Le point commun des systèmes d'infrastructure est qu'ils permettent non seulement d'optimiser les coûts, mais aussi de les stabiliser. Les systèmes énergétiques urbains, qu'il s'agisse de chauffage ou de refroidissement urbains, ne sont pas différents. Grâce à une planification thermique minutieuse, à l'identification des sources de chaleur ou de froid possibles et à l'application d'une combinaison favorable de technologies de production thermique, les services publics d'énergie urbaine peuvent garantir un coût de production thermique optimal, une stabilité exceptionnelle des coûts et une résilience de fonctionnement. Cet article démontre l'importance de choisir la combinaison optimale de technologies de production de chaleur en fonction des coûts d'investissement (CAPEX) et des coûts d'exploitation (OPEX). En adoptant un fonctionnement multi-sources, les services publics de distribution d'énergie peuvent réduire de manière significative le coût de la production thermique par rapport à un fonctionnement mono-source.
Jan Eric a rejoint Danfoss en 2000 et a travaillé sur la simulation dynamique, les essais en laboratoire, les essais sur le terrain, l'analyse technico-économique, la recherche et le développement. Il se concentre sur les composants, les sous-systèmes et les systèmes énergétiques, en rapport avec les solutions de chauffage et de refroidissement proposées par Danfoss. Avec comme priorité le développement conceptuel du chauffage et du refroidissement urbains dans la perspective d'un système énergétique intelligent et couplé au secteur, il a réalisé un certain nombre de publications. Mais il anime également des conférences dans le cadre d'activités de formations. Jan Eric est titulaire d'une maîtrise en ingénierie mécanique/énergétique.
Oddgeir a rejoint Danfoss en 2012 en tant qu'expert en énergie de quartier au niveau mondial. Il a travaillé sur un large spectre de sujets dans le secteur de l'énergie de proximité, allant de l'approfondissement des composants à l'analyse des interactions complexes et du rôle des systèmes d'énergie de proximité dans la perspective du système énergétique au sens large, en passant par l'accueil de délégations à la recherche de solutions pour la décarbonisation et l'utilisation efficace des sources d'énergie. Oddgeir participe activement à des projets de recherche internationaux et à des plateformes visant à partager les connaissances et à positionner les systèmes énergétiques urbains. En outre, il fournit des services de conseil aux partenaires et institutions du secteur. Oddgeir est titulaire d'un doctorat en ingénierie de l'Université d'Islande.
Les systèmes de chauffage urbain présentent de nombreuses caractéristiques intéressantes pour relever les défis de notre époque. En Europe du Nord, ils se sont révélés exceptionnellement efficaces pour décarboniser les besoins en chauffage des bâtiments et devenir les catalyseurs d'un futur système énergétique intelligent et efficace. En Ukraine, ils se sont révélés exceptionnellement résistants aux bombardements lors de la guerre russe contre l'Ukraine. Les villes ukrainiennes dotées de systèmes de chauffage urbain, même s'ils sont obsolètes, ont prouvé qu'elles disposaient d'un approvisionnement en chaleur plus sûr, plus fiable, plus stable et plus prévisible que les villes dotées d'un système de chauffage individuel. Au Royaume-Uni, le chauffage urbain est reconnu comme une solution importante pour lutter contre la pauvreté énergétique. La raison principale du succès multicritère du chauffage urbain est que l'agrégation des demandes de tous les utilisateurs connectés permet d'accéder à un ensemble de technologies de production de chaleur diverses. En combinant correctement les sources de chaleur et les technologies de production, le service public de chauffage urbain peut garantir de faibles coûts de chauffage, une stabilité des coûts à long terme, une résistance aux perturbations des vecteurs énergétiques et, en fin de compte, un approvisionnement en chaleur fiable et à l'épreuve du temps, fonctionnant en synergie avec l'ensemble du système énergétique.
Les étapes de base pour minimiser les coûts de la chaleur dans les systèmes de chauffage urbain sont les suivantes
Cet article part du principe que nous concevons un système de chauffage urbain de 100 MW pour répondre à une demande annuelle de 333 GWh. La figure 1 montre la courbe de la demande annuelle de chaleur (à gauche) et la même demande annuelle classée par ordre décroissant, communément appelée courbe de durée (à droite). Les chiffres de charge montrent clairement que le système fonctionnera à charge partielle pendant une grande partie de l'année. L'objectif du service public est de concevoir la production de chaleur de manière à permettre une fourniture de chaleur rentable à tout moment ou pour toute demande de chaleur donnée.
Pour assurer la plus grande stabilité opérationnelle du système, il est de la plus haute importance d'explorer les sources d'énergie renouvelables locales et les synergies dans l'environnement local. Les sources locales de chaleur renouvelable peuvent, par exemple, être géothermiques, lacustres, fluviales ou maritimes. Des synergies typiques peuvent être trouvées avec les secteurs des déchets (déchets ménagers et eaux usées), la production d'électricité, la biomasse des déchets agricoles locaux et la chaleur excédentaire des industries. Les ressources locales sont généralement bien adaptées à la fourniture de chaleur en base et à mi-charge, car ces sources d'énergie sont souvent stables en termes de coût et de disponibilité.
Les vecteurs énergétiques importables sont généralement toute forme d'énergie facilement transportable sur de longues distances, comme l'électricité, le gaz naturel, le charbon, le pétrole, les électro-carburants et la biomasse. Le point commun entre ces vecteurs énergétiques est que leurs coûts sont influencés par la qualité de l'énergie et les conditions du marché international. Par conséquent, l'évolution des coûts, tant à court qu'à long terme, tend à être imprévisible. L'histoire a également montré que les vecteurs énergétiques basés sur les énergies fossiles ont été militarisés, par exemple lors de la crise pétrolière des années 1970 et de la guerre en Ukraine en 2022.
Une fois les sources d'énergie disponibles identifiées, l'étape suivante consiste à accéder aux paramètres économiques clés qui influencent le coût de la chaleur produite à partir de ces sources. Pour une première évaluation, des données financières peuvent être trouvées dans divers catalogues de coûts technologiques, par exemple, auprès de l'Agence danoise de l'énergie [1].
Il est important de noter que le CAPEX est un coût unique, le coût de la mise en place de la centrale thermique, tandis que l'OPEX est à la fois fixe et variable. Les OPEX fixes sont les coûts qui diminuent indépendamment de l'utilisation de la centrale thermique ; ils peuvent être dus aux programmes d'entretien général des bâtiments et des équipements. Les OPEX variables sont les coûts directement liés à la production de chaleur ; il s'agit des coûts de combustible et d'entretien directement associés au fonctionnement de l'installation (usure).
En règle générale, les centrales thermiques dont les CAPEX sont élevés et les OPEX faibles devraient être des fournisseurs de charge de base. En général, le coût de la chaleur produite par ces installations est d'autant plus faible que leur taux d'utilisation est élevé, comme le montre la ligne bleue de la figure 2. À l'autre extrémité du spectre, on trouve les centrales thermiques dont les CAPEX sont faibles et les OPEX élevées. Ces centrales sont bien adaptées aux charges de pointe, car le CAPEX par unité de chaleur générée diminue rapidement avec l'augmentation de l'utilisation et le coût de la chaleur est dominé par le coût du combustible, comme le montre clairement le fait que le coût de la chaleur atteindra un plateau autour de l'OPEX variable, comme l'indique la ligne noire de la figure 2.
On trouvera ci-dessous un exemple simplifié de l'optimisation des coûts de la chaleur dans le cas de la demande de chaleur illustré à la figure 1. Ce cas est basé sur trois technologies de production de chaleur, l'incinération des déchets (WtE), une pompe à chaleur à air et une chaudière au gaz naturel (voir figure 3).
Le tableau 1 montre le coût de la chaleur produite par une seule technologie de production de chaleur répondant à la demande de la figure 1. Comme le montre le tableau, la pompe à chaleur à air est la solution la plus rentable du point de vue d'une technologie unique.
En revanche, si l'on désigne l'incinérateur de déchets comme charge de base, par exemple pour assurer une utilisation élevée de l'investissement, suivi d'une installation de pompe à chaleur à source d'air pour la charge moyenne et, enfin, de chaudières au gaz naturel pour la charge de pointe, un meilleur résultat peut être obtenu. Dans ce cas, la solution optimale serait celle indiquée dans le tableau 2 et visualisée dans laFigure 4.
La figure 5 illustre la courbe de durée en fonction de la combinaison de production de chaleur optimale en termes de coûts.
L'analyse de la sensibilité du coût de la chaleur à la répartition des capacités entre les technologies de production de chaleur (voir figure 6) permet d'identifier des opportunités intéressantes.
Une autre combinaison pourrait se trouver au point B, avec une unité WtE de 38 MW, une pompe à chaleur de 25 MW et une chaudière au gaz naturel de 37 MW. L'augmentation du coût annuel de production de chaleur lors du passage du point A au point B n'est que de 2 %. Cependant, l'impact sur la flexibilité du doublement de la capacité de la pompe à chaleur de 12 MW à 25 MW pourrait facilement être rentabilisé, car la capacité supplémentaire de la pompe à chaleur offrira des possibilités de couplage sectoriel considérablement accrues. Par exemple, des possibilités accrues de tirer parti des fluctuations des prix de l'électricité, de fournir des services d'équilibrage au système électrique et de réduire la dépendance au gaz naturel et, par conséquent, la dépendance aux combustibles importés, ainsi que la réduction des émissions de CO2.Une installation de pompe à chaleur plus importante pourrait également tirer parti des rendements plus élevés obtenus pendant la journée, par rapport aux températures nocturnes, et charger un stockage d'énergie thermique s'il est disponible et limiter ou éviter le fonctionnement pendant la période la plus froide de la nuit. Une autre possibilité serait d'exploiter les synergies avec d'autres secteurs énergétiques, tels que les secteurs du refroidissement et de l'industrie. En ce qui concerne le secteur du refroidissement, la pompe à chaleur pourrait fonctionner en synergie avec des systèmes de refroidissement urbain ou de grands complexes immobiliers, tels que des centres commerciaux, des hôpitaux ou d'autres grands complexes. En ce qui concerne le secteur industriel, les pompes à chaleur pourraient utiliser la chaleur résiduelle de divers processus industriels et, de ce fait, atteindre des rendements de pompe à chaleur élevés pour le service public de chauffage urbain, ce qui permettrait à l'industrie d'économiser le coût du refroidissement de sa chaleur résiduelle ou, dans certains cas, de générer un flux de revenus pour l'industrie. Pour plus d'informations sur le potentiel de la chaleur excédentaire, voir [2].
En optant pour un fonctionnement multi-sources et en optimisant les capacités de production de chaleur sur la base de la relation entre CAPEX et OPEX, les services publics d'énergie de quartier peuvent obtenir des avantages multiples, tels que :
Une autre conclusion importante tirée de notre étude est que dans le chauffage urbain, la sensibilité du coût du chauffage au mix technologique de production de chaleur est faible. Grâce à sa faible sensibilité aux coûts de chauffage, le chauffage urbain permet une large gamme de combinaisons technologiques avec des coûts de chauffage stables et faibles. C'est important car de nouveaux systèmes peuvent être construits avec une planification à long terme, par exemple en commençant par une chaudière à charge de pointe bon marché et plus tard lorsque le système se développe pour construire la technologie de charge de base à forte intensité de CAPEX. Cette stabilité des coûts de chauffage permet en outre aux systèmes énergétiques de quartier de jouer un rôle de premier plan dans le futur système énergétique intégré, avec un énorme potentiel de hausse et un risque limité. Pour maximiser les avantages du fonctionnement multi-sources, des options de stockage d'énergie thermique et des potentiels de couplage sectoriel, les services de chauffage urbain peuvent tirer parti des options de numérisation pour optimiser l'ensemble du système d'approvisionnement en chaleur, de l'utilisateur final à la production de chaleur, voir [3 ]. En profitant des avantages et des opportunités qu’offrent les infrastructures, les systèmes énergétiques de quartier peuvent garantir leur pertinence aujourd’hui et à l’avenir.
[1] Technology Data. Danish Energy Agency.
[2] The world’s largest untapped energy source: Excess heat. Danfoss Impact, issue no. 2, Danfoss A/S, 2023. https://www.whyenergyefficiency.com/solutions/allsolutions/the-worlds-largest-untapped-energy-source-excess-heat
[3] Pozzi, M., Thorsen, J.E., Gudmundsson, O., Marszal-Pomianowska, A., Heiselberg, P., Jensen, S.S., Reus, A. and Koning, M. Digitalisation inDistrict Heating and Cooling systems, Euroheat & Power, May 2023.
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