[D2Grids] Les 5 principes des réseaux de chaleur et de froid urbains de 5ème génération

En Europe, le chauffage et le refroidissement représentent 50 % de la consommation totale d'énergie des bâtiments et de l'industrie. Les réseaux de chaleur et de froid urbains de 5ème génération (5GDHC), qui sont à basse température et hautement optimisés, représentent une solution prometteuse pour décarboner notre parc immobilier. Le projet D2Grids vise à accélérer le déploiement des réseaux 5GDHC en Europe à travers une industrialisation du système, la création d’un modèle d’affaire solide et le développement de 5 sites pilotes. L'équipe du projet D2Grids a récemment atteint un objectif important, à savoir la définition du modèle technologique générique de la 5GDHC. Afin de garantir un réseau énergétique flexible et résilient pour répondre aux besoins actuels et futurs, un système de chauffage et de refroidissement de 5e génération (5GDHC) est établi sur la base des cinq principes suivants.

Une boucle énergétique fermée

Le premier principe de la 5GDHC est d'éviter le gaspillage d'énergie dans le système. Un réseau de 5e génération se distingue en effet des autres réseaux de chaleur et de froid par sa capacité à échanger de l'énergie avec d'autres consommateurs/clients connectés : c'est un réseau thermique circulaire. Le réseau est conçu comme une boucle fermée réutilisant l'énergie autant que possible : les bâtiments chauffés fournissent du froid au système, tandis que les bâtiments refroidis transmettent leur chaleur excédentaire au réseau.

Le facteur clé de l'approche 5GDHC est la réutilisation optimale des flux de retour à différentes échelles spatiales et temporelles. Le stockage d'énergie est utilisé pour gérer le déséquilibre temporel entre l'offre et la demande au sein du système, sur une base quotidienne, mais aussi saisonnière.

Par exemple, nous retrouvons souvent des pompes à chaleur dans des bâtiments écologiques pour générer les températures demandées. Ces pompes à chaleur utilisent l'air extérieur, les eaux de surface ou le sol. D'une part, cela nécessite des investissements dans des installations de source qui ont également besoin d'espace, ce qui pourrait être un obstacle. D'autre part, une partie de l'énergie produite est perdue dans le milieu environnant. Dans le cadre de la 5GDHC, l'arrière de ces pompes à chaleur est connecté au réseau et de ce fait, le flux de retour de l'énergie est conservé dans le circuit.

Ce premier principe de 5GDHC est mis en œuvre dans le cadre d'une approche graduée, en échangeant d'abord de l'énergie au sein d'un bâtiment ou d'un îlot, puis au niveau du quartier, et enfin au niveau de la ville. Une optimisation supplémentaire du réseau serait également possible grâce à un aménagement territorial optimisé.

 Valoriser l’énergie basse température

Les sources d'énergie peuvent être classées en fonction de leurs possibilités d'application. Un des fondements de la 5GDHC est l’observation des niveaux de demandes en chaleur et en froid, pour n’apporter dans le réseau que la quantité d'énergie nécessaire. Un système 5GDHC n'a pas besoin de beaucoup de sources haute température pour répondre à la plupart de ses besoins de chauffage et de refroidissement. Cela signifie que les flux disponibles d'énergie basse température (comme la géothermie peu profonde, les rejets industriels, la valorisation des déchets, l'énergie fatale des processus de refroidissement, les eaux usées, etc.) sont priorisés lorsqu’il faut apporter au système tout chauffage ou refroidissement supplémentaire non satisfait par l'échange.

Afin d’optimiser la 5GDHC, un classement par priorisation concernant les types d'énergie d'entrée à utiliser a été créé.  En priorité c’est l'énergie thermique échangée entre les utilisateurs qui va être utilisée. Ensuite, les sources thermiques à température ambiante ainsi que celles renouvelables dont les températures sont supérieures à la température "chaude" typique du réseau. La dernière source d'énergie dans le classement provient ainsi des combustibles fossiles.

Le deuxième principe du chauffage urbain de 5e génération consiste donc à faire correspondre les sources basse température disponibles avec la demande. Les besoins en énergie haute température sont alors réduits, et peuvent alors être couverts à 100 % par des énergies renouvelables telles que la géothermie profonde, les éoliennes, le solaire, l'hydroélectricité et la biomasse.

Un approvisionnement énergétique décentralisé et piloté par la demande

Les systèmes énergétiques traditionnels sont centralisés et font circuler une grande quantité d'énergie qui n'est finalement jamais utilisée. 

A l’inverse, les systèmes 5GDHC sont "axés sur la demande", ce qui signifie qu'ils ne commencent à produire et à faire circuler de l'énergie que lorsqu’il y a une demande sur le réseau. L’énergie est ainsi économisée : elle n'est produite qu'au moment et à l'endroit où elle est nécessaire. Le système peut fournir simultanément des services de chauffage et de refroidissement à différentes températures, et à différents clients en s’adaptant à la demande.

En pratique, la 5GHDC permet de passer d’un système énergétique très centralisé à un réseau décentralisé et intelligent, constitué de petites d’installations proches de l’utilisateur final.

Une approche intégrée des flux d'énergie

De nombreux systèmes énergétiques contiennent des incitations silotées : ils n'optimisent pas les besoins entre systèmes et secteurs. Par exemple, un propriétaire d'immeuble alimenté par de l'électricité induisant de fortes pointes sur le réseau électrique, pourrait vouloir se réchauffer le matin après un réduit de nuit. L'utilisation de la masse thermique et de stockage thermique peut nécessiter des investissements supplémentaires pour le bâtiment mais permettre de réaliser des économies importantes sur le réseau électrique. L'objectif de la 5GDHC est de maximiser l'efficacité de la fourniture énergétique et de son utilisation. Ceci est rendu possible grâce à une approche intégrée de tous les autres flux d'énergie sur un territoire donné (réseaux électriques, les transports, l'industrie, l'agriculture, etc.)

En effet, des pertes énormes dans certains secteurs peuvent être déployées pour en servir d'autres. Les grandes centrales électriques qui gaspillent de grandes quantités d'énergie de refroidissement à température ambiante pourraient couvrir la demande en chauffage d’autres bâtiments. Les véhicules du secteur des transports ont également un faible rendement, perdant beaucoup de chaleur, et les nouvelles technologies, comme la conversion de l'hydrogène, ont des pertes thermiques élevées. L'intégration de ces différents secteurs peut permettre de réaliser d'importantes économies sur le bilan énergétique total.

En plus de permettre des économies d'énergie, l'intégration d'un réseau 5GDHC à un réseau électrique contribuera à l’équilibrer et à accroître sa flexibilité. Cela permettra de créer des infrastructures énergétiques plus petites et plus efficaces, nécessitant moins de matériel et d’énergie de fonctionnement. Le système, grâce à des capacités de pointe plus faibles, nécessitera également des investissements globaux moins importants dans les infrastructures (canalisations, pompes, pompes à chaleur, etc.) et réduira la capacité demandée par le réseau électrique. 

Priorité aux sources locales et durables

Ce dernier principe des réseaux de chaleur et de froid urbain est une question de bon sens : privilégier ce qui peut être fourni localement plutôt que des sources thermiques lointaines.

Cette priorité au local revêt tout d’abord un avantage environnemental, de sobriété énergétique : privilégier les sources locales permet en effet de limiter les pertes énergétiques liées au transport. Mais cela constitue aussi un avantage économique important, en favorisant les investissements dans la production énergétique local, au profit du territoire dans lequel est implanté le réseau.