Souvent méconnus du grand public et invisibles pour les usagers (qui ignorent parfois même qu’ils sont chauffés par eux !), les réseaux de chaleur urbains sont pourtant un levier majeur de la transition énergétique combinant avantages environnementaux, économiques et sociaux. Comment fonctionnent-ils et sont-ils vraiment adaptés à la ville et aux quartiers de demain ?
Les réseaux de chaleur : un système de chauffage central public à l’échelle de la ville ou du quartier
Un réseau de chaleur peut se définir comme un système de chauffage à l’échelle urbaine, on parle d’ailleurs souvent de Réseau de Chaleur Urbain (RCU). C’est un chauffage central à l’échelle d’un quartier ou d’une ville. On y retrouve les mêmes composants qu’un système de chauffage individuel :
- Unité de production : la chaleur est produite sur un site dédié au moyen d’une chaufferie dont la puissance est adaptée au volume de bâtiments raccordés. Les trois sources d’énergie les plus courantes sont le gaz, la biomasse et la géothermie.
- Réseau de distribution : constitué de canalisations pré-isolées qui transportent l’énergie produite avec le vecteur eau. Le réseau est structuré autour d’une conduite principale, colonne vertébrale qui approvisionne les bâtiments successivement.
- Emetteurs en bout de chaine : dans les bâtiments raccordés, une sous-station remplace la chaudière et permet la « livraison » de chaleur qui est transférée au réseau secondaire de chauffage et éventuellement d’eau chaude sanitaire via un ou deux échangeurs. Après avoir cédé les calories à chaque point de livraison, l’eau du réseau primaire repart vers l’unité de production pour y être réchauffée.
Le choix de création d’un RCU est guidé par la notion de densité thermique, un rapport entre énergie livrée et longueur du réseau. La création ou l’extension d’un réseau de chaleur représente des investissements lourds (coûts CAPEX) et l’opération ne fait sens qu’à partir du moment où le volume d’énergie livrée atteint un certain seuil. L’Etat au travers de l’ADEME permet le financement partiel d’une opération de création-extension à condition que la densité thermique effective du réseau soit d’au minimum 1.5 MWh/an.ml.
La plupart des réseaux de chaleur (hors RCU privés) sont un service public sous la responsabilité de la collectivité (souvent une commune) dont ils constituent un bras armé des politiques locales en matière de transition énergétique. La gestion peut être assurée de différents manières selon le souhait d’implication de la collectivité :
- Régie : c’est la collectivité qui assure la gestion,
- Régie à l’entreprise, prestation de services : la construction et/ou l’exploitation sont confiées à une entreprise dans le cadre d’un marché public de prestation de service, et les recettes sont perçues par la collectivité,
- Délégation de service public (DSP) : une entreprise assure la construction et l’exploitation du RCU selon les règles du service public mais contrairement à la régie à l’entreprise, se rémunère directement sur la vente de chaleur aux usagers. Ce mode de gestion représente plus de 95% des RCU.
En France, EDF Dalkia et Engie Cofely détiennent 85% du marché.
Un peu d’histoire
Les premiers réseaux de chaleur ont été initiés par des industriels pour alimenter des process sur des sites de grande taille. En France, ils commencent à être utilisés pour une application de chauffage à partir des années 30 dans les grandes villes pour approvisionner les centres urbains et sont alimentés par des chaudières fonctionnant au fioul et au charbon. Après le premier choc pétrolier (1973) une bascule s’opère vers la géothermie (fort potentiel du bassin Parisien et Aquitain) et l’apparition des premiers UIOM (Usine d’Incinération des Ordures Ménagères) dont la chaleur fatale est désormais valorisée. Des objectifs de verdissement des RCU sont fixés en 2010 suite aux lois Grenelle et leur développement est reconnu comme une nécessité dans la trajectoire des objectifs européens en matière de transition énergétique.
Les réseaux de chaleur : un mix énergétique qui réduit l'impact carbone
Le mix énergétique traduit la nature de la source d’approvisionnement énergétique. Cela peut être une source d’origine fossile (gaz fossile, charbon, fioul), renouvelable (biomasse, géothermie, biogaz) ou de récupération (UIOM, chaleur fatale), on parle alors d’« ENR&R ». Depuis 2013, le mix énergétique des réseaux de chaleur français est renouvelable à 50% en moyenne avec le fort développement des petits réseaux biomasse et le remplacement des chaudières fossiles. Cela fait que les RCU ont un impact carbone plus faible qu’une solution de chauffage individuel.
Les pays du Nord de l’Europe sont les champions du chauffage par les réseaux de chaleur qui se sont développés massivement du fait de la rigueur climatique mais aussi de l’abondance de la ressource géothermique comme en atteste l’exemple Islandais avec un taux de pénétration de 95% atteint avec cette seule ressource. D’après les données de 2007 de l’organisation Euroheat&Power, les réseaux de chaleurs représentent 13% de parts de marché et alimentent 30% de la population à l’échelle Européenne (5000 RCU recensés). En France la dernière étude de l’association Via Sèva de 2016 fait état d’un taux de couverture de 6% pour 559 RCU recensés.
Un formidable outil de massification de la performance énergétique mais à la mise œuvre complexe
Les réseaux de chaleurs se trouvent à la croisée des chemins. Ils constituent un formidable outil de « massification » de la performance énergétique mais leur nature induit une complexité dans le process de prise de décision (cf encart 2) et de mise en œuvre par rapport à des solutions décentralisées de plus en plus performantes comme le démontre l’analyse SWOT de la thèse de Theophile Mertz sur l’optimisation simultanée de la configuration et du dimensionnement des réseaux de chaleur urbains (2016).
Par ailleurs et d’un point de vue réglementaire, l’usage des RCU s’inscrit dans loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte (LTECV) qui vise à lutter efficacement contre les dérèglements climatiques, à tenter de préserver l’environnement et à renforcer l’indépendance énergétique de la France tout en maintenant une accessibilité de l’énergie à un coût compétitif. L’un de ses objectifs est de porter la part des énergies renouvelables à 23% de la consommation finale d’énergie en 2020 et à 32% en 2030. Pour les réseaux de chaleur en particulier, la loi prévoit notamment la multiplication par cinq de la quantité de chaleur et de froid renouvelables et de récupération livrée d’ici 2030. Les données de 2017 font état d’un retard par rapport aux objectifs et la part des énergies renouvelables ne devrait pas excéder 18% en 2020 ce qui rend d’autant plus pressant le développement massif de solutions efficaces que sont les RCU.
Le budget alloué au Fonds chaleur, le dispositif national de soutien au financement des RCU, est dans une trajectoire d’augmentation et il est possible que son périmètre soit élargi à la chaleur produite là où il ne concernait que le financement lié à la création ou à l’extension d’un réseau existant.
RCU et innovations
Néanmoins nous pouvons nous interroger sur la pertinence des réseaux de chaleur dans un monde où les bâtiments doivent réduire drastiquement leurs besoins de chauffage. La généralisation des émetteurs basse température (30-50°C) dans les logements semble en contradiction avec des RCU dont la production est culturellement tournée vers la haute température (au-delà de 90°C). De plus, comme c’est le cas avec le photovoltaïque pour le réseau électrique, l’intégration possible de futures production solaires thermique ajoutera une composante intermittente et obligera à une gestion très fine pour assurer l’équilibre entre l’offre et la demande. Les professionnels du secteur ainsi que la communauté scientifique se sont déjà emparés du sujet et la réponse est apportée par les réseaux dits de « 4ème générations » qui se caractérisent par :
- L’exploitation de sources de chaleur basse et très basses températures via des pompes à chaleur (la géothermie peu profonde ou la récupération de chaleur des eaux usées, par exemple) ;
- L’utilisation de réseaux tri-tubes permettant une alimentation en cascade d’un bâtiment ancien vers un bâtiment récent,
- Le raccordement à des unités de productions solaires,
- Le recours systématique à un système de stockage (hydro-accumulation) pour plus de flexibilité,
- L’utilisation de technologie Smart-Grid pour assurer un suivi en temps réel sur tout la chaine d’approvisionnement,
- L’introduction de méthodes de contrôles prédictives permettant d’anticiper la demande et optimiser la stratégie de gestion selon les modes de vie et les conditions météorologiques à venir.
Ainsi les réseaux de chaleurs sont encore capables d’évoluer pour trouver leur place dans la ville décarbonée et sobre de demain.
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Un article signé Hugo Viot // Ingénieur, Docteur, Chef de projets