Optimisation de la planification, de la conception et de l'exploitation des réseaux thermiques

Accumulateur dans le réseau de chaleur à distance de Bâle

Les accumulateurs sont essentiels pour l'extension et la décarbonisation des réseaux de chaleur à distance, comme l'a constaté Andreas Peter (IWB) dans la conclusion de son exposé sur l'optimisation de l'exploitation par l'utilisation d'accumulateurs. La construction de l'accumulateur de chaleur Dolder en 2020 à Bâle a permis de lisser la variation journalière des installations de production du réseau de chaleur à distance d'IWB et de réduire l'utilisation de gaz naturel pour couvrir les pics journaliers (et donc les émissions de CO_₂). Les investissements élevés pour la construction de l'accumulateur sont compensés par de faibles coûts d'exploitation, poursuit Peter. L'accumulateur nécessite peu d'entretien. Il est d'ores et déjà clair que la capacité de stockage de 130 MWh créée par l'accumulateur Dolder est trop petite par rapport à la taille du réseau, d'autant plus que la chaleur à distance sera fortement développée à Bâle d'ici 2037. C'est pourquoi un autre réservoir d'eau chaude (400 MWh) est actuellement en cours de planification.

Avantage des accumulateurs

Dans l'ensemble, les accumulateurs présentent différents avantages : Outre le lissage de la charge et la disponibilité rapide de l'énergie, ils pourraient également servir de réserve d'eau de secours, de couplage sectoriel, d'interception ou de mise à disposition de puissance non planifiée (par ex. en cas de tests de brûleurs, de pannes, de chutes de température, etc.) et, avec les pompes à chaleur, de mise à disposition d'énergie de régulation. Toutefois, la recherche de sites et la construction dans les zones urbaines sont exigeantes. Les projets doivent être compatibles avec l'urbanisme.

Conception efficiente des sous-stations

Kevin Moret de Gruyère Energie SA a présenté des idées et des solutions pour optimiser la configuration des sous-stations afin de maîtriser les investissements et surtout de diminuer les coûts d'exploitation tout en garantissant l'approvisionnement des clients. Les prescriptions de raccordement sont essentielles pour définir des cadres permettant de planifier et d'exploiter efficacement les sous-stations. M. Moret a présenté des configurations de sous-stations (avec ou sans accumulateur d'eau chaude) bien adaptées à différentes catégories d'utilisation. Outre la configuration technique, notamment des échangeurs de chaleur, la mise en service et l'exploitation de la sous-station sont également décisives pour obtenir une solution optimale à long terme, comme l'a souligné M. Moret. Il a conseillé : «Etablissez un protocole pour la mise en service. Il sera également une aide pour l'autocontrôle du technicien». Il a cité comme points principaux :

• Réglages des paramètres (consignes, modes, seuils, horaires, etc.)

• Mise en service du compteur de chaleur

• Bridage à la puissance contractuelle

• Contrôle de fonctionnement général

• Contrôle de plausibilité des sondes

• Contrôle du sens des flux

M. Moret a également recommandé l'installation d'un système de surveillance à distance du côté primaire, voire du côté secondaire. La supervision permet de contrôler plus facilement la sous-station en service. S'il n'y en a pas, il faut prévoir des visites de contrôle régulières (une fois par an ou tous les deux ans).

Optimisations avec des approches numériques et intelligentes

Dans les systèmes de chaleur à distance de plus en plus complexes, un jumeau numérique aide à la transformation et à l'extension en permettant de concevoir et de simuler les futurs réseaux. De plus, le jumeau numérique peut être utilisé pour optimiser l'exploitation en temps réel. Volker Clauß de Gradyent GmbH (Berlin) a présenté le développement et l'utilisation d'un jumeau numérique à l'exemple du chauffage à distance de la ville de Flensburg, dans le nord de l'Allemagne : Actuellement, le chauffage à distance de Flensburg comprend un réseau de 1 TWh fortement maillé avec de nombreuses stations de pompage. L'objectif est d'abaisser la température du réseau afin de pouvoir injecter de la chaleur à moindre coût à l'aide de pompes à chaleur. Sur la base des données du SIG et des données de mesure existantes, un modèle physique, c'est-à-dire le jumeau numérique du système de chauffage à distance, a été créé. Pour l'entraîner, on a utilisé les données de l'injection, des compteurs de chaleur de 80 sous-stations et de quelques points terminaux du réseau, ainsi que les pressions des stations de pompage et les données de facturation des clients finaux (il n'y a pas de compteur de chaleur numérique chez les clients finaux). Le jumeau numérique a permis de simuler dix scénarios concernant la température et l'hydraulique (simulations sur toute l'année, exploitation réelle, résolution horaire), ce qui a permis de déduire différentes possibilités d'abaissement de la température avec et sans mesures de construction.

Le regard critique d'un ingénieur n'est pas remplaçable

Groupe E utilise également des jumeaux numériques pour la modélisation et la simulation de ses systèmes de chaleur à distance. Simon Rime de Groupe E a énuméré les outils utilisés à cet effet : Fluidit Heat, Thermos, Customer Relationship Management (CRM) de Groupe E, MapEdit, QGIS, Excel et Python. Même si Rime était convaincu qu'avec l'évolution vers des réseaux énergétiques de plus en plus complexes et intégrés, les simulations numériques deviendraient un outil indispensable, il a également déclaré qu'elles ne pourraient jamais remplacer le regard critique et les connaissances d'un ingénieur. L'expertise humaine reste fondamentale pour interpréter les résultats, valider les modèles et prendre les bonnes décisions. Les ingénieurs jouent un rôle clé pour adapter les simulations aux réalités du terrain et dans l'intégration de contraintes spécifiques. an die Gegebenheiten vor Ort anzupassen und spezifische Einschränkungen zu integrieren.

Energy Cockpit pour une optimisation énergétique et économique

L'Energy Cockpit a été développé par Rytec SA en collaboration avec deux UIOM suisses comme outil d'optimisation pour l'exploitation d'installations de valorisation des déchets (UIOM) ou d'installations de production d'énergie et de fournisseurs de chaleur à distance. En prenant l'exemple de Renergia Zentralschweiz AG, une entreprise responsable de la valorisation des déchets de Suisse centrale qui alimente en même temps Perlen Papier AG en vapeur industrielle ainsi que les réseaux de chaleur à distance de Zoug, du Rontal et d'Emmen/Lucerne en eau chaude et qui fournit de l'électricité aux ménages et à l'industrie, Theodor Baumhoff (Volue Energy GmbH) et Jörg Boltshauser (Rytec AG) ont montré comment l'exploitation d'installations de valorisation énergétique thermique peut être planifiée et mise en œuvre de manière optimale selon des critères énergétiques et économiques. Dans son bilan de douze mois d'expérience avec l'Energy Cockpit chez Renergia, M. Boltshauser a constaté que «l'injection dans les réseaux de chaleur à distance a obtenu une qualité de planification élevée et fiable».

Couplage intelligent des secteurs à Saint-Gall

Dans le concept énergétique 2050 de la ville de Saint-Gall, le couplage chaleur-force joue un rôle central : produire localement de l'électricité et de la chaleur grâce au CCF. Peter Härtsch, des services industriels de Saint-Gall (SGSW), a décrit l'optimisation intelligente de l'exploitation des installations couplées aux secteurs (UIOM et plusieurs centrales de cogénération) ainsi que des accumulateurs se trouvant dans le système, ce qui, chez SGSW, est également désigné par le terme «exploitation optimisée de manière centralisée». La particularité de ce système est l'interaction de trois programmes - le système de contrôle des processus, le système de technologie de production optimisée (système OPT) et la simulation de réseau - en fonctionnement en ligne permanent. Dans le champ d'optimisation, il faut constamment évaluer quel produit (électricité ou chaleur) doit être produit et à quel moment - principalement de la chaleur en hiver et plutôt de l'électricité en été. L'optimisation Loadmanager permet donc une optimisation de l'utilisation dans tous les secteurs. Les évaluations peuvent être configurées de manière écologique ou économique. Grâce à une optimisation globale des coûts et de l'exploitation de la production de chaleur et de la stratégie de réseau ainsi que de la sécurité d'approvisionnement, on obtient des horaires pour la restitution de l'électricité et pour assurer la stabilité du réseau électrique. Parallèlement, les besoins en vapeur, en gaz naturel et en mazout sont déterminés pour la période à venir. En mode hors ligne des programmes, il est possible de planifier des investissements à long terme en considérant des scénarios, comme l'a encore expliqué M. Härtsch. Enfin, cela permet également de réagir à des situations de pénurie d'énergie.

Perspectives pour la fin

En conclusion, Diego Modolell, responsable du secteur gaz/chaleur chez SVGW, a résumé la journée et donné un aperçu des manifestations ERFA prévues, du cours de certificat «Spécialiste des réseaux thermiques», dont le module de base de 15 jours sera organisé pour la première fois l'année prochaine (début de la 1re volée le 16 janvier et de la 2e volée le 27 août), et enfin le cours de directives F1 et F2 «Chaleur et froid à distance», qui aura lieu pour la première fois du 24 au 26 mars 2025 en Suisse romande.