Les réseaux urbains de chaud et de froid

Maintenance d’un réseau de chaleur © Engie Cofely

Au cœur des enjeux de la transition énergétique, la chaleur et le froid renouvelables gagnent en importance et essaiment dans tout le territoire. De nombreuses villes ou communautés d’agglomération développent ou rénovent des réseaux urbains de chaud et/ou de froid, permettant ainsi de récupérer la chaleur dans les lieux de production pour l’apporter dans les bâtiments.

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Preuve de leur importance pour le verdissement du mix énergétique français, la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) prévoit d’atteindre une quantité de chaleur et de froid renouvelables et de récupération livrée par les réseaux entre 31 et 36 TWh en 2028, soit de 2,4 à 2,8 fois plus qu’en 2016. Une croissance significative, sans comparaison avec la contribution des autres sources d’énergie.

Le Syndicat national du chauffage urbain et de la climatisation urbaine (SNCU) regroupe les opérateurs des réseaux de chaleur et de froid urbains. Il est mandaté par l’État comme observatoire des informations sur les réseaux de chaleur. Son président, Thierry Franck de Préaumont, introduit le sujet : « Pour comprendre l’importance des réseaux de chaleur, il suffit de se pencher sur les besoins en énergie. L’énergie thermique représente 50 % de cette demande, suivie par le transport et l’électricité. »

Thierry Franck de Préaumont, président du SNCU. © Julien Falsimagne/Leextra

Le SNCU réalise des études sur le potentiel des réseaux de chaleur et accompagne la réflexion sur les dispositifs de soutien dans le cadre de la transition énergétique, en collaboration avec Via Sèva et l’Amorce (Association de collectivités pour la gestion des déchets, les réseaux de chaleur et la gestion locale de l’énergie). Selon leurs estimations, la surface couverte par les réseaux de chaleur va être multipliée par trois dans les années à venir. Et dans le cadre de la transition énergétique, les réseaux de chaleur permettent de distribuer de l’énergie thermique aux bâtiments, qui en sont les consommateurs exclusifs. Cette technologie s’adresse donc aux zones urbaines.

Fonctionnement et principe général
Le processus démarre par une production d’énergie pour chauffer ou refroidir l’eau, qui est ensuite distribuée dans les bâtiments. Un réseau de chaleur ou de froid est donc constitué de deux réseaux : le réseau primaire qui traverse la ville en intégrant la chaleur ou le froid produits, issus des différentes sources. Ce réseau primaire alimente le réseau secondaire à travers des échangeurs et distribue les logements en eau chaude sanitaire et chauffage ou rafraîchissement.

Mobiliser les énergies présentes sur le territoire
Ces réseaux permettent donc de s’adapter aux particularités des territoires en valorisant les énergies présentes sur place. Dans le bassin parisien, le réseau peut être alimenté en eau chaude géothermale. Dans les zones rurales, il peut être alimenté en biomasse ou méthanisation, et ailleurs, grâce aux usines de traitement des déchets ou aux datacenters par exemple. Thierry Franck de Préaumont le confie : « L’objectif de la transition énergétique est de décentraliser la production et la distribution d’énergie sur le territoire en favorisant les sources décarbonées. Dans ce cadre, les réseaux de chaleur peuvent apporter une grande contribution. » Pour atteindre ces objectifs, les réseaux de chaleur existants passent au vert, se densifient et de nouveaux réseaux de chaleur sont créés. « La France accuse un retard vis-à-vis de ses voisins européens, avec 6 % des besoins en chauffage couverts par des réseaux de chaleur, contre 20 % dans les pays d’Europe du Nord », déplore Thierry Franck de Préaumont. Guillaume Planchot, président de Via Sèva, confirme : « La France est en dessous de la moyenne européenne et nous remarquons que les pays qui ont le moins d’émissions carbonées sont ceux qui ont le plus de réseaux de chaleur. »

Guillaume Planchot, président de via Sèva. © DR

Un atout pour la transition énergétique
Dans le cadre de la transition énergétique, les réseaux de chaleur permettent de produire et consommer localement, en combinant différentes sources d’énergie. Tout comme les sources d’énergie, le mode de transport est de plus en plus vertueux, améliorant ainsi l’efficacité énergétique de l’ensemble. Progressivement, les régimes de température au sein du réseau baissent, ce qui permet de l’alimenter plus efficacement avec moins d’énergie.

Les réseaux de chaleur et de froid vont donc gagner en importance dans les années à venir, comme l’explique Thierry Franck de Préaumont : « La PPE a confirmé l’objectif de multiplier les énergies renouvelables véhiculées par les réseaux de chaleur par cinq. Mais il est essentiel de tenir la trajectoire en prévoyant des dispositifs de soutien adaptés, comme la réduction de la TVA pour les réseaux vertueux alimentés à plus de 50 % par des énergies renouvelables, ou le fonds chaleur, qui permet d’apporter une contribution aux investissements à réaliser et ainsi de remettre les réseaux de chaleur en concurrence économique avec les énergies fossiles. »

Les réseaux se verdissent
Dans le cadre de la transition énergétique, ces réseaux de chaleur et de froid, qui fonctionnaient à l’énergie fossile, sont aujourd’hui alimentés à 56 % par des énergies renouvelables issues de différentes sources : la récupération de la chaleur produite par les usines de valorisation et d’incinération des déchets, le « bois énergie » constitué de chutes et de copeaux de bois, la géothermie, la récupération de chaleur des industries, le biométhane, le gaz naturel, mais aussi le fioul et le charbon. Selon Guillaume Planchot, « la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique des réseaux de chaleur a été doublée en 10 ans et cette tendance va s’intensifier dans les années à venir ».

Mix énergétique des réseaux de chaleur.


Retour d’expérience

Société d’équipement de la région de Montpellier (SERM)

Frédérick Cauvin, directeur adjoint de la SERM en charge de l’énergie et directeur d’Énergies du Sud

Un engagement pour la transition écologique
La SERM est une entreprise publique locale chargée de l’aménagement du territoire pour le compte de la Métropole de Montpellier et ses communes. Engagée dans la transition énergétique, elle réalise des écoquartiers, rénove thermiquement des immeubles d’habitation et produit chaleur, électricité et froid renouvelables avec le Réseau montpelliérain de chaleur et de froid et sa filiale Énergies du Sud.

Vue du réseau de chaleur et de froid urbain de Montpellier. © DR

Les évolutions du mix énergétique
De 1970 à 1995 : énergies fossiles, charbon et gaz alimentent les nouveaux quartiers du Polygone et d’Antigone.
De 1999 à 2006 : efficacité énergétique par la mise en œuvre de procédés de cogénération/trigénération au gaz et de récupération de chaleur sur groupes frigorifiques.
À partir de 2007 : priorité aux énergies renouvelables qui sont au cœur de tous les nouveaux projets.
Aujourd’hui : le réseau urbain poursuit sa croissance de plus de 5 % par an depuis 30 ans et alimente près de 2 millions de m² de logements, bureaux, commerces et équipements publics avec une chaleur verte à 70 % et du froid produit avec de l’hydroélectricité.

Les sources énergétiques du réseau de chaleur :
+ bois propre récupéré sur la Métropole
+ plaquette forestière
+ granulé de bois
+ biogaz d’ordures ménagères
+ récupération de chaleur industrielle
+ géothermie sur nappe et par sondes sèches
+ solaire thermique et photovoltaïque

Chaufferie bois des Universités 10 MW + Gaz 10 MW. © DR

Des technologies innovantes au service du développement durable
Cogénération, trigénération, absorption, thermofrigopompe… le recours à ces technologies a permis d’améliorer l’efficacité énergétique et de développer les énergies renouvelables.

Les bénéfices du réseau de chaleur
Le réseau urbain de chaleur et de froid permet de diminuer l’impact carbone de ses abonnés à un prix compétitif et constitue un vecteur de développement économique pour le territoire en valorisant des énergies locales.

Réseau de chaleur et Smart Grids
Un nouveau réseau de chaleur et de froid va alimenter la ZAC Eurêka Extension, un projet de Smart City labellisé ÉcoCité-Ville de demain. L’objectif sera de récupérer la chaleur de datacenters distribuée par une boucle d’eau tempérée connectée aux îlots d’immeubles équipés de thermofrigopompes. Les toitures seront systématiquement équipées de capteurs solaires photovoltaïques d’une puissance totale de 3 MWc pour alimenter la production d’énergie thermique et alimenter les besoins de 200 000 m² de logements, de bureaux, de commerces et d’ateliers. Une plateforme de services numériques baptisée MyEureka est aussi créée pour les habitants et les entreprises, qui va permettre de mieux gérer l’énergie, d’offrir des services et de créer du lien entre les habitants. La SERM et sa filiale Énergies du Sud réalisent ce programme innovant de Smart Grid, dont l’objectif est de réaliser le premier quartier de ville dense à énergie positive.


Sensibiliser le grand public
Si les réseaux de chaleur constituent une formidable opportunité de verdir le mix énergétique nécessaire à la production d’énergie thermique, ils sont pour le moment l’affaire des initiés. En effet, les réseaux de chaleur sont méconnus du grand public, contrairement aux autres vecteurs énergétiques.

L’association Via Sèva fédère les acteurs des réseaux de chaleur pour communiquer sur le sujet auprès du grand public. Son président Guillaume Planchot l’explique : « En termes de communication au grand public, les réseaux ont une faiblesse car ils n’ont pas de liens directs avec les consommateurs finaux. Les contrats de raccordement sont signés avec les bailleurs sociaux, les copropriétés, les gestionnaires immobiliers. Via Sèva vient donc combler ce manque d’information vers le grand public. »

Capture d’écran de la cartographie interactive Via Sèva : carto.viaseva.org. © Via Sèva

Tous les deux ans, Via Sèva réalise une enquête de notoriété avec l’institut Ipsos pour mesurer la progression des connaissances du grand public des réseaux de chaud et de froid urbains. « Le taux de pénétration est encore assez faible, mais beaucoup d’actions locales sont menées et relayées. Le sujet progresse. Du côté des professionnels de la ville durable et des pouvoirs publics réseaux de chaleur sont de mieux en mieux connus grâce notamment au travail de l’Ademe, du Cerema, mais également à travers les différentes lois successives la loi Grenelle ou la loi de transition énergétique pour la croissance verte confirmés dans la PPE. », estime Guillaume Planchot.

À qui s’adresser ?
Si une collectivité souhaite effectuer des études de faisabilité ou se renseigner sur les bénéfices des réseaux de chaleur, elle doit s’adresser à l’Ademe, qui confiera son dossier à un bureau d’études spécialisé. La collectivité peut ensuite décider de lancer le projet. Dans ce cas, le réseau de chaleur pourra être exploité en régie ou en délégation de service public pour une durée généralement supérieure à 20 ans. Au moment de la réalisation du réseau de chaleur, l’Ademe apporte son soutien financier et technique.

Si des particuliers souhaitent se raccorder à un réseau de chaleur ou de froid existant, ils doivent tout d’abord consulter l’outil de cartographie mis en place par Via Sèva. Il répertorie l’ensemble des réseaux existants sur le territoire national. Si un réseau de chaleur passe à proximité de leur immeuble, ils peuvent formuler une demande de raccordement au maire, mais aussi se renseigner auprès de l’opérateur en charge du réseau de chaleur. Si leur immeuble est alimenté, ils devront alors souscrire un contrat d’abonnement et s’acquitter d’une partie fixe correspondant au prix de l’abonnement et une partie variable qui dépendra de leur consommation de chaleur.

Des avantages pour les consommateurs
Les particuliers ont de bonnes raisons de souhaiter un raccordement aux réseaux de chaleur et de froid. Guillaume Planchot y voit au moins deux bonnes raisons : « Cette volonté de se raccorder aux réseaux de chaleur peut d’abord traduire un engagement écologique, car c’est un moyen de lutter efficacement contre les émissions de CO2 et de préserver la qualité de l’air en ville. Une autre raison c’est la simplicité et la sécurité que cela apporte pour votre logement. Se raccorder à un réseau permet de supprimer les chaudières et les cheminées dans les immeubles. »

Enfin, la notion de compétitivité avec le chauffage au gaz ou électrique est un argument de taille, estime Thierry Franck de Préaumont : « Selon les réseaux, le prix par unité de chaleur est inférieur ou égal à 60 €, contre environ 70 € pour le gaz et encore davantage pour l’électricité. Il s’agit donc d’une solution viable économiquement, en plus d’être plus bénéfique environnementalement. »

« Les réseaux de froid sont de leur côté un outil d’adaptation au changement climatique pour les zones urbaines denses qui surchauffent l’été. En ville, le froid urbain permet d’éviter la prolifération de la climatisation individuelle qui rejette l’air chaud à l’extérieur des immeubles. Cela crée des phénomènes d’îlots de chaleur », ajoute Guillaume Planchot.

Comment évoluent les réseaux de chaleur ?
Aujourd’hui, plusieurs cas de figure existent pour atteindre les objectifs de développement des réseaux de chaleur et de froid urbains, comme l’explique Thierry Franck de Préaumont : « D’une part, les réseaux existants sont densifiés et étendus à de nouveaux quartiers. D’autre part, de nouveaux réseaux voient le jour dès que des nouveaux quartiers de taille suffisante sont créés. Toutes les villes de plus de 10 000 habitants ne sont pas encore équipées de leur réseau de chaleur. Il s’agit donc d’un gisement de développement important. » En plus du développement des réseaux de chaleur, le verdissement des sources évoqué précédemment est un enjeu essentiel.

De nouvelles physionomies pour une meilleure efficacité
Enfin, nous assistons à un changement de physionomie des réseaux de chaleur, comme nous l’explique Alexis Goldberg, directeur du développement chez ENGIE Réseaux : « La tendance est aujourd’hui au “Downsizing”, c’est-à-dire à la mise en place de réseaux de plus petite taille afin de les relier entre eux et en faire un méta-réseau, qui permet d’assurer une autonomie énergétique significative et une sécurité d’approvisionnement, un verdissement et une réduction de coûts. »

Alexis Goldberg, directeur du développement chez ENGIE Réseaux. © DR

Des régimes de température plus efficaces
Les réseaux de chaleur doivent être intégrés à la réflexion et la planification des nouveaux quartiers, où des réseaux intelligents sont mis en place. Dans ce contexte, coupler la production de chaleur et de froid s’avère intéressant, car les régimes de température actuels sont compatibles avec la production de chaud et de froid. En effet, les réseaux classiques fonctionnaient à des températures de 110 °C, contre 55 à 60 °C aujourd’hui. Ces régimes de température permettent également d’intégrer plus facilement des sources locales.

Digitalisation et intégration aux Smart Grids
La première piste d’amélioration de l’efficacité énergétique des réseaux de chaleur est la digitalisation. Cela permettrait de connaître les besoins à délivrer au bon moment et au plus juste. Il faudrait ainsi apporter de l’intelligence à la production, mais aussi à la distribution. Timothy Leab, directeur des projets Smart Grids chez Idex, l’explique : « Intégrer un système de pilotage global permettrait d’apporter de l’intelligence au réseau et de générer un schéma de consommation énergétique optimal en temps réel. Les réseaux de chaleur pourraient alors être intégrés aux Smart Grids, dont l’objectif est la gestion intelligente de l’offre et de la demande. » Alexis Goldberg confirme : « Cette solution, relativement simple à mettre en œuvre, permettrait de rénover les réseaux de manière légère et rapide en déployant des modules connectés en sous-stations. En amont, il faudrait également piloter la production, pour coller au plus près des besoins. »

Déployer des sous-stations intelligentes permet de garantir un rendement optimal du réseau primaire en pilotant simultanément plusieurs sous-stations, d’anticiper les fluctuations de la demande grâce à des données climatiques et aux historiques de consommation. Un algorithme détermine alors la quantité de chaleur ou de froid à délivrer. Enfin, le couplage à des systèmes de cartographie et de gestion des informations, à l’image du BIM (Building Information Modeling) ou du CIM (City Information Modeling), permet de délivrer des données de fonctionnement dynamiques, couplées à des données statiques et des données d’usage. « Le processus de digitalisation est moins coûteux qu’un renouvellement complet du réseau et permet, en plus d’en améliorer l’efficacité, de créer des données et des informations nécessaires à l’intégration aux Smart Grids », poursuit Alexis Goldberg. Des innovations reposant sur l’IA pourraient également voir le jour prochainement.

Sensibiliser aux bonnes pratiques
En complément de la digitalisation, l’objectif est de réaliser des économies d’énergie au sein du réseau de chaleur, comme l’explique Timothy Leab : « Pour ce faire, un levier simple est l’éco-coaching, application conçue avec des psychologues et des sociologues, afin de modifier les habitudes des usagers. Par exemple, 10 % d’économies ont été réalisées grâce aux changements de comportement. » Car cette sensibilisation des usagers entraîne un cercle vertueux, en les impliquant dans le réseau de chaleur et en occasionnant des économies substantielles.

Timothy Leab, directeur des projets Smart Grids chez Idex. © DR

Réseaux de chaleur et stockage d’énergie
Avec la nouvelle réglementation 2020 sur les bâtiments et le développement du BePos, l’enjeu de l’autoconsommation et de la réinjection de la surproduction sera également intégré au fonctionnement des réseaux de chaleur. Pour Timothy Leab, « le stockage électrique peut être pris en charge par les réseaux de chaleur. Pendant la journée, lorsque les panneaux photovoltaïques produisent de l’énergie et qu’elle n’est pas consommée, cette énergie électrique peut être transformée en énergie thermique ». Mais cela implique également des changements de comportement, en faisant fonctionner en journée tous les appareils électroménagers, car le tarif du kWh en heures creuses est plus élevé que le kWh des panneaux photovoltaïques. « Aujourd’hui, notre métier est de produire et de distribuer la chaleur et l’énergie. Demain, nous serons davantage des agrégateurs. Avec l’arrivée des Smart Grids, en plus de la production d’énergie, nous devrons assurer son stockage, quelle qu’en soit la forme », poursuit Alexis Goldberg.

Aujourd’hui, le stockage existe pour les réseaux de chaleur, mais aussi de froid, comme l’explique Jacques Brunet, directeur technique chez Idex : « Le stockage de froid est assuré par des bacs d’eau pris en glace au moyen d’échangeurs, dans lesquels circulent de l’eau glycolée à température négative. Le déstockage s’effectue en faisant circuler l’eau à refroidir dans ces mêmes échangeurs. Le stockage de chaud est actuellement assuré avec de l’eau chaude dans un réservoir calorifugé. Toutefois, les recherches actuelles ouvrent la possibilité d’utiliser dans les prochaines années des huiles minérales, des matériaux à changement de phase ou encore des solides. » Les recherches sont encore en cours pour optimiser l’efficacité des solutions.

Jacques Brunet, directeur technique chez Idex. © DR

Le stockage d’énergie dans les réseaux de chaleur n’est pas systématique, mais tend à se généraliser. Selon Jacques Brunet, « aujourd’hui, le stockage se fait au cas par cas selon les réseaux et dans la plupart des cas dans les nouveaux quartiers ». Alexis Goldberg estime : « L’idéal est d’atteindre les 5 à 15 % d’énergie stockée de manière à écrêter dans les périodes de forte demande, mais aussi à éviter un surdimensionnement des installations. » Il s’agit donc d’un équilibre très fin à respecter, entre les appels de puissance et la délivrance d’énergie aux consommateurs. « Si aujourd’hui les solutions de stockage d’énergie dans les réseaux de chaleur sont thermiques, elles pourront bientôt inclure de l’hydrogène, qui permettra de produire soit de l’électricité, soit de la chaleur ou du froid », conclut Jacques Brunet.

La grande force des réseaux de chaleur, c’est avant tout la combinaison des technologies pour arriver au mix énergétique le plus décarboné possible. Le tout en mobilisant les énergies présentes sur le territoire et en offrant des débouchés aux énergies de récupération. Les réseaux de chaleur vont donc poursuivre leur croissance et progressivement se digitaliser pour devenir une brique essentielle des Smart Grids et des Smart Cities.

Alexandre Arène

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