Les réseaux de chaleur et facteurseprints2.insa-strasbourg.fr/1404/1/rapportprovotclaire.pdf · [5] AMORCE, Schéma guide de création d'un réseau de chaleur, éléments clés pour

SYNTHESE

Les réseaux de chaleur et facteurs

d’influence majeure

Projet de fin d’études, année universitaire 2012-2013

par Claire PROVOT

Tuteur : Monica SIROUX

Etudiant : PROVOT Claire Les réseaux de chaleur et facteurs d’influence majeure Tuteur : SIROUX Monica mai 2013

1

Résumé

L’intérêt pour les réseaux de chaleur issue de la biomasse s’est accru ces dernières années, en

raison du potentiel intéressant de l’énergie biomasse pour réduire l’utilisation des énergies

fossiles et leur émission de gaz à effet de serre, pour développer les emplois locaux et pour

abaisser le coût d’achat du combustible.

Plus largement, on distingue classiquement trois postes de dépenses pour les chaufferies,

associées ou non à un réseau : l’amortissement des investissements initiaux ( habituellement

désignés par « P4 » ), les coûts d’exploitation ( « P2 & P3 » ) et l’achat de combustible ( « P1 » )

Le cumul de ces trois postes permet d’évaluer le coût global de la chaleur, ramené à l’énergie

distribuée (en MWh sortie chaudière), ce qui caractérise la performance économique du projet.

Le but de l’étude est d’identifier les paramètres qui ont une influence sur ces postes de

dépenses, mais également sur les consommations énergétiques et sur les performances

environnementales.

Pour cela, un modèle a été élaboré sous Excel. Il permet de :

- effectuer une analyse de sensibilité sur les paramètres du modèle de réseaux de

chaleur.

- comparer les réseaux de chaleur et les systèmes de chauffage collectif.

Les facteurs d’influence étudiés sont pour le premier cas : le foisonnement, la répartition des

longueurs de tuyauterie, la densité thermique de la demande.

Bien que le foisonnement et les tuyauteries influent sur les réseaux de chaleur, les résultats

montrent que c’est la densité thermique de la demande qui a le plus d’impact.

D’autre part, pour comparer le réseau de chaleur aux systèmes de chauffage collectif, nous

avons fait varier la zone climatique, la puissance moyenne des sous-stations et le mode

d’emprunt bancaire. Les réseaux de chaleur sont généralement plus chers que les solutions

collectives. Mais cette étude a permis de déterminer comment réduire la différence de coûts

entre les deux technologies.

L’analyse des réseaux de chaleur pourrait être approfondie par la prise en compte de scénarios

de consommation supplémentaires. Pour cela, il serait nécessaire de prendre en compte des

courbes de charges d’une plus grande variété de bâtiment.

Le modèle pourrait également être affiné en prenant en compte notamment l’évolution des coûts

de combustible, la dépendance des rendements de production des chaudières en fonction de

leur charge, et une dépendance des pertes dans le réseau secondaire des bâtiments en fonction

de leur typologie (usage, année de construction).


2

Abstract

Interest in biomass district heating has increased in recent years, due to biomass energy’s

potential benefits, including reducing dependence on fossil fuels and their associated

greenhouse gas emissions, creating local jobs, and lowering the cost of fuel.

Overall, there are three main cost elements usually considered for heating, associated or not to

a district heating system ( DHS ) : amortization of initial investment ( commonly referred as “P4”

), operating and maintenance costs ( “P2 & P3” ) and fuel purchase ( “P1” ).

The combination of these three items enables to assess the overall heat cost, in relation with

produced energy ( in MWh, at boiler output ) which characterizes the economic performance of

the project.

The aim of this study is to identify the parameters which have an influence on these main cost

elements, as well as on the energetic consumption and the environmental impact. To do this, a

model has been created on Excel. It can :

- identify the influent parameters in the model of DHS

- compare DHS and community heating in term of costs and emissions

The influent parameters studied are in the first case: the time distribution of uses, the distribution

of the diameter of the pipes plotted against the lengths of network pipes and the density. The

results show that the density has more impact on the district heating than the others parameters.

On the other hand, to compare the district heating and the community heating, we have change

the climatic area, the mean power of sub-stations and the way to take out the loan. Most of

district heating are more expensive than community heating. But, this study shows how to

reduce the costs difference between these two technologies.

The analyse of DHS could be deepened by taking into account more consumption scenarios

using a wider diversity of building typologies.

The model could be refined taking into account among other parameters the time evolution of

fuel costs, the efficiency dependency of the boiler to their power load, and the influence of the

typologiy of the buildings ( use, years of construction ) on the losses in the secondary network.


3

Remerciements

Je remercie en premier lieu Monsieur COPREAUX Jean, directeur de l’Institut Européen de

Recherche sur l’énergie et Madame GAUTIER Ludmila, directrice adjointe, de m’avoir accueilli

au sein de l’institut qu’ils dirigent.

Je remercie également Monsieur EYLER David qui m’a accepté au sein de son groupe de travail

sur la recherche sur les réseaux de chaleur.

Je tiens à remercier spécifiquement Monsieur BARDEAU Guillaume, ainsi que Monsieur

LEORNARD Jean-Christophe et Madame BONNEAU Patricia de chez EDF R&D, pour tous les

services qu’ils m’ont rendus, pour leur accueil et leur aide indispensable.

Je remercie l’équipe des stagiaires de l’EIFER qui aura contribué à faire de mon expérience en

Allemagne, une réussite tant sur le plan intellectuel que sur le plan humain.

Je n’oublie pas Madame GIEHL Angelika qui m’a apporté son aide pour les questions

administratives.

Enfin, je remercie mon maître de stage, Monsieur DE MARTEL Emmanuel, d’avoir toujours été

à mon écoute, de m’avoir laissé prendre des initiatives et de m’avoir fait confiance. Il a toujours

été aimable et attentif et cela fut un vrai plaisir de travailler avec lui. Je le remercie d’avoir rendu

mon travail agréable et d’avoir trouvé le temps de m’aider lorsque j’en ai eu besoin. De plus, je

le remercie d’avoir tenu compte de mes remarques et d’avoir été attentif à mes questions. Il aura

su me laisser travailler en autonomie tout en prêtant beaucoup d’attention à mes travaux.


4

SOMMAIRE

Résumé ....................................................................................................................................... 1

Abstract ....................................................................................................................................... 2

Remerciements ........................................................................................................................... 3

SOMMAIRE ................................................................................................................................. 4

Table des sigles .......................................................................................................................... 5

Bibliographie ............................................................................................................................... 6

1 Introduction .......................................................................................................................... 9

1.1Définitions des concepts et des termes ............................................................................... 9

1.2 Les réseaux de chaleur aujourd’hui en France et en Europe............................................ 12

1.3 Le cas du bois : une solution d’avenir ? ........................................................................... 14

1.4 Comparaison des modes de chauffage ............................................................................ 16

2. Description du modèle « Réseau de chaleur » ...................................................................... 19

2.1 Contexte .......................................................................................................................... 19

2.2 Attentes et finalités du modèle ......................................................................................... 19

2.3 Structure générale ........................................................................................................... 20

2.4 Périmètre de validité ........................................................................................................ 22

2.5 Eléments de compréhension ............................................................................................ 22

2.6 Descriptions des blocs de fonctions ................................................................................. 22

3. Les facteurs d’influence des réseaux de chaleur ................................................................... 27

3.1 Le foisonnement .............................................................................................................. 27

3.2 Les longueurs de tuyauteries ........................................................................................... 32

3.3 La densité ........................................................................................................................ 34

4. Comparaison des coûts de réseau de chaleur et des systèmes collectifs .............................. 38

4.1 La zone climatique ........................................................................................................... 38

4.2 La puissance moyenne des sous-stations ........................................................................ 43

4.3 Le nombre de prêt ............................................................................................................ 46

5. Conclusion ............................................................................................................................ 47

SOMMAIRE DES ANNEXES ..................................................................................................... 48


5

Table des sigles

ADEME : Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie

AMORCE : Association au carrefour des collectivités territoriales et des professionnels

CETE : Centres d'études techniques de l'équipement

CPCU : Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain

CO2 : Dioxyde de carbone

CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

EBITDA : Earnings before interest, taxes, depreciation, and amortization

ECS : Eau Chaude Sanitaire

EDF : Electricité De France

EnR : Energie Renouvelable

EIFER : European Institute for Energy Research

RdC : Réseau de Chaleur

UIOM : Usine d’Incinération d’Ordures Ménagères


6

Bibliographie

[1] AMORCE, Réseaux de chaleur & bâtiment basse consommation : l'équation impossible ? Enjeux pour les collectivités et autres acteurs. 2001.

[2] AMORCE, compréhension de la chaîne de facturation du chauffage d'un logement raccordé à un réseau de chaleur : du Délégataire à l'usager final et comparaison avec les autres modes de chauffage. 2012.

[3] CETE, Place des réseaux de chaleur dans les nouveaux quartiers. 2012. [4] CETE, acteurs des réseaux de chaleur. 2009: p. 1-2. [5] AMORCE, Schéma guide de création d'un réseau de chaleur, éléments clés pour le

maître d'ouvrage. 2011: p. 1-73. [6] Prévot, H., Les réseaux de chaleur. 2006. [7] CETE, réseaux de chaleur biomasse. 2009: p. 1-2. [8] CETE, constitution d'un réseau de chaleur. 2009: p. 1-2. [9] CETE, les réseaux de chaleur en France. 2009: p. 1-2. [10] CETE, en Europe et dans le monde. 2010: p. 1-2. [11] CIBE, Les réseaux de chaleur au bois. 2007: p. 1-29. [12] AMORCE, Les réseaux de chaleur au bois en 2010. 2011. [13] CETE, cadre d'intervention des collectivités. 2008: p. 1-2. [14] séva, v. and ADEME, Guide des usagers du chauffage urbain. octobre 2009: p. 3-24. [15] AMORCE, Comparatif des modes de chauffage & Prix de vente de la chaleur en 2011.

2013. [16] CSTB, Parc résidentiel francilien, fiches de réhabilitation pour des exemples de

bâtiments types. 2012.


7

Table des figures

Figure 1 : constitution d'un réseau de chaleur [8] ...................................................................... 11

Figure 2 : présentation graphique de la consommation de chauffage de deux bâtiments séparés

[3] .............................................................................................................................................. 11

Figure 3 : présentation graphique de la consommation de chauffage de deux bâtiments en

chauffage collectif [3] ................................................................................................................. 12

Figure 4 : monotone de charge, chaudière biomasse avec appoint gaz [7] ................................ 15

Figure 5 : comparaison énergie primaire des différents modes de chauffage [15] ..................... 16

Figure 6 : comparaison des facteurs d'émission de GES pour les différents modes de chauffage

[15] ............................................................................................................................................ 17

Figure 7 : : comparaison des coûts globaux des différents modes de chauffage [15] ................ 18

Figure 8 : Structure générale du modèle "réseau de chaleur " ................................................... 22

Figure 9 : Schéma bloc de la fonction "besoin" du modèle "réseau de chaleur" ......................... 23

Figure 10 : Schéma bloc de la fonction "dimensionnement" du modèle "réseau de chaleur" ..... 24

Figure 11 : Schéma bloc de la fonction "Evaluation technique" du modèle "réseau de chaleur" 25

Figure 12 : Schéma bloc de la fonction "Evaluation financière" du modèle " réseau de chaleur" 26

Figure 13 : variation du coefficient de foisonnement en fonction d'un décalage horaire des

courbes de charge ..................................................................................................................... 28

Figure 14 : variation du taux de couverture bois en fonction du décalage horaire des courbes de

charge ....................................................................................................................................... 29

Figure 15 : Monotone de charge du réseau de chaleur bois sans décalage horaire .................. 30

Figure 16 : Monotone de charge du réseau de chaleur bois avec un décalage de la courbe de

charge de 3h ............................................................................................................................. 30


charge de 12h ........................................................................................................................... 31


charge de 19h ........................................................................................................................... 31

Figure 19 : Conditions de simulation sur la répartition des tronçons de tuyauterie ..................... 32

Figure 20 : Décomposition des coûts en fonction de la répartition des tuyauteries .................... 33

Figure 21 : Longueur totale du réseau en fonction de la densité thermique ............................... 34

Figure 22 : Pertes du réseau du chaleur en fonction de la densité thermique ............................ 35

Figure 23 : Variation de P4 pour les réseaux de chaleur au bois et les systèmes collectifs au

bois en fonction de la densité .................................................................................................... 36

Figure 24 : Variation de P4 pour les réseaux de chaleur au gaz et les systèmes collectifs au gaz

en fonction de la densité ............................................................................................................ 36

Figure 25 : Variation de P2 & P3 pour les réseaux de chaleur au bois et les systèmes collectifs

au bois en fonction de la densité ............................................................................................... 37

Figure 26 : Variation de P2 & P3 pour les réseaux de chaleur au gaz et les systèmes collectifs

au gaz en fonction de la densité ................................................................................................ 37

Figure 27 : Répartition des zones climatiques ........................................................................... 38


8

Figure 28 : Variation des coûts d'investissement décomposé en "chaufferie", "réseau" et "sous-

station" pour les réseaux de chaleur bois en fonction de la zone climatique .............................. 39

Figure 29 : Variation des coûts d'investissement décomposé en "chaufferie", "réseau" et "sous-

station" pour les réseaux de chaleur au gaz en fonction de la zone climatique .......................... 40

Figure 30 : Décomposition des coûts pour réseau de chaleur bois en fonction de la zone

climatique .................................................................................................................................. 41

Figure 31 : Décomposition des coûts pour réseau de chaleur gaz en fonction de la zone

climatique .................................................................................................................................. 41

Figure 32 : Décomposition des coûts pour les systèmes collectifs bois en fonction de la zone

climatique .................................................................................................................................. 42

Figure 33 : Décomposition des coûts pour les systèmes collectifs gaz en fonction de la zone

climatique .................................................................................................................................. 42

Figure 34 : Décomposition des coûts des réseaux de chaleur bois en fonction de la puissance

moyenne de sous-station .......................................................................................................... 44

Figure 35 : Décomposition des coûts des réseaux de chaleur au gaz en fonction de la puissance


Figure 36 : Décomposition des coûts du chauffage collectif au bois en fonction de la puissance


Figure 37 : Décomposition des coûts du chauffage collectif au gaz en fonction de la puissance



9

1 Introduction

Pour répondre à l’objectif d’une forte diminution des émissions françaises de gaz à effet de serre

– une division par trois en trente ou quarante ans, par quatre au-delàs -, il ne suffira pas de faire

des économies d’énergie ; il faudra utiliser d’autres sources d’énergie que les énergies fossiles.

Or le chauffage dans le secteur résidentiel et tertiaire est à l’origine aujourd’hui d’un tiers des

émissions de gaz carbonique dues à la consommation d’énergie ( 33 millions de tonnes de

carbone sur 106 environ ) ; il faudra donc que le chauffage soit massivement assuré par des

sources de chaleur qui ne contribuent pas à augmenter la concentration de gaz carbonique dans

l’atmosphère : par la biomasse par exemple, la chaleur fatale des usines d’incinération, la

chaleur solaire, plus tard peut-être le bio fioul. Pour plusieurs d’entre elles, ces formes de

chaleur ne peuvent être acheminées que par des réseaux de chaleur.

Pour mieux comprendre et envisager les réseaux de chaleur comme solution d’avenir, une vue

globale est indispensable car les différents résultats, autant d’un point de vue économique que

environnemental, dus directement par le choix d’un réseau de chaleur sont tous liés les uns

avec les autres.

Les interrelations sont complexes et la moindre modification sur un élément peut entraîner des

changements importants sur les autres. Le but de cette étude est d’orienter le choix d’un réseau

de chaleur en fonction de plusieurs facteurs d’influence.

Dans un premier temps, pour s’imprégner du sujet, nous verrons comment est constitué un

réseau de chaleur et comment il se développe en France. Le cas du bois sera particulièrement

mis en avant pour déterminer s’il représente à juste titre une solution d’avenir. En seconde

partie, nous verrons la description du modèle créée lors de notre étude. J’aborderai en détail les

différents rouages et particularités de cet outil permettant la comparaison des réseaux de

chaleur et des systèmes décentralisés. Pour finir, je présenterai les résultats obtenus lors de

notre étude. Ces résultats offrent une aide à la décision qualitative et n’a pas la prétention de

traiter la complexité de tous les cas de réseaux de chaleur existants.

1.1 Définitions des concepts et des termes

Afin de mieux comprendre le projet, certains termes employés fréquemment doivent être définis

dans un premier temps.

Le réseau de chaleur urbain

La notion de « réseau de chaleur » est consacrée par la « Loi chaleur de 1980 ». Pour autant

aucune définition juridique ne vient précisément en définir les contours. Selon la Commission

Centrale des Marchés, le réseau de chaleur se définit comme : « étant constitué par un


10

ensemble de canalisations le plus souvent souterraines, transportant un fluide caloporteur sous

pression obtenu au départ d’une ou plusieurs unités centrales de production calorifique. Il est

destiné à fournir aux installations particulières- collectives ou individuelles – des abonnés situés

le long de son parcours, après branchement et par l’intermédiaire de sous-stations, la chaleur

nécessaire au chauffage, à la production d’ECS ou d’autres usages ».

En outre la Commission Centrale précise qu’il y a réseau de chaleur, « si le propriétaire de la

chaufferie (ou l’entreprise qu’il a chargé de ce service) vend de la chaleur à plusieurs clients

dont l’un au moins n’est pas le propriétaire, par l’intermédiaire d’une canalisation de transport de

chaleur empruntant au moins partiellement le domaine public »

Bien que distribuant de la chaleur, certains « réseaux » ne répondent pas à cette définition. Par

exemple, lorsque le propriétaire est le seul client (cas typique des réseaux ruraux dont le maître

d’ouvrage est la commune qui ne dessert que des bâtiments communaux), ces « réseaux » sont

qualifiés de "réseaux techniques" et s’apparentent alors à des "chaufferies dédiées", notamment

en termes de fiscalité.

Le terme « système centralisés » pour la production de chaleur est également couramment

utilisé ; en opposition des « systèmes décentralisés » pour le chauffage collectif en pied

d’immeuble et le chauffage individuel. [5]

La biomasse

On appelle biomasse l’ensemble des matières organiques, animales ou végétales. Certains

types de biomasse peuvent être utilisés comme sources d’énergie, on utilise essentiellement les

trois catégories suivantes : bois, biomasse agricoles, déchets organiques. Dans ce projet, le

terme biomasse sera restreint à la biomasse-bois sous forme de granulés ou de plaquettes

forestières. [7]

Le circuit primaire / secondaire d’un réseau de chaleur

Le circuit de distribution primaire est composé de canalisations dans lesquelles la chaleur est

transportée par un fluide caloporteur ( vapeur, eau surchauffée ou eau chaude ). Un circuit aller

transporte le fluide chaud issu de l’unité de production. Un circuit de retour ramène le fluide, qui

s’est délesté de ses calories au niveau de la sous-station d’échange.

Le circuit secondaire relie la station d’échange à l’émetteur de chaleur de l’usager final.


11

Figure 1 : constitution d'un réseau de chaleur [8]

Principe de foisonnement

La densité seule ne permet pas de caractériser les besoins de chaleur d’un quartier. La

morphologie urbaine et la performance thermique des bâtiments jouent également. Un autre

paramètre est important : la mixité d’usage. A l’échelle d’un quartier ou d’un aménagement on

parle de mixité d’usage (ou mixité fonctionnelle), quand plusieurs fonctions sont présentes :

habitat, tertiaire, équipement, industrie, services, loisirs, etc. Pour la fourniture d’énergie à un

quartier ou à un ensemble de quartiers, la mixité d’usage est un élément essentiel à la

pertinence énergétique d’un réseau de chaleur, car elle procure un effet de foisonnement. Le

foisonnement a pour effet de lisser les besoins (c’est-à-dire d’atténuer l’effet de « pics »), sur la

journée, la semaine ou l’année.

Ci-suit deux bâtiments avec deux systèmes de chauffage différents :

Figure 2 : présentation graphique de la consommation de chauffage de deux bâtiments séparés [3]


12

Ces deux profils de chaleur sont très différents suivants les usages occupants. Dans la figure

suivante, ces deux profils ont été ajoutés l’un à l’autre pour obtenir le profil d’un système

collectif.

Figure 3 : présentation graphique de la consommation de chauffage de deux bâtiments en chauffage collectif [3]

Les profils d’appel de chaleur des 2 bâtiments sont strictement identiques à ceux du cas d’avant.

En les additionnant, on obtient une courbe d’appel sur la journée beaucoup plus stable, les pics

du bâtiment 1 étant en phase avec les heures creuses du bâtiment 2. C’est l’effet de

foisonnement. On constate que la surface hachurée est beaucoup plus faible que dans le cas

premier. La puissance totale installée est plus faible et les générateurs fonctionnent plus

souvent à un régime proche de leur puissance nominale, ce qui améliore leur rendement et

l’adéquation entre le coût d’investissement et les revenus, c’est pourquoi le foisonnement est

l’un des atouts majeures des systèmes collectifs comparé à l’individuel.

1.2 Les réseaux de chaleur aujourd’hui en France et en Europe

Les réseaux de chaleur en France

Les réseaux de chaleur se sont essentiellement développés en France après 1950. Aujourd’hui,

ils apparaissent comme un moyen d’utiliser massivement certaines énergies renouvelables

comme la biomasse et la géothermie. Les 432 réseaux recensés en France desservent environ

2.1 millions de logements. [6] Présents majoritairement dans les zones urbaines denses, les

réseaux sont alimentés aujourd’hui à 31% par des énergies renouvelables et de récupération.

Plus de la moitié des logements raccordés sont des logements sociaux, et 17% des logements

sociaux sont chauffés par un réseau de chaleur. Dans le secteur tertiaire, 60% de la chaleur est

consommée par les bâtiments publics du secteur hospitalier, scolaire et militaire.

Des réseaux de toute taille

Le réseau le plus important est celui de Paris : 25% des habitations parisiennes, 960 km de

conduites, distribuant près de 6 millions de MWh, produits moitié par les usines d’incinération,


13

moitié par les chaufferies de CPCU. C’est le seul réseau français où la chaleur est transportée

sous forme de vapeur.

Après le réseau de Paris, le réseau le plus important est celui de Grenoble. La longueur du

réseau est de 130 km, la production étant de 700 000 MWh. La densité est de 5400 MWh/km,

ce qui est un ratio moyen pour un réseau de chaleur. [9]

Depuis des années, sous l’impulsion de l’ADEME et des collectivités locales, on voit se créer

des réseaux de chaleur au bois dont certains sont très petits ( < 3.5 kW ).

En Europe et dans le monde

En Europe, les réseaux de chaleur couvrent 10% des besoins de chauffage, avec des situations

très différentes d’un pays à un autre, en grande partie en raison des politiques et du cadre légal

définis par les différents Etats. Dans de nombreux pays d’Europe, le chauffage urbain est vu

comme un moyen d’améliorer l’efficacité énergétique, tout en facilitant l’utilisation d’énergie

renouvelable. Sur les autres continents, les situations sont également très contractées. La

Russie concentre 55% de la puissance mondiale du chauffage urbain, tandis qu’aux Etats-Unis,

berceau du chauffage urbain moderne, les réseaux ne couvrent que 4% des besoins de

chauffage. Au Canada, se développent depuis une dizaine d’années des petits réseaux,

alimentés par la biomasse ou le soleil. Au Japon, les réseaux distribuent plus de froid que de

chaleur et sont intégrées dans la stratégie du pays pour une société décarbonnée. En Chine,

dont la principale source d’énergie est le charbon, les réseaux reliés à des cogénérations

peuvent contribuer à limiter les émissions de CO2 du pays. [10]

Les avantages et inconvénients pour des réseaux de chaleur

Il est frappant de constater que le nombre de logements chauffés par les réseaux de chaleur est

quasiment constant depuis 20 ans. [6] Or le nombre de résidences principales et d’immeubles

collectifs restent très élevé. Les réseaux de chaleur peuvent donc connaître un très franc

développement s’ils sont aussi intéressants que le chauffage individuel ou collectif au gaz, au

fioul ou à l’électricité, le chauffage individuel au bois étant limité par des difficultés logistiques. Il

faut également prendre en compte, non seulement le prix de revient d’un réseau de chaleur,

mais aussi les avantages externes comme une plus grande sécurité et une moindre pollution.

La facturation de l’usager final

Les tarifs sont très variables d’une exploitation à l’autre. Il est donc important de préciser le

contenu de chaque terme de la facture énergétique d’un réseau de chaleur [15].

- Le terme P1 : c’est le terme proportionnel à la consommation d’énergie

primaire du réseau de chaleur qui s’exprime en € HT/MWh.

- Le terme P2 : C’est l’abonnement ou partie fixe. Il est proportionnel à la

puissance souscrite ou à la surface chauffée. Il comprend la conduite et le

petit entretien des installations.


14

- Le terme P3 : idem que pour P2. Il comprend le gros entretien et le

renouvellement à l’identique du matériel.

- Le terme P4 : un certain nombre de réseaux font payer une contribution

supplémentaire, soit pour permettre à la collectivité de rembourser ses

investissements dans le cas de l’affermage (surtaxe), soit pour

l’amortissement de travaux.

1.3 Le cas du bois : une solution d’avenir ?

Dans ce chapitre, nous extrairons le cas des réseaux de chaleur au bois des autres types de

combustibles. En effet, le cadre du projet de EIFER est axé sur les réseaux de chaleur bois

avec appoint gaz et les réseaux de chaleur au gaz seul.

Si les premières mises en service de chaufferies bois sur des réseaux de chaleur datent du

début des années 1980, leur réel développement démarre il y a une dizaine d’années. Il s’agit

surtout alors de chaufferies de puissance inférieure à 1500 kW, c’est-à-dire principalement des

installations mises en place à l’occasion de création de « petits » réseaux de chaleur en milieu

rural ou dans de petites villes.

Près des trois quarts des chaufferies bois mise en place sur des réseaux de chaleur l’ont été à

l’occasion de la création de réseaux. Seuls 15% des projets consistaient en une substitution

d’énergies fossiles sur des réseaux de chaleur existants.

Aujourd’hui, avec la forte demande de bois énergie due à la hausse du pétrole, aux aides de

l’ADEME et à l’appel d’offres pour la production d’électricité à partir du bois, les prix ont

beaucoup augmenté, mettant en difficulté les utilisateurs actuels de bois sans que les volumes

offerts n’augmentent au même rythme que la demande. [6] Cependant, il est forcé de constaté

que les ressources actuelle ou possible en biomasse est considérable en France.

Un bilan de carbone neutre

L’énergie contenue dans la biomasse est renouvelable : stockée lors de la croissance de la

plante, elle est libérée lors de sa combustion. Les seuls rejets de carbone non compensés sont

ceux qui sont générés par les opérations de découpe et de transport du combustible. Pour cette

raison, il faut rechercher des sources de biomasse aussi proche que possible des chaufferies.

Caractéristiques techniques des chaufferies bois : le dimensionnement

La plupart des réseaux de chaleur équipés de chaufferies bois fonctionnent avec une ou des

énergies complémentaires. Ce choix permet de limiter les montants d’investissement pour la

chaufferie bois tout en couvrant une part importante des besoins de chaleur du réseau par la

biomasse. En outre, les chaufferies bois ont des contraintes de fonctionnement plus fortes que


15

les chaudières fioul ou gaz que l’on peut utiliser en appoint ( les rendements se dégradent

lorsque la chaudière fonctionne à bas régime ). [11]

Figure 4 : monotone de charge, chaudière biomasse avec appoint gaz [7]

Dans ce projet, le dimensionnement de la puissance bois sera calculé afin de couvrir un

maximum du besoin de chauffage ( plage en vert sur la figure 2 ) à partir de courbes de charges

données ( représentation graphique des consommations énergétiques en fonction du temps au

pas horaire ). Les ratios précédents servent juste de valeur de référence chez la plupart des

installateurs de chaudière bois afin de s’assurer du bon dimensionnement de l’installation bois.

La puissance gaz quand à elle sera dimensionnée sur la base de la puissance maximale des

courbes de charges afin d’assurer la demande en énergie lors des pointes de consommations.

De plus, il faut compter des variations dans l’équipement dédié à une chaufferie bois

telles que [12]:

- Le stockage du combustible sous forme de silo

- La filtration des gaz de combustion…

Pbois ~ 30% Pmax


16

1.4 Comparaison des modes de chauffage

L’association AMORCE publie régulièrement une étude sur le prix du chauffage urbain

comportant une comparaison avec le coût d’autres modes de chauffages, individuel électrique

ou au gaz, collectif au gaz ou au fioul. Cette étude compare les dépenses de chauffage pour

une même chaleur utile et pour un même logement en tenant compte des dépenses d’énergie et

de l’amortissement des installations de chauffage. [15]

Comparaison énergétique

La comparaison énergétique est bâtie sur la base de facteurs d’énergie primaire pour chacune

des énergies considérées. Le coefficient de conversion en énergie primaire pour l’électricité

choisi par AMORCE est celui de la réglementation thermique, par souci de simplification (

coefficient 2,58 ). Pour les énergies fossiles, un coefficient primaire de 1,1 est retenu.

Figure 5 : comparaison énergie primaire des différents modes de chauffage [15]


17

Les réseaux de chaleur au bois, ceux entre autre que nous étudions avec la solution gaz, sont

les moins énergivores avec en moyenne 0.45 kWhep/kWhutile, trois fois moins que les solutions

gaz collectives. Cet avantage indéniable est l’un des atouts majeurs des solutions bois. S’ajoute

à cela, des taux d’émissions de gaz à effet de serre très bas, comme nous pouvons le voir sur le

graphe suivant, il convient de prévoir un argumentaire basé essentiellement sur le point de vue

énergétique pour pouvoir positionner les réseaux de chaleur bois comme une réelle solution

d’avenir.

Figure 6 : comparaison des facteurs d'émission de GES pour les différents modes de chauffage [15]

Comparaison économique

Comme nous pouvons voir dans le graphe suivant, les solutions gaz naturel individuel font partie

des solutions les plus chères.

Les réseaux de chaleur alimentés majoritairement par des EnR constituent en moyenne la

solution la plus compétitive en coût global pour ces bâtiments. Les solutions chauffage collectif


18

au gaz naturel se positionnent juste derrière, à la hauteur de la moyenne des réseaux de

chaleur.

Figure 7 : : comparaison des coûts globaux des différents modes de chauffage [15]

Ce graphique est basé sur le parc social moyen. Cependant, le coût global des réseaux de

chaleur est très sensible et peu varié significativement pour se retrouver au-dessus de celui du

collectif assez facilement. Notre modèle, que je vais vous présenter dans la partie suivante, a

pour but de déterminer justement ces facteurs qui peuvent influer sur ce coût et sur d’autres

indicateurs qui ne sont pas dans les études de l’ADEME mais qui ont leur importance lors du

choix du réseau de chaleur (tel que le taux de couverture bois ou le coefficient de

foisonnement). Nous reverrons tout cela de manière détaillée et analytique afin de déterminer si

oui ou non les facteurs que nous avons fait varier sont favorables aux réseaux de chaleur face

aux systèmes décentralisés.


19

2. Description du modèle « Réseau de chaleur »

2.1 Contexte

EDF, impliqué dans la lutte contre l’effet de serre, travaille sur les réseaux de chaleur dans le

cadre du projet « Smart and Low Carbon Cities ». Ce projet se base sur une grande plate-forme

de modélisation regroupant diverses technologies différentes comme la cogénération, les

chaufferies bois …. Afin de produire des livrables pour ce projet, des experts métiers de la R&D

sont sollicités pour développer des modèles permettant de répondre aux questions des villes,

dans l’objectif de développer des villes durables.

Les modèles, créées pour ce projet « Smart and Low Carbon Cities », font quant à eux appel à

une interface utilisateur, nommée « City Application and Visual Interface » ( CAVI ). Ces

modèles seront ensuite implémentés dans la grande plate-forme de modélisation et liés à

l’interface client. Le modèle présenté ci-après permet d’une part d’expliciter les rouages

nécessaires à un outil sur les réseaux de chaleur aux experts de l’implémentation informatique

de la future plate-forme. D’autre part, il permet pour un autre projet appelé « Senerter », de

visualiser les facteurs d’influence qui font varier plus ou moins fortement les coûts et autres

indicateurs des réseaux de chaleur, notamment face aux solutions collectives. La priorité est

donnée sur l’impact économique, bien que les aspects environnementaux et financiers soient

étudiés en parallèles.

2.2 Attentes et finalités du modèle

La présente partie a pour objectif de décrire le modèle conceptuel intitulé « Réseau de

chaleur », qui doit répondre aux attentes suivantes :

- Comparaison entre les différentes technologies de chauffage

- Comparaison entre les solutions bois et gaz appliquées aux réseaux de chaleur

Ces comparaisons seront effectuées selon les indicateurs suivants :

- Consommation énergétique annuelle

- Coûts annuels

- Production annuelle des GES

- Temps de retour sur investissement

- Coefficient de foisonnement

- Taux de couverture bois

- Résultats financiers


20

2.3 Structure générale

Les échelles et résolutions spatiales et temporelles considérées dans le modèle « Réseau de

chaleur » sont les suivantes :

- Echelle temporelle : 25 ans ou moins

- Pas de temps : Annuel.

- Echelle spatiale : Ville

La représentation du modèle peut se résumer sous forme de schéma-bloc affectés chacun à

une fonction :


21


22

Figure 8 : Structure générale du modèle "réseau de chaleur "

2.4 Périmètre de validité

Le modèle « Réseau de chaleur » permet :

- De comparer différentes solutions ( réseau de chaleur bois avec appoint gaz, réseau

de chaleur gaz, système collectif bois avec appoint gaz et système collectif gaz ).

Il s’agit en effet d’un outil d’aide à la décision.

- De réaliser des études prospectives au niveau de la ville, sur plusieurs années, avec

un pas de temps annuel.

En revanche, il ne permet pas :

- De réaliser une étude de dimensionnement exacte pour un réseau de chaleur

- De connaître les quantités produites à une échelle infra-annuelle.

2.5 Eléments de compréhension

Les listes de la description des données d’entrée et de sortie sont présentes en annexe 1 et 2

pour plus d’informations sur les abréviations utilisées dans la suite du document.

2.6 Descriptions des blocs de fonctions

La description de l’outil ci-dessous a été répartie sous forme de blocs associés à des fonctions

comme sur la figure de la structure générale de modèle. Chaque bloc remplit une fonction

particulière « Besoin », « Dimensionnement », « Evaluation technique » et « Evaluation

financière ».


23

Le bloc besoin

Il permet d’exploiter les courbes de charges afin de déterminer, à l’aide des données d’entrée, la

consommation des bâtiments.

Pour la solution réseau, une nouvelle courbe de charge, somme des courbes de charge de

chaque bâtiment raccordé au réseau, doit être créée. C’est l’une des différences majeures entre

le réseau de chaleur et les systèmes décentralisés ( chauffage collectif ou individuel ) qui eux

doivent exploiter les courbes de charges individuellement.

Figure 9 : Schéma bloc de la fonction "besoin" du modèle "réseau de chaleur"


24

Le bloc dimensionnement

A partir des consommations, cette fonction a pour but essentiel de déterminer les puissances

des chaudières aussi bien pour le réseau que pour le collectif ( les calculs se font en parallèle ).

De plus, c’est à ce stage que s’effectuent les calculs de dimensionnement des tuyauteries du

réseau de chaleur.

Figure 10 : Schéma bloc de la fonction "dimensionnement" du modèle "réseau de chaleur"


25

Le bloc d’évaluation technique

L’évaluation technique permet de déterminer, à partir du dimensionnement précédent, des

indicateurs de performance (tel que le coefficient de foisonnement, le taux de couverture bois,

…) et les émissions de polluants.

Figure 11 : Schéma bloc de la fonction "Evaluation technique" du modèle "réseau de chaleur"


26

Le bloc d’évaluation financière

Pour finir, maintenant que les systèmes sont dimensionné, la dernière fonction est d’évaluer les

coûts d’investissement P4, de fonctionnement P2 & P3 et de fonctionnement partie combustible

P1.

Les coûts que nous avons recueillis sont issus de retour d’expérience interne à l’entreprise

EIFER. Ils n’ont pas la prétention d’être des prix exacts et de correspondre à la complexité de

toutes les situations différentes.

Figure 12 : Schéma bloc de la fonction "Evaluation financière" du modèle " réseau de chaleur"

Maintenant que nous avons fait le tour sur le fonctionnement du modèle, nous allons enchaîner

sur les résultats qui nous ont permis d’avoir notre première approche sur la visualisation des

facteurs d’influence les plus importants pour les réseaux de chaleur d’une part et la comparaison

des réseaux de chaleur et les systèmes décentralisés d’autre part.


27

3. Les facteurs d’influence des réseaux de chaleur

Les réseaux de chaleur sont des systèmes complexes, composés essentiellement de la

chaufferie, du réseau et des sous-stations. Chacune de ces composantes est influencée par des

facteurs qui jouent soit en faveur du réseau de chaleur soit en sa défaveur. Nous avons voulu

dans la suite de ce document déterminer quels étaient les facteurs d’influence les plus

importants et leur influence qualitative, notamment sur les coûts globaux en €/MWh.

3.1 Le foisonnement

Comme déjà mentionné dans le paragraphe « 1.1 Définitions des concepts et des termes », le

coefficient de foisonnement est l’un des atouts majeurs des réseaux de chaleur et des systèmes

collectifs face à de l’individuel. Il repose sur le fait que les usages sont différents selon les

utilisateurs et que les « pics » de consommation ne se trouvent pas au même moment. Ce qui

permet de dimensionner les chaudières collectives en deçà de la somme totales des pics de

consommations. Pour le foisonnement donc, nous travaillons sur la composante « chaufferie »

du réseau de chaleur.

Nous avons choisi de voir son influence sur les monotones de charges ( représentation

graphique de la consommation triée de la plus grande consommation à la plus petite, au pas

horaire ) de chaufferie de réseau de chaleur bois avec appoint gaz et les chaufferies au gaz

uniquement. Par conséquent, pour les chaufferies bois à appoint gaz, il était intéressant

également d’observer son influence sur le taux de couverture bois ( rapport entre énergie

produite en bois sur l’énergie totale ).

Premièrement, il est a signalé que les seules données disponibles pour le moment dans le

modèle sont des courbes de charges de bureaux (classé selon des dates de construction

différentes ). Nous n’avons donc pas beaucoup de mixité d’usage évidement. Le coefficient se

situe donc à la base exagérément haut, proche de 100% alors qu’il est plus proche des 78% en

dans un quartier réel, avec des logements, des bureaux, des magasins, etc... Face à ce

problème, nous n’avons pas joué sur le foisonnement à l’échelle du quartier ou de la ville, mais

à l’échelle du bâtiment. Nous avons voulu voir l’effet que cela produit de faire varier l’heure

d’allumage des émetteurs de chaleur dans les bureaux. Pour cela, nous avons fixé un premier

bâtiment de bureau avec sa courbe de charge correspondante, que nous avons relié par une

sous-station à un petit réseau de chaleur. L’unique autre sous-station du petit réseau de chaleur

étant reliée à un autre bâtiment de bureau de la même taille ayant une courbe de charge assez

semblable à la première. Pour celui-ci nous n’avons pas fixé sa courbe de charge mais l’avons

décalé heure par heure sur une journée pour créer une variation du coefficient de foisonnement,

rappelons le fait qu’il partie des sorties et non des entrées du modèle, c’est pourquoi ce moyen

détourné de variation du coefficient de foisonnement a été choisi. Cette simulation reste très

académique et n’a pas la prétention de représenter la réalité. Cependant elle permet de voir si le


28

coefficient de foisonnement est relié au taux de couverture, aux coûts, aux émissions de CO2 et

aux consommations primaires.

En repoussant heure par heure sur une journée une des deux courbes de charge, nous

obtenons la variation du coefficient de foisonnement suivant :

Figure 13 : variation du coefficient de foisonnement en fonction d'un décalage horaire des courbes de charge

Nous pouvons observer que le coefficient de foisonnement ne permet pas une déduction

analytique. Sa valeur chute brusquement au début, jusqu’environs 8h de décalage avec la

courbe de charge initiale. Puis elle varie sans reproduire un cycle et sans retourner à sa

situation initiale au bout de 24h. Cette dernière observation est due au fait que les courbes de

charges ne sont pas pareille tous les jours, on peut bien imaginer que la consommation en

semaine et en week end par exemple n’est pas la même pour les bureaux.

Suite à cela, le modèle n’a pas relevé de variation sur les consommations primaires et les

émissions de CO2. On peut déduire que le coefficient de foisonnement n’a pas d’impact sur

ceux-ci. Pour les coûts P1, P2, P3 et P4 nous pouvons remarque de très légères évolutions,

mais trop faibles pour être significatives. Le coefficient de foisonnement n’a pas de réel impact

économique en faveur ou non des réseaux de chaleur.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25 30

Co

eff

icie

nt

de

fo

iso

nn

em

en

t

Delta T en heures

Variation du coefficient de foisonnement


29

En outre, le taux de couverture bois, rapport entre la production bois et la production totale, est

fortement touché par le coefficient de foisonnement comme nous pouvons le voir dans la figure

suivante :

Figure 14 : variation du taux de couverture bois en fonction du décalage horaire des courbes de charge

Ces variations ont l’air aléatoire et ne permette pas d’être analysé analytiquement. Le coefficient

de foisonnement et le taux de couverture ont en relation la puissance maximale du réseau dans

leur formule ce qui explique que si l’un varie il entraîne aussi la variation de l’autre. Cependant le

taux de couverture bois, fortement impacté par la puissance bois, ne suit pas les mêmes

variations que le coefficient de foisonnement qui lui n’est impacté que par la puissance

maximale du réseau et la somme des puissances de sous-station.

Nous avons choisi d’étudier 4 points singuliers ( en rouge sur les deux graphes précédents ) :

- sans décalage : quand le coefficient de foisonnement est à 99,7% soit proche de

100%

- à 3h de décalage : quand le coefficient de foisonnement et le taux de couverture sont

en décroissance

- à 12h de décalage : quand le coefficient de foisonnement diminue et le taux de

couverture augmente

- à 19h de décalage : quand le coefficient de foisonnement diminue et le taux de

couverture reste égal

50

55

60

65

70

0 5 10 15 20 25 30Tau

x d

e c

ou

vert

ure

bo

is e

n %

Delta T en heures

Variation taux de couverture bois


30

Nous avons obtenu les monotones de charge suivantes :

( Juste pour rappel, la Puissance Gaz correspond au maximum de la puissance du réseau de

chaleur. )

Figure 15 : Monotone de charge du réseau de chaleur bois sans décalage horaire

Pour la monotone de charge sans décalage, nous repérons la puissance bois et la puissance

maximal du réseau. Le taux de couverture représente l’aire sous la courbe dans la partie en

rouge. La chaudière bois couvre les besoins compris entre la puissance bois ( point rouge ) et

25% de la puissance bois ( point violet ), le reste étant assuré par l’appoint gaz.

Figure 16 : Monotone de charge du réseau de chaleur bois avec un décalage de la courbe de charge de 3h

Pour la décroissance simultanée du coefficient de foisonnement et du taux de couverture, la

monotone de charge s’aplatie, plus de production se fait pas la chaudière gaz en bas régime et


31

le pic de puissance est plus faible car les demandes sont décalés dans le temps et les maxima

de consommation ne coïncident plus de la même manière.


Sur ce graphique, le coefficient de foisonnement diminue encore, le pic de puissance se réduit

une fois de plus mais l’utilisation du bois augmente. Dans ce cas, l’aplatissement ne se fait pas

par l’augmentation de l’utilisation dans les bas régimes mais dans les régimes moyens, ceux

correspondant à la chaudière bois, c’est pourquoi le taux de couverture augmente.


Lorsque le coefficient de foisonnement diminue mais que le taux de couverture reste égal, le pic

de consommation baisse mais la répartition entre utilisation de gaz et de bois s’équilibre, il y a

plus de basses puissances mais aussi plus de moyennes puissances. Ce cas est assez

intéressant car il montre bien que le taux de couverture est impacté graphiquement par le

coefficient de foisonnement sans que sa valeur au final ne change.


32

Pour conclure, le coefficient de foisonnement modifie les monotones de charge. L’effet n’est pas

énorme mais répartie sur des milliers d’heures tant à bien modifier le taux de couverture bois

d’un peu plus de 10%. Le mieux étant d’avoir un coefficient de foisonnement faible et qui

entraine une augmentation de l’utilisation au bois, c'est-à-dire ni dans les hauts régimes ni dans

les bas régimes de puissance.

Suite à cette simulation, nous avons remarqué que la monotone de charge était ce qui pouvait

faire varier la partie « chaufferie » le plus. En outre, l’autre moyen de la modifier en jouant cette

fois-ci sur une réelle donnée d’entrée est de changer de zone climatique. Ces simulations sont

traitées dans la partie 4, car nous avons pu non seulement voir des effets sur les réseaux de

chaleur, mais aussi sur les systèmes décentralisés.

Passons alors à la partie « réseau », en effectuant des simulations sur des longueurs de

tuyauteries du réseau différentes dans la partie qui suit.

3.2 Les longueurs de tuyauteries

Pour cette étude, nous avons modifié la répartition des diamètres de tuyauteries du réseau pour

une longueur totale fixe. En sachant que les tuyauteries de plus gros diamètres sont reliés à des

bâtiments gros consommateurs donc ayant des puissances en sous-station élevée, et vice versa

les plus petits diamètres sont réservé pour les liaisons demandant moins de puissances en

sous-station. Simuler que la longueur de tuyauteries à gros diamètres est plus élevée et que la

longueur à diamètres faibles est moins élevée, revient à éloigner les gros consommateurs de la

chaufferie centrale du réseau de chaleur et de concentrer les petits consommateurs plus proche

de la chaufferie centrale. Dans la réalité, on ne peut pas toujours choisir où placer la chaufferie,

mais la question ici était de savoir si on pouvait choisir où la mettrons-nous ? Plus proche ou

plus loin des gros consommateurs ? Ceci-a-t-il une réelle importance ?

Voici les trois cas différents de répartition de tuyauteries que nous avons choisies :

Figure 19 : Conditions de simulation sur la répartition des tronçons de tuyauterie

0

5

10

15

20

25

DN50

DN63

DN75

DN90

DN110

DN125

DN140

DN160

DN225

rép

arti

tio

n e

n %

Diamètres des tuyauteries

Répartition des tronçons de tuyauterie par diamètre

Equirépartie

Répartition croissante

Répartition décroissante


33

En dehors des tuyauteries, nous avons effectué une simulation sur un réseau de chaleur

constitué de 5 sous-stations consacrées chacunes à 3000m² de bureaux construits avant 1939,

de 5 sous-stations consacré chacune à 3000m² de bureaux construits après 1977, de 3

immeubles de grande hauteur de 3000m² chacuns et d’un bureau en zone commercial de

1000m². La densité est fixée à 3 MWh/mL. Pour cette configuration, la longueur totale des

tuyauteries est de 1,5 km. La zone climatique est la H1a-b ( Nord et Nord-est de la France ). Ce

scénario est un scénario de base regroupant une mixité d’usage assez faible mais faute de

courbes de charge variées nous nous sommes restreint à celui-ci. Il sera utilisé dans toutes les

autres simulations du reste du document comme « scénario de base ».

Nous avons analysé son effet sur la décomposition des coûts P1, P2 & P3 et P4 pour les

réseaux de chaleur bois avec appoint gaz et gaz seul. Dans les trois cas, le P1 correspondant à

la consommation d’énergie ne varie pas. En effet le réseau n’impacte pas sur la demande en

énergie, à priori, sauf qu’il fait varier les petites pertes dues au réseau car elles ne sont pas les

mêmes pour les gros et les petits diamètres. Cependant, cette variation de perte réseau ne varie

qu’entre 1,3% pour la répartition croissante, 1% pour l’équirépartie et 0,8% pour la répartition

décroissante. Donc cette variation est trop faible pour avoir un impact significatif sur P1.

Néanmoins, P4 et par conséquent P2 & P3 ( grandement proportionnel à P4 ) augmentent

lorsque l’on augmente les gros diamètres de tuyauterie, effectivement ils sont jusqu’à 800 €/mL

plus chers. Il est donc plus avantageux et confirmé qu’il vaut mieux placer les bâtiments gros

consommateurs au plus proche de la chaufferie centrale du réseau de chaleur et les petits

consommateurs plus éloignés.

Sur le graphique suivant, nous voyons l’évolution des coûts pour les réseaux de chaleur gaz

( pour le bois, les prix sont plus élevés mais l’évolution reste la même ) :

Figure 20 : Décomposition des coûts en fonction de la répartition des tuyauteries

0

50

100

150

200

250

P4 en €/MWh P2&P3 en €/MWh P1 en €/MWh Coût total en €/MWh

Co

ûts

en

€/M

Wh

Décomposition des coûts selon la répartition des tuyauteries

RdC gaz croissante

RdC gaz équirépartie

RdC gaz décroissante


34

Pour conclure, on constate bien une décroissance du coût de l’investissement lorsque l’on

rapproche les gros consommateurs de la chaufferie centrale.

Ensuite nous nous sommes intéressés à un autre paramètre influant lui aussi sur la partie

« réseau » : la densité.

3.3 La densité

Elle s’exprime en MWh/an.mL et est le rapport entre la production totale d’énergie et la longueur

totale des tuyauteries. La densité est un paramètre souvent étudié lors d’une étude de faisabilité

des réseaux de chaleur. Déjà, car elle représente une des conditions d’éligibilité de l’obtention

des aides de fonds de chaleur pour le réseau de chaleur définis par l’ADEME ( 1,5 MWh/an.mL).

Puis parce qu’un seuil de 3 est habituellement recommandé pour assurer la rentabilité

économique du projet. Plus la production sera importante pour une longueur de réseau faible,

plus la ville est dense et les habitations nombreuses. Pour simuler son influence, nous nous

sommes basés sur le scénario de base, cité en 3.2, pour une longueur totale de réseau variable

cette fois. En effet, un même scénario nous permettait de ne pas changer la production totale

d’énergie, en faisant varier la longueur du réseau pour augmenter ou diminuer la densité de la

ville, comme si nous écartons les maisons les unes par rapport aux autres ou les rapprochons.

La densité n’influe que sur les coûts économiques, c’est pourquoi dans cette partie nous ne

traiterons ni des pollutions ni des indicateurs de performances.

En faisant varier la longueur totale du réseau, nous avons obtenu le graphe suivant :

Figure 21 : Longueur totale du réseau en fonction de la densité thermique

y = 3719,5x-0,978

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 1 2 3 4 5Lon

gue

ur

tota

le r

ése

au e

n m

Densité en MWh/an.m

Longueur totale réseau Seuil ADEME fond de chaleur Seuil recommandé de rentabilité éco


35

Nous remarquons une décroissance en forme de fonction puissance décroissante. Le seuil de

densité de 1,5 MWh/an.m pour le fond de chaleur se situe déjà après la plus grande

décroissance de la courbe, avant une diminution presque par 3 comparé à une densité de 0,5

MWh/m. Dans d’autres rapports, un seuil revient fréquemment, c’est le seuil de rentabilité

économique de 3 MWh/m. Ce seuil est une référence pour un réseau de chaleur, qui comme

nous le savons coûte assez cher, mais qui devient de plus en plus rentable à mesure qu’il est

important. A partir de 3 MWh/m, l’expérience montre que le réseau est assez grand pour

supporter les frais d’investissement.

D’un autre côté, la densité, du fait qu’il fait varier ici la longueur du réseau, fait varier de la même

façon les pertes réseaux comme on peut le voir sur ce graphe :

Figure 22 : Pertes du réseau du chaleur en fonction de la densité thermique

L’évolution des coûts P4, et par conséquent P2 & P3, varient sensiblement aussi comme une

fonction puissance décroissante, bien qu’un peu plus atténué. Cependant, comme notre but est

tout de même aussi de comparer les réseaux de chaleur et les systèmes collectifs, qui eux ne

sont pas influencés évidement par le réseau, nous avons observé combien l’écart de coûts

d’investissement s’amenuise entre ces deux technologies :

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5

pe

rte

en

%

Densité en MWh/m

Pourcentage de pertes Seuil ADEME fond de chaleur Seuil recommandé de rentabilité éco


36

Figure 23 : Variation de P4 pour les réseaux de chaleur au bois et les systèmes collectifs au bois en fonction de la densité

L’écart entre le réseau de chaleur et le chauffage collectif se réduit, bien que le réseau de

chaleur reste plus cher à l’investissement, la densité joue un rôle primordiale effectivement pour

réduire les surcoûts.

Nous constatons la même décroissance avec les technologies au gaz :

Figure 24 : Variation de P4 pour les réseaux de chaleur au gaz et les systèmes collectifs au gaz en fonction de la densité

Juste pour se rassurer, cette même décroissance est visible sur P2 & P3 :

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5

Co

ût

P4

en

€/M

Wh


Variation de P4 pour chauffage au bois appoint gaz

RdC bois

Collectif bois

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5

Co

ût

de

P4

en

€/M

Wh


Variation de P4 pour le chauffage au gaz

RdC gaz

Collectif gaz


37

Figure 25 : Variation de P2 & P3 pour les réseaux de chaleur au bois et les systèmes collectifs au bois en fonction de la densité

Figure 26 : Variation de P2 & P3 pour les réseaux de chaleur au gaz et les systèmes collectifs au gaz en fonction de la densité

Ce facteur d’influence est, à juste titre, l’un des plus influent autant sur P4 que P2 et P3 ( pas

sur P1 ). Pour conclure, nous avons fait le tour des facteurs influents pour la partie

« chaufferie », avec le foisonnement ( la zone climatique vu dans le chapitre suivant ) et pour la

partie « réseau », avec la répartition des tuyauteries et la densité en tête. En enchaînant sur la

partie « sous-station », on constate que cela revient à étudier la partie des chaudières

collectives en technologie parallèle et comparative.

60

70

80

90

100

110

0 1 2 3 4 5

Co

ût

de

P2

+ P

3 e

n €

/MW

h


Variation de P2 & P3 pour le chauffage au bois

RdC bois

Collectif bois

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5

Co

ût

P2

+ P

3 e

n €

/MW

h


Variation de P2 & P3 pour le chauffage au gaz

RdC gaz

Collectif gaz


38

4. Comparaison des coûts de réseau de chaleur et des systèmes

collectifs

Dans la suite, les puissances de sous-stations sont assimilées à celle des chaufferies collectives

en pied d’immeuble, sans prétention de correspondre à tous les cas réels pouvant faire des

exceptions à cette règle.

Il convient d’abord de citer les différences entre réseau de chaleur et systèmes collectifs dans

les données d’entrée. Pour le chauffage collectif, ils ont :

- des coûts de chaufferie moins chers

- pas de coût de réseau et de sous-stations

- des frais d’entretien et de renouvellement plus faibles

- un prix du combustible plus cher

- une puissance totale annuelle consommée plus faible (perte en réseau à ajouter pour les RdC)

4.1 La zone climatique

Une fois encore, nous étudions les monotones de charges. Elles sont très influencées par les

zones climatiques ( voir figure suivante ), qui augmente sensiblement la consommation ( du

simple au double ) dans les zones les plus fraîches de France comme le Nord et le Nord-est, et

qui, en contrepartie, s’aplatie pour les zones les plus chaudes de France comme le Sud-est.

Figure 27 : Répartition des zones climatiques


39

Pour notre simulation, nous avons réutilisé le scénario de base dans quatre zones différentes :

H1a-b, H1c et H2a-b, H2c-d et H3.

Suite à quoi, nous observons une croissance des prix de l’investissement car les coûts en €

décroissent moins rapidement pour les zones plus chaudes que la consommation en MWh ne

décroit (coût en €/MWh, la consommation est inversement proportionnelle au coût).

Ce résultat était prévisible. Mais en décomposant le prix de l’investissement suivant les trois

grandes parties « chaufferie », « réseau » et « sous-station » nous avons constaté que c’est

bien les coûts de « chaufferie » qui sont le plus impactés par la zone climatique, principalement

due au fait qu’ils sont aussi les coûts les plus importants à supporter dans l’investissement. Le

« réseau » se modifie avec la zone climatique par une réduction des diamètres de tuyauterie (

due à des demandes plus faibles en sous-station ) ; comme nous l’avons vu en 3.2 cela entraîne

un abaissement des coûts pour le réseau. Le coût des sous-stations en € est un peu plus faible

car la puissance est moindre mais vu que la consommation en MWh diminue fortement, au final

le coût augmente.

Figure 28 : Variation des coûts d'investissement décomposé en "chaufferie", "réseau" et "sous-station" pour les réseaux de chaleur bois en fonction de la zone climatique

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

H1a-b H1c et H2a-b

H2c-d H3

Co

ûts

de

l'in

vest

isse

me

nt

en

€/M

Wh

Décomposition de l'investissement pour RdC bois

chaufferie €/mWh

reseau €/MWh

sous station €/MWh


40

Figure 29 : Variation des coûts d'investissement décomposé en "chaufferie", "réseau" et "sous-station" pour les réseaux de chaleur au gaz en fonction de la zone climatique

Le saut des coûts « chaufferie », comme entre H2c-d et H3 pour le cas du réseau de chaleur

bois, est aussi dû au fait que nos prix de chaudière sont définis par paliers et peuvent donc

présenter des sauts de prix non linéaire.

Pour P2 & P3, vu qu’ils sont plus influencés par P4 ( ~20 €/kW ) que par la consommation ( ~0,8

€/MWh ), il diminue de la même façon que P4.

Dans P1, il y a deux parties, l’abonnement en € et le combustible en €/MWh. Le coût de

combustible ne varie pas avec la zone climatique. Mais l’abonnement ramené sur la

consommation en MWh augmente quand la consommation diminue. Donc au final, P1

augmente dans les régions les plus chaudes.

0

20

40

60

80

100

120

140

H1a-b H1c et H2a-b

H2c-d H3

Co

ûts

de

l'in

vest

isse

me

nt

en

€/M

Wh

Décomposition de l'investissement pour RdC gaz

chaufferie €/mWh

reseau €/MWh

sous station €/MWh


41

Dans les graphiques suivants, on peut voir les influences sur chaque technologie :

Premièrement sur les réseaux de chaleur :

Figure 30 : Décomposition des coûts pour réseau de chaleur bois en fonction de la zone climatique

Figure 31 : Décomposition des coûts pour réseau de chaleur gaz en fonction de la zone climatique

0

100

200

300

400

500

600

Co

ût

en

€/M

Wh

et

Tau

x d

e c

ou

vert

ure

bo

is e

n %

Influence de la zone climatique sur les

réseaux de chaleur bois

RdC bois H1a-b

RdC bois H1c et H2a-b

RdC bois H2c-d

RdC bois H3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

P4 en €/MWh

P2&P3 en €/MWh

P1 en €/MWh

Coût total en €/MWh

Co

ût

en €

/MW

h %

Influence de la zone climatique sur les réseaux de chaleur gaz

RdC gaz H1a-b

RdC gaz H1c et H2a-b

RdC gaz H2c-d

RdC gaz H3


42

Puis pour le chauffage collectif :

Figure 32 : Décomposition des coûts pour les systèmes collectifs bois en fonction de la zone climatique

Figure 33 : Décomposition des coûts pour les systèmes collectifs gaz en fonction de la zone climatique

050

100150200250300350400

Co

ût

en €

/MW

h e

t Ta

ux

de

cou

vert

ure

bo

is e

n %

Influence de la zone climatique sur les systèmes collectifs bois

Coll bois H1a-b

Coll bois H1c et H2a-b

Coll bois H2c-d

Coll bois H3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

P4 en €/MWh

P2&P3 en €/MWh

P1 en €/MWh

Coût total en €/MWh

Co

ût

en €

/MW

h

Influence de la zone climatique sur les systèmes collectifs gaz

Coll gaz H1a-b

Coll gaz H1c et H2a-b

Coll gaz H2c-d

Coll gaz H3


43

Pour conclure, une zone climatique plus chaude est plus défavorable car l’impact se fait plus sur

le fait que la consommation ne permet pas le système d’être rentable. Ensuite, nous allons

toujours étudier la partie « sous-stations ».

4.2 La puissance moyenne des sous-stations

Pour finir sur les facteurs d’influence, nous avons décidé qu’afin de limiter le surcoût du réseau

de chaleur face au système collectif nous allons défavoriser ce dernier en multipliant le nombre

chaufferies collectives et en abaissant leur puissance. On fait cela dans l’optique de créer une

réelle augmentation du prix du chauffage collectif et un peu moins du réseau de chaleur. Cela

fait-il basculer l’avantage des coûts en faveur des réseaux de chaleur ? Vaut-il mieux avoir

plusieurs petites sous-stations ou des sous-stations moins nombreuses et de plus grosse

puissance ?

Tout d’abord nous avons pris un scénario un peu plus petit que le scénario de base ( les effets

étaient plus visibles sur un réseau deux fois plus petit ). Puis nous avons multiplié par deux le

nombre de sous-stations en abaissant la puissance de chaque sous-station par deux aussi afin

de garder une puissance totale fixe. Ensuite nous avons refait le test en multipliant par trois le

nombre de sous-stations. Au final, le nombre de sous-station augmente sans faire varier la

puissance totale, ce qui amène la puissance moyenne des sous-stations à baisser aussi.

Pour les systèmes collectifs, nous avons divisé par deux ou par trois la puissance des

chaudières de chaque bâtiment avant d’augmenter par deux ou par trois le nombre bâtiment. En

gros, la puissance moyenne des chaudières collectives s’abaissaient et leur nombre augmentait

afin d’avoir une puissance totale constante.


44

Pour les réseaux de chaleur, nous obtenons :

Figure 34 : Décomposition des coûts des réseaux de chaleur bois en fonction de la puissance moyenne de sous-station

Figure 35 : Décomposition des coûts des réseaux de chaleur au gaz en fonction de la puissance moyenne de sous-station

Bien que P1 ne varie pas (la consommation totale ne varie pas), P4 et P2 & P3 augmentent

sensiblement. En effet, pour chaque sous-station supplémentaire il est plus cher de racheter une

0

200

400

600

800

Prix P4 en €/MWh Prix P2&P3 en €/MWh Prix P1 en €/MWh Prix total en €/MWh

Co

ût

en

€/M

Wh

Influence de la puissance moyenne de sous-station sur les réseaux de chaleur

bois

RdC bois scénario normal

RdC bois Nombre de sousstation X2

RdC bois Nombre de sousstation X3

0

100

200

300

400

500

Prix P4 en €/MWh

Prix P2&P3 en €/MWh

Prix P1 en €/MWh

Prix total en

€/MWh

Co

ût

en

€/M

Wh

Influence de la puissance moyenne de sous-station sur les réseaux de

chaleur gaz

RdC gaz scénario normal

RdC gaz Nombre de sousstation X2

RdC gaz Nombre de sousstation X3


45

sous-station que d’en avoir une plus puissante. De plus, le réseau se ramifie plus et entraîne

des coûts double ou triple pour le réseau.

Pour les systèmes collectifs :

Figure 36 : Décomposition des coûts du chauffage collectif au bois en fonction de la puissance moyenne de sous-station

Figure 37 : Décomposition des coûts du chauffage collectif au gaz en fonction de la puissance moyenne de sous-station

Ici P1 augmente car pour chaque bâtiment rajouté, il faut repayer un abonnement par bâtiment

ce qui alourdie sensiblement la facture. Les coûts de P4 et P2 & P3 sont impactés mais à faible

échelle car leurs prix sont déjà assez bas, surtout pour le gaz.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Prix P4 en €/MWh


Prix P1 en €/MWh

Prix total en

€/MWh

Co

ût

en

€/M

Wh

Influence de la puissance moyenne des chaudières collectives au bois

Coll bois scénario normal

Coll bois Nombre de sousstation X2

Coll bois Nombre de sousstation X3

0

50

100

150

200

Prix P4 en €/MWh


Prix P1 en €/MWh

Prix total en

€/MWh

Co

ût

en

€/M

Wh

Influence de la puissance moyenne des chaudières collectives au gaz

Coll gaz scénario normal

Coll gaz Nombre de sousstation X2

Coll gaz Nombre de sousstation X3


46

Ces tests ne nous ont pas permis de rendre le réseau de chaleur plus attractif au niveau

économique que le chauffage collectif ( ni dans ce scénario-ci ni pour le scénario de base ).

Cependant l’écart des prix entre les deux solutions est sérieusement rongé par tous ces facteurs

d’influence que nous pouvons faire varier en faveur du réseau de chaleur.

Un dernier facteur peut faire basculer la balance en faveur des réseaux de chaleur : le prêt

bancaire.

4.3 Le nombre de prêt

L’investissement des réseaux de chaleur est très lourd à supporter. Heureusement, pour les

réseaux de chaleur utilisant des EnR ( > 50 %), ils peuvent obtenir des aides comme le fond de

chaleur. Outre ces aides, il est possible d’abaisser le surcoût de l’investissement des réseaux de

chaleur en décomposant son prêt bancaire. L’idée est de ne plus avoir à assumer un grand prêt

mais deux plus petits prêts. Le premier prêt se ferait sur trois ans, le temps hypothétique que

tous les usagers se raccordent au réseau ( 35 % la première année, 75 % la seconde, 100% la

troisième ) et sur le capital représentant la somme des droits de raccordement sur ces trois ans (

150 € HT / kW ). Au bout des trois premières années, on réeffectue un prêt sur les restes des

années d’amortissement basé sur un capital qui complète le reste de la somme du capital de

l’investissement du. Cette astuce permet de payer moins de charges d’intérêt qu’avec un prêt

complet et unique sur le coût complet de l’investissement sur toutes les années

d’amortissement.

En prenant le scénario de base, en prenant comme condition un taux de rentabilité interne de

10,3%, on permet d’abaisser sensiblement les coûts et donc au final d’abaisser le prix de vente

de chaleur par quasiment deux ( passent de 103 € HT/MWh pour les réseaux de chaleur bois à

66 €/MWh ). Cet argument financier reste un atout comparé au chauffage collectif qui n’a pas de

droits de raccordement. L’astuce des nombres de prêt fait partie de l’analyse financière, nous

n’avons pas poussé plus loin mais cette première approche permet déjà d’affirmer qu’une

dernière carte reste à jouer pour réduire les surcoûts des réseaux de chaleur et revaloriser leur

image trop onéreuse.


47

5. Conclusion

Comme nous l’avons vu, il y a plusieurs facteurs d’influence, chacun visant un domaine du

réseau de chaleur : chaufferie, réseau ou sous-station. Un choix judicieux dans leur utilisation

permet d’améliorer ou de rendre moins onéreux les réseaux de chaleur :

- étudier le coefficient de foisonnement avec le taux de couverture

- avoir une densité élevée ( > 3 MWh/an.mL )

- privilégié les gros consommateurs au plus près de la chaufferie centrale

- favoriser les sous-stations puissantes, plutôt que des plusieurs plus petites…

Au final, c’est la densité qui a le plus d’impact sur les coûts d’investissement, c’est pourquoi elle

a été si souvent étudiée dans d’autres rapports, surtout que comparée à la zone climatique par

exemple elle n’est pas forcement imposé dans les nouvelles constructions.

De plus, les réseaux de chaleur bien choisis deviennent compétitifs face aux systèmes collectifs.

En effet l’écart de prix, surtout de l’investissement peut grandement être réduit.

Pour finir, un onglet financier qui reste à développer, réduisant les charges d’intérêts par la

section du prêt bancaire sur l’investissement en deux, avance un nouvel argument de vente

significatif. Il est possible d’abaisser le prix de vente aux usagers en restant rentable et ainsi se

situer quasi à la même échelle de prix que les systèmes collectifs.

Dès lors, que les facteurs d’influence sont maîtrisé, les réseaux de chaleurs peuvent représenter

une des meilleurs alternatives énergétiques des grandes villes tant du point de environnemental

( moins de pollution ), social ( plus de sécurité dans les installations ) qu’économiques.


48

SOMMAIRE DES ANNEXES

Annexe 1 : Données d’entrée du modèle « réseau de chaleur » ................................................ 50

Annexe 2 : Données de sorties du modèle « réseau de chaleur » ............................................. 53

Annexe 3 : formules du modèle « réseau de chaleur » .............................................................. 54


49

Annexe 1 : Données d’entrée du modèle « réseau de chaleur »

Entrées pouvant être modifiées par le client

ID Nom Type Unité

Ville : ZoneClima Zone climatique de la ville Texte ø

Densité Densité de la ville Texte ø

PertesBâtiment Pertes dans le bâtiment Entier %

Surface Surface habitable pour chaque sous-station Entier m²

NbLogement Nombre de logement par sous-station Entier ø

NbBâtiment Nombre de bâtiment par sous-station Entier ø

PuissanceSsStation

Puissance appelée de la sous-station Entier kW

NbSousstation Nombre de sous-station identique Entier ø

Réseau de chaleur :

TempAller Température du fluide caloporteur à l'aller Entier °C

TempRetour Température du fluide caloporteur au retour Entier °C

LongRéseau Longueur totale du réseau de chaleur Entier m

LongTuyaux Longueur des tuyauteries du réseau selon leurs diamètres Entier m

PuissanceBois Puissance appelée de la chaudière bois Entier kW

Combustible Type de combustible Texte ø

PuissanceGaz Puissance appelée de la chaudière gas Entier kW

Système décentralisé :

Silo Type de silo Texte ø

Economie :

TauxActu Taux d'actualisation Entier %

PrixVente Prix de vente de la chaleur Réel

€ HT/M

Wh

Amm Ammortissement Entier années


50

Entrées provenant d'autres modèles

Coûts Investissement

réseau de chaleur : ID Nom Type Unité

"CoûtBoisProdRéseau"

"Coût de la chaudière bois pour le réseau de chaleur"

Entier €/kW bois

"CoûtGC" "Coût du génie civil" Entier k€

"CoûtGazProd"

"Coût de la chaudière gaz" Entier

€/kW bois

"CoûtFumisterie"

"Coût de fumisterie" Entier

€/kW bois

"CoûtHydro" "Coût de l'installation hydraulique"

Entier €/kW bois

"CoûtElec" "Coût de l'installation électrique"

Entier €/kW bois

"CoûtSupervision"

"Coût de supervision" Entier k€

"CoûtSsStation"

"Coût de chaque sous-station" Entier €/kW

"CoûtAutomat"

"Coût de l'automate" Entier €

"CoûtIng" "Coût de l'ingénierie, des risques et des marges commerciales " Réel %

"CoûtTuyaux"

"Coût de la tuyauterie du réseau" Entier €/mL

Coûts Investissement système décentralisé :

"CoûtProdDecentralisé"

"Coût de la chaudière aux plaquettes pour système décentralisé" Entier €/kW

Coûts Fonctionnement :

"PrixGaz" "Prix moyen du gaz" Réel

€/MWh PCI

"AbonnementGaz"

"Coût abonnement gaz" Réel €/y

"PrixBois" "Prix moyen du bois" Entier

€/MWh PCI

"P2Chaud" "Coût de la conduite et le petit entretien pour la chaudière" Entier €/kW

"P2DéchargPla" "Coût de déchargement des plaquettes/granulés" Réel

€/MWh

"P2Cendres" "Coût de traitement des cendres" Réel €/M


51

Wh

"P2SsStation"

"Coût de la conduite et le petit entretien des sous-stations " Entier

€/SsStation

"P3ChaudBois"

"Coût de le gros entretien et le renouvellement des chaudières bois " Entier %

"P3ChaudGaz"

"Coût de le gros entretien et le renouvellement des chaudières gaz " Entier %

"P3Equip" "Coût de le gros entretien et le renouvellement des équipement chaufferie" Entier %

"P3Tuy" "Coût de la maintenance lourde des tuyauteries du réseau " Entier %

"P3SsStation" "Coût de la maintenance lourde des sous-stations " Entier %

"Rend" "Efficacité de la chaudière gaz et bois" Entier %

T.V.A Taxe sur la valeur ajoutée Réel %

Emissions :

PollutEmissionRatio Rejet de NOx, CO, SO2 Réel

g/MWh

CO2EmissionRatio Rejet de CO2 Réel kg/kWhpci

Consommation :

"ConsoDécentralisé"

"Consommation des bâtiments pour les systèmes décentralisé" Réel

kW/m²

"TempFonctBois"

"Temps de fonctionnement à pleine puissance pour les chaudière bois pour système décentralisé" Réel

heures

"TempFonctGaz"

"Temps de fonctionnement à pleine puissance pour les chaudière gaz pour système décentralisé" Réel

heures

Finance :

Inflation Inflation Réel %

"TauxAide"

"Taux d'aide accordé pour financer l'investissement " Réel %

"TauxEmprunt"

"Taux de l'emprunt retenu pour le prêt de l'argent de l'investissement " Réel %

"Raccordement" "Valeur des droits de raccordement" Réel €

Pertes du réseau :

"SurcoûtUrbain" "Surcoût du réseau en milieu urbain" Réel %

"PertesCharge" "Pertes de charge dimmensionnement du réseau" Réel Pa

A' : Données partagées avec un autre modèle

"B" : Données reliées à un autre modèle


52

Annexe 2 : Données de sorties du modèle « réseau de chaleur »

Sorties - CAVI

ID Nom Typ

e Unité

Consommation énergétique :

EnergieTotale Consommation énergétique totale annuelle

Réel MWh

Coeffoisonnement

Coefficient de foisonnement Réel %

TauxCouvBois Taux de couverture bois Réel %

Emissions : PollutEmission Rejet de NOx, CO, SO2 Réel g

CO2Emission Rejet de CO2 Réel kg

Coût : CoûtPartInv Part des coûts d'investissement P4 Réel

€ et €/MWh

CoûtPartFonct

Part des coûts de fonctionnement P2 & P3 Réel

€ et €/MWh

CoûtPartComb Part des coûts de combustible P1 Réel

€ et €/MWh

CoûtGlobal Coût global Réel

€ et €/MWh

TRI Temps de retour sur investissement Réel années

Finance : TRInterne Taux de rentabilité interne Réel %

CashFlow Cash-flow Réel €/MWh

Pertes réseau de chaleur : PertesRéseau Pourcentage pertes dans les tuyauteries Réel %

A' : Données partagées avec un autre modèle

"B" : Données reliées à un autre modèle


53

Annexe 3 : formules du modèle « réseau de chaleur »

La description du modèle ci-dessous a été répartie sous forme de bloc associé à des fonctions

comme le figure sur la figure de structure générale. Chaque bloc remplit une fonction particulière

« Besoin », « Dimensionnement », « Evaluation technique et « Evaluation financière ». L’ordre

de présentation ci-dessous des différents blocs doit être respecté lors de l’implémentation dans

le modèle, afin que les calculs se suivent et restent cohérents. On pourra remarquer que l’on

retrouve les même dénominations pour les entrées/sorties que ceux présentées plus haut dans

ce document. S’y ajoute des valeurs intermédiaires, non encore présentées mais décrit dans

cette suite, qui sont essentiels pour les calculs. Ceux-ci ont été simplifié au maximum afin

d’assurer une lecture rapide et linéaire des différentes étapes de fonctionnement. Dans cette

logique, certain indice tel que (Bât) ou (Bois/Gaz) expriment que des mêmes calculs se font en

parallèle de la même manière mais selon des valeurs numériques différentes.

Besoins et dimensionnement

Il convient dans un premier temps de déterminer les besoins des différents bâtiments. A partir

des courbes de charges d’un modèle externe appelé « Courbe de besoins », identifié sous CDB,

nous pouvons déterminer les puissances appelées des sous-stations et des chaudières, ainsi

que les différents besoins de la chaudière bois et gaz.

ConsoBois : Consommation de bois, en MWh

ConsoGaz : Consommation de gaz, en MWh

ConsoTot : consommation totale, ici somme de ConsoGaz et ConsoBois, en MWh

Indice relatif au type du bâtiment : X

, pour une même valeur X plusieurs valeurs numériques y sont associé

selon le type de bâtiment ( logement collectif, bureaux … )

Pour cette partie, les calculs entre les réseaux de chaleur et les systèmes décentralisés sont

séparés. Le calcul pour le réseau de chaleur impliquant la création d’une nouvelle courbe de

besoin au pas horaire, il convenait d’expliquer cette nuance.

Pour les systèmes décentralisés :

La consommation regroupe la consommation en chauffage ET ECS, pour rappel elle est en

kW/m² !!

PuissanceAppSsStation

= max(ConsoSurfaceDécentralisé

)*Surface

∑


54

ConsoTot = ∑

*Surface*NbSousStation

La puissance bois est calculée par une boucle. On effectue la somme des

ConsoSurfaceDécentralisé compris entre 25% PuissanceAppBois et PuissanceAppBois. Ce

résultat est le besoin de bois des bâtiments, appelée ConsoBois. Nous cherchons le besoin

bois maximum pour dimensionner la PuissanceAppBois ( à noter : ce dimensionnement repose

sur le maximum de la couverture bois ). Les calculs se font tels que :

Si le système est une chaudière bois avec appoint gaz, ConsoGaz = ConsoTot – ConsoBois

Si le système est une chaudière gaz seul, ConsoGaz = ConsoTot

TempFonctBois = ConsoBois/PuissanceAppBois

TempFonctGaz = ConsoGaz/PuissanceAppGaz

Pour le réseau :

ConsoRéseau = ∑ Surface*NbSousStation

( On obtient une nouvelle courbe de charge composé de tous les bâtiments raccordés au

réseau )

PuissanceGaz(Bât) = max (ConsoRéseau)

ConsoTot = ∑

La puissance bois est calculée par une boucle comme celle des systèmes décentralisés mais à

l’aide de la courbe de charge créée. On effectue la somme des ConsoSurfaceDécentralisé

compris entre PuissanceAppBois et 25%*PuissanceAppBois. Ce résultat est le besoin de bois

des bâtiments, appelée ConsoBois. Nous cherchons le besoin bois maximum pour

dimensionner la PuissanceAppBois ( à noter : ce dimensionnement repose sur le maximum de

la couverture bois ). Les calculs se font tels que :

Si le système est une chaudière bois avec appoint gaz, ConsoGaz = ConsoTot – ConsoBois

Si le système est une chaudière gaz seul, ConsoGaz = ConsoTot

TempFonctBois = ConsoBois/PuissanceAppBois


55

TempFonctGaz = ConsoGaz/PuissanceAppGaz

Evaluation technique

Le bloc « Evaluation technique » effectue les calculs de performance énergétique du modèle

« Réseau de chaleur ».

Suite aux calculs précédents, l’utilisateur est invité à suivre les valeurs PuissanceApp calculés,

présenté dans le modèle comme des « valeurs de référence », mais il peut aussi choisir de ne

pas suivre cette référence et d’entrer ses propres PuissanceApp en données d’entrée. C’est

pourquoi les PuissanceApp ne sont pas forcément les même que celles calculées ci-dessus.

Cette particularité a été mise en place afin de laisser le choix à l’utilisateur d’entrée la puissance

d’une chaudière sur site déjà dimensionnée à rénover.

PuissanceNom : Puissance nominale des chaudières

Indicateur relatif au combustible : X(Bois/Gaz) pour une même valeur X plusieurs valeurs numériques y sont associé

selon le type de combustible ( ici : bois ou gaz )

PuissanceNom(Bois/Gaz) = PuissanceApp(Bois/Gaz) /(1-(Pertesréseau+PertesBâtiment)/100)

Dans le cas du collectif et de l’individuel, Pertesréseau = 0.

TempFonc(Bois/Gaz) = Conso(Bois/Gaz) / PuissanceApp(Bois/Gaz)

Energie(Bois/Gaz) = Conso(Bois/Gaz) /(1-(Pertesréseau+PertesBâtiment)/100)

EnergieTotale = EnergieBois + EnergieGaz

Evaluation financière

Le bloc « Evaluation financière » permet de définir les différents coûts liés à l’investissement et

au fonctionnement des systèmes, ainsi que les polluants rejetés suite à leur utilisation sur une

année.

Ici aussi, il convient de respecter l’ordre établit ci-dessous, d’une part parce que le coût total de

l’investissement influe sur beaucoup d’autres paramètres ultérieurs.

Les déroulements des calculs suivent le même procédé pour le cas de la solution réseau et pour

les systèmes décentralisés, cependant, attention, les valeurs numériques peuvent être très

différentes pour chacune des solutions.

Investissement :


56

Les coûts d’investissement regroupent les coûts d’achat des produits, de l’ingénierie et des

marges

CoûtInvChauff = [ CoûtBoisChaudRéseau + CoûtGasChaud + CoûtFumisterie + CoûtHydro +

CoûtElec ] x ConsoBois + CoûtGC + CoûtAutomat + CoûtSupervision

CoûtInvSsStation = CoûtSsStation x PuissanNomSsStation

pour les systèmes décentralisés CoûtInvSsstation =0

CoûtInvTuyaux = CoûtTuyaux x LongTuyaux

si Densité = « Milieu urbain », CoûtInvTuyaux = CoûtTuyaux x LongTuyaux x 1.5

pour les systèmes décentralisés CoûtInvTuyaux = 0

CoûtInvest’ = CoûtChauff + CoûtSsStation + CoûtRéseau

CoûtInvest = (CoûtInvest’ + CoûtIng x CoûtInvest’)x(1+T.V.A./100)

Annuïté =

x CoûtInvest

CoûtPartInv= CoûtInvest / ConsoTotale

Fonctionnement :

Le coût de fonctionnement regroupe les frais du petit entretien, de l’exploitation et du

renouvellement du matériel par an, ainsi que les prix d’achat des combustibles.

Maintenance courante :

CoûtP2 =[ ( P2Chaud x ( PuissanceNomBois + PuissanceNomGaz ) +( P2DéchargPla +

P2Cendres ) x ConsoBois + P2SsStation x ∑ ) ] * (1 + T.V.A /100)

Maintenance lourde :

CoûtP3 = [ ( P3ChaudBois + P3ChaudGaz + P3Equip + ) x CoûtInvChauff + P3Tuy x

CoûtInvTuyaux + P3SsStation x CoûtInvSsStation ) ] x ( 1+ TVA/100)

CoûtFonct = (CoûtP3 + CoûtP2)

CoûtPartFonct= (CoûtP3 + CoûtP2)/ConsoTotale


57

Combustible :

Quantité achetée de combustible: QuantitéComb(Bois/Gaz)

QuantitéComb(Bois/Gaz) = Energie(Bois/Gaz) / Rend(Bois/Gaz)

CoûtPartComb =[ ( QuantitéCombGaz x PrixGaz + AbonnementGaz ) x ( 1 + TVA /100 )+

QuantitéCombBois x PrixBois x ( 1 + TVA /100 ) ] /ConsoTotale

pour la solution gaz seul : QuantitéCombBois = 0

Global :

CoûtGlobal = CoûtPartInv + CoûtPartMaint+ CoûtPartComb

Temps de retour sur investissement :

Le temps de retour sur investissement compare deux solutions A et B :

Indice relatif à la solution A : X(A)

Indice relatif à la solution B : X(Bât)

TempRetourInv = CoûtPartInv(A)/ ( CoûtPartMaint(A) + CoûtPartComb(A) – CoûtPartMaint(Bât)

– CoûtPartComb(Bât) )

Polluants :

PollutEmission(Bois/Gaz) = PollutEmissionRatio(Bois/Gaz) x Energie(Bois/Gaz)

CO2Emission(Bois/Gaz) = CO2EmissionRatio(Bois/Gaz) x Energie(Bois/Gaz)

Taux de couverture bois :

TauxCouvBois = ConsoBois / ConsoTotale x 100

Finance

A l’aide de l’outil de EnerBAT, nous avons enrichi notre outil par un onglet financier permettant

entre autre de calculer le prix de vente de la chaleur. Tous les calculs sont fait indépendamment

pour le réseau, le collectif et l’individuel dans l’ordre qui est énoncé ici.

Pour cela il faut suivre les étapes suivantes :


58

Recettes

Les recettes représentent l’argent qui rentre pour une société. Ici, elles regroupent la vente de la

chaleur et les droits de raccordements ( pour les réseaux de chaleur ) et éventuellement les

aides lorsqu’elles sont accordées. Pour le cas de l’individuel, les recettes sont nulles car le

particulier ne revend pas sa chaleur produit à une autre personne.

Les droits de raccordement

Les droits de raccordement peuvent être progressifs, par exemple pour un prix fixe on peut

supposer que la première année seulement 35% des usagers se raccordent au réseau, que la

seconde année 75% des usages sont raccordés et que les années suivantes 100% sont

raccordés.

Pour le collectif et l’individuel, ce calcul est nul.

La vente de la chaleur

RecetteVenteChaleur = PrixChaleur * PourcentRaccordé * ( PuissanceNomBois +

PuissanceNomGaz ) *Inflat°

Pour l’individuel, ce calcul est nul.

La reprise de subvention au compte résultat

Les aides peuvent être perçues comme une recette pour le compte résultat. On répartie la

somme équitablement au fil des années d’amortissement.

Charges d’exploitation

Les charges d’exploitation correspondent à la décomposition des coûts de fonctionnement

précédemment cités en plus avec prise en compte de l’inflation.

EBITDA

Ceci correspond au solde intermédiaire de gestion qui correspond lui-même à l’excédant brut

d’exploitation ( Earnings Before Interest, Taxes, Depreciation and Amortization ».

EBITDA = recettes – charges d’exploitation

Dotations aux amortissements


59

Les dotations aux amortissements sont l’investissement total CoûtPartInv divisé par le nombre

d’années d’amortissement.

Charges d’intérêts

Les charges d’intérêts sont le surplus d’argent sur le remboursement à la banque fait par un

emprunt dues aux intérêts, soit le capital multiplié par le taux d’emprunt par an. Attention, ils

sont à recalculer chaque année de l’amortissement sur la somme restante due à la banque.

Résultats avant impôt

Résultats avant impôts = EBITDA – Dotations aux amortissements – Charges d’intérêts

Impôts société

Chaque année une société doit payer un pourcentage de son résultat avant impôts.

Résultat après impôt

Résultat après impôt = résultat avant impôt + impôts société

Cash-flow

Aussi appelée flux de trésorerie, c’est l’argent liquide qui reste dans l’entreprise en déduisant

toutes les charges décaissé.

Cash-flow = Résultat après impôt + dotation aux amortissements –remboursement du capital –

reprise de subvention au compte résultat

Taux de rentabilité interne

Outil d’aide à la décision de l’investissement. Elle tient compte de la valeur temporelle de

l’argent et doit être le plus élevée possible.

Part fixe

Réservé aux factures des réseaux de chaleur.

La part fixe est ce que le client paye chaque année pour remboursé P4, P2 et P3 en €/MWh

généralement


60

Part variable

Réservé aux factures des réseaux de chaleur.

La part variable s’ajuste quand à elle à la consommation de combustible du client.

Pertes réseau

Débits

Débits max à partir des besoins

Débit max = PuissanceAppGaz / ( 4.81 * ( TempAller – TempRetour ) ) * 3600 /1000

Diamètre max = (Débit max / vitesse max * Pi ) ^(1/2) *1000

On fait le même calcul pour le débit minimum à partir de la puissance de la plus petite sous-

station.

On obtient alors le plus gros diamètre à installer de tuyauterie et le plus petit. A l’utilisateur de

choisir la répartition des longueurs dans les différents tronçons.

PerteRéseau = PerteTronçon * LongueurTuy

On obtient les pertes pour les différents tronçons que l’on peut sommer pour obtenir les pertes

totales.

PourcentPertes = PertesTotale/(PuissanceNomBois + PuissanceNomGaz )

On peut également obtenir le prix des tuyauteries.

CoûtInvTuyaux = CoûtTuyaux x LongTuyaux

pour les systèmes décentralisés CoûtInvTuyaux = 0


61

PRESENTATION DE L’ENTREPRISE : EIFER

Comme son nom l’indique, EIFER ( European Institute For Energy Research ) est un institut de

recherche européen. Il a été fondé le 1er janvier 2002, suite à un partenariat entre EDF

(Electricité De France) et l’université de Karlsruhe. Cet institut de recherche à but non lucratif est

basé à Karlsruhe dans la région du Baden-Württemberg (Sud Ouest de l’Allemagne).

La raison de la création de cet institut est ancienne. Historiquement, l’institut EIFER est un

groupement européen d’intérêt économique entre EDF et le KIT en 2001. Dans les années

1960, EDF coopère avec Badenwerk, le groupe énergétique du Baden-Württemberg ( EnBW

depuis 1999 ). La collaboration entre ces deux sociétés a conduit à de travaux communs comme

par exemple l’exploitation commune de deux centrales hydroélectriques sur le Rhin. Quarante

ans plus tard, la possibilité de participer au capital d’EnBW s’offre à EDF. EnBW compte alors

parmi les principaux producteurs et fournisseurs d’électricité en Allemagne. La région du Baden-

Württemberg n’accepte la de vente de 35 % des capitaux de la société qu’à la condition que la

compagnie française d’électricité investisse dans la recherche dans cette région. C’est ainsi que

l’institut est créé suite à un accord entre EDF et l’université de Karlsruhe. Il compte aujourd’hui

plus de 110 employés de plus de 14 nationalités différentes (architectes, économistes,

urbanistes et ingénieurs chercheurs) se plaçant ainsi comme le premier centre international de

R&D du groupe EDF.

Depuis 2000, la coopération franco-allemande s’est intensifiée avec l’entrée du groupe EDF

dans le capital d’EnBW. Sa participation s’élève aujourd’hui à 45,01 %. EnBW est la troisième

plus grande compagnie allemande dans le domaine de l’énergie. Elle fournit du gaz et de

l’électricité à 6 millions de consommateurs.

L’institut symbolise ainsi la volonté du groupe EDF d’être un acteur sur le marché européen de

l’énergie comme en témoigne son implication sur les quatre marchés les plus importants en

Europe : en France, au Royaume-Uni (EDF Energy), en Allemagne ( EnBW : Energie Baden-

Württemberg ) et en Italie (Edison).

Concernant ses missions, EIFER travaille donc sur des projets commissionnés par des autorités

publiques (Union Européenne, France ou Allemagne) et pour des filiales d’EDF. Ses activités

sont réalisées en partenariat avec le KIT (Karsruher Institut für Technologie), un pôle

d’excellence fondé par l’université de Karlsruhe et le centre de recherche de la ville.

Ses missions sont variées et centrées autour des problèmes énergétiques. L’ambition de

l’EIFER est de développer ou améliorer des technologies propres et innovantes et des outils

pour encourager les solutions durables. L’institut fournit des méthodes pour planifier les besoins

des territoires, des solutions techniques efficaces et des aperçus du paysage énergétiques du

futur.

Documents

Les réseaux de chaleur et facteurseprints2.insa-strasbourg.fr/1404/1/rapportprovotclaire.pdf · [5] AMORCE, Schéma guide de création d'un réseau de chaleur, éléments clés pour