Réseaux de chauffage et de froid urbains de 5ème génération en Europe

Un nombre croissant de réseaux de chauffage et de froid urbains de 5ème génération (5GDHC) ont été construits en Europe au cours des dernières années. Selon des articles de synthèse, ces systèmes ont été installés principalement en Europe centrale où les conditions climatiques tempérées facilitent le basculement de l'énergie entre les saisons de chauffage et de refroidissement. Des recherches futures sont nécessaires pour adapter cette technologie aux régions du monde plus chaudes et plus fraîches. 

 

Définition des réseaux de chauffage et de froid urbains de 5ème génération (5GDHC) ^[2-4] 

 

Les 5GDHC sont des réseaux décentralisés, bidirectionnels, dans lesquels se produit un échange direct entre les flux chauds et flux froids de retour. Ils opèrent à des températures si proches de celles de de la température du sol qu'elles ne conviennent pas à des fins de chauffage direct. Il y a un échange d'énergie thermique entre des bâtiments ayant des besoins différents. Le réseau principal transporte un flux à basse température (jusqu'à 20 °C) vers des sous-stations qui élèvent la température au niveau requis. 

 

La faible température du fluide caloporteur permet d'exploiter directement la chaleur excédentaire industrielle et urbaine et d'utiliser des sources de chaleur renouvelables à faible contenu d'exergie thermique. La possibilité d'inverser le fonctionnement des sous-stations des clients permet de couvrir simultanément et avec les mêmes canalisations les demandes de chauffage et de refroidissement de différents bâtiments. Par rapport aux générations précédentes de réseaux de chauffage urbain, les pertes de chaleur sont très limitées dans les 5GDHC puisque les niveaux de température sont proches de la température du sol. Des gains de chaleur peuvent même être réalisés si des systèmes géothermiques sont utilisés comme source de chaleur. Diverses sources d'énergie renouvelables à basse température peuvent être utilisées comme sources de chaleur pour le 5GDHC comme la géothermie peu profonde, les rejets industriels, la valorisation des déchets, l'énergie fatale des processus de refroidissement, les eaux usées, etc. 

 

Les 5GDHC présentent également des inconvénients. Par exemple, des débits importants sont nécessaires en raison de la faible différence de température entre les canalisations (3-6 K). En outre, de grands diamètres de canalisations sont nécessaires pour limiter au maximum la perte de charge dans le système, ce qui entraîne des coûts d'investissement plus élevés. 

 

Étude de cas : 5GDHC avec capteur géothermique et centrale de refroidissement à air en Allemagne ^[2] 

 

En 2020, un système de capteurs géothermiques à grande échelle a été construit à "Neustadt am Rübenberge", en Allemagne. La zone de capteurs géothermiques a été installée sur une surface de 3000 mètres carrés à une profondeur de 1,50 m sous un bassin de rétention d'eau de pluie. L'énergie thermique annuelle requise dans la zone de construction est fournie par la zone de capteurs géothermiques en combinaison avec une centrale de refroidissement à air et le 5GDHC.  Le 5GDHC alimente environ une centaine de maisons individuelles et collectives. Compte tenu de la taille du projet, le réseau a également été conçu avec des pompes d'alimentation centrales situées dans un centre énergétique. 

 

Les deux sources de chaleur (capteurs géothermiques et centrale de refroidissement à air) sont reliées hydrauliquement, ce qui permet les échanges thermiques. Avec le 5GDHC, les consommateurs sont approvisionnés en chauffage et refroidissement. Lorsque la température de l'air est supérieure à celle du réseau (par exemple au printemps, lorsque la température de l'air dépasse 15 °C), la chaleur peut être extraite de l'air par la surface de transfert de chaleur de la centrale de refroidissement à air. Pendant les mois les plus chauds, le 5GDHC et le quartier sont alimentés en chaleur par l'air. Aucune chaleur n'est extraite pendant les mois d'été, ce qui contribue à la régénération naturelle du capteur géothermique. Pendant ce temps, le réseau fournit du refroidissement naturel à un niveau de température directement utilisable. Selon une étude antérieure, la température optimale pour le refroidissement naturel se situe autour de 14 °C. 

 

 

D'autres projets pilotes ont été présentés ici.  

 

 

Sources 

[1] Interreg North West Europe (NWE) D2Grids project. https://5gdhc.eu/ 

[2] Zeh R, Ohlsen B, Philipp D, Bertermann D, Kotz T, Jocić N, Stockinger V. Large-Scale Geothermal Collector Systems for 5th Generation District Heating and Cooling Networks. Sustainability. 2021; 13(11):6035. https://doi.org/10.3390/su13116035  

[3] The 5 principles of 5th generation district heating and cooling. D2Grids. https://www.construction21.org/articles/h/d2grids-the-5-principles-of-5th-generation-district-heating-and-cooling.html 

[4] Buffa, S., Cozzini, M., D’antoni, M., Baratieri, M., & Fedrizzi, R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 104, 504-522. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.12.059