Décarbonation des réseaux de chaleur : stratégies et technologies pour la transition énergétique

Les réseaux de chaleur peuvent jouer un rôle important dans la décarbonation de notre approvisionnement énergétique. Mais un réseau de chaleur n’est pas automatiquement durable.

Son impact réel en matière de CO₂ dépend en grande partie des sources d’énergie qui l’alimentent, des températures auxquelles il fonctionne, de l’efficacité de la distribution et de la manière dont la production et la consommation de chaleur sont mises en adéquation.

De nombreux réseaux de chaleur existants ont initialement été développés autour d’une production centralisée utilisant des combustibles fossiles et des températures de réseau relativement élevées.

Le défi des prochaines décennies est donc double : concevoir les nouveaux réseaux de chaleur et de froid de manière aussi efficace et flexible que possible, tout en transformant progressivement les réseaux existants vers des sources d’énergie bas carbone.

La chaleur fatale, la géothermie, les grandes pompes à chaleur, le stockage thermique et l’électricité renouvelable offrent différentes possibilités pour y parvenir.

Que signifie la décarbonation d’un réseau de chaleur?

La décarbonation consiste à réduire progressivement les émissions de CO₂ liées à la production et à la distribution de chaleur. Dans un réseau de chaleur, cela peut se faire de différentes manières. La démarche la plus évidente consiste à remplacer la production de chaleur fossile par des sources d’énergie présentant un impact carbone plus faible.

Mais cela ne suffit pas. Le réseau lui-même doit également évoluer afin de permettre l’intégration efficace de nouvelles sources d’énergie. Cela signifie notamment :

• réduire les températures du réseau lorsque cela est possible
• limiter les pertes thermiques
• optimiser l’hydraulique
• intégrer plusieurs sources de chaleur
• utiliser le stockage thermique
• mettre en place une régulation intelligente et du monitoring
• et concevoir une infrastructure permettant de futures adaptations

La décarbonation n’est donc pas une technologie isolée, mais une transformation de l’ensemble du système énergétique.

Pourquoi les réseaux de chaleur sont-ils intéressants pour la transition énergétique ?

Un système de chauffage individuel est généralement lié à un seul bâtiment. Un réseau de chaleur relie au contraire différents producteurs et consommateurs de chaleur. Cela offre un avantage important. L’énergie disponible à un endroit peut être utilisée ailleurs.

Une entreprise industrielle peut par exemple produire de la chaleur fatale alors qu’un quartier résidentiel voisin a besoin de chauffage. Un data center doit évacuer continuellement de la chaleur tandis que des bureaux, logements ou un hôpital situés à proximité présentent une demande thermique.

Une source géothermique peut alimenter plusieurs bâtiments simultanément. Le réseau de tuyauteries permet de relier ces différents flux énergétiques. Un réseau de chaleur peut ainsi évoluer d’un système classique de production centralisée vers une plateforme d’échange et de distribution d’énergie thermique.

Stratégie 1 : réduire la température du réseau

L’une des principales évolutions des réseaux de chaleur modernes est le passage à des températures aller et retour plus faibles. Cela présente plusieurs avantages. Plus la température du fluide est faible par rapport à celle de l’environnement, plus les pertes thermiques potentielles pendant la distribution peuvent être réduites.

Mais surtout, des températures de réseau plus basses facilitent l’intégration de sources de chaleur bas carbone. Une grande partie de la chaleur renouvelable ou récupérée est en effet disponible à des températures relativement faibles. C’est notamment le cas de :

• la chaleur fatale des data centers
• la chaleur fatale industrielle
• les eaux de surface
• les eaux usées
• la géothermie
• et d’autres sources de chaleur environnementale

Plus la température nécessaire dans le réseau est basse, moins cette chaleur doit être rehaussée avant de pouvoir être utilisée .

Des réseaux de troisième génération aux réseaux de quatrième et cinquième génération

L’évolution vers des températures plus faibles est souvent décrite au travers des différentes générations de réseaux de chaleur. Les réseaux traditionnels fonctionnaient avec des températures relativement élevées.

Les réseaux de chaleur de quatrième génération fonctionnent à des températures plus basses et sont conçus pour faciliter l’intégration des énergies renouvelables, de la chaleur fatale et de systèmes de production plus efficaces. Les réseaux de chaleur et de froid de cinquième génération vont encore plus loin.

Ils peuvent fonctionner à très basse température et relier entre eux producteurs et consommateurs de chaleur et de froid. Les bâtiments peuvent alors non seulement prélever de l’énergie, mais également, dans certaines conditions, injecter de l’énergie thermique dans le réseau. Le système énergétique devient ainsi beaucoup plus dynamique.

Stratégie 2 : valoriser la chaleur fatale industrielle

L’industrie constitue une source potentielle de chaleur particulièrement intéressante. De nombreux procédés industriels génèrent de la chaleur qui ne peut pas être entièrement réutilisée au sein du processus.

Lorsque cette chaleur est disponible en quantité suffisante et relativement proche d’utilisateurs potentiels, elle peut être valorisée via un réseau de chaleur. Cela peut notamment être intéressant dans :

• l’industrie alimentaire
• l’industrie chimique
• les processus de production
• le traitement des déchets
• les installations frigorifiques
• et d’autres processus générant un flux thermique relativement continu

La faisabilité technique dépend notamment de la température, de la puissance disponible, du nombre d’heures de fonctionnement, de la distance et de la continuité de la source de chaleur. Une bonne analyse du potentiel est donc essentielle.

Stratégie 3 : utiliser la chaleur fatale des data centers

Les data centers constituent eux aussi une source de chaleur de plus en plus intéressante. Les serveurs produisent continuellement de la chaleur qui doit être évacuée par les systèmes de refroidissement. Au lieu de rejeter directement cette énergie dans l’air extérieur, elle peut, dans certaines conditions, être récupérée.

Des échangeurs de chaleur et, si nécessaire, de grandes pompes à chaleur permettent de rehausser sa température avant son injection dans un réseau de chaleur local. On crée ainsi un lien direct entre data center cooling et district heating. La chaleur qui doit être évacuée dans un processus devient une source d’énergie pour une autre application.

Cette approche peut être particulièrement intéressante dans les zones où data centers, industries et bâtiments présentant une forte demande en chaleur sont relativement proches les uns des autres.

Stratégie 4 : intégrer la géothermie

La géothermie utilise la chaleur provenant du sous-sol et peut constituer une source d’énergie stable pour les réseaux de chaleur. Contrairement à l’énergie solaire, la chaleur géothermique ne dépend ni du moment de la journée ni des conditions météorologiques.

Selon la profondeur et les conditions géologiques, différents niveaux de température peuvent être disponibles. Dans le cas de la géothermie profonde, de l’eau chaude est pompée depuis le sous-sol.

Cette eau peut être fortement minéralisée et imposer des exigences particulières aux échangeurs de chaleur, aux tuyauteries et aux autres composants de l’installation. Le choix des matériaux et la résistance à la corrosion deviennent alors particulièrement importants.

Stratégie 5 : utiliser de grandes pompes à chaleur

Les grandes pompes à chaleur constituent l’une des principales technologies permettant de valoriser des sources de chaleur à basse température dans un réseau de chaleur. Elles peuvent extraire de l’énergie de différentes sources, notamment :

• l’air extérieur
• les eaux de surface
• les eaux souterraines
• les eaux usées
• le sol
• la chaleur fatale industrielle
• les data centers
• ou d’autres processus de refroidissement

À l’aide d’électricité, cette chaleur est ensuite portée à un niveau de température plus élevé. Plus l’écart de température que la pompe à chaleur doit franchir est faible, plus son efficacité peut généralement être favorable. C’est pourquoi les grandes pompes à chaleur et les réseaux de chaleur basse température vont souvent de pair.

Relier de plus en plus étroitement électricité et chaleur

Avec le développement de l’éolien et du solaire, la production d’électricité devient de plus en plus variable. À certains moments, d’importantes quantités d’électricité renouvelable peuvent être disponibles alors que la demande reste relativement faible. Les systèmes de chaleur peuvent contribuer à exploiter cette flexibilité.

Les grandes pompes à chaleur permettent de transformer l’électricité en chaleur utile. Dans certaines conditions, des chaudières électriques peuvent également être utilisées pour convertir directement l’électricité en chaleur. Cette interconnexion entre différents secteurs énergétiques est souvent appelée sector coupling.

Les réseaux de chaleur peuvent ainsi non seulement distribuer de la chaleur, mais également contribuer à créer de la flexibilité dans l’ensemble du système énergétique.

Stratégie 6 : stocker l’énergie thermique

La production et la demande de chaleur n’ont pas toujours lieu au même moment. Le stockage thermique permet de mieux gérer ce décalage. Une source de chaleur peut par exemple produire de l’énergie lorsqu’elle est disponible ou économiquement intéressante, tandis que cette chaleur ne sera utilisée que plus tard.

Il existe différentes formes de stockage thermique.

Stockage à court terme

Des ballons tampons peuvent stocker de la chaleur pendant plusieurs heures ou plusieurs jours. Ils permettent d’absorber les pics de production et de consommation et d’améliorer le fonctionnement des sources de chaleur.

Stockage saisonnier

Des systèmes de stockage de plus grande capacité peuvent conserver l’énergie pendant de longues périodes. La chaleur disponible pendant l’été peut ainsi, par exemple, être utilisée plus tard pendant la saison de chauffage.

Selon le projet, de grands réservoirs d’eau, des systèmes de stockage souterrain ou d’autres technologies de stockage thermique peuvent être utilisés. Le stockage thermique rend le réseau plus flexible et peut permettre de valoriser une part plus importante de sources d’énergie variables ou renouvelables.

Stratégie 7 : combiner différentes sources de chaleur

Un réseau de chaleur conçu pour l’avenir ne doit pas nécessairement dépendre d’une seule source d’énergie. Au contraire.
La combinaison de plusieurs sources peut augmenter la flexibilité et la sécurité d’exploitation. Un réseau peut par exemple utiliser :

Charge de base
Géothermie ou chaleur fatale industrielle disponible en continu.

Production variable
Solaire thermique ou flux de chaleur fatale disponibles ponctuellement.

Rehaussement de température
Grandes pompes à chaleur.

Flexibilité
Stockage thermique.

Puissance de pointe ou appoint
Une source de chaleur complémentaire pour les situations exceptionnelles.

La combinaison optimale dépend de la situation locale.

La décarbonation des réseaux de chaleur constitue donc par définition un défi spécifique à chaque projet.

Toutes les sources de chaleur ne doivent pas nécessairement avoir la même température

Lorsque plusieurs sources de chaleur sont combinées, elles ne présentent pas nécessairement le même niveau de température. Une source industrielle peut par exemple fournir de la chaleur à haute température, tandis qu’un data center met à disposition une grande quantité de chaleur à un niveau plus faible. Le réseau doit donc être suffisamment flexible.

Les échangeurs de chaleur, les pompes à chaleur, le stockage et une régulation intelligente permettent de combiner ces différents flux énergétiques. Plus la température nécessaire du réseau est faible, plus le nombre de sources pouvant être intégrées directement ou avec un rehaussement limité est généralement important.

La décarbonation commence donc également chez les utilisateurs

Un réseau de chaleur ne peut réduire sa température que si les bâtiments raccordés sont capables de fonctionner avec ces températures plus faibles. Les installations secondaires doivent donc également être prises en compte.

Les bâtiments équipés de systèmes de chauffage basse température correctement dimensionnés peuvent fonctionner avec des températures aller plus faibles que les installations dépendant de températures d’eau élevées. Il peut notamment s’agir de :

• planchers chauffants
• plafonds chauffants
• échangeurs de chaleur de grande dimension
• radiateurs adaptés
• et autres systèmes d’émission basse température

La décarbonation du réseau de chaleur et la rénovation du parc immobilier sont donc étroitement liées.

Étudier ensemble chaleur et froid

La transition énergétique ne concerne pas uniquement le chauffage. La demande de refroidissement augmente également. Il devient donc intéressant d’étudier de plus en plus souvent la chaleur et le froid comme un ensemble. Lorsqu’un bâtiment est refroidi, le processus frigorifique produit en effet de la chaleur de l’autre côté du système.

Cette énergie peut potentiellement être valorisée ailleurs. Dans les zones combinant bureaux, logements, hôpitaux, data centers et industries, des besoins simultanés en chaleur et en froid peuvent apparaître. Les réseaux modernes de chaleur et de froid peuvent contribuer à relier ces différents flux énergétiques.

Au lieu de produire de la chaleur d’un côté et de la rejeter ailleurs, l’énergie peut être échangée à l’intérieur du réseau.

Un réseau de tuyauteries efficace reste essentiel

Une source de chaleur peut être particulièrement durable : si une quantité importante d’énergie est perdue pendant son transport, l’efficacité du système global diminue. Le réseau de tuyauteries constitue donc un élément essentiel de la stratégie de décarbonation. Les principaux points d’attention sont :

• l’isolation thermique
• le diamètre des conduites
• les pertes de charge
• l’énergie de pompage
• la température du réseau
• la longueur des conduites
• la température de retour
• et le choix des matériaux

Un réseau efficace permet de faire parvenir aux utilisateurs la plus grande part possible de l’énergie thermique disponible.

Limiter les pertes thermiques

Chaque kilowattheure de chaleur perdu pendant le transport doit être produit à la source. Cela reste vrai même lorsque cette énergie provient d’une source durable. L’énergie géothermique ou la chaleur fatale récupérée qui est perdue pendant la distribution ne peut plus être utilisée par un consommateur.

Des températures de réseau plus faibles, une isolation adaptée et un réseau correctement conçu contribuent donc directement à une utilisation plus efficace de l’énergie disponible.

L’efficacité hydraulique compte également

Les pertes thermiques ne sont pas la seule source de consommation énergétique. Le fluide doit également être pompé dans le réseau. Les pertes de charge déterminent en partie la quantité d’électricité nécessaire. Le diamètre des conduites, le débit, la vitesse d’écoulement, les résistances locales et la rugosité intérieure jouent tous un rôle.

Un réseau thermiquement efficace mais consommant inutilement beaucoup d’énergie de pompage n’est pas optimal. Les performances thermiques et hydrauliques doivent donc être évaluées conjointement.

Quelles exigences la transition énergétique impose-t-elle aux matériaux de tuyauterie ?

Les réseaux de chaleur sont des infrastructures conçues pour plusieurs dizaines d’années. Pendant cette période, les conditions peuvent évoluer. De nouvelles sources de chaleur peuvent être raccordées, les températures peuvent être adaptées et le réseau peut être étendu.

Le matériau des tuyauteries doit donc être compatible avec les conditions d’exploitation prévues et l’évolution future du réseau. Parmi les caractéristiques importantes figurent notamment :

• la résistance à la corrosion
• une résistance adaptée à la température et à la pression
• une longue durée de vie technique
• les caractéristiques hydrauliques
• une technique d’assemblage fiable
• les performances thermiques
• la facilité de mise en œuvre
• et les possibilités d’extension

Le choix du système de tuyauteries doit donc faire partie de la stratégie énergétique globale dès la phase de conception.

Le PP-RCT comme alternative aux matériaux de tuyauterie traditionnels

Pour certaines plages de température et de pression, le PP-RCT peut être utilisé dans les réseaux de chaleur et de froid. Le matériau est résistant à la corrosion et ne nécessite pas de protection supplémentaire contre la rouille. Sa surface intérieure lisse offre une faible rugosité et de bonnes caractéristiques hydrauliques.

Le PP-RCT présente également une conductivité thermique nettement plus faible que les matériaux métalliques et son poids relativement faible peut faciliter le transport et la mise en œuvre sur chantier. Les assemblages sont réalisés par fusion thermique, au cours de laquelle le tube et le raccord fusionnent pour former une liaison homogène dans la matière.

L’adéquation du PP-RCT doit naturellement toujours être évaluée en fonction de la température, de la pression, du fluide et des conditions d’exploitation spécifiques au projet.

aquatherm energy pour les réseaux de chaleur et de froid

aquatherm energy est un système de tuyauteries pré-isolées destiné à la distribution enterrée de chaleur et de froid. Le système associe une conduite caloporteuse en PP-RCT, une isolation thermique et une gaine extérieure de protection. Il peut notamment être utilisé pour :

• les réseaux de chaleur
• les réseaux de froid
• les réseaux énergétiques industriels
• la géothermie
• les raccordements à de grandes pompes à chaleur
• la distribution de chaleur fatale récupérée
• et les liaisons entre centrales énergétiques et bâtiments

Pour les réseaux modernes, la combinaison des performances thermiques, des caractéristiques hydrauliques, de la résistance à la corrosion et de la facilité de mise en œuvre est particulièrement intéressante.

Le monitoring comme élément de la transition énergétique

Un réseau de chaleur conçu pour l’avenir ne doit pas seulement être efficace au moment de sa conception : il doit également le rester pendant son exploitation. Pour cela, il est nécessaire de disposer d’une bonne visibilité sur ses performances réelles. Le monitoring peut notamment permettre de suivre :

• les températures aller et retour
• les débits
• la pression
• la production d’énergie
• la consommation énergétique
• l’énergie de pompage
• et d’éventuelles anomalies ou fuites

Ces données permettent d’optimiser davantage le fonctionnement du réseau. Une température de retour trop élevée, un débit anormal ou une perte énergétique inattendue peuvent par exemple être détectés avant que le problème n’ait des conséquences importantes.

Transformer progressivement les réseaux de chaleur existants

Tous les réseaux ne peuvent pas être entièrement renouvelés immédiatement. La décarbonation se fera donc souvent par étapes. Un réseau de chaleur existant peut par exemple être optimisé en commençant par :

1. cartographier les consommations et les pertes thermiques actuelles
2. réduire les températures de retour
3. abaisser le régime de température lorsque cela est possible
4. rénover les parties inefficaces du réseau
5. intégrer de la chaleur fatale ou des sources renouvelables
6. installer de grandes pompes à chaleur
7. ajouter du stockage thermique
8. développer davantage le monitoring et la régulation

Un réseau existant peut ainsi évoluer progressivement sans devoir remplacer toute l’infrastructure en une seule fois.

Concevoir immédiatement les nouveaux réseaux pour l’avenir

Les nouveaux réseaux de chaleur et de froid offrent davantage de liberté. Ils peuvent être conçus dès le départ en tenant compte de températures plus faibles, de plusieurs sources de chaleur, de futures extensions et de flux énergétiques bidirectionnels. Il est important de ne pas considérer uniquement les sources d’énergie disponibles aujourd’hui.

Un réseau de chaleur peut fonctionner pendant plusieurs dizaines d’années. L’infrastructure doit donc être suffisamment flexible pour intégrer de futures technologies et de nouveaux utilisateurs. Un réseau de tuyauteries correctement conçu devient alors bien plus qu’un simple moyen de transport pour la source de chaleur actuelle.

Il devient une infrastructure à long terme pour l’énergie thermique.

La décarbonation exige une approche systémique

Il n’existe pas une technologie universelle permettant de décarboner chaque réseau de chaleur en une seule étape. La solution optimale dépend des conditions locales :

• quelles sources de chaleur sont disponibles ?
• où se trouvent les utilisateurs ?
• de quelles températures ont-ils besoin ?
• quelle quantité de chaleur et de froid est nécessaire ?
• à quel moment cette demande apparaît-elle ?
• quelles possibilités de stockage existent ?
• comment le réseau pourra-t-il être étendu à l’avenir ?
• et quelles infrastructures sont nécessaires ?

La production, la distribution, le stockage et la consommation de chaleur doivent donc être étudiés ensemble.

Le rôle d’aquatherm Belux-France

aquatherm Belux-France peut accompagner les bureaux d’études, énergéticiens, exploitants de réseaux, installateurs et autres partenaires dans l’étude technique de réseaux modernes de chaleur et de froid avec aquatherm energy. Cet accompagnement peut notamment concerner :

• le choix du système de tuyauteries adapté
• le dimensionnement hydraulique
• les calculs de pertes de charge
• les données techniques des produits
• l’évaluation des conditions de température et de pression
• la configuration du système
• les données BIM
• et des solutions techniques spécifiques au projet

En intégrant suffisamment tôt le réseau de tuyauteries dans la conception, il devient possible de mieux coordonner la source de chaleur, le régime de température, l’hydraulique, les performances thermiques et les possibilités d’extension future.

Conclusion : la décarbonation va bien au-delà du remplacement de la source de chaleur

La décarbonation des réseaux de chaleur est parfois présentée comme un simple passage des énergies fossiles aux énergies renouvelables. En réalité, la transformation va beaucoup plus loin.

Températures de réseau plus faibles, chaleur fatale, géothermie, grandes pompes à chaleur, stockage thermique, sector coupling, monitoring et distribution efficace doivent former ensemble un seul système énergétique.

Les réseaux de chaleur présentent ici un avantage important : ils permettent de relier différentes sources de chaleur et différents utilisateurs. L’énergie disponible à un endroit peut ainsi être valorisée ailleurs. Le réseau de tuyauteries constitue l’infrastructure qui rend ces échanges possibles.

Plus cette infrastructure est conçue de manière efficace, flexible et évolutive, plus il sera facile d’intégrer de nouvelles sources d’énergie bas carbone au cours des prochaines décennies.

Vous travaillez sur un réseau de chaleur ou de froid tourné vers l’avenir ?

aquatherm Belux-France accompagne les bureaux d’études, énergéticiens, exploitants de réseaux et installateurs dans l’étude technique de réseaux enterrés de chaleur et de froid avec aquatherm energy.

Du dimensionnement hydraulique et du choix des matériaux jusqu’aux données techniques et à l’accompagnement spécifique au projet, nous pouvons évaluer le concept de tuyauteries dès la phase de conception. Contactez aquatherm Belux-France afin d’étudier ensemble comment adapter le réseau aux sources d’énergie actuelles et futures de votre projet.