Vers un nouveau type de réseau d’anergie

L’une des solutions à la décarbonation du domaine du bâtiment consiste à avoir recours au chauffage à distance (CAD). Ce dernier offre en effet une alternative intéressante pour s’affranchir des combustibles fossiles dans le mix énergétique destiné au chauffage des bâtiments, et ce, tout en valorisant et en optimisant l’usage des énergies renouvelables.

Traditionnellement, un CAD de 3^e génération, de type «scandinave», utilise un fluide caloporteur avec une température de départ comprise entre 80 et env. 100°C. De façon notable, ces CAD n’utilisent pas de pétrole, mais essentiellement du charbon, de la biomasse, de la géothermie profonde et des rejets de procédés industriels.

Plus récent, un CAD de 4^e génération distribue de l’eau à moyenne température (de 50 à env. 70°C) en utilisant des technologies de production de chaleur plus respectueuses du climat, telles que des pompes à chaleur (PAC) combinées avec de l’énergie solaire ou éolienne. L’objectif consiste à favoriser l’utilisation des énergies renouvelables quand elles sont disponibles, et à recourir au stockage thermique lorsqu’elles ne le sont plus. De même, les solutions de récupération de chaleur des procédés industriels modernes, telles que celles mises en place dans les data centers, permettent une meilleure valorisation d’une énergie qui serait autrement perdue, appelée aussi anergie.

Les CAD de 3^e et 4^e générations nécessitent toutefois l’utilisation de conduites préisolées ainsi que d’un double réseau pour convoyer le fluide à l’aller (à plus haute température) et au retour (à plus basse température), comme illustré dans la figure 1. Or, ces températures de départ élevées engendrent des pertes d’efficacité énergétique ainsi que des pertes thermiques dans le terrain. De plus, l’emprise de ces doubles conduites isolées dans le sous-sol est considérable.

Un réseau CAD à basse température

La Suisse compte 1191 communes de moins de 2000 habitants. Dans ces communes, il existe souvent plusieurs petits villages où la place manque pour installer de grosses unités de production de chaleur, ainsi que des conduites préisolées sous les routes. Un réseau CAD de 5^e génération (figure 2), ou boucle anergie, permet de réaliser des économies de place et d’énergie en utilisant un réseau thermique à basse température (entre 3 et 15°C) avec des conduites monotubes non isolées, sur lequel les bâtiments viennent s’alimenter en série via une pompe à chaleur (PAC) – et non par le biais d’un échangeur de chaleur, comme c’est le cas pour les CAD de 3^e et 4^e générations. Les PAC valorisent l’anergie, qui offre une température d’entrée appréciable et leur permet d’atteindre un coefficient de performance saisonnier (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP) de 3 à 5. De plus, cette solution vise à mitiger la problématique de l’emprise au sol de la source de chaleur en décentralisant les sources d’énergie géothermique le long du parcours de la boucle anergie, plus précisément en les plaçant sous les routes reliant les bâtiments.

Des ressources énergétiques décentralisées

Le projet pilote et de démonstration «Réseaux anergie avec sources primaires décentralisées» [1] a étudié la faisabilité technique et économique d’un réseau CAD de 5^e génération monoconduite avec une décentralisation des sources principales d’énergie (figure 2).

Cette décentralisation est double: elle concerne, d’une part, la production d’énergie par les PAC et, d’autre part, la source d’énergie primaire et de stockage, à savoir les sondes géothermiques. Ces sondes peuvent en effet être considérées comme étant à mi-chemin entre des sources d’énergie à part entière et du stockage saisonnier, au vu de leurs faibles interactions mutuelles rendues possibles grâce à l’espacement entre les sondes le long des routes. En outre, des équipements de récupération d’énergie décentralisés peuvent être mis en place afin de régénérer les sondes géothermiques durant la période chaude de l’année, tout en servant d’appoints lorsque surviennent des pics de besoins en chaleur pendant la période la plus froide. Ces équipements comprennent des systèmes de récupération de la chaleur des eaux usées et de récupération de la chaleur des parkings via les panneaux innovants d’Enerdrape [2], tout comme l’utilisation de systèmes solaires thermiques ainsi que d’une combinaison installation photovoltaïque et PAC.

La température circulant dans les réseaux anergie n’est pas directement utilisable pour le chauffage, mais est valorisée par l’utilisation de PAC localisées chez les consommateurs. Cette topologie permet en outre de fournir du froid pendant l’été, ce qui est d’autant plus pertinent que cette demande sera amenée à augmenter dans les années à venir. Enfin, cette technologie rend possible le regroupement de consommateurs ayant des profils de besoins différents, créant ainsi une synergie au sein du réseau. Par exemple, il est possible de produire de l’eau chaude dans un bâtiment en utilisant les rejets thermiques provenant du refroidissement d’un autre bâtiment, et ce, via le réseau anergie.

Cas d’étude dans le canton de Vaud

Le village de Grandvaux, l’une des localités de la commune de Bourg-en-Lavaux, a servi de cas d’étude. Il possède 67 bâtiments, avec des besoins en matière de puissance par bâtiment allant de 10 kW à 140 kW, pour un besoin global en chaleur de 2,3 GWh/a. Cette étude a montré, d’une part, qu’il est possible d’utiliser les routes du village comme surface de forage et, d’autre part, que la solution optimale consiste à répartir les bâtiments en groupes de six à dix bâtiments reliés en série à la boucle anergie monotube, avec des groupes de huit sondes géothermiques intercalés entre les groupes de bâtiments. Cette solution permet d’aboutir à un ratio avantageux d’environ une sonde par bâtiment de besoins moyens en chaleur de 35 MWh.

Le dimensionnement énergétique du réseau, incluant également la distribution spatiale optimale des sondes géothermiques, a été effectué à l’aide du logiciel (figure 3) de Planeto [3]. Les simulations numériques développées au cours de l’étude ont permis de réaliser les modélisations thermique et hydraulique du réseau et de confirmer sa viabilité sur 50 ans, et ce, en tenant compte de la norme SIA 384/6 2021 sur les sondes géothermiques ainsi que des besoins en chaleur et en froid selon les scénarios relatifs au réchauffement climatique. L’équilibre thermodynamique à l’intérieur de la boucle anergie a également pu être validé au moyen d’une simulation Modelica, et la stabilité du COP des PAC a pu être démontrée.

Comparaison avec des solutions classiques

Une première comparaison a été réalisée avec une situation où chaque habitation possède ses propres sondes: celle-ci a montré que la solution individuelle nécessiterait une longueur de sondes supplémentaires de 33% pour subvenir aux mêmes besoins.

Dans une seconde comparaison avec un CAD traditionnel centralisé, il a été estimé que, pour les mêmes besoins en chauffage des bâtiments, la solution utilisée dans cette étude permettait de réduire les besoins en matière de sondes de 25%, en énergie de pompage (utilisée pour le déplacement du fluide caloporteur) de 65%, et en énergie électrique de 30%. Cette réduction du nombre de sondes est essentielle et permet de réaliser la solution anergie avec sources décentralisées lorsque le ratio «longueur de route sur besoins en énergie» est supérieur ou égal à 0,5 m/MWh.

Conclusion

Ce type de réseau CAD de 5^e génération avec boucle anergie convient généralement aux villages ou quartiers de moins de 2000 habitants, avec en moyenne des bâtiments de moins de quatre étages. Cette solution est intéressante aux endroits où la densité énergétique est faible – et donc peu intéressante financièrement pour un réseau CAD classique centralisé –, et où les solutions individuelles ne peuvent pas être mises en place sur l’ensemble du village pour des raisons de bruit ou de place.

Les besoins et les coûts de l’ouvrage peuvent désormais également être simulés à l’aide du logiciel développé par Planeto, une fois la condition «0,5 m de route par MWh de besoins énergétiques» remplie.

Au printemps 2025, la municipalité de Bourg-en-Lavaux a soumis au conseil communal une demande de crédit d’investissement pour la réalisation d’un tel réseau CAD à basse température en synergie avec les travaux d’assainissement et de réfection des réseaux d’eau potable.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) pour le soutien financier à l’étude de faisabilité du projet «Réseaux anergie avec sources primaires décentralisées» au travers de son programme pilote et de démonstration, ainsi que la commune de Bourg-en-Lavaux pour sa participation à ce projet novateur.