[Dossier énergies renouvelables] #16 - Une boucle énergétique locale pour le futur pôle d’échanges de Toulouse Matabiau et son quartier

L’alimentation en énergie des villes représente un défi technique et environnemental certain. L’intégration de la géothermie aux ouvrages (sondes et géostructures) est une réponse aux contraintes fortes de la production d’EnR&R en milieu urbain. L’application de ces technologies dans le cadre de l’aménagement de la zone Marengo à Toulouse est une bonne illustration d’une intégration pensée dès le début du projet, vers l’alimentation d’une boucle tempérée desservant plusieurs acteurs de la zone en chaleur et en froid. 

 

 

Grand Matabiau : un projet de renouvellement urbain pour la Métropole

Projet phare de Toulouse Métropole et de la Région Occitanie qui souhaite devenir l’une des premières « Région à Energie Positive » à l’horizon 2050, Grand Matabiau est un vaste programme d’aménagement urbain et de développement des transports qui inclut la transformation de la gare historique de Toulouse-Matabiau en un nouveau Pôle d’Échanges Multimodal (PEM). 

Depuis 2009, le projet du Grand Matabiau réunit ainsi l’ensemble des acteurs institutionnels impliqués dans le développement de ce territoire : l’État, la SNCF, la Région Occitanie, le Département de la Haute-Garonne, Tisséo Collectivités et Toulouse Métropole. 

Une stratégie énergétique ambitieuse pour le futur PEM de Matabiau Gares

Pour adresser les enjeux énergétiques et environnementaux du projet, Europolia a engagé dès 2018 un partenariat avec Efficacity autour de la stratégie énergétique du futur Pôle d’Echanges Multimodal (PEM) de Matabiau Gares. Ce partenariat a permis l’identification d’opportunités énergétiques et accompagne la mise en œuvre de solutions de mutualisation d’énergie entre les différentes maîtrises d’ouvrage à l’échelle du quartier gare, en s’appuyant sur les spécificités des équipements du PEM. 

Les premiers travaux ont permis l’émergence d’un scénario de développement d’une boucle tempérée ou très basse température, qui pourrait être alimentée par plusieurs énergies renouvelables thermiques identifiées localement, dont la géothermie de faible profondeur. Des travaux en cours visent à préciser ces premières pistes via l’approfondissement d’analyses techniques, un pilotage scientifique des sujets les plus innovants, et un accompagnement juridique autour des enjeux de montage et de gouvernance. 

L’intégration de sources de production énergétique renouvelables et décentralisées au plus près des consommateurs finaux ne représente plus un véritable défi technique sur les nouveaux projets d’aménagement urbain. Mais il reste de multiples complexités à prendre en compte. L’influence des acteurs et leurs interactions constituent un enjeu complémentaire, tout comme la viabilité économique de ces solutions ambitieuses. Des solutions aux performances énergétiques remarquables (notamment avec des sources de production énergétique renouvelables) et potentiellement viables économiquement ont du mal à se généraliser à cause de problématiques de gouvernance, contractuelles ou juridiques. Grand Matabiau a ainsi servi en 2018-2019 de cas d’étude sur la thématique « boucles locales d’énergie » au sein du groupe de travail de l’Institut pour la Ville Durable (IVD, aujourd’hui France Ville Durable – FVD) sur les nouveaux outils juridiques pour les projets urbains innovants.

Par ailleurs, la multiplication et la gestion coordonnée des sources de production d’énergie sur un même réseau thermique est novatrice et encore peu représentée en France. Une bonne compréhension des phénomènes thermodynamiques et hydrauliques qui s’y déroulent est nécessaire pour compenser le faible nombre de retours d’expérience. Dans cette optique, Efficacity mobilise plusieurs de ses outils de simulation énergétique internes : EnergyScreener (simulation dynamique des performances de systèmes énergétiques centralisés et décentralisés sur un grand nombre de scénarios de raccordement), et PowerDIS (simulation dynamique des besoins thermiques des bâtiments). 

Quelle configuration pour une boucle tempérée à Grand Matabiau ? 

La région de Toulouse dispose de plusieurs retours d’expérience qui montrent un contexte favorable au développement de solutions géothermiques dans les ouvrages enterrés. Le bâtiment d’Etap’Hôtel à Blagnac (31), mais aussi le nouveau siège social d'Airbus Groupe à Blagnac, atteignent ainsi des COP de l’ordre de 4 à 6 sur des champs de sondes entre 100m et 200m de profondeur.

Les transferts de chaleur en sein d’une géostructure thermique et du terrain encaissant sont liés aux besoins en énergie de l’ouvrage, au contexte hydrogéologique et aux propriétés thermiques (i.e. conductivité thermique λ et chaleur spécifique C) des formations géologiques rencontrées. La présence d’eau est primordiale pour la qualité des échanges. Plus l’écoulement de la nappe est rapide, plus les échanges thermiques sont performants. Dans le cas d’un écoulement de la nappe important, la température du terrain n’est quasiment pas affectée par les variations de température des pieux ou des parois moulées. À l’inverse un écoulement lent exige un équilibrage des températures prélevées ou injectées à l’année pour éviter une dérive thermique mais peut aussi offrir, sous certaines conditions, la perspective d’un stockage intersaisonnier de la chaleur.

Au vu des données disponibles, les horizons géologiques de marnes et de molasses rencontrés au droit de la gare de Toulouse Matabiau seraient très productifs mais aussi très peu perméables. Un stockage de chaleur intersaisonnier peut alors être envisagé. Le sous-sol jouerait ainsi le rôle de réserve de chaleur et de froid pour les consommateurs proches, à condition de pouvoir garantir l’équilibre thermique du sous-sol sur la durée. Or, le futur PEM de Matabiau Gares et les bâtiments existants à proximité concentrent justement des consommateurs variés, présentant des besoins de chaleur et de froid simultanés et relativement équilibrés à l’année.

Ce contexte particulier ouvre des perspectives uniques. La mise en place d’une boucle tempérée pourrait s’avérer particulièrement adaptée pour approvisionner les bâtiments du secteur, dont la future Halle des Transports de la gare et la station de la troisième ligne de Métro, à partir des énergies renouvelables thermiques présentes sur le site. La géothermie de faible profondeur jouerait un rôle central dans l’alimentation de cette boucle. 

 

Scénarios de la boucle tempérée

Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour valoriser l’énergie géothermique dans des ouvrages enterrés. Pour la station de métro, la Halle des transports et les parkings de la gare, les géostructures thermiques qui ont été étudiées pour le projet de boucle locale du Grand Matabiau sont les suivantes : 

  • Les parois moulées thermoactives ;
  • Les radiers thermoactifs ;
  • Les sondes géothermiques.

L’appoint pourrait être assuré par un réseau de chaleur biomasse en cours d’étude à proximité du PEM. Alimenté à plus de 80% par de la biomasse, il permettrait d’apporter une source de chaleur alternative à la boucle tempérée.

Près d’un millier de scénarios de raccordement à la boucle tempérée ont été comparés via l’outil EnergyScreener développé par Efficacity (simulations dynamiques au pas horaire sur une année). Ils comprennent diverses combinaisons de consommateurs, de producteurs et de systèmes d’appoint dont :

  • 14 possibilités de raccordement de 8 bâtiments « consommateurs » de la zone d’étude. L’ensemble des besoins thermiques est pris en compte : chauffage, eau chaude sanitaire, rafraîchissement/climatisation.
  • Pour chaque scénario de raccordement des bâtiments, jusqu’à 6 solutions mobilisant des énergies renouvelables locales : combinaison de géothermie sur les futurs parkings de la gare, sur la halle des transports et sur la station de métro, achat de chaleur depuis un réseau de chaleur haute température alimenté à plus de 80% par des ENR&R, récupération de chaleur sur le canal du Midi.

Cette analyse a permis d’obtenir les premiers éléments de performance technique, environnementale et économique de la boucle pour l’ensemble de ces scénarios. Les combinaisons les plus pertinentes ont été retenues sur la base de trois critères principaux : un Coefficient de Performance global (COP) supérieur à 3, un taux d’ENR supérieur à 65%, et un coût de l’énergie cohérent avec les prix rencontrés sur des réseaux de chaleur innovants en Occitanie.

En fonction des combinaisons de bâtiments raccordés, certaines simulations font apparaître un déséquilibre thermique plus ou moins marqué. Ces scénarios nécessitent de régénérer le sous-sol en y injectant des calories produites par une ressource supplémentaire. Plusieurs possibilités sont envisagées à ce stade : 

  • La sollicitation d’un futur réseau de chaleur proche afin d’acheter de la chaleur au moment des creux de consommation de ce réseau ;
  • L’extraction de calories depuis le Canal du Midi en été et/ou en mi-saison, qui pourrait avoir l’avantage de rafraîchir légèrement le Canal près de la gare ;
  • L’installation d’ouvrages dédiés à la production de chaleur, par exemple des panneaux solaires thermiques en toiture.

Sur cet aspect, le stockage intersaisonnier offre une opportunité unique : la production de chaleur nécessaire au rééquilibrage du terrain est décorrélée des besoins. Elle peut être faite au moment où les moyens de production énergétique sont le plus faciles à mobiliser, par exemple en été.

Perspectives 

La diversité des acteurs nécessaire à la réalisation d’un projet de ce type implique de les intégrer le plus en amont possible afin de réduire les risques et les coûts de chacun. 

Grand Matabiau bénéficie d’un solide partenariat de projet qui associe l’ensemble des acteurs compétents, à la fois dans la construction des équipements publics liés aux transports, dans l’aménagement du quartier, et dans la mise en œuvre de réseaux de chaleur. La mobilisation d’un partenariat de R&D liant Efficacity à Europolia a permis de sensibiliser l’ensemble des acteurs aux enjeux énergétiques du PEM, d’articuler les calendriers d’études, et in-fine de faire converger les projets autour d’une solution consolidée, tant du point de vue technique que juridique et économique.  

Rédacteurs : 

Yvon DELERABLÉE (Setec Terassol - Ingénieur d’étude)

Charline FROITIER (Efficacity - Directrice du pôle Stratégies Urbaines) 

Laure MARÉCHAL (Suez Consulting - Chef de projet Conseil et Stratégie)

 

Contributions :

Cédric CHENOT (Europolia)

Nicolas DAMESIN (Efficacity)

Nicolas HASTIR (Efficacity)

Luc NGUYEN (Dalkia)

Eric PEIRANO (Efficacity)
 

Liens vers les sites Internet :

EFFICACITY  

Europolia  

 


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