Alimenter les villes durables en énergie : comment les capacités d’importation d’électricité façonnent l’adoption des pompes à chaleur et du stockage thermique

Selon l’AIE, les espaces urbains représentent plus de 70 % des émissions annuelles de gaz à effet de serre dans le monde ^[1]. Les villes ont donc un rôle majeur à jouer dans la lutte contre le changement climatique. À cet égard, l’électrification, processus de remplacement des combustibles fossiles par l’électricité, a été identifiée comme l’une des meilleures options pour atténuer ses effets.

Une étude parue dans la revue Energies analyse comment différentes capacités d’approvisionnement en électricité influent sur la manière optimale pour les villes de fournir du chauffage ^[2].

Deux scénarios principaux, à savoir des capacités d’importation d’électricité élevées et faibles, ont été modélisés à partir de données provenant de six aires urbaines suédoises. Dans le premier scénario, les chercheurs font l’hypothèse que la capacité d’importation d’électricité correspond à la somme de la demande maximale d’électricité enregistrée en 2019 (ajustée en fonction de la croissance projetée de la ville) et de la charge moyenne supplémentaire provenant des véhicules électriques et de nouveaux établissements industriels. Dans le second scénario, la capacité d’importation est limitée à 60 % de celle du scénario avec capacités d’importation élevées et elle représente un scénario futur où le réseau électrique ne connaîtrait qu’une extension supplémentaire limitée.

Les résultats de l’étude mettent en évidence les points suivants :

Dans les scénarios où les capacités d’importation d’électricité sont élevées, l’électricité provient essentiellement des importations, qui supplantent la plupart de la production locale. Dans toutes les villes modélisées, le secteur du chauffage est dominé par les pompes à chaleur à grande échelle combinées avec du stockage d’énergie thermique et des chaudières à biogaz. D’après les hypothèses présentées dans cette étude, cette affirmation est valable dans les villes pour lesquelles la capacité d’importation maximale est utilisée jusqu’à 5 000 heures par an.

Dans les situations où l’importation d’électricité est plus limitée, les caractéristiques de chaque ville jouent un rôle plus important pour déterminer la configuration du système énergétique la plus rentable :

• Les villes dont la demande de chauffage est forte par rapport à la demande d’électricité (faible rapport électricité/chauffage) ont tendance à privilégier un système de chauffage qui intègre à la fois des pompes à chaleur et la cogénération de chaleur et d’électricité.
• En revanche, les villes dont le rapport électricité/chauffage est élevé ont tendance à intégrer un système de chauffage qui repose principalement sur la cogénération associée à des niveaux élevés de stockage d’énergie thermique.
• La grande flexibilité de la demande d’électricité dans une ville, avec des charges pouvant être déplacées au fil de saisons, permet d’utiliser en synergie l’énergie solaire photovoltaïque et les batterie fixes en tant qu’alternative rentable.

Bien que le modèle soit basé sur des données suédoises, les auteurs de l’étude ont cherché à le rendre applicable à tout environnement urbain doté d’un réseau de chauffage urbain et connaissant une demande saisonnière de chauffage, comme en Europe du Nord et de l’Est ainsi que dans certaines régions de l’Amérique du Nord.

Cette étude souligne le rôle déterminant de la capacité d’importation d’électricité dans l’élaboration des stratégies énergétiques urbaines, mettant en évidence le besoin de solutions sur mesure pour optimiser les systèmes de chauffage et réduire les émissions de carbone dans des environnements urbains hétérogènes.

Pour plus d’informations, l’étude est disponible en accès libre sur le site de la revue Energies et dans FRIDOC.

Sources

[1] IEA (2021), Empowering Cities for a Net Zero Future: Unlocking resilient, smart, sustainable urban energy systems, OECD Publishing, Paris, https://doi.org/10.1787/7a222c8b-en

[2] Bertilsson, J.; Göransson, L.; Johnsson, F. Impact of Energy-Related Properties of Cities on Optimal Urban Energy System Design. Energies 2024, 17, 3813. https://doi.org/10.3390/en17153813