Réseau de chaleur

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Tuyaux enterrés sur la B36 de Mannheim
Tunnel de chauffage urbain, sous le Rhin à Cologne
station de transfert de chaleur dans un grand réseau urbain

Un réseau de chaleur (appelé réseau de chaleur à distance (CAD) en Suisse), est une installation comprenant une chaufferie fournissant de la chaleur à plusieurs clients par l'intermédiaire de canalisations de transport de chaleur[1].

La chaleur est produite par une unité de production et ensuite transportée par un fluide caloporteur (généralement de la vapeur d'eau sous pression ou de l'eau chaude) dans divers lieux de consommation :

  • industrie ;
  • santé (hôpital) ;
  • bâtiment tertiaire ou d'habitations (chauffage, eau chaude sanitaire) ;

On peut distinguer plusieurs types de production de chaleur :

  • Des chaudières spécifiquement affectées à l'alimentation d'un réseau de chaleur. Ces chaudières peuvent utiliser des combustibles de différents types: gaz naturel, fioul, bois ou solaire par exemple.
  • Des centrales thermiques de production d'électricité, où la chaleur résiduelle est utilisée pour alimenter le réseau de chaleur. C'est un fonctionnement en cogénération.
  • D'autres réseaux de chaleur redistribuent la chaleur résiduelle de procédés industriels. On peut citer l'exemple de certaines centrales nucléaires redistribuant de l'eau chaude pour certains besoins proches (chauffage de serres agricoles, d'un élevage de crocodiles à Pierrelatte à partir de l'usine Eurodif d'enrichissement d'uranium).

En France[modifier | modifier le code]

De 2005 à 2008, le nombre de réseaux de chaleur s'est accru de 9 %, avec 414 réseaux déclarés en 2008[2], dont plus de 25 % situés en Île-de-France. En 2008, seul 1/3 de ces réseaux utilise une énergie renouvelable ou de récupération ; l'objectif en 2020 est une part des énergies renouvelables d'au moins 50 %, voire 75 % (selon le nombre de bâtiments qui seront raccordés). La quantité de chaleur produite à partir d'énergies renouvelables s'élève à 10,15 Mtep (bois énergie essentiellement).

La loi sur l'énergie impose d'augmenter ce chiffre de 50 % d'ici 2010. Bien que ces réseaux soient très rentables à moyen et long terme, en particulier pour la ville dense, elles nécessitent environ 10 milliards d’euros d’investissement d'ici 2020, selon les professionnels[3].

Le Fonds Chaleur[4] créé en 2008 pour accompagner certains engagements du Grenelle Environnement (dont l'objectif d'atteindre 23 % d’énergie d’origine renouvelable avant 2020, dont plus de la moitié sous forme de chaleur), est un des outils d'accompagnement de l'évolution des réseaux de chaleur. La loi Grenelle II introduit un Schéma régional de raccordement au réseau des énergies renouvelables, devant respecter le nouveau Schéma régional climat air énergie [5].

Le plus gros réseau de chaleur en France est celui de Paris exploité par CPCU. CPCU, Compagnie Parisienne du Chauffage Urbain a été créée en 1927 par une société du baron Empain, également créateur du métro dans Paris. Actuellement détenu par la Ville de Paris et par COFELY, filiale de GDF SUEZ, le réseau fait 470 km de long, et chauffe l'équivalent de 460 000 logements, soit environ 1/3 des Parisiens. Le réseau utilise 43% d'énergies renouvelables et de récupération, et compte basculer à plus de 50% en 2015.

Représentation d'un réseau de chaleur

Produits[modifier | modifier le code]

Dans un premier temps, les tubes et pièces utilisés pour les réseaux de chaleur étaient fabriqués en acier : nous parlons de tubes de service. Les tubes de services peuvent aussi être fabriqués en cuivre, en plastique, en acier galvanisé.
Ensuite les tubes de services sont pré-isolés grâce à une mousse en polyuréthane (alliance entre le polyol et l’isocyanate). L’épaisseur de l’isolation est variable selon le diamètre du tube en acier.
Enfin, ils sont revêtus d’une gaine en polyéthylène haute densité (PEHD). Lorsque les réseaux sont « aériens », la gaine utilisée est une gaine SPIRO fabriquée à partir de zinc.
Le réseau est dit aller-retour. L'eau chaude étant transportée vers les bâtiments (canalisations en rouge sur l'image ci après) tandis que l'eau froide est renvoyée vers la chaufferie (canalisations en bleu).

En parallèle, il existe aussi des tubes pré-isolés en plastique, comme le PE-X et le PE-R couramment utilisés, ou encore le PB-1 (le polybutène). Ces tubes sont généralement isolés avec de la mousse polyuréthane ou polyéthylène(tube en PE-X ou PE-R), polyoléfine (tube en PB-1), eux aussi sont revêtus d'une gaine en PEHD. Leurs principaux avantages sont leur flexibilité par rapport au tube acier pré-isolé, et les grandes longueurs possibles, ce qui évite les nombreuses soudures des tubes aciers. Le tube PB-1 est le plus résistant en termes de tenue en température et pression. En effet, le tube PB peut être utilisé à une température continue de 95 °C à 8 bars de pression. L'avantage principal du tube PB est que celui-ci permet d’atteindre des vitesses de passage bien plus élevées que celles des tubes acier. L’inconvénient de nos jours est d'utiliser un tube en matériau de synthèse en "paramétrant" le réseau sur des cas "acier". Actuellement, un réseau de distribution enterré est devenu un système complet permettant de diminuer la facture de fourniture d’énergie pour les "abonnés" (les personnes raccordées) mais également d'apporter une importante contribution à la diminution d’émissions de gaz a effet de serre. La société Thermaflex (groupe Hollandais) et fabriquant des canalisations enterrées Flexalen a présenté à Tallinn en Estonie lors d'un symposium sur les réseaux de chauffage et de froid urbain, cinq documents cohérents sur l'optimisation des réseaux de distribution enterrés. Sa filiale Française Thermaflex France s'est placée en position de leader sur le marché Français du tube pré-isolé en fournissant des systèmes complet optimisés

Problématiques des réseaux[modifier | modifier le code]

Dilatation de l’acier[modifier | modifier le code]

Tuyaux d'un réseau de chaleur urbain

Après l’installation et le remplissage, le réseau est à température ambiante. Pendant son fonctionnement, la température du réseau peut atteindre les 109 °C, selon la législation française : on parle de dilatation thermique des éléments constituant le réseau.
La dilatation thermique des tuyauteries génère des mouvements sur les coudes et les branches. Nous devons réduire ces déplacements pour que la limite d’élasticité de l’acier ne soit pas atteinte. Les réseaux doivent être dimensionnés afin de ne pas dépasser la limite. Pour cela, nous devons connaître :

  • La profondeur du réseau sur la génératrice supérieure (point le plus haut) des tubes
  • La température extérieure au moment de l’installation du réseau
  • La température des fluides qui circuleront dans les tubes

Si la contrainte d’élasticité n’est pas prise en compte lors de la conception du réseau, il pourrait y avoir des anomalies (fuites, pertes thermiques, etc.). L’allongement des canalisations équivaut à 0,7 mm/m à 80 °C (soit environ 1 mm/m à 100 °C). Pour éviter que les longueurs ne soient trop importantes, nous effectuons des zones de compensation. Il existe plusieurs configurations possibles :

  • Lyre de dilatation : il s’agit de former un « U » avec des coudes. Facile à mettre en œuvre, les lyres ne nécessitent pas d’entretien.
  • Coude et baïonnette : Naturellement présents dans le tracé du réseau, notamment pour les changements de direction, ils permettent d’absorber une partie des dilatations.
  • Compensateur : Muni d’un soufflet, il peut être soit monocycle (mise en butée et soudure de blocage à mi température) ou multicycles (dimensionné pour 1000 cycles complets).
  • Points fixes : tubes muni d’une bride puis placés dans un ancrage en béton armé, servent à contraindre le déplacement de la tuyauterie dans le sens souhaité.
  • Coussins de dilatation : matelas de mousse qui permettent le déplacement des tubes dans les changements de direction.

Réalisation des joints[modifier | modifier le code]

Lorsque les tubes et autres éléments sont soudés entre eux. Il est indispensable de protéger les points de jonction. Cette étape consiste à poser un manchon (ou joint) thermo-rétractable puis de rétablir l’isolation en polyuréthane à l’intérieur du manchon. Cette phase est importante car elle permet d’éviter les pertes thermiques.

Géolocalisation[modifier | modifier le code]

Obligatoire dès le 1er juillet 2012[6], la géolocalisation permettra de situer les réseaux enterrés grâce à des marqueurs placés sur différents points. Les exploitants seront en mesure d’identifier et de surveiller tous les points sensibles : points fixes, piquage en charge, fonçage, etc.

Détection d’humidité[modifier | modifier le code]

Les tubes pré-isolés sont équipés de câbles en cuivre spécifiquement pour la détection d’humidité. Les câbles sont reliés lors de l’installation du réseau afin de former un circuit fermé. Les poseurs testent la continuité électrique après la pose de chaque manchon. Grâce à un détecteur, l’exploitant est alerté en cas de présence d’humidité.

Avantages des réseaux de chaleur[modifier | modifier le code]

Les réseaux de chaleur présentent des avantages importants par rapport à des solutions de production de chaleur décentralisées, notamment en matière d'efficacité énergétique, de maîtrise de l'énergie, et de diminution des émissions de gaz à effet de serre :

  • Récupération de l'énergie fatale en provenance de centrales d'incinération des déchets ou de procédés industriels.
  • Récupération de la chaleur issue d'unités de cogénération. C'est notamment le cas le plus fréquent pour la production de chaleur dans les pays scandinaves et d'Europe centrale. La cogénération a l'avantage, en termes d'intelligence énergétique, de présenter un rendement global de production de chaleur et d'électricité qui est supérieur à la production séparée d'électricité et de chaleur.
  • Unités de production de chaleur souvent plus performantes et mieux entretenues que des chaudières individuelles classiques.
  • Les réseaux de chaleur permettent une utilisation plus performante et plus respectueuse de l'environnement de la biomasse que les unités individuelles de combustion biomasse (meilleurs rendements et meilleurs procédés de traitement des fumées pour préserver la qualité de l'air environnante). Les réseaux de chaleur représentent de ce fait une solution peu coûteuse d'abattement d'émissions des gaz à effet de serre[7].
  • Stockage de l'énergie renouvelable électrique en excèdent, sous forme d'eau chaude, avec l'utilisation d'une pompe à chaleur (stratégie danoise)

Inconvénients des réseaux de chaleur[modifier | modifier le code]

Efficaces lorsqu'il s'agit de transporter de l'énergie fatale, ils ne le sont pas lorsqu'ils transportent une autre énergie. En effet, nous devons faire face à un problème de "perte de charge" qui entraine un rendement très inférieur à 1, contrairement au gaz naturel par exemple. Bref, transporter de la chaleur produite à partir d'une source d'énergie de type Gaz naturel, Biogaz ou bien Fioul est bien mois performant que l'utilisation directe en distribution décentralisée. En effet, le bilan CO2 sera d'autant moins bon que les chaudières actuelles ont toutes un rendement supérieur à 0.95. Cependant, les réseaux de chaleur sont un des meilleurs de moyens de diffuser massivement des énergies renouvelables (par exemple, via l'utilisation de la biomasse). Dans un tel cas, la réduction des émissions de CO2 peut être particulièrement intéressante[8]

Illustrations[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Comment fonctionne un réseau de chaleur ; animation au format SWF.
  2. Enquête 2008 du SNCU, réalisée sous l'égide du Service de l’observation et des statistiques du MEEDDM
  3. Patrick de Beaurepaire, délégué général de la FEDENE
  4. Fonds chaleur, présenté par l'ADEME (consulté 2008 12 01)
  5. Loi grenelle II, voir p. 103/308
  6. Arrêté du 15 février 2012 pris en application du chapitre IV du titre V du livre V du code de l'environnement relatif à l'exécution de travaux à proximité de certains ouvrages souterrains, aériens ou subaquatiques de transport ou de distribution
  7. Prévot, H., & Orselli, J. (2006). Les réseaux de chaleur. Rapport pour le ministère de l'économie et de l'industrie. Paris, France.
  8. Énergies et matières renouvelables, sur le site ademe.fr, consulté le 18 février 2013

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]