Chauffage urbain froid - Cold district heating

Schéma de fonctionnement d'un réseau de chauffage urbain froid

Le chauffage urbain froid est une variante technique d'un réseau de chauffage urbain qui fonctionne à des températures de transmission basses bien inférieures à celles des systèmes de chauffage urbain conventionnels et peut fournir à la fois le chauffage et le refroidissement des locaux . Températures de transmission de l'ordre d'env. 10 à 25 °C sont courants, permettant à différents consommateurs de chauffer et de refroidir simultanément et indépendamment les uns des autres. L'eau chaude est produite et le bâtiment chauffé par des pompes à chaleur à eau , qui tirent leur énergie thermique du réseau de chaleur, tandis que le refroidissement peut être assuré soit directement via le réseau de chaleur froide, soit, si nécessaire, indirectement via des refroidisseurs . Le chauffage local froid est parfois aussi appelé réseau d'anergie . Le terme collectif pour de tels systèmes dans la terminologie scientifique est le chauffage et le refroidissement urbains de 5e génération . En raison de la possibilité d'être entièrement exploités par des énergies renouvelables et en même temps de contribuer à équilibrer la production fluctuante des éoliennes et des systèmes photovoltaïques , les réseaux de chaleur locaux froids sont considérés comme une option prometteuse pour une chaleur durable, potentiellement sans gaz à effet de serre et sans émissions. la fourniture.

termes

En 2019, les réseaux de chaleur de cinquième génération décrits ici n'ont pas encore reçu de nom uniforme, et il existe également diverses définitions pour le concept technique général. Dans la littérature technique de langue anglaise, les termes Low temperature District Heating and Cooling (LTDHC), Low temperature network (LTN), Cold District Heating (CHD) et Anergy network ou Anergy grid sont utilisés. De plus, certaines publications présentent des conflits de définition dans la délimitation des réseaux de chauffage urbain « chauds », car certains auteurs considèrent le chauffage et le refroidissement urbains à basse température ainsi que le chauffage urbain à ultra-basse température comme des sous-formes du chauffage urbain de 4e génération. De plus, la définition des réseaux dits low-ex permet de les classer à la fois en quatrième et cinquième génération.

Histoire

L'un des premiers réseaux de chaleur locaux froids utilise les eaux d'infiltration du tunnel de base de la Furka comme source de chaleur

Le premier réseau de chauffage urbain froid est le réseau de chaleur d' Arzberg en Haute-Franconie, en Allemagne. Dans la centrale électrique d'Arzberg, qui a depuis été fermée, l'eau de refroidissement non refroidie était prélevée entre le condenseur de la turbine et la tour de refroidissement et acheminée vers divers bâtiments, où elle était ensuite utilisée comme source de chaleur pour les pompes à chaleur. Cela a été utilisé pour chauffer l'école et la piscine en plus de divers bâtiments résidentiels et entreprises commerciales.

Une autre usine très ancienne a été mise en service à Wulfen en 1979. Là, 71 bâtiments ont été alimentés en énergie thermique, qui a été extraite de la nappe phréatique. Enfin, en 1994, le premier réseau de chaleur froide est ouvert, utilisant la chaleur résiduelle d'une entreprise industrielle, une entreprise textile. Toujours en 1994 (selon Pellegrini et Bianchini déjà en 1991), un réseau de chauffage local froid a été construit dans le village suisse d'Oberwald, qui fonctionne avec les eaux d'infiltration du tunnel de base de la Furka .

En janvier 2018, 40 turbines au total étaient en service en Europe, 15 chacune en Allemagne et en Suisse. La plupart des projets étaient des installations pilotes avec une puissance calorifique de plusieurs 100 kWth jusqu'à la plage de MW à un chiffre, la plus grande installation avait une puissance d'env. 10 MWth. Dans les années 2010, environ trois plantes par an ont été ajoutées.

Concept

Les réseaux de chaleur froide sont des réseaux de chaleur qui fonctionnent à des températures très basses (généralement entre 10 et 25°C). Ils peuvent être alimentés à partir d'une variété de sources de chaleur fréquemment régénératives et permettent la production simultanée de chaleur et de froid. Étant donné que les températures de fonctionnement ne sont pas suffisantes pour la production d'eau chaude et de chaleur de chauffage, la température au niveau du consommateur est augmentée au niveau requis au moyen de pompes à chaleur . De la même manière, du froid peut être produit et la chaleur résiduelle peut être réinjectée dans le réseau de chaleur. Ainsi, les consommateurs connectés ne sont pas seulement des clients, mais peuvent aussi agir en tant que prosommateurs , qui peuvent soit consommer soit produire de la chaleur selon les circonstances.

Le concept de réseaux de chaleur locaux froids est dérivé des pompes à chaleur sur eau souterraine ainsi que des pompes à chaleur en boucle ouverte. Alors que les premiers sont principalement utilisés pour alimenter des maisons individuelles, les seconds se retrouvent souvent dans des bâtiments commerciaux qui ont à la fois des besoins de chauffage et de refroidissement et doivent répondre à ces besoins en parallèle. Le chauffage local froid étend ce concept à des zones ou des quartiers résidentiels individuels. Comme les pompes à chaleur géothermiques ordinaires, les réseaux de chaleur locaux froids ont l'avantage par rapport aux pompes à chaleur à air de fonctionner plus efficacement en raison de la différence de température plus faible entre la source de chaleur et la température de chauffage. Cependant, par rapport aux pompes à chaleur géothermiques, les réseaux de chaleur locaux froids présentent l'avantage supplémentaire que même dans les zones urbaines, où les problèmes d'espace empêchent souvent l'utilisation de pompes à chaleur géothermiques, la chaleur peut être stockée de façon saisonnière via un stockage de chaleur central, et en plus, les différents les profils de charge de différents bâtiments peuvent permettre un équilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement.

Le chauffage urbain froid est particulièrement adapté là où il existe différents types de bâtiments (résidentiels, commerciaux, supermarchés, etc.) Alternativement, les systèmes de stockage de chaleur saisonniers permettent un équilibre entre l'offre et la demande d'énergie. En utilisant différentes sources de chaleur (déchetées) et en combinant des sources de chaleur et des puits de chaleur, des synergies peuvent également être créées et l'approvisionnement en chaleur peut être développé davantage dans le sens d'une économie circulaire . De plus, la faible température de fonctionnement des réseaux de chauffage à froid permet d' acheminer facilement dans le réseau de la chaleur résiduelle à basse température difficilement utilisable . Parallèlement, la basse température de fonctionnement réduit considérablement les déperditions thermiques du réseau de chaleur, ce qui limite les déperditions énergétiques, notamment en été, lorsque la demande de chaleur est faible. Le facteur de performance annuel des pompes à chaleur est également relativement élevé, surtout par rapport aux pompes à chaleur aérothermiques. Une étude de 40 systèmes mis en service jusqu'en 2018 a montré que les pompes à chaleur atteignaient un COP saisonnier d'au moins 4 pour la majorité des systèmes étudiés ; les valeurs de COP saisonnières les plus élevées étaient d'environ 6.

Technologiquement, les réseaux de chaleur froide font partie du concept de réseaux de chaleur intelligents.

Composants

Sources de chaleur

Les réseaux de chaleur froide sont parfaitement adaptés à l'utilisation de la chaleur résiduelle des bâtiments industriels et commerciaux

Différentes sources de chaleur peuvent être utilisées comme fournisseurs d'énergie pour le réseau de chauffage froid, en particulier des sources renouvelables telles que le sol, l'eau, la chaleur résiduelle commerciale et industrielle, l' énergie solaire thermique et l'air ambiant, qui peuvent être utilisées individuellement ou en combinaison. En raison de la conception généralement modulaire des réseaux de chauffage locaux froids, de nouvelles sources de chaleur peuvent être progressivement développées au fur et à mesure de l'extension du réseau, de sorte que les réseaux de chauffage plus importants peuvent être alimentés à partir d'une variété de sources différentes.

Dans la pratique, les sources presque inépuisables sont par exemple l'eau de mer , les rivières , les lacs ou les eaux souterraines . Sur les 40 réseaux de froid en fonctionnement en Europe en janvier 2018, 17 utilisaient des plans d'eau ou des nappes phréatiques comme source de chaleur. La deuxième source de chaleur la plus importante était l'énergie géothermique . Ceci est généralement accessible via des forages géothermiques utilisant des échangeurs de chaleur de forage verticaux. Cependant, il est également possible d'utiliser des capteurs de surface tels que des capteurs agrothermiques. Dans ce cas, des collecteurs horizontaux sont enfouis dans les terres agricoles à une profondeur de 1,5 à 2 m, c'est-à-dire en dessous de la profondeur de travail des machines agricoles, qui peuvent extraire la chaleur du sol selon les besoins. Ce concept, qui permet une utilisation agricole ultérieure, a été réalisé, par exemple, dans un réseau de chaleur froide dans la ville allemande de Wüstenrot .

De plus, il existe des réseaux de froid-chauffage qui extraient l'énergie géothermique des tunnels et des mines de charbon abandonnées . La chaleur résiduelle des entreprises industrielles et commerciales peut également être utilisée. Par exemple, deux réseaux de chaleur froide à Aurich et Herford utilisent la chaleur résiduelle des laiteries et une autre usine en Suisse utilise la chaleur résiduelle d'une centrale à biomasse, tandis qu'un autre réseau de chaleur froide utilise la chaleur résiduelle d'une entreprise textile. D'autres sources de chaleur possibles comprennent l'énergie solaire thermique (en particulier pour la régénération des sources géothermiques et le chargement des réservoirs de stockage), les grandes pompes à chaleur qui utilisent la chaleur environnementale, le système d' égouts , les centrales de cogénération et les chaudières à biomasse ou à charge de pointe pour alimenter d'autres sources de chaleur. Les basses températures de fonctionnement des réseaux de chaleur froide sont particulièrement favorables aux systèmes solaires thermiques, aux unités de cogénération et à la récupération de chaleur perdue, car ils peuvent fonctionner avec une efficacité maximale dans ces conditions. Dans le même temps, les réseaux de chaleur froide permettent aux entreprises industrielles et commerciales à potentiel de récupération de chaleur, comme les supermarchés et les centres de données , d'alimenter le réseau en énergie thermique sans risque d'investissement financier majeur, puisqu'au niveau de la température des réseaux de chaleur froide, l'apport de chaleur est possible sans pompe à chaleur.

Une autre source de chaleur peut également être la ligne de retour des réseaux de chauffage urbain conventionnels. Si la température de fonctionnement du réseau de chauffage froid est inférieure à la température du sol, le réseau lui-même peut également absorber la chaleur du sol environnant. Dans ce cas, le réseau agit alors comme une sorte de collecteur géothermique .

Stockage de chaleur (saisonnier)

Fonction d'un collecteur de chaleur géothermique. Ces collecteurs peuvent également être utilisés pour le stockage saisonnier

Le stockage de chaleur sous forme de stockage saisonnier est un élément clé des systèmes de chauffage local froid. Pour équilibrer les fluctuations saisonnières de la production et de la consommation de chaleur, de nombreux systèmes de chauffage à froid sont construits avec un stockage de chaleur saisonnier. Ceci est particulièrement approprié lorsque la structure des consommateurs/prosommateurs ne conduit pas à une demande de chaleur et de refroidissement largement équilibrée ou lorsqu'il n'y a pas de source de chaleur suffisante disponible toute l'année. Les réservoirs aquifères et le stockage via des champs de forage sont bien adaptés. Ceux-ci permettent de stocker l'excès de chaleur de la moitié d'été de l'année, par exemple du refroidissement, mais aussi d'autres sources de chaleur et ainsi de réchauffer le sol. Pendant la période de chauffage, le processus est ensuite inversé et l'eau chauffée est pompée et injectée dans le réseau de chaleur froide. Cependant, d'autres types de stockage de chaleur sont également possibles. Par exemple, un réseau de chaleur froide à Fischerbach utilise un stockage de glace.

Réseau de chaleur

Les systèmes de chauffage local froid permettent une variété de configurations de réseau. Une distinction approximative peut être faite entre les systèmes ouverts, dans lesquels l'eau est introduite, passée à travers le réseau où elle est fournie aux consommateurs respectifs et finalement rejetée dans l'environnement, et les systèmes fermés, dans lesquels un fluide porteur, généralement de la saumure , circule dans un circuit. Les systèmes peuvent également être différenciés selon le nombre de canalisations utilisées. Selon les conditions respectives, des configurations avec un à quatre tuyaux sont possibles :

  • Les systèmes monotubes sont généralement utilisés dans des systèmes ouverts qui utilisent les eaux de surface ou souterraines comme source de chaleur et les rejettent dans l'environnement après avoir traversé le réseau de chauffage.
  • Dans les systèmes à deux tuyaux, les deux tuyaux fonctionnent à des températures différentes. En mode chauffage, le plus chaud des deux sert de source de chaleur pour les pompes à chaleur des consommateurs, tandis que le plus froid absorbe le fluide caloporteur refroidi par la pompe à chaleur. En mode refroidissement, le plus froid sert de source, la chaleur produite par la pompe à chaleur est injectée dans le tuyau le plus chaud.
  • Les systèmes à trois tuyaux fonctionnent de la même manière que les systèmes à deux tuyaux, mais il existe également un troisième tuyau qui fonctionne avec de l'eau plus chaude, de sorte que (au moins dans le cas des systèmes de chauffage avec une température de départ basse, comme le chauffage par le sol) le chauffage peut avoir lieu sans utiliser la pompe à chaleur. La chaleur est généralement transférée via des échangeurs de chaleur . Selon la température, la chaleur est ensuite réinjectée dans le tuyau le plus chaud ou le plus froid après utilisation. Alternativement, le troisième tuyau peut également être utilisé comme tuyau de refroidissement pour un refroidissement direct via un échangeur de chaleur.
  • Les systèmes à quatre tuyaux fonctionnent comme les systèmes à trois tuyaux, sauf qu'il y a un tuyau chacun pour le chauffage et le refroidissement directs. De cette façon, des cascades d'énergie peuvent être réalisées.

En général, les canalisations des réseaux de chauffage froid peuvent être conçues de manière plus simple et moins chère que dans les systèmes de chauffage urbain chaud/chaud. En raison des basses températures de fonctionnement, il n'y a pas de contrainte thermomécanique, ce qui permet l'utilisation de tuyaux en polyéthylène ordinaires sans isolation, comme ceux utilisés pour l'alimentation en eau potable. Cela permet à la fois une installation rapide et économique et une adaptation rapide aux différentes géométries de réseau. Il élimine également le besoin d'examens coûteux aux rayons X ou aux ultrasons des tuyaux, le soudage de tuyaux individuels et l'isolation sur site fastidieuse des pièces de raccordement. Cependant, par rapport aux tuyaux de chauffage urbain conventionnels, des tuyaux de plus grand diamètre doivent être utilisés pour transporter la même quantité de chaleur. Les besoins énergétiques des pompes sont également plus élevés en raison des volumes plus importants. D'autre part, des systèmes de chauffage local froid peuvent potentiellement être installés là où la demande de chaleur des bâtiments connectés est trop faible pour faire fonctionner un réseau de chauffage conventionnel. En 2018, par exemple, 9 des 16 systèmes pour lesquels des données suffisantes étaient disponibles étaient en dessous du seuil de 1,2 kW de puissance calorifique/m de longueur de réseau, qui est considéré comme la limite inférieure pour le fonctionnement économique des systèmes de chauffage local « chaud » conventionnels.

Sous-station

Pompe à chaleur à eau

Par rapport aux réseaux de chauffage urbain "chauds" classiques, la sous - station des systèmes de chauffage local froid est plus compliquée, prend plus de place et est donc plus chère. Une pompe à chaleur ainsi qu'un ballon d'eau chaude sanitaire directe doivent être installés chez chaque consommateur ou prosommateur raccordé. La pompe à chaleur est généralement conçue comme une pompe à chaleur eau/eau à entraînement électrique et est également souvent physiquement séparée du réseau de chaleur froide par un échangeur de chaleur. La pompe à chaleur élève la température au niveau requis pour chauffer l'habitation et produit de l'eau chaude, mais elle peut également être utilisée pour refroidir la maison et injecter la chaleur qui y est produite dans le réseau de chaleur, sauf si le refroidissement se fait directement sans l'utilisation d'un pompe à chaleur. Un système de secours tel qu'un élément chauffant peut également être installé. Un ballon de stockage de chaleur pour le système de chauffage peut également être installé, ce qui permet un fonctionnement plus flexible de la pompe à chaleur. De tels réservoirs de stockage de chaleur contribuent également à maintenir la petite pompe à chaleur, ce qui réduit les coûts d'installation.

Rôle dans les futurs systèmes énergétiques

Les réseaux de chaleur basse température, qui incluent les systèmes de chauffage local froid, sont considérés comme un élément central de la décarbonisation de l'approvisionnement en chaleur dans le cadre de la transformation des systèmes énergétiques et de l' atténuation du changement climatique . Les systèmes de chauffage local et urbain présentent divers avantages par rapport aux systèmes de chauffage individuels : ils comprennent, par exemple, l'efficacité plus élevée des systèmes, la possibilité d'utiliser la production combinée de chaleur et d'électricité et d'exploiter les potentiels de chaleur résiduelle auparavant inutilisés. En outre, ils sont considérés comme une approche importante pour accroître l'utilisation des sources d'énergie renouvelables et réduire les besoins en énergie primaire et les émissions locales dans la production de chaleur. En s'affranchissant des technologies de combustion pour l'alimentation du réseau de chaleur froide, les émissions de dioxyde de carbone et les émissions locales de polluants peuvent être totalement évitées. Les réseaux de chaleur froide sont également perçus comme une opportunité de construire à l'avenir des réseaux de chaleur alimentés à 100 % par des sources d'énergie renouvelables .

L'électrification poussée de la filière chaleur est un élément central du couplage sectoriel

Une autre approche prometteuse est l'utilisation de systèmes de chauffage local froid et d'autres systèmes de chauffage par pompe à chaleur pour le couplage de secteurs . Ainsi, les technologies power-to-heat utilisent d'une part l'énergie électrique pour le chauffage, et d'autre part le secteur du chauffage peut aider à fournir les services du système pour compenser la production fluctuante d'électricité verte dans le secteur de l'électricité. Les réseaux de chaleur locaux froids peuvent ainsi contribuer au contrôle de la charge via les pompes à chaleur et, avec d'autres systèmes de stockage, contribuer à assurer la sécurité d'approvisionnement.

Si les toits des bâtiments fournis sont équipés de systèmes photovoltaïques , il est également possible d'obtenir une partie de l'électricité nécessaire aux pompes à chaleur depuis le toit du consommateur. Par exemple, 20 maisons PlusEnergy ont été construites à Wüstenrot, toutes équipées d'installations photovoltaïques, d'une batterie solaire et d'un ballon de stockage de chaleur pour un degré d'auto-approvisionnement le plus élevé possible grâce à un fonctionnement flexible de la pompe à chaleur.

Remarques

Lectures complémentaires

Liens externes vers des exemples