[Dossier énergies renouvelables] #25 - Réseaux de chaleur et de froid de 5e génération : décarboner la fourniture de chaleur et de froid

Le chauffage et la climatisation représentent aujourd’hui plus de 70% des émissions liées à l’utilisation des bâtiments en France[1]. On estime à 425 TWh la consommation de chauffage dans le secteur résidentiel et tertiaire pour l’année 2020 [2]. En 2015, plus d’un ménage sur deux se chauffait principalement aux énergies fossiles (39% gaz naturel, 12% fioul, 1% GPL). Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de ces usages, la Stratégie nationale bas carbone ambitionne de réduire la consommation individuelle des logements, et tripler le nombre de ceux connectés à des réseaux de chaleur d’ici 2035. Dans ce même objectif de réduction des émissions, la Programmation Pluriannuelle de l’Energie vise à ce que ces réseaux délivrent en moyenne 60% d’énergie renouvelable ou de récupération (EnR&R) d’ici 2035.

Face à ces enjeux, les réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération, ou 5GDHC[3], sont une solution privilégiée pour répondre aux objectifs climatiques de la France. Ces réseaux très performants tendant vers 100% d’énergie renouvelable et de récupération sont en effet particulièrement adaptés à des bâtiments peu consommateurs.

La 5ème génération de réseaux de chaleur et de froid, késako ?

Il s’agit d’un nouveau concept basé sur une distribution simultanée de chaud et de froid, entre bâtiments d’un même quartier. La 5GDHC se différencie notamment des autres générations de réseaux par sa faible température de distribution : cela permet le recours à des énergies renouvelables - ainsi qu’à la récupération de chaleur fatale - basse température. 

Valoriser le potentiel d’échange d’énergie entre “consomm’acteurs”

Les réseaux de 5ème génération sont des boucles fermées qui privilégient les échanges d’énergie entre bâtiments voisins, et ce avant de recourir à des énergies renouvelables. En effet, des pompes à chaleur localisées au plus près des bâtiments permettent de récupérer les calories émises par un consommateur de froid pour venir fournir en chaleur un autre bâtiment et inversement. Les bâtiments reliés au réseau de chaleur sont alors des “consomm’acteurs”: ils consomment et fournissent simultanément de l’énergie. 

Pour valoriser au maximum ces échanges, les réseaux de 5ème génération ont également recours au stockage de calories. Cela peut se faire sur des temps courts (quelques heures à quelques jours) dans des petits stockages décentralisés, ou sur des temps plus longs (inter-saison) dans de grands réservoirs naturels ou industriels en sous-sol (nappe aquifère ou ancienne mine par exemple) ou en surface. 

Capitaliser sur la récupération d’énergie et les énergies renouvelables

Cette solution étant basée sur une boucle tempérée (<40°C), les sources d’énergie nécessaires pour compléter les échanges d’énergie entre bâtiments n’ont pas besoin de fournir de la haute température, contrairement à de nombreux autres usages. Ils permettent ainsi de profiter d’énergie renouvelable ou de récupération basse température comme de la géothermie peu profonde, des panneaux solaires thermiques ou de la chaleur fatale issue de datacenter, de l’industrie agroalimentaire, de bouches d’aération de métro ou encore d’égouts. 

De plus, ces réseaux étant basés sur des pompes à chaleur consommant de l’électricité, ils peuvent également bénéficier d’électricité d’origine renouvelable, comme des panneaux solaires (photovoltaïques ou hybrides) pour venir les alimenter, permettant ainsi de coupler le réseau électrique et le réseau de chaleur.

Ainsi, les réseaux de chaleur de 5ème génération sont un moyen idéal de profiter des sources d’ENR&R sous-utilisées et donc d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique français. 

Des réseaux adaptés aux politiques de sobriété énergétique et de planification urbaine 

Les réseaux 5GDHC représentent une solution idéale pour les politiques nationales ou locales de déploiement des ENR, mais aussi dans le cadre d’une stratégie plus large de sobriété énergétique des territoires. En effet, ces réseaux se combinent très bien à des programmes de rénovation thermique ambitieux, ou encore au développement de nouveaux quartiers performants. La distribution d’énergie de la source jusqu’aux pompes à chaleur peut se faire à une température très faible, divisant les pertes d’énergie par 5, en comparaison avec les systèmes traditionnels. De plus, la performance de ces réseaux est optimisée lorsque les besoins énergétiques instantanés sont relativement faibles, et que les émetteurs (radiateurs, planchers chauffant) ne requièrent pas une température d’entrée trop élevée.  

Ces réseaux ont par ailleurs toute leur place dans le cadre d’une planification territoriale visant la multiplicité des usages dans un même quartier visant la sobriété énergétique. La capacité des réseaux de 5ème génération à  délivrer simultanément du chaud et du froid leur assure en effet flexibilité et polyvalence : ils peuvent s’adapter à de nombreux besoins et types de bâtiments différents (logements, industrie, laboratoires R&D, bureaux, etc.). Cette variété des usages est même à privilégier pour garantir un équilibre des besoins et permettre l’échange d’énergie entre des consommateurs de froid (laboratoires, supermarchés, datacenters) et de chaud (logements, bureaux, etc.). 

Enfin, l’alimentation des pompes à chaleur par de l’électricité renouvelable locale permet d’interconnecter intelligemment les flux électriques et thermiques et d’avoir une vue complète et holistique de la consommation énergétique à l’échelle d’un territoire. Ainsi, combiner les pratiques d’excellence des réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération avec les pratiques d’excellence sur la production, distribution, stockage et gestion d’énergie renouvelable électrique locale est une opportunité pour les territoires de créer des communautés énergétiques locales dans lesquelles l’intensité carbone est baissée au maximum, au profit d’une qualité de service garantie et durable, et d’un modèle économique compétitif lié aux interconnections profitables entre producteurs et consommateurs. 

Le réseau de chaleur et de froid de Paris-Saclay, démonstrateur français des réseaux énergétiques de 5ème génération

En France, la boucle énergétique de Paris-Saclay est le 1er démonstrateur de réseau 5e génération. Ce réseau d'échange de chaleur et de froid s'appuie sur une boucle de distribution tempérée (d’environ 30°C), pouvant être alimentée par la chaleur géothermique de la nappe de l'Albien, puisée à 700 m de profondeur, et par de la chaleur fatale issue de certaines infrastructures scientifiques et de recherche situées sur le territoire. Le réseau utilise donc une quantité significative d’énergie renouvelable et de récupération.

Il s’agit d’un des démonstrateurs du projet européen D2Grids, qui vise à déployer les réseaux 5GDHC en Europe du Nord-Ouest. Les partenaires impliqués dans le projet travaillent à une industrialisation de l’approche et au développement d’un modèle technologique standardisé. Le projet prévoit également une clarification du business model afin de renforcer l’intérêt de ces projets auprès des investisseurs. A travers ces cinq sites pilotes, situés à  Paris-Saclay, Bochum (Allemagne), Brunssum (Pays-Bas), Glasgow et Nottingham (Royaume-Uni),  le projet D2Grids vise ainsi à démontrer son efficacité et les performances de la 5GDHC et à encourager son adoption.  

A Paris-Saclay, la boucle (Figure 1) alimente dans chaque quartier du campus urbain de Paris-Saclay des pompes à chaleur qui produisent simultanément du chaud et du froid tout en valorisant l’énergie renouvelable de la boucle tempérée ainsi que la chaleur de récupération liée aux consommations de froid. Chaleur et froid ainsi produits sont distribués aux différents bâtiments du quartier par l'intermédiaire de réseaux décentralisés. Cette architecture décentralisée est une caractéristique essentielle des réseaux de 5ème génération : elle permet les échanges thermiques entre besoins de froid de certains bâtiments d’une part et besoins de chaud d’autre part.

Figure 1. Principe de la boucle d’eau tempérée du démonstrateur de Paris-Saclay

Dans le cadre du projet Interreg D2Grids, l'objectif pour l'EPA Paris-Saclay est de doter son réseau de nouvelles fonctionnalités 5GDHC pour lui apporter plus de flexibilité thermique, mais également pour renforcer son rôle de démonstrateur européen.

Cette flexibilité thermique est actuellement expérimentée à travers la mise en place de 2 projets pilotes: la gestion avancée de la demande et le stockage thermique. L’objectif est de favoriser les échanges d’énergie, en adaptant, via les capacités de flexibilité, consommation et production en chaud et en froid.

Les bénéfices attendus sont considérables. Cette flexibilité thermique permettra :

−−à court terme, de maximiser l’utilisation des ENR&R (Énergies renouvelables et de récupération) et de diminuer davantage les émissions de CO2  du réseau ;

−−à moyen-long terme, favoriser les interactions avec le réseau électrique puis l’ajout dans le réseau d’énergies renouvelables complémentaires, comme la récupération de chaleur fatale ou l’autoconsommation d’électricité issue de panneaux photovoltaïques situés sur les toits des bâtiments du campus.

Plusieurs autres projets à l’étude en France

L’un des objectifs du projet D2Grids, en complément des démonstrateurs en cours de développement, est d’étudier les possibilités de déploiement de ces réseaux dans l’ensemble de la zone Interreg Nord-Ouest Europe et de convaincre de nouveaux décideurs. Trois métropoles en France ont été sélectionnées pour une étude d’opportunité des réseaux 5GDHC : Orléans Métropole (OM), la métropole du Grand-Paris (MGP), et l’Eurométropole de Strasbourg (EMS) (cf. Figure 2).

Figure 2. Localisation des zones d’étude de déploiement de la 5GDHC sur le territoire français dans le cadre du projet D2Grids

Ces trois métropoles se sont fixées des objectifs ambitieux en termes de réduction de consommation énergétique, de recours aux énergies renouvelables et de réduction des gaz à effets de serre dans leurs plans Climat Air Energie Territoriaux ou Métropolitains.

Ainsi, dans le cadre de son PCAET, la métropole d’Orléans vise à réduire de 12 % la consommation globale d'énergie, à augmenter de 50 % la part de la production d'énergie renouvelable et à réduire de 17 % les émissions de GES à l'horizon 2025. Parmi les objectifs affichés pour augmenter la part de la production d'énergie renouvelable, Orléans Métropole prévoit l'extension du réseau de chaleur biomasse existant pour un usage collectif, le raccordement de 22 000 logements à la géothermie (une centaine de bâtiments raccordés en 2012) et de 15 000 logements au solaire thermique (soit 37 000 m² de panneau pour seulement 500 m² en 2012) ainsi que la réutilisation des rejets thermiques des sites industriels à des fins de chauffage. Une étude a été réalisée par le BRGM afin de déterminer comment l'énergie géothermique pourrait être déployée dans la métropole, notamment la géothermie de surface sur aquifère peu profonds (calcaire de Beauce) ou sur échangeurs de chaleur, en tenant compte des besoins énergétiques en surface et du plan d’urbanisation. Les résultats de cette étude ont permis de définir des zones potentielles de déploiement des réseaux 5GDHC en se basant sur les zones à urbaniser (secteurs résidentiels et secteurs d’activités économiques).

A l'horizon 2050, la Métropole du Grand-Paris prévoit un parc bâti 100% bas carbone et un mix énergétique composé de 60% d'énergies renouvelables et de récupération, dont 30% devront être produites localement. Dans ce contexte, un projet réunissant la MGP, l’APUR et le BRGM propose une approche globale pour établir un schéma directeur des énergies renouvelables, incluant l'identification des ressources potentielles et la demande en énergie, le développement de la planification urbaine et les contraintes techniques et opérationnelles pour le déploiement des énergies renouvelables. Concernant la mobilisation des ressources du sous-sol, la MGP souhaite pouvoir développer des projets de géothermie de faible profondeur dans les secteurs favorables de son territoire compte tenu des ressources considérables disponibles afin de répondre aux objectifs du PCAEM. Les résultats de l’étude en cours serviront de base pour définir les zones potentielles de déploiement des réseaux 5GDHC.

Enfin, l'Eurométropole de Strasbourg a impulsé une réflexion sur son territoire autour d'une stratégie air-énergie-climat, qui a servi de base à la construction de son PCAET. Le plan climat 2030 vise à réduire la consommation globale d'énergie de 30 % (55 % en 2050), à atteindre 40 % (100 % en 2050) de production d'énergie renouvelable dans la consommation finale d'énergie et à réduire les émissions de GES de 40 % (90 % en 2050). A ce titre, l’aquifère alluvial rhénan représente une source d’énergie locale renouvelable facilement accessible avec un fort potentiel. Ainsi cette source d’énergie renouvelable associée à une forte densité énergétique avec les objectifs de l'Eurométropole de créer 3000 nouveaux bâtiments résidentiels et de rénover 5000 bâtiments résidentiels anciens par an en font un bon candidat pour évaluer la possibilité de développement de la 5GDHC.

Ainsi, en France, de nombreux territoires seraient propices pour poursuivre la dynamique lancée par l’Etablissement Public d’Aménagement de Paris Saclay, comme les trois métropoles citées ci-dessus, dans un contexte d’évolutions réglementaires incitant à des solutions combinant efficacité énergétique et énergies peu carbonées. Le déploiement des réseaux de 5ème génération permettra de faciliter l’adaptation dans le temps des services de livraison de chaleur et de froid aux bâtiments rénovés dans le cadre des nouvelles réglementations telles que la Loi Climat et Résilience. Par ailleurs, la RE2020 dans sa version actuelle pose un objectif sérieux de réduction d’empreinte carbone des réseaux de chaleur et de froid (passage du seuil d’obligation de raccordement de 14kgCO2/m2/an aujourd’hui à 8kgCO2/m2/an en 2025[4]), qui ne pourra être atteint qu’à travers une décentralisation de la production qui permettra l’utilisation de davantage de sources renouvelables[5]. Les réseaux de chaleur 5ème génération sont donc de formidables outils à intégrer aux politiques énergétiques des collectivités ou des aménageurs, encouragées par le cadre législatif.

Article signé : Nicolas Eyraud , EPA-Paris-Saclay, Mathilde Henry, Greenflex et Virginie Hamm BRGM

Crédit photo : Carlos Ayesta pour Paris Saclay

[1] Stratégie Nationale Bas Carbone 2 : https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/2020-03-25_MTES_SNBC2.pdf 
[2] RTE/ADEME, Rapport Chauffage 2035,  https://assets.rte-france.com/prod/public/2020-12/SYNTHE%CC%80SE%20Rapport%20chauffage_RTE_Ademe_16dec_0.pdf 
[3] 5GDHC : 5th generation district heating and cooling
[4] Pour plus de détails, voir cet article sur GreenUnivers
[5] Découvrez en détails dans cet article comment les réseaux de chaleur et de froid de 5ème génération sont particulièrement adaptés à la RE2020
 

Plus d'informations sur D2Grids : www.5GDHC.eu

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