâce à des exemples de réseaux de chaleur existants, je vais déterminer dans quelle mesure chaque solution peut être mise en place sur le réseau et quel pourcentage d’énergies renouvelables peut être envisagé.

Intégration d’énergies

renouvelables

Raccordement au réseau

de Strasbourg Energie

(Elsau)

Géothermie

profonde

Solaire

-

Stockage

d’énergie

Biomasse Géothermie

de surface

Récupération

des calories

des eaux

usées

Passage en Réseau basse

température <110°C

Figure 31 Schéma des trois axes d'évolution du réseau de Hautepierre


4.1 Intégration d’énergies renouvelables

Les calculs réalisés dans cette partie concerneront uniquement la partie réseau de chaleur, ils s’appuieront sur une vente de chaleur annuelle de 150 000 MWh. Cette valeur correspond aux ventes de chaleur observées en 2008 et ne tient pas compte de la vapeur vendue aux hôpitaux universitaires. En effet, la vapeur pour la buanderie des hôpitaux n’entre pas dans le réseau de chaleur. Toute modification de ce service doit être faite en concertation avec les hôpitaux universitaires. D’autre part, on estimera à 5% les pertes du réseau, cette valeur est la valeur généralement observée sur les réseaux de ce type, ce qui correspond à une production annuel pour le réseau de chaleur de 157 500 MWh.

4.1.1 Géothermie de surface :

La géothermie de surface est une technologie permettant de récupérer les calories du sol à faible profondeur (150m maximum). Cette technique est intéressante car en dessous de 4.5m la température du sol ne varie plus en fonction des saisons, elle est en moyenne de 12°C. Cette température est bien plus élevée que la température extérieure en hiver, cependant elle reste faible et ne peut donc pas être utilisée directement en chauffage ou pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS). C’est pourquoi on utilise des pompes à chaleur (PAC) qui permettent de transférer de la chaleur provenant du milieu le plus froid (sol) vers le milieu le plus chaud (chauffage, ECS). Lorsqu’on utilise de la géothermie de surface, il faut veiller à ce que les calories prélevées dans le sol n’abaissent pas la température du sol de manière trop importante. Sinon, celui-ci risque de geler et de rendre la PAC inutilisable. Il faut donc espacer suffisamment les différentes zones de captage dans le sol et s’assurer que le sol possède une bonne capacité de régénération. Une installation géothermique de surface est caractérisée par son COP (coefficient de performance), il représente le nombre de kWh produit pour 1 kWh d’électricité consommé. Il est généralement compris entre 3 et 5. Cette valeur dépend de la température de la source froide et de la température à laquelle l’eau chaude est produite. Plus la température du sol est élevée plus le COP sera élevé, à l’inverse plus on produit de l’eau chaude à une température élevée plus le COP diminue. C’est pourquoi la température de production d’une PAC se situe généralement aux alentours de 50°C. La géothermie de surface se développe dans les nouveaux réseaux de chaleur. Principalement dans les nouveaux quartiers où la demande énergétique des bâtiments est faible (construction BBC). En effet, la température de production optimale d’une pompe à chaleur étant relativement peu élevée pour un réseau de chaleur, il faut que les bâtiments soient suffisamment bien isolés pour pouvoir fonctionner avec ce régime de température. Si l’on souhaite en plus, alimenter les logements en ECS, il faut une température minimum de 55-60°C. En dessous de cette température des légionelles peuvent se développer dans l’eau et contaminer les usagers.


4.1.1.1 Exemple du réseau de chaleur géothermique de Lingolsheim :

J’ai pu me rendre avec d’autres employés de la SERS sur le chantier du nouveau quartier du Lac à Lingolsheim à côté de Strasbourg. Ce chantier qui comptera 254 logements BBC ou THPE, sera alimenté par un réseau de chaleur approvisionné à 80% grâce à la géothermie sur nappe phréatique. C’est la société EBM qui est chargée de la mise en place de ce réseau. La demande énergétique de ce futur quartier sera très faible, il est donc important dans ce cas de diminuer au maximum la température du réseau pour que les pertes ne représentent pas un trop fort pourcentage de la chaleur produite. Le système imaginé par la société EBM consiste à faire varier la température du réseau entre 35 et 57 °C (circuit aller) en fonction des périodes de la journée. Afin que les usagers puissent utiliser de l’ECS à une température supérieure à 55°C toute la journée, chaque bâtiment est équipé d’un ballon de stockage d’ECS qui est rechargé durant les périodes où le réseau est à 57°C. Le principe de fonctionnement est représenté par le schéma ci-dessous : La PAC produit de l’eau chaude en continue à 60°C. L’eau est stockée dans une cuve de 50m3 située dans la chaufferie. Cette cuve permet d’optimiser la production puisqu’elle stocke l’eau chaude pendant les périodes creuses, ce qui permet de couvrir plus facilement les besoins lors des périodes de pointe. D’autre part, le stockage en chaufferie permet d’envoyer une grande quantité de chaleur pendant les périodes de remplissage des ballons de stockage dans les immeubles (57°C).

SOUS -STATION

Stockage d’eau à 57°C dans Chaque

immeuble

PAC avec prélèvement

sur nappe

Cuve de Stockage d’eau chaude 50m3

En chaufferie 60°C en

continue Aller entre 57°C et 35°C

Retour 30°C

Figure 32 Schéma du principe de fonctionnement du réseau de chaleur de Lingolsheim


Figure 33 Gestion de la température du réseau du quartier du Lac [EBM]

La courbe de chauffe du réseau du quartier du Lac montre que le réseau fonctionne à 57°C seulement 11h dans la journée. Grâce à cette modulation de la température, les pertes du réseau ne représentent que 6% de la chaleur produite, ce qui est faible pour un réseau de chaleur alimentant un quartier aux besoins faibles (BBC ou THPE).

4.1.1.2 La géothermie de surface à Hautepierre :

Les besoins du réseau de Hautepierre sont différents de ceux de l’exemple précédent. En effet les bâtiments du quartier sont relativement anciens surtout pour Hautepierre-Nord puisqu’ils datent des années 70. Leurs besoins énergétiques sont beaucoup plus importants, il est donc impossible d’utiliser des températures aussi basses qu’à Lingolsheim. Les températures envisagées si le réseau passe en basse température seraient <110°C pour l’aller et de 65-70°C pour le retour. Ce régime de température ne semble donc pas compatible avec une pompe à chaleur dont la température idéale de production se situe aux alentours de 50°C. Cependant, des PAC permettent d’atteindre des températures de 80°C, on peut donc imaginer les utiliser pour réchauffer le circuit de retour du réseau de Hautepierre. En réchauffant le circuit de retour de 65-70°C à 80°C, on réduira l’utilisation d’énergie fossile en chaufferie. Je me suis renseigné auprès de Mr Marre de la société EBM et de Mr Imbs de ES géothermie pour avoir leur avis. Ils m’ont tous les deux indiqué que plus la température de production augmente, plus le COP de la pompe à chaleur diminue. Ce qui implique que lorsqu’on utilise des PAC pour produire de l’eau chaude à 80°C le COP n’est que de 2. C’est pourquoi ce type de PAC est principalement utilisée pour fonctionner à cette température que quelques heures dans la journée pour produire l’ECS. Le reste du temps, elle fonctionne à plus basse température avec un COP plus élevé. En France EDF et l’ADEME considèrent qu’il faut 2.58kWh d’énergie primaire pour produire 1kWh d’électricité. C’est pour cette raison que lorsque le COP d’une installation géothermique est inférieur à cette valeur et même inférieur à 3, les professionnels considèrent qu’elle n’est pas intéressante à mettre en œuvre. La production d’eau à 80°C avec un COP de 2 n’est donc pas intéressante pour le réseau de Hautepierre.De plus, pour le calcul de la part d’énergie renouvelable seule l’énergie issue du sol est prise en compte. C'est-à-dire que pour 2kWh de chaleur produite avec un COP de 2, on considère que 1kWh provient d’Energie renouvelable. Un COP faible ne permet donc pas d’atteindre une part importante d’énergie renouvelable.


En conclusion, la technologie actuelle ne permet donc pas de produire de l’eau chaude à des températures élevées (80°C) avec des rendements intéressants grâce à la géothermie de surface. Même s’il passe en réseau basse température, le réseau de chaleur de Hautepierre nécessitera des températures comprises entre 110°C (aller) et 65-70°C (retour). Il n’est donc pas intéressant de mettre en place un dispositif de géothermie de surface sur ce réseau.

4.1.1.3 Stockage d’énergie :

Le réseau de Lingolsheim est un exemple intéressant de stockage d’énergie et de gestion de la température du réseau. Lorsqu’on s’intéresse au réseau de Hautepierre, on constate qu’il est difficilement envisageable d’implanter des stockages d’eau dans les immeubles puisqu’aucune place n’est prévue dans les bâtiments existants pour un tel dispositif. Faire varier la température du réseau en se servant de stockage d’eau dans les immeubles n’est donc pas envisageable sur un réseau comme Hautepierre. De plus une variation de température a peu d’intérêt dans ce cas, car elle sert surtout à limiter les pertes lorsque la demande est faible. A Hautepierre la demande des bâtiments est importante, donc bien qu’il y ait des pertes, elles ne représentent qu’un faible pourcentage de la production de chaleur totale. Cependant, l’idée de Stockage en chaufferie mise en place à Lingoslsheim semble intéressante. En effet, elle peut permettre de réguler la demande sur une journée. La part de chaleur provenant d’énergies renouvelables peut ainsi être augmentée grâce au stockage. En produisant de la chaleur à l’aide d’énergie renouvelable en continue quelle que soit la demande et en la stockant pendant les périodes creuses, on peut utiliser cette chaleur en période de pointe. Les besoins d’appoint en gaz ou en fioul pendant ces périodes seront donc réduits. On peut également imaginer un stockage inter-saisonnier qui permettrait de stocker la chaleur en été et la déstocker en hiver, tout dépendra de la capacité du stockage. La chaufferie de Hautepierre dispose de cuves de stockage anciennement utilisées pour stocker du fioul et qui sont actuellement inutilisées. Elles auraient pu être réhabilitées pour servir de stockage d’eau chaude, mais leur démantèlement est prévu pour cet été.

Figure 34 Les 3 cuves de stockage de la Chaufferie de Hautepierre

Cependant, si des énergies comme la géothermie profonde ou des panneaux solaires sont mis en place il pourrait être intéressant de réfléchir à l’installation de stockage d’eau chaude pour optimiser au mieux le fonctionnement de ces installations.


4.1.2 Récupération des calories des eaux usées : La récupération des calories des eaux usées pour le chauffage est une technologie développée en France par la Lyonnaise des eaux à travers son programme « Degrés Bleus ». Cette technologie mise en place en France depuis 2008 a fait l’objet de nombreux brevets qui protègent principalement les échangeurs destinés à être placés dans les réseaux d’assainissement. Pour pouvoir mettre en place cette technologie, trois critères doivent être respectés :

Le débit minimal par temps sec doit être supérieur ou égal à 12l/s

La température des eaux doit être supérieure à 10°C

Les collecteurs du réseau d’assainissement doivent avoir un diamètre supérieur à 800mm Après avoir consulté les plans du réseau d’assainissement de Hautepierre et du quartier des Poteries, deux zones semblent intéressantes à étudier. Elles correspondent aux canalisations principales des réseaux d’assainissement de Hautepierre et des Poteries.

Ø 1500 mm

Canalisations principales envisagées pour la

récupération de calories

Chaufferie de Hautepierre

Ø 2400 mm


Afin de savoir s’il était possible d’installer un système de récupération des calories pour alimenter en partie le réseau de chaleur de Hautepierre, j’ai rencontré Mr Emmanuel BLANC. Il travaille en tant qu’ingénieur d’affaires à la Lyonnaise des eaux sur le projet « degrés bleus ». Durant cette rencontre, plusieurs problèmes sont apparus quant à la mise en place d’un tel système pour Hautepierre. Tout d’abord, le système utilise des pompes à chaleur dont la température idéale de fonctionnement est comprise entre 35-50°C. Cette température est insuffisante même dans le cas où le réseau de Hautepierre passerait en basse température. D’autre part, les puissances obtenues avec ce système apparaissent très faibles comparées aux puissances nécessaires à un réseau de chaleur. La puissance en sortie de pompe à chaleur est ainsi comprise entre 100kW et 1000kW selon le débit est la température des eaux usées. Mr Emmanuel BLANC a pu présenter quelques réalisations du programme « Degrés Bleus » qui m’ont permis de me rendre compte des puissances obtenues avec ce système :

Installation Piscine de Levallois Hôtel de la

Communauté urbaine de Bordeaux

Mairie de Valenciennes

Type Canalisation Ovoïde T180/100 Circulaire 2500 mm Pseudo Ovoïde 2000x2000 mm

Débit 15 L/s 140 l/s 33 l/s

Longueur de l’échangeur

80 m 200 m 84 m

Puissance fournie par l’échangeur

90 kW 640 kW 225 kW

Les puissances obtenues grâce à ce système sont donc très faibles comparées aux 152 MW installés sur la chaufferie de Hautepierre. De plus, le service d’assainissement de la ville de Strasbourg m’a communiqué les débits qui circulent dans les canalisations repérées sur le plan précédent. Pour les deux zones, le débit minimal par temps sec est inférieur aux 12L/s nécessaires pour implanter ce système. Cela s’explique par le fait que les quartiers de Hautepierre et des Poteries sont en début de réseau, ils ne font donc circuler que les eaux usées des habitants du quartier. En conclusion, suite à l’entretien avec Mr Emmanuel Blanc et en tenant compte des différents problèmes soulevés, il apparaît que le système de récupération des calories des eaux usées n’est pas adapté à un réseau de chaleur comme celui de Hautepierre. En effet, la température de fonctionnement et les puissances obtenues sont très inférieures aux besoins du réseau.


4.1.3 Solaire avec stockage d’énergie : Plusieurs réseaux de chaleur utilisent l’énergie solaire pour couvrir en partie les besoins des usagers. Le Solar district heating a publié un rapport en décembre 2010 [4] sur les différentes installations solaires qui alimentent des réseaux de chaleur en Europe. Les principales installations de ce type se situent au Danemark, en Suède, en Allemagne et en Autriche. Elles alimentent des réseaux de chaleur dont la température de fonctionnement est comprise entre 30 et 100°C. Dans le cas où le réseau de Hautepierre passerait en réseau basse température (<110°C) le solaire thermique pourrait donc être envisagé. Les collecteurs solaires peuvent être intégrés à un réseau de chaleur de deux manières. Soit ils sont disposés à même le sol et constituent une centrale de production solaire qui vient alimenter la chaufferie du réseau. Soit ils sont disposés sur les immeubles et dans ce cas alimentent la plupart du temps directement le réseau.

Figure 35 Centrale solaire (Strandby, Danemark) Figure 36 Collecteurs sur immeubles

(Lisbonne, Portugal)

[Solar district heating]

Le solaire thermique a commencé à se développer pour les réseaux de chaleur à la fin des années 90. Ainsi, depuis cette période plus d’une centaine d’installations de plus de 500m² a vu le jour. La plus importante étant celle de Marstal au Danemark qui est équipé de 18 300 m² de collecteurs solaires.

Figure 37 Installation de Marstal (18 300 m²) [http://clusters.wallonie.be/tweed]

J’ai pu trouver le compte rendu d’une journée de travail sur les barrières et les opportunités d’intégrer du solaire thermique dans les réseaux de chaleur [5]. Cette journée de travail a été réalisée par Solar district heating les 22-23 septembre 2010 à Marstal. Ce rapport permet d’obtenir des informations sur le bilan énergétique et financier de l’installation.


4.1.3.1 Exemple du réseau de chaleur de Marstal :

Consommateurs 1500

Réseau 35 km

Production de chaleur à partir du solaire 8.5 GWh/an

Production totale de Chaleur 28 GWh/an

Pourcentage de solaire dans la production totale 35 %

Le site est principalement équipé de collecteurs de type HT-A 28/10 produits par la société ARCON (Voir détails du collecteur ARCON en Annexe 1). Les installations nécessitent peu d’entretien et les coûts d’exploitation sont relativement faibles. En effet la société utilise des moutons pour entretenir les espaces enherbés entre les collecteurs. La maintenance des installations nécessite seulement une inspection des pompes, un nettoyage des filtres et une inspection des panneaux. Au final le coût du MWh produit est de 0.25 €/MWh hors investissement. Le solaire thermique est donc un système extrêmement peu couteux en coût de fonctionnement, c’est même surement le système le moins cher. Comme la plupart des réseaux de chaleur alimentés en énergie solaire, le réseau de Marstal est équipé de puits de stockage. Ils sont nécessaires si l’on souhaite obtenir un bon rendement de l’installation. En effet, l’installation se met à produire de la chaleur pendant la journée et principalement en début d’après-midi. Hors les pics de consommation des usagers ne correspondent pas aux pics de production. Il est donc nécessaire de stocker la chaleur pour pouvoir l’utiliser pendant les pics de consommation (le matin et le soir). Capacité de Stockage à Marstal :

Type de Stockage Capacité

Cuve de Stockage 2 100 m3

Canalisations de Stockage en surface 3 500 m3

Fosse de stockage 10 000 m3

Total 15 600 m3

Figure 38 Fosse de stockage d'eau (10 000 m3) Figure 39 Fosse de stockage d’eau recouverte

[http://clusters.wallonie.be/tweed]

L’emprise au sol de la fosse de stockage est relativement limitée par rapport à l’emprise de celle des collecteurs solaires (voir photo ci-dessous).


Figure 40 Emprise au sol de la fosse de stockage [http://clusters.wallonie.be/tweed]

Production de chaleur :

Figure 41 Répartition des énergies utilisées sur les différents mois [http://clusters.wallonie.be/tweed]

Le graphique précédent montre la répartition des énergies utilisées dans la production de chaleur. L’énergie solaire couvre la majorité des besoins 6 mois dans l’année (avril-septembre), elle couvre même la totalité en juin et juillet.

4.1.3.2 Intégration de capteur solaire au réseau de Hautepierre :

En abaissant la température du réseau de chaleur de Hautepierre pour qu’il devienne un réseau basse température, il serait donc possible d’utiliser des collecteurs solaires pour l’alimenter partiellement. La société ARCON qui équipe plus de la moitié des installations solaires à grande échelle en Europe n’est pas directement présente en France. Cependant, l’entreprise SONNENKRAFT qui a son siège social à Haguenau fait partie de la même multinationale que ARCON et commercialise ses produits en France. J’ai donc contacté cette entreprise et j’ai pu rencontrer Michel Sirguey, directeur des ventes chez SONNENKRAFT et Didier Fritz, responsable régional des ventes. Ils ont pu m’apporter quelques précisions sur les installations solaires et m’ont confirmé qu’une installation solaire à grande échelle pouvait alimenter en partie le réseau de Hautepierre. Les panneaux solaires pourraient alors être installés soit au sol soit sur le toit des bâtiments.

Fosse de Stockage

Energie solaire

Energies fossiles


Installation au sol : Le site de la chaufferie actuelle a une superficie de 11 382m². Le solaire ne pourra bien entendu pas couvrir entièrement les besoins du réseau de Hautepierre, il sera donc nécessaire de conserver une chaufferie. L’implantation d’une centrale solaire ne semble donc pas envisageable sur le site de la chaufferie. D’autre part les terrains aux alentours sont presque tous urbanisés, il est donc difficile d’envisager de mettre en place une centrale solaire au sol sans l’éloigner du réseau et de la chaufferie. Cependant, les talus situés le long de l’autoroute A351 peuvent être un bon support pour la pose de panneaux solaires. En effet, les talus longeant le quartier de Hautepierre Nord ont une orientation presque plein Sud. Mr SIRGUEY, m’a signalé que pour un terrain plat le rapport entre la surface du terrain et la surface de panneau solaire était généralement de 2. C'est-à-dire qu’il faut 2m² de terrain pour 1 m² de panneau solaire, ceci afin de respecter un espacement entre les panneaux solaires et éviter qu’ils ne se fassent de l’ombre entre eux. Les talus de l’autoroute étant déjà en pente, on peut placer davantage de panneaux solaires.

Figure 43 Terrains repérés le long de l'autoroute A351

Les talus repérés sur le plan ci-dessus représentent une surface d’environ 9500 m² et le terrain appartenant à la SERS situé entre les deux bretelles d’autoroute a une surface d’environ 8300 m². Le terrain de la SERS n’étant pas suffisamment en pente, la surface de panneaux solaires qui pourrait être placée dessus serait d’environ la moitié de sa surface, soit environ 4150 m². Bien qu’il soit en pente, les talus ne pourront pas être recouverts entièrement de panneaux solaires à cause des différents raccordements entre les panneaux et l’ombre apporté par les ouvrages d’art. On peut donc imaginer en couvrant les talus et le terrain de la SERS placer 10 000 m² de panneaux solaires.

Figure 42 Talus situés le long du quartier de Hautepierre Nord

Talus exposés Sud

Terrain appartenant à la

SERS et non utilisé


Implantation sur les bâtiments : Une seconde solution consisterait à implanter les panneaux solaires sur les bâtiments existants, qui la plupart du temps ont une toiture plate. Le centre commercial d’Auchan Hautepierre pourrait ainsi être un bon support. Celui-ci est déjà raccordé au réseau de chaleur. Cependant, il est distant de la chaufferie d’environ 700m, il serait donc plus intéressant dans ce cas d’alimenter directement le réseau. L’implantation de collecteurs nécessiterait bien entendu un accord et la signature d’un contrat avec le centre commercial de Hautepierre, ce qui n’est pas forcément évident à obtenir.

Figure 44 Implantation de collecteurs solaires sur le centre commercial Auchan Hautepierre

Comme on peut le voir sur la photo ci-dessus, en couvrant la majeure partie du centre commercial, on pourrait utiliser 16 800m², cela permettrait de disposer environ 8400 m² de panneaux solaires. Si on couvre d’autres bâtiments, comme l’Hôpital de Hautepierre, certains immeubles de bureaux ou des équipements publics, on peut arriver au maximum à placer 25 000 m² de panneaux solaires. La mise en place de panneaux solaires sur les toitures n’est néanmoins pas assurée, car elle nécessite de pouvoir disposer des toitures pendant une période de 20 ans minimum. La société SONNENKRAFT a fait réaliser une étude préliminaire pour le réseau de Hautepierre par le bureau GALEOS (Voir Annexe 2). J’ai ainsi pu avoir une idée plus précise des quantités de chaleur et des coûts d’une installation solaire pour Hautepierre, même si les chiffres annoncés ne sont qu’une première estimation. Cette étude a été faite dans le cas où les panneaux solaires seraient placés sur le toit des immeubles de Hautepierre. En plaçant 25 000m² sur les immeubles, on obtiendrait une production de 9,9 GWh par an soit 6,6% des besoins. Le coût d’investissement comprenant toutes les installations (panneaux solaires, stockage, raccordement au réseau etc.) serait d’environ 17,5 M€ HT. Ce qui sur 20ans correspondrait à un prix de MWh solaire d’environ 89 €HT/MWh. En 2010, le prix du MWh vendu à Hautepierre était de 58,81 €HT/MWh. Le prix du MWh solaire parait donc élevé. Cependant, le prix de l’énergie solaire est fixe dans le temps puisqu’il ne dépend pas du cours des énergies primaires comme les énergies fossiles ou le bois. Ainsi à Hautepierre, Le prix de vente de la chaleur est passé de 32,06 €HT/MWh en 2002 à 58,81 €HT/MWh. Avec l’entrée en vigueur du PNAQ 3 et le prix des énergies fossiles qui continuent d’augmenter le coût du MWh

16 800 m²

(140m x 120m)

Nord


solaire ne semble pas si démesuré. D’autant plus que ce prix ne tient pas compte d’une éventuelle subvention de l’ADEME ou des collectivités publics Pour diminuer le coût du MWh solaire, on peut placer l’installation au sol ce qui réduira le coût d’investissement. Le bureau d’études GALEOS m’a annoncé un prix total (panneau solaire, stockage, raccordement etc.)pour une installation solaire au sol compris entre 550 et 600 €/m² de panneaux solaires au lieu de 700 à 800 €/m² pour une installation sur toiture. Pour une installation de 10 000m² sur les talus de l’autoroute et sur le terrain de la SERS on obtiendrait ainsi 4 GWh par an soit environ 2,7% des besoins pour un coût d’environ 6 M€ HT, soit un prix d’environ 75€HT/MWh. Le rapport de Solar district heating [4] fournit le bilan financier de plusieurs installations solaires de grande taille récapitulé ci-dessous :

Installation (Pays)

Type d’installation

Strandby (DK) sol

Braedstrup (DK) sol

Berliner Ring (AT) toiture

Andritz (AT) sol

Neckarsulm (DE)

toiture

Crailsheim (DE)

toiture

m² de panneaux solaires 8019 8000 2400 3855 5670 7300

Coût total (panneaux, raccordement au réseau, stockage etc.) par m² de panneaux solaire (€/m²)

289 205 521 415 617 959

production (kWh/m²/an) 436 425 417 420 265 281

Prix du MWh solaire (investissement compris mais hors subvention) (€/MWh)

42 31 80 63 149 219

Taux de subvention (%) 21% 20% 40% 30% 50% 49%

Prix du MWh solaire avec subvention (€/MWh)

34 25 48 44 75 112

Pour les installations placées en toiture, le coût au m² de panneaux solaire est compris entre 521€ et 959€. Les prix annoncés par le bureau GALEOS sont donc dans la moyenne des prix observés. Concernant les installations au sol, on observe des prix compris entre 205€ et 415€ ce qui est bien inférieur aux prix de 550 à 600€/m² annoncés par le bureau d’études. Les prix de vente présentés montrent que pour une installation au sol le prix du MWh est compris entre 31€ et 63€ sans subvention. Ce type d’installation peut donc être intéressante même sans subvention. Pour les installations placées sur toiture, on observe des prix compris entre 80€ et 219€ ce qui nécessite des subventions pour être financièrement intéressant à l’heure actuelle. En conclusion, pour une installation solaire, deux possibilités sont envisageables pour le réseau de Hautepierre. Soit on place jusqu’à 25 000 m² de panneau solaire sur les différentes toitures du quartier en couvrant ainsi jusqu’à 6,6% des besoins du réseau, pour un prix MWh d’environ 89€HT/MWh sans subvention. Soit on place les panneaux solaires au sol sur environ 10 000 m², le long de l’autoroute A351, dans ce cas 2,7% des besoins du réseau sont couverts avec un prix d’environ 75€HT/MWh. Même si sans subvention de coût de l’énergie solaire est supérieur aux prix actuellement pratiqués à Hautepierre, le solaire offre une stabilité des prix dans le temps. Pour terminer, dans deux cas on remarque que le pourcentage d’EnR qui pourrait être apporté est faible, il faudra donc ajouter une autre énergie renouvelable en complément.


4.1.4 Biomasse : La biomasse est une bonne alternative aux énergies fossiles. Elle est de plus en plus utilisée dans les réseaux de chaleur car elle permet de couvrir facilement une grande partie de leurs besoins. De plus contrairement à la géothermie profonde, la biomasse peut s’implanter presque partout. C’est pourquoi, elle s’est beaucoup développée dans les réseaux de chaleur depuis la fin des années 90.

Figure 45 Evolution du nombre de chaufferies bois en service sur des réseaux de chaleur [CIBE]

En 2009 le CIBE (Comité Interprofessionnel du Bois-Energie) recensait 149 chaufferies bois alimentant des réseaux de chaleur (une quarantaine d’installations n’ont pu être placées sur le graphique ci-dessus car le CIBE ne disposait pas de la date exacte de leur mise en service). Le nombre de chaufferies bois installés sur des réseaux de chaleur a donc été multiplié par 10 entre 1997 et 2009 en passant de 15 installations à 149. Ceci s’explique par l’augmentation des prix des énergies fossiles ainsi que par les subventions financières accordées pour développer ces projets. Le développement de la biomasse a ainsi fait augmenter très fortement la demande en bois. Si l’on souhaite implanter une unité de production biomasse pour le réseau de Hautepierre, il est plus que nécessaire de s’interroger sur les ressources disponibles dans la région.

4.1.4.1 Les ressources :

Tout comme dans le reste de la France, la biomasse s’est beaucoup développée en Alsace. De nombreux acteurs du secteur s’interrogent sur l’état des ressources dans la région. En effet, des projets de plus en plus gros ont vu le jour ou sont en cours d’élaboration. On peut ainsi citer deux gros projets qui vont voir le jour dans les années à venir : la centrale biomasse de l’esplanade (22MW thermiques et 10MW électriques) consommera 110 000 t de bois par an et le projet de l’entreprise Roquette (43MW thermiques) environ 150 000 t/an. D’autre part une autre incertitude pèse sur les ressources en bois. L’entreprise Stracel réfléchi à l’implantation à Strasbourg d’une usine de fabrication de biodiesel à partir de déchets de bois. Ce projet gigantesque pourrait produire jusqu’à 110 000 tonnes de biodiesel et consommer 1 million de tonnes de bois par an. La demande sera si forte que l’entreprise prévoit de s’approvisionner dans un


rayon de 350 km autour de Strasbourg. Un projet comme celui-ci, s’il voit le jour risque de rendre l’approvisionnement en bois très difficile et surtout de faire monter son prix. Il est donc important si l’on envisage la création d’une chaufferie biomasse de s’interroger sur les ressources et sur les filières qui pourraient approvisionner la future chaufferie.

4.1.4.1.1 La filière bois en Alsace : J’ai contacté la Fédération Interprofessionnelle Forêt-Bois Alsace (Fibois Alsace) qui m’a transmis une enquête réalisée en 2006 [6] sur les ressources en bois dans le grand Est et sur les disponibilités supplémentaires qui pourraient être mobilisées (voir synthèse en annexe 3).

Figure 46Volume total de bois récolté en 2005 par région [Fibois Alsace]

Figure 47 Disponibilités supplémentaires qui pourraient être mobilisées [Fibois Alsace]

L’étude menée en 2006 montre que contrairement à d’autres régions comme la Bourgogne les quantités de bois supplémentaires qui pourraient être mobilisées en Alsace sont faibles. Elle représente 124 000 tonnes de bois par an ce qui représente une augmentation de la production actuelle d’un peu moins de 10%. Les projets biomasse de l’esplanade et de l’entreprise Roquette prévoient une consommation de 260 000 t par an à eux seul. Sachant que cette étude date de 2006 et que d’autres projets biomasse ont vu le jour entre temps, la filière bois en Alsace va donc d’ici peu, être incapable de faire face aux besoins du secteur. La seule solution pour ces projets sera donc de s’approvisionner dans les régions voisines. En général les chaufferies biomasses prévoient un approvisionnement dans les 100Kms aux alentours, les seules régions pouvant fournir du bois à l’Alsace sont donc la Lorraine et l’Allemagne. La Lorraine possédait un potentiel supplémentaire estimé à 392 000 tonnes de bois en 2006. Depuis des projets comme celui de Vandoeuvre (2008) ont été mis en place. Comparé à la demande des projets réalisés ou en cours, les réserves de bois disponibles en Lorraine ne semblent donc pas très importantes. La dernière région pouvant être sollicité est l’Allemagne, mais je ne dispose d’aucune donnée sur l’état de sa filière bois.


Il semble donc être difficile d’implanter une chaufferie biomasse pour le réseau de Hautepierre en imaginant s’approvisionner uniquement avec la filière bois. La demande qui a fortement augmenté dans la région ces dernières années risque de dépasser les capacités de productions. De plus, il se peut que cette demande continue à augmenter surtout si le prix des énergies fossiles augmente. Le projet Stracel qui prévoit de consommer 1 million de tonnes de bois, s’il est réalisé risque d’augmenter fortement la demande sur un marché déjà presque saturé. Rien ne garantit donc la stabilité des prix du bois dans les années à venir. Si on souhaite implanter une unité de production biomasse à Hautepierre, il est donc important de s’assurer d’un bon approvisionnement en bois ou de chercher d’autres modes d’approvisionnement que la filière bois.

4.1.4.1.2 Les produits issus de l’agriculture : Lors d’un entretien avec Mr GINTZ, conseiller spécialisé Energies renouvelables à la chambre d’agriculture du Bas-Rhin, j’ai pu obtenir des informations sur les ressources agricoles qui pourraient être utilisées dans la région pour la biomasse. On peut ainsi citer :

Produits agricole utilisable par la Biomasse

Ressources utilisables en Alsace

Céréales Le prix des céréales ayant beaucoup augmenté depuis le début des années 2000, elles ne sont plus utilisées par la biomasse car elles coûtent trop cher.

Paille de céréales L’alsace manque déjà de paille de céréales utilisée généralement pour la litière des animaux d’élevage. En effet, l’Alsace produit beaucoup plus de maïs que de céréales.

Paille de colza Le colza est peu répandu en Alsace. Même si elle est non valorisée dans la région, la paille de colza n’est disponible qu’en très faible quantité

Paille de Maïs La paille de Maïs est présente en assez grande quantité en alsace et généralement non utilisée. Cependant aucune filière de récupération n’existe.

Sarment de vigne (taille des vignes)

Les vignes sont très répandues en alsace et les sarments de vignes sont utilisables pour la biomasse. Ils représentent environ 2 t/ha/an ce qui en fait une ressource trop faible pour un gros projet de biomasse.

Bois de taille chez les arboriculteurs

Il est utilisable pour la biomasse mais les quantités disponibles sont faibles.

Cultures énergétiques (taillis à courte rotation,

saules etc.)

Cette culture sert uniquement pour la biomasse mais elle a du mal à se mettre en place en Alsace car les agricultures l’assimilent plutôt à de la foresterie.

Miscanthus C’est une plante cultivée exclusivement pour la biomasse qui a l’avantage de produire beaucoup jusqu’à 25t/ha/an. Elle commence à être implantée en Alsace.

Au final il s’avère que les deux seules ressource agricole pouvant être utilisées en Alsace sont la paille de maïs et le miscanthus.


Paille de maïs : La culture du maïs est très rependue en Alsace et la paille de maïs reste bien souvent inutilisée. Elle a un bon pouvoir calorifique, mais produit beaucoup de cendres (entre 10 et 12% alors que le bois n’en produits que 1%). Un inconvénient de la paille de maïs est qu’elle ne peut pas être récupérée tous les ans, car elle doit être laissée sur place pour permettre au sol de se régénérer. Ainsi on estime qu’en Alsace on pourrait la récupérer seulement 1 année sur 4. Sachant qu’un hectare de maïs produit chaque année environ 5t de paille, si l’on souhaite utilisée cette ressource en grande quantité il faudra mettre en place une filière de récupération très importante. Mr GINTZ de la chambre d’agriculture estime qu’on pourrait arriver à récupérer environ 500t par an, ce qui reste faible pour un gros projet.

Miscanthus : Le miscanthus semble être la meilleure ressource agricole utilisable pour la biomasse. C’est une plante cultivée exclusivement pour la biomasse. Elle possède de nombreux avantages, c’est une culture pérenne qui offre une productivité importante entre 15 et 25 t/ha/an pendant 20ans. La production est récoltée sèche à la fin de l’hiver et peut être utilisée directement par la biomasse. Son pouvoir calorifique est très important, il est en moyenne de 4700 kWh/t alors que celui du bois utilisé par la biomasse est en moyenne de 2800 kWh/t. Ce qui signifie qu’en termes de production de chaleur 1 tonne de miscanthus équivaut à presque 1.7 tonnes de bois.

Figure 48 Plantation de miscanthus Figure 49 Récolte du miscanthus à la fin de l’Hiver

[www.miscanthus.pro] [www.blog.environnemental.info]

Le miscanthus peut pousser jusqu’à plus de 2.5m en moins de 6mois, c’est donc une très bonne ressource pour la biomasse. Cependant, il possède quelques contraintes, tout d’abord il nécessite un coût d’investissement d’environ 3000 euros par hectare lors de sa mise en œuvre. Il faut par la suite attendre la 3ème année avant d’obtenir une production pleine. D’autre part, la récolte s’effectue à la fin de l’hiver, il est donc nécessaire de pourvoir trouver un lieu de stockage important si on veut l’utiliser en grande quantité pendant l’hiver. Les espaces de stockage sont d’autant plus grands que le miscanthus à une densité faible environ 120kg/m3 contre 300 kg/m3 pour le bois.

Aucune filière organisée n’existe à l’heure actuelle en Alsace. Certains agriculteurs étant pour le moment retissant à cause du coût d’investissement et du fait que la plante est une culture pérenne qui les engage sur une vingtaine d’années. Ne pouvant pas prévoir l’évolution des prix des autres cultures sur 20ans, il est difficile pour eux de se lancer sans un réel engagement d’achat à long terme de la part d’une chaufferie biomasse.


Cependant, Mr GINTZ pense que la mise en place de 100 à 150 hectares de cultures semble possible si une filière arrive à se créer. Il annonce une production de 17t/ha/an pour les essais qui ont été menés en Alsace. On peut donc estimer ce que représenteraient 150 hectares de miscanthus en termes de production de chaleur :

- production annuelle : 17t/ha/an x 150 ha = 2550 t/an (soit l’équivalent de 4335 tonnes de bois)

- PCI : 4700 kWh/t - Rendement chaudière : 80% - Perte réseau : 5%

On obtiendrait donc une chaleur vendue aux usagers de :

2550*4700*0.8*0.95= 9.1 GWh/an

Les 9.1 GWh/an produit grâce à 150 hectares de miscanthus représenteraient environ 6 % des besoins annuels (hors vapeur buanderie). Cela pourrait représenter une chaudière de 2,5 MW fonctionnant 3640h (environ 5mois). L’utilisation de miscanthus peut donc s’avérer être un bon moyen de diversifier les énergies utilisées sur le site de Hautepierre. Il faut néanmoins connaitre le prix de vente de la tonne de miscanthus pour pouvoir se prononcer sur l’intérêt économique. Comme aucune filière n’est en place en Alsace il est difficile à l’heure actuelle d’estimer ce coût. Cependant, en créant une filière d’approvisionnement et en garantissant un achat pour les agriculteurs de 20ans (durée de vie de la plantation), on peut leur assurer une sécurité. Cette sécurité sera également valable pour le réseau de Hautepierre qui s’assurera une quantité de miscanthus à un prix fixé.

4.1.4.1.3 Autres ressources : D’autres ressources ont été envisagées comme la récupération des bois issus de la taille des arbres de la communauté urbaine de Strasbourg. Mais le service des espaces verts de la CUS m’a informé que ceux-ci étaient broyés et répandu dans les massifs de fleurs pour les protéger des mauvaises herbes. Ils ne peuvent donc pas être utilisés pour de la biomasse. La société d’équipement de la région Montpelliéraine à mise en place une filière qui récupère les déchets bois des chantiers de construction (palettes, anciens coffrages etc.) afin de les valoriser. La mise en place d’une filière de ce type sur la région de Strasbourg pourrait être un bon moyen de couvrir une partie des besoins en bois d’une installation biomasse. J’ai contacté la SERM à Montpellier mais je n’ai pour le moment obtenu aucune réponse de leur part. Il m’est donc impossible d’estimer la quantité de bois récupérée chaque année. On peut également utiliser des bois dont le taux d’humidité est plus élevé que le bois traditionnellement utilisé par la biomasse, a condition d’utiliser des chaudières spéciales. Je pense qu’il est donc intéressant d’essayer de trouver d’autres sources d’approvisionnements pour la biomasse que la filière bois « classique ». Cela permettra à la chaufferie de Hautepierre d’être moins dépendante d’éventuelles tensions sur le marché du bois en Alsace.


4.1.4.2 Dimensionnement d’une chaufferie bois :

Les gros réseaux de chaleur ne sont quasiment jamais alimentés à 100% à partir du bois. En effet, lorsqu’on regarde la courbe des appels de puissance, on constante que le nombre de jours où la demande est maximale est très faible.

Figure 50 courbe des appels de puissance d'un réseau de chaleur [cibe]

Les chaudières biomasses étant entre 5 et 10 fois plus chères que les chaudières gaz, en voulant approvisionner le réseau à 100% on devrait investir beaucoup pour des installations qui ne serviraient à pleine puissance que quelques jours dans l’année. D’autres parts, le rendement des chaudières bois baisse si la puissance appelée est trop faible. En règle générale, une chaudière biomasse d’une puissance égale à 50% de la puissance maximale appelée, peut couvrir de 80 à 90% des besoins du réseau.

Figure 51 Chaudière bois couvrant 80 à 90% des besoins [www.boisenergie.com]


En utilisant une chaudière d’une puissance nominale comprise entre 20 et 25% de la puissance maximale appelée du réseau, on arrive à couvrir 50% des besoins annuels du réseau. Le rendement de la chaudière biomasse est alors meilleur car elle fonctionne à pleine puissance sur une durée beaucoup plus longue que dans le cas précédent.

Figure 52 Taux de puissance bois en fonction de la puissance de la chaufferie bois [cibe]

Le graphique précédent, présent dans le rapport du CIBE [7], montre que plus les chaudières biomasses sont grosses, plus leur puissance nominale se rapproche des 20% de la puissance maximale appelée. En dimensionnant de cette manière leur installation biomasse, les gros réseaux de chaleur peuvent obtenir un rendement optimal car les chaudières fonctionnent à pleine puissance plus longtemps. Ils limitent également l’investissement important que nécessite la mise en place d’une plus grosse chaudière biomasse puisque les chaudières biomasse et leurs équipements sont bien plus chères que les chaudières gaz. Pour exemple, à Vandœuvre-lès-Nancy, l’installation de la chaudière bois de 8MW ainsi que tous les équipements nécessaires à son alimentation et au traitement des fumées ont couté en 2008, 1 696 380 €/HT. Alors que les 4 autres chaudières gaz du site installées la même année ont coûté au total 1 220 120 €/HT pour une puissance de 80 MW.

4.1.4.3 Méthode RETScreen International :

Le ministère des ressources naturelles du Canada a développé une méthode d'analyse de projets d'énergies propres, baptisée RETScreen [8]. Cette méthode a été développée en coopération avec la NASA, le programme des nations unies pour l’environnement (PNUE) et le GEF. La méthode développée par RETScreen permet entre autres d’obtenir la courbe des puissances classées d’un réseau de chaleur en se basant sur les degrés-jours unifiés (DJU) de la ville dans laquelle on se trouve. On considère que plus il fait froid et donc que plus le nombre de DJU est important, plus la demande en chauffage va être importante. La demande en eau chaude sanitaire (ECS) ne varie que très peu en fonction des saisons, elle ne dépend donc pas des DJU. Il faut donc connaitre le pourcentage de chaleur correspondant à l’ECS. La méthode RETScreen prend en compte ces deux paramètres. Elle est applicable partout dans le monde et a été validé pour des réseaux de chauffage urbain de moins de 100 bâtiments.


4.1.4.3.1 Application au réseau de Vandoeuvre : Afin de vérifier si on peut appliquer la méthode RETScreen à Hautepierre, j’ai décidé de l’appliquer dans un premier temps au réseau de Vandœuvre-lès-Nancy. Ce réseau est de la même taille que celui de Hautepierre et a été équipé d’une chaudière biomasse de 8MW en 2008. J’ai obtenu grâce à Mr Bruno GAROTTE (Dalkia) les informations suffisantes sur ce réseau qui m’ont permis de comparer les résultats de la méthode RETScreen à la réalité. Je n’ai pas eu besoin d’appliquer la méthode en entier car dans les cas de Hautepierre et de Vandœuvre-lès-Nancy la consommation annuelle du réseau est déjà connue. J’ai donc dû utiliser seulement la première partie de la méthode permettant de déterminer la courbe des puissances classées (la partie de la méthode utilisée est fournie en Annexe 4). Paramètre : - ECS = 23% de la chaleur totale

- DJU :

Ville Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Sept Oct. Nov. Déc.

Nancy 518 436 384 284 100 72 106 246 393 493 [source : http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/formtbl.htm]

On obtient la courbe des puissances classées pour le réseau de chaleur de Nancy (voir détails des calculs en annexe 5).

Cette courbe indique le nombre d’heures cumulées au cours d’une année pendant laquelle le système doit fournir une puissance thermique supérieure ou égale à celle indiquée.

Courbe des puissances classées - Vandoeuvre

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Nombre d'heures (h)

Po

urc

en

tag

e d

e la

pu

iss

an

ce

de

po

inte

(%

)


La méthode permet ensuite de connaitre le nombre d’heures équivalentes à plein régime (E hpr). C'est-à-dire le nombre d’heures que fonctionnerait à plein régime un système ayant une puissance nominale égale à la puissance de pointe.

E hpr = 2217 h pour le réseau de Vandœuvre-lès-Nancy La production annuelle de ce réseau étant connue on peut déterminer la puissance de pointe :

P pointe= 154 738 MWh/2217 h = 70 MW

Le réseau de Vandoeuvre est équipé d’une chaudière biomasse de 8 MW fonctionnant en hiver (période où la demande est la plus forte) et doit couvrir un minimum de 24% des besoins. 60% des besoins sont couverts par l’UIOM (18MW) qui fonctionne toute l’année, ce qui correspond à un total de 84% d’EnR dans la production de chaleur. Le reste étant couvert par les chaudières gaz qui fonctionnent en hiver. En plaçant ces installations sur la courbe obtenue avec la méthode RETScreen, on obtient les résultats suivants :

En plaçant une biomasse à 8MW couvrant 24% des besoins, on montre que la biomasse doit fonctionner à pleine puissance 4642h soit environ 6mois dans l’année (généralement du 15 octobre au 15 avril). On trouve que l’UIOM (18 MW) peut couvrir 62.5% des besoins soit en tout 86.5% d’EnR. Dans la réalité le réseau est approvisionné à 84% d’EnR, les résultats obtenus sont donc proches. Pour obtenir une première idée du pourcentage d’EnR pouvant être atteint cette méthode est donc bonne.

70MW

18 MW

8 MW

Biomasse 24%

UIOM 62.5 %

Total EnR 86.5 %


4.1.4.3.2 Application au réseau de Hautepierre : En appliquant cette méthode à Hautepierre on obtient : (Voir détails des calculs en Annexe 6) Paramètres : - ECS = 23% de la chaleur totale

- DJU :

Ville Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Sept Oct. Nov. Déc.

Strasbourg 524 428 375 256 149 54 87 240 390 509 [source : http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/formtbl.htm]

On trouve : E hpr = 2213 h Les pertes du réseau de Hautepierre étant estimées à 5%, on trouve une chaleur totale produite hors buanderie de 157 500 MWh/an. Ce qui donne : P pointe= 157 500 MWh/2213 h = 71 MW

Dalkia m’a annoncé une puissance de pointe de 70MW pour Hautepierre, ce qui correspond à la puissance de pointe trouvée avec la méthode RETScreen. Ceci confirme donc la bonne approximation faite avec cette méthode. J’ai ensuite pu déterminer ce que représenterait un projet biomasse de 20MW et un de 22MW fonctionnant 6 mois dans l’année (du 15 octobre au 15 avril, soit 4368 h). 20MW :

Avec une chaudière biomasse de 20MW fonctionnant 6mois dans l’année on peut produire 84 940 MWh soit 54% des besoins du réseau (hors buanderie). On peut voir sur le graphique ci-dessus que la chaudière fonctionnerait à plein régime la plupart du temps ce qui lui garantirait donc un bon rendement.

Biomasse 20 MW 54 %

GAZ 46 %

70 MW

20 MW


En prenant un rendement de 80% pour la chaudière bois et un PCI moyen du bois de 2800 kWh/tonne, on peut estimer la consommation annuelle en bois de cette chaudière.

84 940 /2.8/0.8 = 37 920 tonnes Une chaufferie de 20MW consommerait donc environ 38 000 tonnes de bois par an. En procédent de la même manière avec une chaudière de 22MW on trouve :

- 90 608 MWh/an produits soit 58% des besoins (hors buanderie) - Environ 40 500 tonnes de bois consommés par an

Concernant le coût d’investissement, j’ai contacté Mr Garotte de l’entreprise Dalkia pour avoir une idée du prix d’une installation biomasse de 20MW. Son entreprise a étudié récemment la faisabilité d’une installation de cette taille pour une autre ville du Grand Est. Sans prendre en compte le démantèlement des installations existantes et la dépollution éventuelle des sols, pour une installation 100% biomasse équipée de deux chaudières de 10 MW chacune, le montant total des travaux, génie civil compris, était de 14 M€, hors subventions. Il est difficile d’avoir une idée des subventions qui pourront être accordées, tout dépendra de la date de mise en œuvre du projet, car le Fond Chaleur a été mis en place pour 2009-2011, il sera surement reconduit pour 2012-2013 mais rien ne garantit qu’il sera conservé après 2013. Cependant, dans le cadre du Fond Chaleur actuel Mr Garotte pense qu’une subvention de 3M€ (soit 21,5%) peut être envisagée sur les 14M€ nécessaires. Le prix du MWh bois en sous-station généralement constaté est d’environ 25€ HT/MWh. Cette valeur correspond à la partie R1 et donc reflète le coût de production. Pour avoir un prix de vente aux abonnés, il faut rajouter la partie R2 qui dépendra du coût des investissements et des coûts d’entretien. Selon Mr Garotte, au final on obtient un MWh bois aux alentours de 55€ HT/MWh avec les aides de l’ADEME. Selon Jonathan MULLER (ADEME), ces aides pour un projet biomasse, sont généralement comprises entre 20 et 40 % du montant de l’investissement. En tenant compte du fait qu’une partie de la chaleur sera produite par du gaz, le prix moyen de la chaleur pour un réseau Biomasse/gaz est de 60€ HT/MWh. En conclusion, on constate que la biomasse est un bon moyen d’intégrer une grande part d’énergies renouvelables dans le réseau de Hautepierre. Cependant, il faut s’assurer que l’approvisionnement en bois est garanti. Pour cela il serait intéressant de développer d’autres modes d’approvisionnement que la filière bois. Le miscanthus et la récupération des déchets bois de chantiers peuvent être des pistes à explorer parmi d’autres. On réduirait ainsi les risques d’augmentation des prix de la filière bois. L’analyse menée grâce à la méthode RETScreen a permis d’avoir une première idée de la puissance de chaudière qu’il faudrait utiliser pour couvrir au moins 50 % des besoins. Ainsi avec 20MW fonctionnant 6 mois dans l’année on peut atteindre 54% d’EnR et avec 22MW, 58%. Ces calculs ont été effectués dans l’hypothèse où une seule chaudière biomasse est mise en place pour un fonctionnement d’hiver. On pourrait imaginer installer en plus, une petite chaudière biomasse au miscanthus fonctionnant en été, juste après la période de récolte, de cette manière on éviterait de stocker le miscanthus durant une trop longue période. La part d’énergie renouvelable serait ainsi augmentée. D’autre part, une installation solaire ou un raccordement avec le réseau de l’Elsau fonctionnant en été pourrait tout à fait être mis en place en plus d’une chaudière Biomasse couvrant les besoins d’hiver.


4.1.5 Géothermie profonde : En France métropolitaine, on trouve des réseaux de chaleur alimentés par géothermie profonde principalement dans le bassin parisien et le bassin aquitain. Les températures du sous-sol dans ces régions sont moins élevées qu’en Alsace, mais la nature du sol fait que les débits qui peuvent être extraits sont très importants. En géothermie profonde la température ne suffit pas, pour qu’un puits puisse être utilisé pour un réseau de chaleur, il faut que le débit soit suffisamment important. C’est pourquoi les puits de géothermies sont réalisés soit dans des sols très perméables ou au niveau de failles qui permettent à l’eau de remonter plus facilement à la surface. Une installation de géothermie profonde est prévue pour durée minimum 20ans, mais on constate qu’en région parisienne certains forages qui ont 30ans fonctionnent toujours. Les parties les plus fragiles sont les pompes et les échangeurs qui doivent être changés tous les 5 à 10ans. L’eau souvent très salée les détériore rapidement. Les pompes peuvent également être sensibles aux arrêts et aux redémarrages. En effet, ces équipements sont faits pour fonctionner en régime continu toute l’année et ne sont stoppés qu’une fois par an ou tous les deux ans pour leur entretien. C’est pourquoi, une installation géothermique doit être dimensionnée pour couvrir un maximum de besoins, sans devoir être arrêtée en été lorsque la demande est plus faible. En règle générale on essaye de couvrir 60 à 70% des besoins du réseau.

4.1.5.1 Exemple du plus grand réseau de chaleur alimenté en géothermie profonde en Europe :

C’est à Chevilly-Larue et l’Hay-les-roses, en région parisienne que la SEMHACH exploite le plus grand réseau de chaleur alimenté par géothermie profonde en Europe. Il désert 19 200 équivalent logement grâce à une puissance installée de 120 MW. Il est alimenté en partie grâce à deux centrales de géothermie d’une puissance de 14MW chacune. De l’eau à 74°C est prélevée dans le Dogger parisien à une profondeur de 2000m. La température peu élevée pour un réseau de chaleur est compensée par un débit très important qui atteint 300m3/h par puits. Ainsi sur les 161 GWh produit en 2008, 61% provenaient de la géothermie profonde, le reste étant produit par des chaufferies au gaz. Ce réseau exploite au maximum les ressources de la géothermie profonde grâce à un fonctionnement en cascade (voir schéma page suivante). C'est-à-dire que tous les bâtiments sont alimentés en ECS grâce au réseau secondaire à 90°C. Les bâtiments les plus anciens sont également alimentés en chauffage grâce au réseau secondaire. Les bâtiments équipés de plancher chauffant sont alimentés par le circuit de retour des bâtiments les plus anciens car, la température nécessaire pour faire fonctionner ce type d’installation est moindre. Pour finir, les bâtiments les plus récents nécessitant des températures de chauffage plus faibles, sont alimentés avec le circuit de retour des bâtiments précédents. Comme tous les bâtiments sont reliés au réseau secondaire, si le fonctionnement en cascade est insuffisant pour répondre au besoin de chauffage, ils peuvent tous s’alimenter à partir du réseau secondaire. Ce fonctionnement en cascade permet d’optimiser au maximum la chaleur issue de la géothermie. En effet comme le montre le schéma de la page suivante, sans ce système le circuit de retour serait à 70°C on réinjecterait donc l’eau dans le puits géothermique à cette température. On utiliserait donc la géothermie que pour passer de 70°C à 74°C. Le système en cascade permet de rejeter l’eau à 30°C et donc d’utiliser la géothermie pour réchauffer l’eau de 30°C à 74°C.


4.1.5.2 Géothermie profonde en Alsace :

En Alsace, la géothermie profonde est encore peu développée. En dehors du projet de Soultz-Sous-Forêts, seuls quelques projets sont en train de voir le jour. Jonathan Muller de l’ADEME m’a présenté un projet de géothermie profonde qui sera réalisé pour l’entreprise Roquette à Beinheim au nord de l’Alsace. Le projet prévoit la création d’un puits géothermique à Haten-Rittershoffen à 15km de Beinheim. L’énergie géothermique sera transportée jusqu'à l’entreprise Roquette grâce à une canalisation de 15km. La décision de créer un puits éloigné de l’usine a été prise, car Haten-Rittershoffen se situe non loin de Soultz-Sous-Forêts. Les ressources de cette zone sont donc avérées alors qu’à Beinheim des doutes persistent sur les ressources.

Centrale de géothermie 74°C et cogénération Chaufferie d’appoint

Porteur haute température 90/70°C

Porteur moyenne température 60/45°C

Porteur basse température 45/33°C

Réseau secondaire 90°C

Retour 30°C

Réseau 70°C

Réseau 45°C

Figure 53 Fonctionnement en cascade d’un réseau de chaleur alimenté par géothermie profonde


Au total le coût du projet est de 44 millions d’euros dont 25 millions pour réaliser la liaison de 15 km. Le forage et les installations pour l’exploitation coûtent donc environ 19 millions d’euros. L’entreprise a obtenu de la part de l’ADEME et de différents organismes une subvention de 25 millions d’euros ce qui couvre le prix du raccordement de 15km. Le puits d’une puissance de 24MW doit fonctionner toute l’année et produire 200 GWh par an. Ceci va permettre à l’entreprise d’économiser environ 4.5 millions d’euros par an et de réduire de 39 000t les rejets de CO2. Grâce aux économies réalisées l’entreprise va donc amortir très rapidement les 19 millions d’euros qu’elle va investir. La géothermie peut donc s’avérer être un moyen très rentable de produire de l’énergie surtout si les ressources se situent directement sur le lieu où l’énergie est utilisée. C’est pourquoi l’ADEME grâce au fond chaleur encourage les projets de géothermie profonde. Elle peut financer en partie les études de faisabilité qui sont réalisées ainsi que les coûts de réalisation du projet. Elle assure également une garantie pour les projets. C'est-à-dire, que si les études sont validées et que le projet est réalisé, mais qu’il ne produit pas les quantités de chaleurs attendues, une compensation financière est accordée. De même, si la ressource s’épuise avant la date prévue, l’ADEME prend en charge le manque à gagner.

4.1.5.3 Géothermie profonde à Hautepierre :

J’ai rencontré Mr Imbs de ES géothermie pour avoir des informations sur la géothermie en général et sur la possibilité de l’utiliser à Hautepierre. En Alsace la température du sous-sol est plus importante que dans le bassin parisien. Le problème est que les débits récupérés sont très faibles, comme on a pu le voir pour le forage de Cronenbourg réalisé dans les années 80. Celui-ci est à 2050 m de la chaufferie, même s’il n’a pas pu être exploité il nous donne des informations sur la nature du sous-sol de Hautepierre.

Figure 54 Localisation du forage de Crnonenbourg

Les relevés du forage fournis par le BRGM (voir Annexes 7 et 8) confirment que la température du sous-sol est bien plus élevée en Alsace que dans le bassin parisien. Ainsi à 2000 m la température du forage de Cronenbourg est de 110°C alors qu’elle n’est que de 74°C dans le bassin parisien. Les relevés du forage montrent également que le sous-sol est composé essentiellement de couches de

2 050 m

Chaufferie de Hautepierre

Forage géothermique Cronenbourg


marne et d’argile. Ce sont des couches molles qui avec la profondeur sont de plus en plus compactées, ceci explique donc la faible perméabilité des couches et donc les faibles débits récupérés. Cependant, comme l’a souligné Mr Imbs lorsque je l’ai rencontré, le forage de Cronenbourg a été réalisé il y a près de 30 ans, les techniques et les moyens matériels ont beaucoup évolué depuis. Ainsi, certains pensent que si le forage de Cronenbourg avait été creusé plus profond ou un peu plus à l’Est, il aurait été exploitable. Suite au premier entretient que j’ai eut avec lui, Mr Imbs a cherché dans les données qu’il avait à sa disposition. Il a trouvé des documents qui tendent à montrer qu’il y aurait une zone de faille dans les couches de granites sous le quartier de Hautepierre, celle-ci pourraient être favorable à la mise en place de géothermie profonde. En Alsace, on essaie généralement de récupérer les ressources géothermiques au niveau des failles du granite car à cet endroit l’eau circule plus facilement. Les débits récupérés sont donc plus importants. Cependant si on souhaite confirmer la présence de failles à Hautepierre il est indispensable de réaliser une étude de la zone. Une étude de ce type a été réalisée à Illkirch, elle a montré la présence d’une faille importante. Elle a également estimé qu’on pourrait obtenir des températures proches de 170°C pour un débit de 125m3/h. Comme aucun projet géothermique n’est pour l’instant réalisé sur cette faille, il est impossible de vérifier ces chiffres. D’après les documents que Mr Imbs a trouvés, il estime qu’il faudrait réaliser un forage entre 3000m et 3500m au niveau des failles. On pourrait alors s’attendre à trouver de l’eau à 160°C avec un débit de 125 m3/h. Ces valeurs sont bien entendue à vérifier par une étude. Néanmoins, elles s’appuient sur l’étude qui a été menée dans la zone d’Illkirsh. En rejetant l’eau à une température de 60°C, on obtiendrait donc une puissance de l’installation géothermique de 14,5 MW. En réutilisant la courbe des puissances classées obtenue grâce à la méthode RETScreen (voir paragraphe 4.1.4.3) j’ai estimé le pourcentage de chaleur pouvant être apporté grâce à une installation géothermique de 14,5 MW.

70 MW

14.5 MW

Gaz 38 %

Géothermie profonde 62 %


La géothermie profonde a l’avantage de pouvoir fonctionner presque toute l’année puisqu’une installation de ce type n’est stoppée que pour son entretien une fois tous les ans ou tous les deux ans. C’est pourquoi on arriverait à couvrir environ 62% des besoins du réseau. Concernant l’investissement, Mr Imbs a réalisé une première estimation de ce que pourrait coûter l’installation :

Réalisation du 1er forage: 7 M€ Réalisation du 2nd forage: 6 M€ Réalisation de la centrale de production : 5 M€ Total : 18 M€

Afin d’optimiser l’installation de géothermie profonde, un système de cogénération pourrait être installé et produire de l’électricité en été lorsque la demande des usagers du réseau de chaleur est inférieure à la capacité de production du puits. Ce système nécessiterait un investissement supplémentaire d’environ 3 M€ par MW de puissance électrique brute installée. Dans le cadre du Fond Chaleur actuel, l’ADEME aide financièrement à la réalisation de ce type de projets. Jonathan MULLER de l’ADEME pense que la géothermie profonde a de réels avantages et qu’elle doit être développée en Alsace. Contrairement à la biomasse, il estime que dans certains cas une installation de géothermie profonde peut être amortie sans subventions. En ce qui concerne le prix de vente du MWh. Je n’ai pas pu obtenir d’information, car la géothermie profonde est peu développée en Alsace. D’autre part, le prix dépend beaucoup des températures et des débits qui détermineront la quantité de chaleur produite par le puits. Cependant, l’enquête AMORCE, « Prix de vente de la chaleur 2008 » (voir page 17) montre que les réseaux de chaleur majoritairement approvisionnés par la géothermie profonde sont ceux qui ont le prix de vente le plus bas avec un prix moyen de 51,2 € HT/MWh en 2008. De plus ce prix varie peu car contrairement à la biomasse ou aux énergies fossiles, il ne dépend pas du cours des matières premières. En conclusion, la géothermie profonde peut s’avérer être un excellent moyen d’alimenter un réseau de chaleur avec un prix de vente intéressant. Si comme le laisse penser certaines données collectées, une zone de failles se situe sous le quartier de Hautepierre et qu’on arrive à extraire 125 m3/h d’eau à 160°C, on pourra couvrir environ 62% des besoins du réseau. C’est pourquoi je pense qu’il serait intéressant de réaliser une étude géothermique sur la zone de Hautepierre.


4.2 Passage en réseau basse température <110°C : Le réseau primaire actuel fait circuler de l’eau surchauffée comprise entre 180 et 105°C pour l’aller et 70 à 120°C pour le retour en fonction de la demande. En passant le réseau en basse température, il fera circuler de l’eau à une température inférieure à 110°C pour l’aller et entre 65 et 70°C pour le retour. La différence de température entre les circuits aller et retour va donc diminuer. Les quantités de chaleur transportées vont donc diminuer également. Pour compenser et assurer un bon approvisionnement en chaleur, surtout pendant les périodes de pointe, il va donc falloir augmenter les débits. Cependant, il n’est pas sûr que le réseau actuel puisse supporter un débit plus important. Il va donc falloir mener des études sur le réseau pour déterminer si des portions du réseau doivent être changées. Il faudra aussi s’assurer que le transfert de chaleur entre le réseau primaire et le réseau secondaire se fait correctement. Il faudra donc remplacer tous les échangeurs tubulaires par des échangeurs à plaques. Néanmoins, le passage du réseau de Hautepierre en réseau basse température aurait plusieurs avantages. Il permettrait de réduire les pertes thermiques car l’écart entre l’eau du réseau et la température extérieure serait réduit. L’intégration d’énergies renouvelables comme le solaire ou la géothermie profonde est plus facile lorsque le réseau fonctionne en basse température car les températures de production de ces systèmes dépassent rarement les 100°C. D’autre part la réglementation n’est pas la même pour les réseaux basses températures, les contrôles des installations sont moins contraignants et donc les coûts de fonctionnement du réseau moins élevés. Pour finir la sécurité est renforcée car en cas de fuite, l’eau qui s’échappe est à une température plus basse.

4.2.1 Abaissement de la température du réseau de Vandœuvre-lès-Nancy :

J’ai pu me rendre à Vandœuvre-lès-Nancy où des travaux d’abaissement de la température du réseau ont été réalisés en 2008. Ce réseau est de la même taille que celui de Hautepierre, il a subi de nombreux changements en 2008. Il a été entre autres équipé d’une nouvelle chaufferie bois d’une puissance de 8MW qui est venue compléter la chaleur fournie par l’usine d’incinération des ordures ménagères. Au total les travaux sur ce réseau se sont élevés à 15 623 000 €/HT. Le passage d’un réseau eau surchauffé à un réseau basse température a nécessité le remplacement de 1.3km de canalisation, soit environ 10% de la longueur du réseau de Vandœuvre-lès-Nancy. Ces travaux ont coûté 752 680 €/HT soit environ 5% du montant total des travaux. A Vandœuvre-lès-Nancy des travaux ont été entrepris qui ont permit de réduire significativement les besoins du réseau. Cela explique que le passage en basse température n’a nécessité le changement que de 10% du réseau. L’intégralité des 130 sous-stations principales de ce réseau a également été remplacée pour être équipé de nouveaux compteurs et d’échangeurs à plaques. Ces travaux auraient de toute façon été nécessaires compte tenu de l’âge des équipements en place, ils ont coûté 3 257 070 €/HT soit 21% des dépenses. Le réseau de Vandœuvre-lès-Nancy donne donc une idée des travaux qui sont nécessaires pour l’abaissement de la température d’un réseau. Cependant, chaque réseau est différent, il sera donc nécessaire d’étudier plus en profondeur le réseau de Hautepierre pour connaitre la longueur de canalisation à remplacer.


4.2.2 Abaissement de la température du réseau de Hautepierre :

4.2.2.1 Evolution de la demande du réseau :

4.2.2.1.1 Evolution depuis les années 90 : A Hautepierre la demande du réseau ne semble pas avoir baissé de manière significative ces dernières années. Ceci se confirme en regardant le bilan des ventes de chaleur des années précédentes :

Année Vente de chaleur hors buanderie

93/94 140 730 MWh

94/95 136 757 MWh

95/96 147 437 MWh

Durant cette période, le réseau n’était encore pas raccordé au quartier des poteries puisque le raccordement n’a eu lieu qu’en 1996. Je n’ai pas trouvé de bilan récent sur la consommation du quartier des Poteries. Le seul dont je dispose est un bilan de 2001/2002 montrant que le quartier consommait 9 458 MWh. Aujourd’hui le réseau de chaleur de Hautepierre vend environ 150 000 MWH/an (hors buanderie). En retirant la consommation du quartier des Poteries et en comparant avec la chaleur vendue en 93/94, on ne constate pas de baisse significative. A moins que le réseau ait été surdimensionné lors de sa conception, on ne peut pas dire que le réseau actuel puisse supporter une augmentation du débit lié à un abaissement de la température.

4.2.2.1.2 Evolution dans les années futures : La demande des usagers risque de baisser dans les années à venir. Le quartier fait actuellement l’objet d’un plan de rénovation urbaine (PRU) qui prévoit la rénovation de logement ainsi que des démolitions et des reconstructions. La SERS a envoyé un questionnaire aux principaux abonnés du réseau de chaleur afin d’obtenir des informations sur leur consommation et sur les travaux d’isolation qu’ils prévoient de mettre en œuvre dans les années à venir. Les réponses obtenues montrent que les besoins des usagers vont évoluer. Le PRU prévoit la démolition de 169 logements de classe énergétique D ainsi que la réhabilitation de 2008 autres logements qui passeront de classe énergétique D à B. Il prévoit aussi la construction de 566 logements BBC. L’hôpital de Hautepierre prévoit également de gros travaux, il va rénover son bâtiment principal de 40 000 m² réparti sur 12étages. Il prévoit aussi la construction de deux autres bâtiments d’une superficie de 60 000 m² répondant à la dernière norme énergétique RT 2012. Il est important d’anticiper cette évolution de la demande. Si la demande diminue les débits qui circuleront dans le réseau diminueront également. Les portions de réseau à remplacer seront donc moins importantes.

4.2.2.2 Fonctionnement en cascade :

Le réseau de chaleur de Chevilly-Larue et l’Hay-les-roses présenté au paragraphe (4.1.5.1) est un exemple de réseau en cascade qui fonctionne très bien. Les bâtiments les plus récents sont alimentés par le circuit de retour des bâtiments les plus anciens. Ceci est possible car les besoins énergétiques


des bâtiments récents sont beaucoup moins importants que ceux des plus anciens. Un bâtiment BBC peut fonctionner avec une température de 70°C, le réseau de chaleur de Lingolsheim présenter au paragraphe (4.1.1.1) en est un bon exemple puisqu’il fonctionne à une température maximale de 57°C.

En fonctionnant de cette manière le circuit de retour du réseau est à une température plus basse. La différence de température entre l’aller et le retour est plus importante et donc le débit nécessaire pour alimenter tous les bâtiments est moins important. Le PRU de Hautepierre prévoit la construction de 566 logements BBC on peut donc imaginer alimenter ces nouveaux logements avec un système en cascade. De cette manière on soulagera le réseau et on limitera les travaux à entreprendre. Le même système peut être imaginé pour alimenter les futurs bâtiments de l’hôpital de Hautepierre à partir du circuit de retour des anciens bâtiments. Cependant, le fonctionnement en cascade est plus facile à mettre en œuvre lorsque les nouveaux bâtiments sont regroupés. S’ils sont éparpillés, les réseaux deviennent vite complexes. En conclusion, je pense qu’il serait préférable de faire passer le réseau de Hautepierre en basse température. Cela permettrait d’intégrer plus facilement des énergies renouvelables et de diminuer les pertes du réseau. Il est cependant difficile sans une étude détaillée d’estimer la longueur de réseau qui devra être remplacée. Tout dépendra de la capacité du réseau actuel, de l’évolution future de la demande des usagers et de la mise en place ou non d’un fonctionnement en cascade.



Retour 45 / 30 °C

Chaufferie Bâtiments BBC ou THPE Bâtiments anciens


4.3 Raccordement avec le réseau de Strasbourg Energie (Quartier de l’Elsau) :

Une interconnexion entre les réseaux de Hautepierre et de L’Elsau (Strasbourg Energie) permettrait au réseau de Hautepierre de bénéficier de chaleur provenant d’Energie renouvelable. En effet, il est prévu la création d’une grosse centrale biomasse avec cogénération qui servira à alimenter le réseau de chaleur de l’Esplanade (SETE). Ce réseau étant relié au réseau de l’Elsau, l’énergie issue de la biomasse profitera donc aux deux réseaux. La future centrale biomasse possèdera une puissance thermique de 22MW et électrique de 10MW et fonctionnera toute l’année. Cependant, en été la production de chaleur sera supérieure à la demande des deux réseaux qui y seront raccordés. Une partie de l’énergie thermique issue de la cogénération biomasse sera donc perdue. En reliant les réseaux de Hautepierre et de l’Elsau, l’énergie perdue pourra servir à alimenter les usagers de Hautepierre. Cette interconnexion servira donc principalement en été, puisqu’en hiver la totalité de l’énergie provenant de la centrale biomasse sera utilisée par les réseaux de l’Esplanade et de l’Elsau.

Figure 55 Schéma de l'interconnexion entre Hautepierre et Elsau

La distance entre les réseaux de Strasbourg Energie et de Hautepierre est d’environ 2.5km soit quasiment la même qu’entre la SETE et Strasbourg Energie. Un raccordement semble donc réaliste. D’autre part, en plus de fournir de la chaleur provenant d’énergie renouvelable, l’interconnexion permettrait d’assurer une sécurité au réseau de Hautepierre. En effet, en cas de défaillance sur la chaufferie, les réseaux de l’Elsau et de l’Esplanade pourraient alimenter en partie Hautepierre.

Interconnexion Strasbourg Energie - SETE

Future Centrale Biomasse

Interconnexion Envisagée


4.3.1 Possibilité de créer un seul gros réseau pour Strasbourg : L’interconnexion permettrait de relier les trois principaux réseaux de chaleur de Strasbourg entre eux. On pourrait alors à moyen ou à long terme, si la communauté urbaine le souhaite, faire fusionner ces réseaux afin qu’il ne soit gérés que par une seule entreprise. Ce réseau unique serait alors alimenté par différentes chaufferies et énergies, ce qui permettrait de faire varier la part des différentes énergies en fonction du cours des matières premières. Les contrats de délégation de service publique (DSP) des réseaux de Strasbourg Energie et SETE arrivent à échéance en 2022, soit 8 ans après la mise en place de la future DSP pour le réseau de Hautepierre. La durée d’une DSP pour un réseau de chaleur dépend du temps d’amortissement des différentes installations mises en place. Elle est généralement d’une vingtaine d’années. Il semble donc difficile de faire coïncider les trois DSP en 2022, cependant le regroupement peut être imaginé à plus long terme. Cela dépendra des intentions de la collectivité et des avantages qu’elle trouvera à regrouper ces réseaux.

4.3.2 Interconnexion de Strasbourg Energie et SETE : Les réseaux SETE et Strasbourg Energie ont été raccordés en 2000. Je me suis procuré différents documents sur les travaux qui ont été entrepris afin d’avoir une idée du coût des travaux et du fonctionnement de l’interconnexion.

Figure 56 Interconnexion entre Strasbourg Energie et SETE

Le raccordement mis en place fait 2680m, il relie le réseau SETE au Nouvelle Hôpital Civil (NHC). C’est là que la sous-station d’échange entre les deux réseaux a été construite. Le coût des travaux se répartit de la manière suivante :

Création de la sous-station du NHC (génie civil): 400 940 €

Equipement des sous-stations (2 échangeurs 20MW) : 471 067 €

Liaison de 2680m : 4 245 450 €

TOTAL : 5 117 457 €

Interconnexion Strasbourg Energie - SETE

Sous-station d’Interconnexion

Hôpital Civil

2 680 m


Un traité d’interconnexion a été signé entre les deux réseaux. Il prévoit que lorsque la centrale biomasse sera en service, la SETE fournisse 44 GWh/an (33 GWh en été + 11 GWh en hiver) au réseau Strasbourg Energie. Cela permettra à ce dernier d’être alimenté à 40% à partir d’énergies renouvelables. Le réseau SETE sera quant à lui alimenté à 70% en énergies renouvelables. Les deux réseaux se sont engagés sur cette quantité de chaleur, des pénalités sont prévues dans le cas ou la SETE ne fournit pas suffisamment de chaleur ou à l’inverse si Strasbourg Energie ne consomme pas assez d’énergie via l’interconnexion.

4.3.3 Interconnexion Strasbourg Energie et Hautepierre Energie :

Le plan ci-dessus montre une possibilité de raccordement entre les deux réseaux. Ce tracé d’une longueur de 2 360 m relie deux sous-stations existantes. Il n’est pas sûr que les canalisations entre

Figure 57 Exemple de tracé d'interconnexion entre Hautepierre et Elsau


ces sous-stations et les chaufferies auxquelles elles sont reliées soient capables de supporter le débit lié à une interconnexion. Il sera donc peut être nécessaire en plus du raccordement, de changer une partie des canalisations entre ces sous-stations et leur chaufferie d’approvisionnement. Le raccordement réalisé en 2000 par la SETE (environ 4.7 millions d’euros sans construction d’une nouvelle sous-station) étant quasiment de la même taille, il peut donc nous donner une idée du coût du raccordement envisagé. La centrale biomasse ne pourra approvisionner le réseau de Hautepierre qu’une partie de l’été, car en hiver la production de chaleur sera entièrement utilisée par les réseaux de l’Esplanade et de l’Elsau. En imaginant qu’à Hautepierre, l’interconnexion puisse couvrir les besoins des 4 mois les plus chauds de l’année (juin, juillet, août et septembre) durant lesquelles la chaleur sert principalement à la production d’ECS, cela représente environ 15 000 MWh soit à peine 10% des besoins. Même dans le cas où la consommation des réseaux de l’Esplanade et de l’Elsau baisse suffisamment pour pouvoir alimenter celui de Hautepierre durant les mois de mai et octobre, on atteindrait seulement 20% d’énergie renouvelable. Le traité particulier d’interconnexion entre l’Esplanade et l’Elsau fixe le prix de vente de la chaleur qui sera appliqué une fois la centrale biomasse en service. Au premier janvier 2009, ce prix a été fixé à :

R1 = 46,80 €HT/MWh R2 = 16,96 €HT/kW pour une puissance souscrite de 30 MW

Soit pour 44 000 MWh un prix moyen de 58,36 €HT/MWh. A Hautepierre, en 2009 le prix de vente moyen aux usagers était de 53,70 €HT/MWh. Le prix de vente de la chaleur entre l’Esplanade est l’Elsau est donc supérieur au prix de vente de la chaleur aux usagers de Hautepierre. Sachant que si une interconnexion est réalisée entre Hautepierre et l’Elsau, il faudra répercuter le prix de celle-ci sur la facture des usagers de Hautepierre. Il sera donc impossible d’amortir l’investissement d’une interconnexion sans augmenter le prix de vente de la chaleur aux usagers, d’autant plus que les quantités de chaleur seront faibles (10 à 20% des besoins du réseau de Hautepierre). En conclusion, la mise en place d’une interconnexion entre les réseaux de Strasbourg Energie et Hautepierre Energie ne semble pas économiquement intéressante. Elle pourra couvrir au maximum 10 à 20% des besoins du réseau et nécessitera donc l’implantation d’autres énergies renouvelables si on souhaite atteindre 50% d’EnR. Cependant, le raccordement des deux réseaux peut être mis en place dans le but d’assurer une sécurité pour le réseau en le reliant aux autres réseaux. Ceci pourrait permettre aussi à long terme, de pouvoir confier la gestion de tous ces réseaux à un seul opérateur.


5 Bilan et scenarios d’évolution : Dans cette dernière partie, je ferai le bilan des différentes solutions envisageables à Hautepierre. Je verrai également de quelle manière on peut combiner les trois axes d’évolution étudiés, afin de pouvoir proposer des scénarios d’évolution.

5.1 Bilan des différentes solutions :

5.1.1 Géothermie Profonde : Pourcentage d’EnR : 62 % Coût d’investissement sans cogénération: 18 M€ pour 14.5MW Prix du MWh : -

Avantages Inconvénients

Prix de vente de la chaleur peut être intéressant Ne nécessite pas forcément de subventions Stabilité des prix dans le temps Possibilité d’atteindre 50% d’EnR Garantie apportée par l’ADEME

Besoin d’une étude pour confirmer la présence de ressources Emprise importante (environ 2 hectares)

5.1.2 Biomasse : 20 MW bois 2.5 MW Miscanthus Pourcentage d’EnR 54 % 6 % Coût d’investissement 14 M€ - Prix du MWh (avec 20 à 40% de subventions) :

55 €HT/MWh -


Prix de vente de la chaleur (avec subvention) intéressant Possibilité d’atteindre 50% d’EnR Possibilité d’implantation sur le site actuel

S’assurer d’avoir les ressources en bois nécessaires Impossibilité de garantir la stabilité des prix dans le temps

5.1.3 Solaire avec stockage d’énergie : 25 000m² sur toiture 10 000 m² au sol Pourcentage d’Enr : 6.6 % 2.7 % Coût d’investissement : 17,5 M€ 6 M€ Prix du MWh (sans subvention) : 89 €HT/MWh 75 €HT/MWh (avec les mêmes subventions que la biomasse 20 à 40%) :

53.4 à 71.2 €HT/MWh 45 à 60 €HT/MWh



Stabilité des prix dans le temps Aucun rejet de CO2 Prix de vente de la chaleur (avec subvention) intéressant, surtout pour une installation au sol

Emprise importante Mise en place de stockages Ne permet pas d’atteindre 50% sans autres EnR Fonctionne uniquement en été

5.1.4 Interconnexion : Pourcentage d’EnR : maximum 10-20% Coût d’investissement : 4.7 M€ (prix estimatif) Prix du MWh : > 58.4 €HT/MWh (Prix de vente de l’Esplanade à l’Elsau, donc sans prise en compte du transport de l’Elsau à Hautepierre)


Sécurité d’approvisionnement du réseau Possibilité de créer (à long terme) un seul grand réseau pour Strasbourg

Ne permet pas d’atteindre 50% sans autres énergies renouvelables Prix non compétitif à l’heure actuel Difficulté d’amortir l’investissement sans augmenter le prix de vente aux usagers

5.2 Scénarios d’évolution : En combinant les trois axes étudiés dans mon PFE, je vais pouvoir proposer différentes solutions d’évolution pour le réseau de chaleur de Strasbourg Hautepierre.

Passage en Réseau

basse température

<110°C

Raccordement au

réseau de Strasbourg

Energie

(Elsau)

Intégration d’énergies

renouvelables


Pour commencer, je pense que faire passer le réseau en basse température (<110°C) serait bénéfique pour Hautepierre. En plus des multiples avantages énumérés dans le rapport, cela permettrait d’intégrer plus facilement des énergies renouvelables en adoptant un régime de température plus proche de la température de production de ces systèmes. D’autre part, on constate que si l’on souhaite atteindre 50% d’énergies renouvelables pour ce réseau de chaleur, il faut mettre impérativement en place de la biomasse ou de la géothermie profonde. Les scénarios proposés s’appuieront donc sur ces deux énergies.

5.2.1 Mise en place de géothermie Profonde : Selon moi la géothermie profonde apparaît comme l’énergie renouvelable la plus avantageuse pour Hautepierre. Elle permet entre autres de garantir une stabilité des prix dans le temps. Cependant, à l’heure actuelle aucune étude ne garantit la présence de ressources nécessaire sur Hautepierre. Les scénarios envisagés ne seront donc réalisables que si une étude de ressources est menée et qu’elle met en évidence les ressources suffisantes.

5.2.1.1 Géothermie profonde seule :

La géothermie profonde fonctionne toute l’année, elle pourrait couvrir à Hautepierre jusqu’à 60% des besoins. Elle peut donc être mise en place sans autres énergies renouvelables complémentaires. Il faudra alors prévoir des chaudières gaz servant de complément en hiver et de secours en cas de défaillance du système.

5.2.1.2 Géothermie profonde et Chaudière biomasse :

Si on souhaite augmenter la part d’énergie renouvelable et dépasser largement les 50% d’EnR, on peut ajouter une petite chaudière biomasse en plus de la géothermie profonde. Celle-ci fonctionnerait en hiver lorsque la géothermie ne suffira pas à couvrir les besoins des usagers. Le réseau de chaleur fonctionnerait ainsi sur le même principe que celui de Nancy (Biomasse 8MW en hiver + UIOM 18MW toute l’année) sauf que la majeure partie de l’énergie proviendrait de la géothermie et non d’un UIOM. On pourrait ainsi atteindre les 80% d’EnR. Cela permettrait de réduire davantage l’utilisation d’énergies fossiles et de pouvoir jouer sur trois énergies en fonction de la variation des coûts de production. D’autres parts, on diminuerait encore davantage les rejets de CO2 et donc le surcoût engendré par le futur PNAQ3.

5.2.1.3 Géothermie profonde et raccordement :

Dans ce cas de figure, le raccordement entre l’Elsau et Hautepierre ne servirait pas à alimenter le réseau de Hautepierre en été. Il servirait pour assurer une sécurité d’approvisionnement du réseau et pourrait être utilisé pour fournir de la chaleur issue de la géothermie au réseau de l’Elsau pendant les périodes de mi-saison. En effet durant ces périodes, les besoins du réseau de l’Elsau ne seront pas entièrement couverts par la future centrale biomasse du port du Rhin. Cela permettrait donc à ce réseau d’augmenter sa part d’EnR en passant de 40% à un taux qui pourrait dépasser les 50% et ainsi faire bénéficier à ses usagers d’une TVA à 5.5% sur la partie consommation. Tout dépendra bien entendu du coût exact de production de la chaleur géothermie et du coût du raccordement entre les deux réseaux.


5.2.2 Mise en place de Biomasse : La mise en place d’une unité de production fonctionnant à partir de biomasse permettrait comme on l’a vue d’atteindre les 50% d’EnR. Une des contraintes de ce système concerne l’état des ressources en combustible bois dans la région qui ne permet pas de garantir une stabilité des prix dans le temps. Pour éviter ce problème il serait intéressant d’utiliser d’autres combustibles que le bois traditionnel afin d’être moins dépendant de la filière bois « classique ». Une seconde contrainte concerne les rejets dans l’atmosphère, l’air de la communauté urbaine étant déjà fortement chargé en micros particules, il faut s’assurer que les équipements mis en place pour traiter les fumés seront suffisamment performants.

5.2.2.1 Biomasse seule :

Une unité de production de biomasse seule peut permettre d’atteindre 50% d’EnR. Ainsi, une centrale biomasse de 20MW fonctionnant 6 mois dans l’année, peut fournir environ 54% des besoins du réseau. Si on souhaite diminuer la consommation de bois, on peut utiliser d’autres ressources comme le miscanthus. Même si la proportion de chaleur provenant du miscanthus ne dépassera pas les 6%, cela peut permettre de réduire la consommation de bois. On pourrait donc, réduire la taille de la chaudière bois, en mettant par exemple en place une chaudière bois de 18MW et la compléter avec une chaudière au miscanthus de 2 ou 2.5 MW. Cette dernière pourrait soit fonctionner en hiver, en complément de la première chaudière biomasse, soit à partir du printemps juste après la période de récolte du miscanthus.

5.2.2.2 Biomasse et solaire :

Une installation solaire produit de l’énergie principalement en été, elle peut donc être mise en complément d’une grosse installation biomasse fonctionnant en hiver. Cela permettrait d’augmenter la part d’EnR. Une installation solaire au sol semble plus intéressante car elle comporte moins de contraintes et permet de diminuer les coûts. Cependant la faible surface au sol disponible dans la zone ne permet pas d’atteindre une part importante d’énergie solaire.

5.2.2.3 Biomasse et raccordement :

Un raccordement entre les réseaux de l’Elsau et de Hautepierre pourrait permettre à ce dernier d’obtenir en été de la chaleur provenant de la future unité biomasse du port du Rhin. Ce raccordement viendrait en complément d’une centrale biomasse implanté sur le réseau de Hautepierre et qui fonctionnerait pendant la période d’hiver. Cependant, compte tenu des prix pratiqués à Hautepierre à l’heure actuelle, il semble difficile d’amortir le coût des travaux de raccordement sans augmenter la facture des usagers. Il faudra donc trouver d’autres intérêts à ce raccordement, comme par exemple la possibilité de regrouper en un seul réseau les trois plus grands réseaux de chaleur de Strasbourg ou encore garantir une sécurité d’approvisionnement du réseau.


Conclusion :

Le développement des énergies renouvelables et la réduction des gaz à effet de serre font partie des enjeux majeurs des années à venir. Afin d’atteindre les objectifs fixés dans ce domaine, le grenelle de l’environnement a ciblé plusieurs secteurs d’activité dont le chauffage urbain. Il a ainsi mis en place le Fond Chaleur qui apporte un soutien financier au développement des énergies renouvelable dans ce secteur. Le réseau de chaleur de Strasbourg-Hautepierre date du début des années 1970, s’il veut rester compétitif et continuer à satisfaire le besoin de ses usagers il doit évoluer en tenant compte du contexte actuel. Mon Projet de Fin d’Etude a ainsi eu pour but de trouver qu’elles étaient les pistes d’évolution possibles pour ce réseau et déterminer les plus intéressantes. Afin de mener à bien cette étude, j’ai commencé par me familiariser avec les réseaux de chaleur. J’ai ensuite rassemblé une multitude de documents et effectué une visite sur le site de la chaufferie de Hautepierre afin de comprendre les besoins et les attentes futures du réseau. Par la suite j’ai abordé toutes les énergies renouvelables qui pouvaient être mises en place sur les réseaux de chaleur. Certaines ont dû être écartées à cause des contraintes ou de l’environnement du site. J’ai pu ainsi me concentrer sur les énergies implantables à Hautepierre. Les différentes rencontres avec des entreprises spécialisées, des organismes publics et le service énergie de la communauté urbaine de Strasbourg m’ont permis de mener une première étude assez complète des différentes solutions implantables à Hautepierre. Au final, il est apparu que seul deux énergies renouvelables pouvaient permettent d’apporter un minimum de 50% d’énergies renouvelables au réseau de chaleur de Hautepierre, il s’agit de la biomasse et de la géothermie profonde. Selon moi la géothermie est la solution qui possède le plus d’avantage. Cependant, bien que les premières recherches effectuées par ES géothermie laissent à penser que cette technologie peut être implantée à Hautepierre, il sera indispensables de réaliser une étude approfondie du sous-sol de la zone pour en être certains. Etant donné les enjeux et l’importance du réseau de Hautepierre, je pense qu’une telle étude doit être envisagée. La biomasse, bien que plus facile à mettre en place soulève des interrogations sur l’état des ressources en bois dans la région et sur la règlementation liée aux rejets de micros particules dans l’air. Au final ce PFE a permis de déterminer quelles étaient les évolutions possibles du réseau de Hautepierre. J’ai pu obtenir une estimation des coûts de chaque solution et réussis à donner une première idée du pourcentage d’énergie renouvelable pouvant être apporté par les différentes solutions. Mon PFE n’a pas abordé la partie cogénération actuellement en place sur la chaufferie de Hautepierre. L’intérêt ou non de conserver cette cogénération dépendra de la solution retenue entre la biomasse et la géothermie, car les prix de rachat de l’électricité dépendent de l’énergie utilisée. De manière plus générale ce PFE m’a permis de découvrir la SERS, une entreprise à laquelle je porte beaucoup d’intérêt. J’ai pu découvrir la maîtrise d’ouvrage et les projets très variés et très intéressants qui peuvent être confiés aux différents chefs de projet. Cela m’a permis d’avoir une idée plus précise des domaines dans lesquels je souhaitais débuter ma carrière professionnelle.


Références Bibliographiques

*1+ Ministre délégué chargé de l’énergie, Réponses des ministres aux questions écrites. Journal Officiel, n°41 du 23 novembre 1981, pp. 3361. [2] Lopez S, Millot R. Problématique de réinjection des fluides géothermiques dans un réservoir argilo-gréseux : retour d’expériences et apport de l’étude des fluides du Trias du Bassin Parisien. BRGM/RP-56630-FR. BRGM, Septembre 2008, pp. 129. *3+ Bellanger, B. Quand l’homme fait trembler la terre. Science et vie. Avril 2009, n°1099, pp. 44-59. [4] Solar District Heating. Success Factors in Solar District Heating. SDH, Décembre 2010, 30 p. [en ligne]. http://www.solar-district-heating.eu/LinkClick.aspx?fileticket=c6-K2BVa2hM%3d&tabid=69 consulté le 23 mars 2011 [5] Corhay M, Compte rendu Mission Danemark – Aero. TWeeD, Septembre 2010, 17 p. [en ligne] http://www.google.fr/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=0CBkQFjAA&url=http%3A%2F%2Fclusters.wallonie.be%2Fservlet%2FRepository%2F-compte-rendu-de-la-mission.pdf%3FIDR%3D44684%26saveFile%3Dtrue&rct=j&q=tweed%20michael%20corhay&ei=R8C_TZehNYGgOt6fmPQE&usg=AFQjCNHXv6_V0TBT_qA1GrtYZkitp_FYhQ Consulté le 5 avril 2011 [6] ADIB, Aprovalbois, Fibois Alsace [et al.] Suivi de l’évolution du bois énergie sur les 5 régions du Grand Est. Juin 2008, 64 p. Etude réalisée pour Grand Est : Association des Régions Françaises du Grand Est. [7] Oremus Y, Duee E. Les réseaux de chaleur au bois. 2009-RES-1. CIBE, Décembre 2009, 32 p. [en ligne]. <http://www.cibe.fr/IMG/pdf/Enquete_reseaux_de_chaleur_bois_2009-2.pdf> consulté le 12 avril 2011 [8] Ministre des ressources naturelles Canada. Analyse de Projets d'énergie propres : manuel d'ingénierie et d'études de cas RETSCREEN®. Chapitre Analyse de projets de chauffage à la biomasse. Québec, 2005. 54p. ISBN 0-662-78828-1. [En ligne]. www.retscreen.net/download.php/fr/136/0/Manuel_CBIO.pdf consulté le 18 avril 2011

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http://www.cibe.fr/IMG/pdf/Enquete_reseaux_de_chaleur_bois_2009-2.pdf

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MEMOIRE DE PROJET DE FIN D’ TUDE -...

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