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ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-SUD GRUVATIEZ-EN-LAVEGNY ET ZONE INDUSTRIELLE

Alain ANSTETT Projet supervisé par le Professeur F. Maréchal et Monsieur J. Trespalacios Mai - 2015 javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

SOMMAIRE 1

• CONTEXTE ENERGETIQUE SUISSE

• PRESENTATION DU PROJET

• DEFINITION DES ZONES D’ETUDE

• CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

• PRESENTATION DU RESEAU CAD

• CALCUL DES COÛTS (FACTURE ENERGETIQUE ACTUELLE)

• CALCUL DES EMISSIONS DE CO2

• INTEGRATION D’UN CCF – IMPACT SUR LES COÛTS ET EMISSIONS

• INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERES ET LES EAUX USEES - IMPACT

• INTEGRATION DES RECUPERATIONS DE CHALEUR SUR LES INDUSTRIES - IMPACT

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1. CONTEXTE ENERGETIQUE SUISSE

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1. CONTEXTE ENERGETIQUE SUISSE

 Le chauffage et le rafraichissement sont donc au cœur des problématiques de restructuration énergétique actuelles. ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

2. PRESENTATION DU PROJET

Voici quelques objectifs mis en avant par la commune d’Orbe à l’horizon 2035 (source: Schéma directeur Orbe-sud) :

 gestion durable et efficace des ressources énergétiques ;  épuisement (dans la mesure du possible) de la totalité des potentiels de production par des énergies vertes ;  minimisation des facteurs de coût et d’impact sur l’environnement liés à la gestion des énergies de la ville ;

 mise en place de dispositions pour un approvisionnement plus sûr. Commune labélisé «Cité de l’Energie» depuis 2013

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2. PRESENTATION DU PROJET

Parts des différents agents énergétiques utilisés pour le chauffage et l’ECS dans toute la ville d’Orbe (source: J. Trespalacios, PET Orbe, 2014) :

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3. DEFINITION DES ZONES

Définition de la zone

Caractérisation de la demande

Caractérisation des ressources

Evaluation intégration des système

Impacts (coûts, CO2)

Itération

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3. DEFINITION DES ZONES

Limites géographiques du projet de semestre et découpage en zones :  3 phases  Phase 1 : Priorité – secteur d’étude du projet  Phases 2 et 3 : Recommandations pour extension du réseau

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3. DEFINITION DES ZONES

Limites géographiques du projet de semestre et découpage en zones (selon plan affectation du sol) :

 Phase 1 - 5 zones :  Zone G : nouveau quartier d’immeubles de Gruvatiez (zone de référence)

 Zone N : Zone industrielle Nestlé  Zone D : Zone industrielle Les Ducats

 Zone H : Zone industrielle Hilcona  Zone EL : Zone industrielle et résidentielle Etraz et Longeraie

D G

EL H

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

3 Méthodologies utilisées :  EnerGis (L. Girardin)

 Calcul des besoins, puissances, coûts et émissions appliqué à un réseau de chauffage à distance (CAD)  Utilisation de données géoréférencées (GIS)  Considérations annuelle et saisonnière

 SIA 380/1, 381/2 et 2031  Prise en compte de la réglementation actuelle

 Considérations annuelle et mensuelle  Calcul à l’aide des jours de chauffage (JC)  Office Fédéral de l’Energie (OFEN)  Vérification des ordres grandeur → cohérence des résultats

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

EnerGis – utilisation de données de référence (lieu: Genève ; année: 2005) pour le calcul des besoins par unité de surface à chauffer (SRE) :

résidentiel

administratif

commercial

industriel

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

EnerGis – inventaire de tous les bâtiments compris dans les zones d’étude et attribution des données pour chacun d’eux (source: RegBL, plateforme geoplanet.vd.ch) :

 Zone X : nb bâtiments ; SRE totale (m2) ; coordonnées moyennes  Bâtiment Y : • • • • • • •

Identification (EGID ou code architecte pour les nouveaux bâtiments) Affectation Année construction/rénovation SRE Coordonnées Agents énergétiques utilisés Besoins/surface pour le chauffage et l’ECS pour l’année de référence

•

Températures intérieures de consigne

•

Températures limites

d’enclenchement de chauffage

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

Nombre de bâtiments identifiés par zone :

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

EnerGis – détermination de la « signature énergétique » des bâtiments :  Calcul des coefficients k1 (pente) et k2 (ordonnée à l’origine) pour tracer les graphes (Text, q) :

Focalisation sur le chauffage 3

L. Girardin ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

EnerGis – calcul de la grande courbe composée :

 Considération de tous les flux (5 zones) à chauffer (circuits de chauffage domestiques) ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

EnerGis – calcul de la température de retour et du débit max. du CAD :

4 5

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

Localisation des besoins en chaud / zone :

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4. CALCUL DES BESOINS ET PUISSANCES DE CHALEUR

Localisation des puissances installées en chaud / zone :

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5. PRESENTATION DU RESEAU CAD

1er tracé selon le zonage et certaines considérations légales et techniques :  Passage par les routes de préférence pour la conduite principale (éviter les parcelles privées non alimentées)  Alimentation prioritaire du quartier de Gruvatiez-EnLavegny (en vert clair)  Localisation de la centrale pas trop éloignée des consommateurs en bout de course (ex.: Hilcona en orange)  Réseau maillé peu adapté à cause de la proximité avec la rivière de l’Orbe

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6. CALCUL DES COÛTS

Coûts d’investissement  EnerGis (L. Girardin) : approximation des coûts de tuyauterie (y compris pose) par une formule empirique pour déterminer la longueur de chaque tronçon en fonction du diamètre hydraulique calculé et fonction de la puissance requise pour une zone «z» :

1 4 Zone «z»

Bâtiment «b» Avec K=0,23; c1=7047 CHF/m2; c2 = 752,8 CHF/m

2 3

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6. CALCUL DES COÛTS

Coûts d’investissement  Approximation des coûts de la chaudière à gaz du CAD (y compris pose et maintenance) sur la base de données techniques et de l’indice de coût NERA & AEA et du catalogue technique du fabricant Viessmann.

 Idem pour les autres équipements de production de chaleur qui suivront dans l’étude.  Pour les échangeurs de chaleur (1/bât.) :  Utilisation de l’ouvrage CEPCI (Turton)

 Calcul du coût en fonction de la taille (1 taille moyenne a été considérée, le nombre d’échangeur équivalent au nombre de bât.)  Les paramètres suivants ont été considérés : Dtmin = 10K, U=560W/m2K

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6. CALCUL DES COÛTS

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6. CALCUL DES COÛTS

Facture énergétique actuelle :

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6. CALCUL DES COÛTS

Facture totale avec CAD – investissement vs économie facture énergétique :

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7. CALCUL DES EMISSION DE CO2

Localisation des émissions de CO2 (situation actuelle) :

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8. INTEGRATION D’UN CCF - IMPACT SUR LES COÛTS ET EMISSIONS

IMPACT DE LA COGENERATION ??? MOTEUR A GAZ ???

TURBINE A GAZ ??? ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

8. INTEGRATION D’UN CCF - IMPACT SUR LES COÛTS ET EMISSIONS

Modification des coûts :  Coûts d’investissement  CCF très coûteux (10 à 20 X plus cher pour un moteur à gaz) remplaçant la chaudière à gaz  Coûts du raccordement au réseau électrique

 Coûts d’opération  Facture de gaz plus élevée (rendement thermique passant de 95 à env. 50%)  Electricité produite par le CCF vendue (ex.: 0,24 CHF/kWh pour une tarification unique selon Swissgrid)

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8. INTEGRATION D’UN CCF - IMPACT SUR LES COÛTS ET EMISSIONS

Facture totale avec CAD et CCF – investissement vs économie facture énergétique :

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9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

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9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Taval TPAC, out

Tamont TPAC, in

Tamont ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Passage du tronçon de pompage (prélèvement eaux de rivière) :

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9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Facture totale avec CAD, CCF et PAC sur rivière – investissement vs économie facture énergétique :

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9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Sur eaux usée - hypothèses :  Débits standard selon affectation attribués  Températures standard (J. Trespalacios, PET Orbe)  COP moyen selon SIA 2031 : env. 3,4

Réglementation :  Température minimale dans la conduite de 10°C  Différence de températures minimale (avant et après utilisation du collecteur sur EU) de moins de 0,1°C à la STEP

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9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Placement des collecteurs de récupération de chaleur sur la conduite principale d’écoulement des EU (première esquisse) :

CCF

 Avec collecteur de 150m (365kW utile en hiver) et un autre de 300m (730kW utile en hiver) ANALYSE ET ETUDE D’UN CHAUFFAGE A DISTANCE A ORBE-sud javier.trespalacios@bluewin.ch / alain.anstett@epfl.ch

9. INTEGRATION DE PAC SUR LA RIVIERE ET LES EAUX USEES - IMPACT

Facture totale avec CAD, CCF et PAC sur rivière+EU – investissement vs économie facture énergétique :

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10. INTEGRATION DES RECUPERATIONS DE CHALEUR SUR LES INDUSTRIES - IMPACT

Réduction des émissions de CO2 avec le CAD → CCF, PAC (rivière+EU) :

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10. INTEGRATION DES RECUPERATIONS DE CHALEUR SUR LES INDUSTRIES - IMPACT

Récupération de chaleur sur les rejets thermiques de Nestlé :  Hypothèses :  Possibilité de récupérer la chaleur sur les cheminées d’évacuation des fumées (chaleur provenant notamment des procédés de torréfaction)  Température entrante dans l’échangeur de récupération (gaz/eau) : 100°C  Possibilités de refroidir les fumées jusqu’à 90°C  Chaleur spécifique (cp) des fumées : ~0,9 kJ/kgK  Masse volumique des fumées : ~1,3 kg/m3  Δtmin, échangeur = 20°C

 Conséquences :  Possibilité de chauffer directement l’eau de chauffage (sans PAC)  Env. 50 kW récupérable / cheminée

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RESTE A FAIRE…

 Proposer des recommandations pour l’extension du CAD (phases 2 et 3)

 Evaluer succinctement les besoins en froid (commerces et bureaux) et la part d’électricité vendue pouvant être exploitée pour ces besoins.  Affiner la recherche sur les possibilités de récupération de chaleur chez Nestlé, mais aussi d’autres industries (ex.: Hilcona)  Pour l’analyse environnementale, inclure le cycle de vie des appareils et matériaux  Mettre en état de réutilisation pour d’autres éventuels futurs projets les programmes Excel et Matlab implémentés  …

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Merci de votre attention !

Questions, remarques ???

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