Réseau de chaleur

Un réseau de chaleur (également appelé réseau de chauffage urbain, réseau de chauffage à distance) est une installation distribuant à plusieurs utilisateurs clients de la chaleur produite par une ou plusieurs chaufferie(s), via un ensemble de canalisations de transport de chaleur. La chaleur ainsi distribuée est principalement utilisée pour le chauffage des bâtiments et de l'eau chaude sanitaire ; certains réseaux fournissent également de la chaleur à usage industriel.

Le réseau de chaleur est donc un système de chauffage à l'échelle urbaine (par opposition au chauffage à l'échelle des bâtiments, dans lequel la chaleur est produite in situ, au niveau du bâtiment utilisateur ou à proximité immédiate).

Principe technique

Description d'ensemble

Schéma de principe du réseau de chaleur

Un réseau de chaleur classique se compose de trois éléments :

• la chaufferie (il peut y en avoir plusieurs sur un même réseau, mais elles restent en nombre limité) : c'est le lieu où est produite la chaleur qui circule dans le réseau
• les canalisations de transport et distribution : ce sont des conduites qui transportent la chaleur à l'aide d'un fluide caloporteur, très généralement de l'eau sous forme liquide, parfois sous forme de vapeur
• les sous-stations : il s'agit des points de livraison de la chaleur. Elles matérialisent l'interface entre le réseau de chaleur et le bâtiment. En aval des sous-stations peuvent exister des réseaux de distribution dits "secondaires" ; ils font généralement partie des installations des bâtiments, et non des installations du réseau de chaleur.

Les chaufferies

Il existe de nombreux types de chaufferies, qui peuvent varier par leur puissance et par les énergies qu'elles exploitent.

Les énergies utilisées

La chaleur peut être produite à partir de très nombreuses sources. Les énergies suivantes sont les plus fréquemment utilisées par les réseaux de chaleur :

• gaz naturel
• fioul
• charbon
• biomasse, généralement sous forme de bois-énergie
• géothermie
• chaleur de récupération (ou chaleur fatale) issue de la valorisation énergétique des déchets

La part des sources d'origine fossile a tendance à diminuer, au profit des énergies renouvelables et de récupération. Le mix énergétique dépend toutefois de chaque réseau, et les situations peuvent également être très différentes d'un pays à un autre.

Description d'une chaufferie

Chaufferie bois

Une chaufferie se présente généralement sous la forme d'un bâtiment dédié (mais il existe des chaufferies intégrées à des immeubles dont la fonction principale est différente).

A l'intérieur de ce bâtiment, dont les caractéristiques techniques et architecturales (cheminées, stockage de combustible, accessibilité par les réseaux de gaz ou la voirie...) peuvent varier selon les énergies utilisées, se trouvent une ou plusieurs chaudières.

La chaudière est l'unité technique qui produit la chaleur. Il peut s'agir d'une chaudière à combustible (gaz, charbon, fioul, bois...). Par abus de langage, on désigne également parfois par chaudière les unités de production de chaleur par captation/récupération, soit depuis un forage géothermique, soit via un échangeur pour la valorisation de chaleur fatale.

Les installations produisant des fumées sont équipées de systèmes de traitement perfectionnés et contrôlés, ce qui permet de réduire fortement leur impact sur la qualité de l’air par rapport à des systèmes individuels pour lesquels ce genre de traitement est trop coûteux.

Généralement, un réseau comporte une chaudière principale qui fonctionne en continu et une chaudière d’appoint utilisée en renfort pendant les heures de pointe, ou en remplacement lorsque cela est nécessaire. Mais d'autres combinaisons sont possibles, selon les énergies utilisées, les caractéristiques des besoins, etc.

La cogénération

Certaines chaufferies de réseaux de chaleur produisent à la fois de la chaleur et de l'électricité : c'est la cogénération. La cogénération permet d'améliorer le rendement global du système (par rapport à des productions séparées d'électricité et de chaleur). Elle permet par ailleurs de contribuer au renforcement et à la décentralisation des capacités de production électrique.

Le réseau de distribution

Les canalisations

Canalisations en cours de pose dans une tranchée

Les canalisations transportent et distribuent la chaleur par un fluide caloporteur (eau chaude ou vapeur). Il s'agit de conduites le plus souvent en acier entouré d'une couche d'isolant (mousse de polyuréthane), elle-même revêtue d'une gaine en polyéthylène haute densité. Il existe également des conduites en plastique, moins isolées mais pouvant être installées plus facilement grâce à leur flexibilité et l'absence de soudures à réaliser sur les chantiers.

Dans le cas général, un circuit aller transporte le fluide chaud issu de la chaufferie, et un circuit retour ramène le fluide, qui s’est délesté de ses calories au niveau de la sous-station d’échange. Le fluide est alors à nouveau chauffé par la chaufferie, puis renvoyé dans le circuit. C'est la raison pour laquelle on trouve deux tuyaux parallèles dans les tranchées.

Certains réseaux ont des organisations différentes (pas de sens retour, donc réseau ne fonctionnant pas en circuit fermé), boucles multiples permettant de desservir plusieurs types de quartiers avec des régimes de température différents...

Tunnel de chauffage urbain, sous le Rhin à Cologne

La pose des canalisations peut se faire en caniveau enterré, ce qui permet une protection mécanique et minimise les effets dus à l’humidité par ventilation de ces caniveaux. Dans certaines villes, les canalisations sont placées dans des galeries souterraines multi-réseaux. Mais dans le cas général, la pose se fait en tranchée, solution nécessitant que les gaines soient entourées d’un film protecteur contre l’humidité et quelles soient installées à une profondeur suffisante afin d’absorber les efforts de la surface. Plus rarement, les canalisations sont fixées en aérien, sur des bâtiments ou des ouvrages (technique utilisée notamment pour le franchissement de cours d'eau). Le coût de pose d’un mètre de réseau est de l’ordre de 1000 à 2000€. Ce coût dépend bien sûr en réalité de très nombreux facteurs liés à chaque projet.

On distingue différents régimes de température pour le fluide qui circule dans les canalisations ; les principaux sont :

• Le réseau eau chaude, à une température comprise entre 60° et 110°C (ordre de grandeur). Il est généralement prévu pour les groupes d’immeubles d’habitation ou de bureaux, ou encore les hôpitaux et établissements industriels qui ne consomment pas de vapeur.
• Le réseau eau surchauffée, à une température comprise entre 110°C et 180°C (ordre de grandeur). Il est principalement utilisé dans les réseaux de grande envergure qui alimentent des bâtiments nécessitant des températures élevées (laveries, abattoirs, industries textiles…).
• Le réseau vapeur, à une température autour de 200°C à 300°C. Son utilisation est de plus en plus limitée. Il est présent essentiellement pour la fourniture de chaleur industrielle.

Les sous-stations

Sous-station de réseau de chaleur

Situées en pied d’immeuble, elles permettent le transfert de chaleur par le biais d’un échangeur entre le réseau de de chaleur et le réseau de distribution interne de l'immeuble ou du petit groupe d’immeubles.

Les sous-stations n'accueillent généralement pas de combustion (sauf sous-station servant également d'unité d'appoint pour la production de chaleur), ce qui élimine toutes les nuisances liées à la combustion (bruit, impact sur la qualité de l'air, risques explosifs...).

La sous-station est en général équipée d'un compteur de chaleur, permettant de connaître la consommation d'énergie du bâtiment qui lui est rattaché, donnée nécessaire à la facturation.

Histoire et innovations

Les réseaux de chaleur existent depuis l'Antiquité, mais les réseaux modernes, correspondant au fonctionnement actuel, datent du vingtième siècle.

Historique des réseaux de chaleur

Époque antique et médiévale

Dans l'Antiquité, on pouvait utiliser des sources d'eau chaude pour alimenter des thermes ou apporter de la chaleur dans un ensemble de logements. Le principe technique du réseau de chaleur, assez rudimentaire, existait donc déjà.

En France, on considère que le premier réseau de chaleur date du XIVème siècle : dans le village de Chaudes-Aigues, un ensemble de maisons était chauffé à l'aide d'un réseau de chaleur géothermique.

Époque moderne

Les réseaux de chaleur de grande ampleur tels qu'on les connait aujourd'hui se sont développés à la fin du XIXème siècle et au début du XXème siècle.

Le premier réseau de chaleur moderne, encore en service aujourd'hui, est celui de la ville de New York, mis en service en 1882 par la New York Steam Company, depuis intégrée à Consolidated Edison.

Le développement des réseaux de chaleur en Europe a suivi les développements aux États-Unis. Dans la plupart des pays européen où les réseaux se sont développés, on retrouve quatre grandes périodes : au début du XXème siècle, des réseaux de chaleur sont mis en place dans les villes les plus importantes, à la fois par leur population et leurs besoins de chauffage. Après la deuxième guerre mondiale, la reconstruction s'accompagne de grands programmes urbains, qui intègrent parfois des réseaux de chaleur. La troisième période est une réponse aux chocs pétroliers, dans les années 1980, avec la volonté de réduire la dépendance aux énergies fossiles pour des raisons économiques. Et enfin la période actuelle, qui a commencé plus ou moins tôt selon les pays, s'inscrit dans les politiques de lutte contre le changement climatique et développement des énergies renouvelables.

Les réseaux de chaleur se sont également fortement développés sous le régime soviétique en URSS. Ainsi, les pays de l'ex-URSS rassemblent aujourd'hui à eux seuls plus de la moitié de la puissance installée au niveau mondial. Les installations sont toutefois souvent vétustes, avec d'importants problèmes d'efficacité énergétique.

Innovations, évolutions attendues

Une place plus importante dans le paysage énergétique

Les réseaux de chaleur sont considérés par plusieurs pays comme un outil permettant de développer l'utilisation des énergies renouvelables et de récupération dans le chauffage des bâtiments. A titre d'illustration, l'Europe leur confie un rôle important dans sa politique énergétique et climatique.

Leur place dans le paysage énergétique de ces pays est donc amenée à se renforcer. En France par exemple, il représentaient environ 6% du chauffage en 2007, pour 2 millions d'équivalents-logements. L'objectif à 2020 fixé dans le cadre du Grenelle de l'environnement est de multiplier par 3 cette quantité d'équivalents-logements, tout en augmentant significativement la part des énergies renouvelables.

Des réseaux optimisés pour l'efficacité énergétique

Afin de limiter les pertes de chaleur, les réseaux évoluent. Leurs régimes de température diminuent (réseaux basse température à 60-80°C dans le sens aller, contre 90-110°C pour les réseaux à eau chaude classiques). Ceci permet par ailleurs d'améliorer la compatibilité des réseaux de chaleur avec les quartiers neufs, dont les besoins de chaleur sont plus faibles.

Les réseaux peuvent s'équiper de systèmes d'ajustement dynamique, capable de moduler la température de départ du fluide caloporteur en fonction des conditions météorologiques réelles. D’autres paramètres, comme les appels de puissance des usagers mesurés en temps réel, ou anticipés à partir de mesures passées, peuvent aussi être intégrés pour moduler plus finement la température.

Les réseaux de chaleur fonctionnent la majorité du temps à débit variable alors que les pompes qui les alimentent sont la plupart du temps entraînées par des moteurs à vitesse constante. On peut diminuer de près de 50% les consommations électriques en couplant aux moteurs un variateur électronique. Celui-ci permet d’abaisser la vitesse des pompes à pression constante. Le point de fonctionnement de la pompe est donc optimisé.

Stockage thermique

Stockage de chaleur sur le réseau de Chemnitz

Le stockage d'énergie sous forme de chaleur est basé sur des technologies matures et maîtrisées. Il est donc possible de coupler les réseaux de chaleur à des systèmes de stockage.

Certaines sources de chaleur produisent toute l’année, sans qu’il soit possible d’arrêter la production ou sans que cela présente un intérêt économique ou environnemental. C’est par exemple le cas de la chaleur de récupération des UIOM ou des data-centers, ou de l’énergie produite par les panneaux solaires.

L’excédent de chaleur produit en été peut être stocké puis utilisé en période hivernale. Inversement, on peut emmagasiner du froid en hiver pour rafraîchir des bâtiments en été. Le stockage peut se faire dans des silos d’eau, dans le sous-sol, dans de la glace...

Le stockage peut être journalier (effacement des pics horaires), hebdomadaire (équilibrage entre les différents jours de la semaine), ou inter-saisonnier (stockage d'énergie en été pour la consommer en hiver).

Le stockage sur réseau de chaleur est déjà développé dans certains pays d'Europe (Danemark, Allemagne, Suède...).

Nouvelles sources d'énergie

Une des particularités des réseaux de chaleur est leur capacité à exploiter un large panel de sources énergétiques. Au delà des énergies fossiles classiques et des énergies renouvelables et de récupération aujourd'hui dominantes (bois, géothermie, chaleur fatale d'UIOM), d'autres gisements peuvent être mobilisés. Par exemple :

• l'énergie solaire, captée par des panneaux solaires thermiques ; cette énergie est déjà exploitée par les réseaux de chaleur dans quelques pays comme le Danemark, mais elle l'est beaucoup moins dans d'autres pays tels que la France (un seul réseau utilise cette énergie en 2014)
• la géothermie superficielle, avec utilisation de pompe à chaleur
• la chaleur ou le froid des océans, mers, lacs et cours d'eau
• la chaleur issue de la climatisation des data-centers
• la chaleur rejetée par les centrales nucléaires
• la chaleur produite par des bâtiments à énergie positive ou récupérée dans les réseaux d'assainissement
• etc.

De façon plus anecdotique, mais illustrant la capacité d'adaptation des réseaux de chaleur, quelques réseaux en Suède et en Suisse récupèrent la chaleur issue de crématoriums.

Pour en savoir plus :

• Les nouvelles sources d’énergie pour les réseaux de chaleur

Smart Grid thermique

Si le concept de smart grid ou réseau intelligent est souvent associé au réseau électrique, il s'applique également aux réseaux de chaleur.

La combinaison d'un grand nombre de sources d'énergie, fonctionnant avec des régimes temporels différents, des puissances différentes, un caractère de plus en plus diffus sur les villes (augmentation du nombre de points de production/captation de chaleur) renforce le besoin pour le réseau d'être capable d'adapter son fonctionnement en temps réel.

Pour cela, les réseaux s'équipent de capteurs communicants, de sous-stations intelligentes, de régulateurs, le tout étant interconnecté avec les bâtiments (eux-mêmes de plus en plus intelligents), les capteurs météorologiques, les unités de stockage d'énergie, et les autres réseaux d'énergie (électricité, gaz).

Le smart grid thermique permet ainsi d'augmenter son efficacité énergétique globale et d'optimiser la part des énergies les plus vertueuses (locales, renouvelables, économiques) dans son mix énergétique.

Pour en savoir plus sur les innovations des réseaux de chaleur :

• District Heating & Cooling - A vision towards 2020 - 2030 - 2050 (DHC+)
• Fiches innovation (Cerema)

Avantages et inconvénients des réseaux de chaleur

Avantages

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 mobilisation des énergies renouvelables et locales, et de diminution des émissions de gaz à effet de serre :

• Centralisation de la production de chaleur à l'échelle urbaine, dans des chaufferies industrielles performantes, entretenues, surveillées
• Centralisation des nuisances liées à cette production de chaleur, permettant de les traiter plus facilement que lorsqu'elles sont diffuses sur la ville, à l'échelle de chaque bâtiment
• Mobilisation de gisements d'énergie renouvelable difficiles à exploiter en zone urbaine à l'échelle des bâtiments : géothermie, bois, chaleur fatale de l'industrie ou des centrales d'incinération des déchets...
• Fonctionnement en cogénération. C'est notamment le cas le plus fréquent pour la production de chaleur dans les pays scandinaves et d'Europe centrale.

Les réseaux de chaleur permettent également de réduire les risques encourus par les territoires qu'ils desservent face à l'évolution du paysage énergétique mondial. D'une part ils facilitent la mobilisation de ressources énergétiques locales, d'autre part ils réduisent la part variable des factures, ces dernières étant dominées par l'amortissement des installations (part fixe, non sujette à la volatilité du prix des énergies).

Inconvénients

Les réseaux de chaleur sont des installations qui représentent un investissement initial important, plus que les autres réseaux d'énergie (infrastructures plus lourdes). Le risque économique est donc à considérer sur une longue période.

Pour cette raison, les réseaux de chaleur ne peuvent être déployés partout : les besoins de chaleur, rapportés au mètre de réseau installé (canalisations) et au watt de puissance installée (chaufferie), doivent être suffisants pour garantir que les revenus tirés des ventes de chaleur et des abonnements couvriront les coûts, sur la période d'amortissement. Les zones les plus propices sont donc celles qui présentent une certaine densité thermique (quantité de chaleur consommée par mètre de canalisation déployé). Pour identifier ces zones, des études de cartographie territoriale de chaleur peuvent être menées ; la directive européenne relative à l'efficacité énergétique (2012) l'impose à tous les États-membres de l'Union européenne.

Les réseaux de chaleur sont par ailleurs des systèmes locaux, à adapter à chaque territoire. C'est un atout dans le sens où cela leur permet d'intégrer les spécificités locales, mais également un inconvénient dans la mesure où cela rend l'initiative et la réalisation des projets plus complexes, par rapport aux autres réseaux d'énergie dont les modèles sont davantage uniformisés au sein d'un pays.

Acteurs des réseaux de chaleur

A l'échelle d'un réseau

Les réseaux de chaleur sont, à l'inverse des réseaux électriques ou gaziers, des réseaux d'énergie fortement décentralisés. La chaleur n'étant pas transportable sur de très longues distances, les réseaux de chaleur n'ont en effet jamais été rassemblés dans des réseaux nationaux, comme ont pu l'être les réseaux de gaz et d'électricité.

Il en résulte une organisation des acteurs différente.

Dans la plupart des pays, les réseaux de chaleur sont le résultat d'initiatives des villes, ou d'entités dépendant des villes (agences locales, entreprises publiques locales, "utilities" anglo-saxonnes...). La réalisation et l'exploitation du réseau peuvent être réalisées par la ville elle-même, ou bien par une entreprise qui agit pour son compte, dans le cadre d'une mission de service public. Le cadre dépend à la fois du contexte légal de chaque pays, et des choix réalisés au niveau local par chaque collectivité.

Il existe également des réseaux d'initiative privée, qui peuvent émaner d'un opérateur, ou bien d'usagers regroupés à travers une association ou une coopérative.

Acteurs nationaux et supra-nationaux

On distingue différentes catégories d'acteurs nationaux ou supra-nationaux :

• les pouvoirs publics étatiques ou fédéraux, qui fixent les orientations des pays en matière de développement des réseaux de chaleur, et déterminent le cadre légal ou de soutien financier pour la mise en œuvre de la politique
• les grands groupes énergéticiens, qui possèdent des filiales spécialisés dans les réseaux de chaleur
• les associations qui regroupent différents types d'acteurs : associations de collectivités (exemple : AMORCE en France), associations d'entreprises de la filière (exemples : SNCU en France, Euroheat & Power en Europe, International District Energy Association aux Etats-Unis), associations multi-acteurs (exemple : Danish Board of District Heating au Danemark)

Les réseaux de chaleur dans différents pays

En France

Les réseaux de chaleur se sont essentiellement développés en France après 1950 (même si les deux plus importants réseaux français, celui de Paris et celui de Grenoble, sont plus anciens).

Aujourd’hui, ils apparaissent comme un moyen d’utiliser massivement certaines énergies renouvelables comme la biomasse et la géothermie. Les environ 480 réseaux de chaleur (et de froid) recensés en France desservent 2,3 millions d’équivalents-logements (environ 2 millions de tonnes équivalent pétrole), dont 2/3 dans le secteur résidentiel. Présents dans les zones urbaines denses, les réseaux de chaleur français sont alimentés à 38% par des énergies renouvelables et de récupération. Afin de contribuer à la transition énergétique nationale, ils doivent faire l'objet de forts développements, tant sur la quantité de bâtiments raccordés que sur la part des énergies renouvelables et de récupération. Des outils de soutien ont ainsi été mis en place par l’État (subvention par le Fonds chaleur, amélioration du cadre juridique...) afin de faciliter les initiatives locales.

Le plus gros réseau de chaleur en France est celui de Paris exploité par la Compagnie Parisienne du Chauffage Urbain (CPCU) créée en 1927. Actuellement détenu par la Ville de Paris et par Cofely, le réseau fait 470 km de long, et chauffe l'équivalent de 460000 logements, soit environ 1/3 des Parisiens. Il est alimenté à plus de 40% par des énergies renouvelables et de récupération, avec l'objectif de dépasser les 50% à partir de 2015.

En savoir plus sur les réseaux de chaleur en France :

• Enquête nationale annuelle du chauffage urbain et de la climatisation urbaine (SNCU pour le compte du MEDDE)
• Fiche découverte : les réseaux de chaleur en France (Cerema)
• Fiche découverte : enjeux du développement des réseaux de chaleur en France (Cerema)
• Carte interactive : localisation et contenu CO2 des réseaux de chaleur français (Cerema / MEDDE)
• Cartes interactives : les réseaux de chaleur en Ile-de-France (DRIEE Ile-de-France)

En Suède

Avec une part de 50% dans le bouquet énergétique national (2011), la Suède est très en avance sur le développement des énergies renouvelables et de récupération par rapport aux autres pays d'Europe. Les réseaux de chaleur y sont également beaucoup plus développés que dans la plupart des pays. C’est le principal mode de chauffage dans 240 des 290 communes en Suède (toutes les communes de plus de 10000 habitants sont équipées d'un réseau de chaleur).

Les énergies renouvelables et de récupération représentent 75% du mix énergétique des réseaux de chaleur suédois, qui ont distribué en 2012 environ 50 TWh soit 4,5 MTep. Si l’on rapporte en moyenne au nombre d’habitants, les réseaux de chaleur distribuent 0,45 tep/hab en Suède, contre 0,03 tep/hab en France. Les réseaux de chaleur en Suède desservent 60% de logements, 30% pour le secteur des services et 10% d’industries.

Les réseaux de chaleur suédois sont détenus et exploités par des organismes entièrement publics (liés aux villes).

Au Danemark

Les réseaux de chaleur se sont fortement développés au Danemark, depuis les prémisses au XIXème siècle et le premier réseau moderne du pays en 1903.

Dès les années 1980, ils ont été intégrés à la planification énergétique locale, avec la possibilité pour les collectivités de définir un zonage de leur territoire fixant les modes de desserte énergétique.

Les réseaux de chaleur danois fournissent aujourd'hui plus de 60% des besoins de chauffage du pays, et sont alimentés à plus de 50% par des énergies renouvelables et de récupération. Le Danemark est aujourd'hui un des pays les plus en pointe en matière de réseaux de chaleur, que ce soit pour les innovations technologiques ou leur intégration dans les politiques d'aménagement et d'énergie.

En savoir plus sur les réseaux de chaleur au Danemark :

• DHC in Denmark (DBHD)

Aux États-Unis

Alors même que le chauffage urbain moderne est né aux États-Unis, les réseaux de chaleur ne couvrent aujourd’hui que 4% des besoins de chauffage du pays. Ils ont été conçus par les Electric Utilities américaines à la fin du XIXème comme des moyens d’utiliser la chaleur fatale perdue lors de la production d’électricité.

Le secteur commercial ainsi que les campus universitaires sont les principaux utilisateurs des réseaux de chaleur américains.

Alors que les initiatives publiques sont majoritaires en Europe, aux Etats-Unis, la propriété et la responsabilité incombent plus largement aux entreprises privées. Cependant, un nombre croissant de villes, seules à avoir une vision de long terme, sont impliquées dans les nouveaux projets de réseaux fortement capitalistiques.

Certaines politiques fédérales ou étatiques peuvent soutenir indirectement les réseaux via le soutien de la cogénération, à laquelle ils sont très souvent associés. Le soutien direct aux réseaux de chaleur en revanche est peu développé.

L’International District Energy Association milite pour obtenir davantage de politiques de soutien fédérales pour les réseaux de chaleur en mettant en avant la capacité des réseaux à mobiliser massivement les énergies renouvelables et de récupération, se rapprochant ainsi de la logique franco-européenne.

En savoir plus sur les réseaux de chaleur aux États-Unis :

• International District Energy Association Association américaine des réseaux de chaleur et de froid
• Analyse comparative de la situation des réseaux de chaleur et de froid en France et aux États-Unis

Annexes

Articles connexes

• Chaufferie
• Cogénération
• Économies d'énergie
• Énergie renouvelable
• Galerie technique
• Réseau de froid

Liens externes

• Réseaux de chaleur (présentation) (Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie)
• Centre de ressources "Réseaux de Chaleur et Territoire" (Cerema)