Le cas d’étude du réseau CAD-SIG à Genève

ANALYSE DU RÉSEAU CAD-SIG

L’analyse du réseau CAD-SIG est faite en deux étapes. Pour commencer les différentes SST sont classées en fonction de leur influence sur la température de retour du réseau. Ce classement permet de repérer les SST les plus problématiques et de prioriser les interventions. La deuxième étape consiste à faire un audit plus complet d’un échantillon de SST pour diagnostiquer la ou les causes des températures de retour élevées.

Classement des SST en fonction de l'influence sur la température de retour

Afin d’évaluer l’impact d’une SST spécifique sur la température de retour du CAD, nous utilisons la méthode du volume excédentaire [3], qui permet une analyse préliminaire et un classement sur la base de la demande de chaleur annuelle (QSST) et du volume utilisé (VSST) par chaque SST. La méthode consiste à calculer/comparer la différence de température de retour du CAD pour les deux situations illustrées dans la figure 2:

1. la SST non optimisée, avec le ∆T primaire et le volume V tels que mesurés;
2. la SST optimisée, avec le volume Vref adapté de manière à atteindre le ΔTref de 45 °C, correspondant à un volume optimisé. Le volume excédentaire Vsup peut être utilisé pour calculer l’influence de chaque SST sur la température de retour globale du CAD.

Les résultats de la figure 3 montrent que la plupart des SST ont un ΔT inférieur à 45 °C, avec seulement 29 SST sur 96 (30%) atteignant l’objectif. Il est intéressant de noter que les SST ayant l’impact le plus élevé sur la température de retour du CAD ne sont pas nécessairement celles qui ont les demandes de chaleur les plus élevées. En effet, les SST n°3 (443 MWh) et n°78 (965 MWh) ont un impact beaucoup plus important que les SST n°13 (1750 MWh) ou n°45 (3100 MWh) ayant des demandes de chaleur quatre à huit fois plus élevées.

Enfin, le classement des SST par ordre de leur volume excédentaire indique que les 8 plus mauvaises d’entre elles totalisent 57% du volume excédentaire global.

Audit d'un échantillon de SST

Températures de retour

En complément, une campagne de mesure spécifique, impliquant l’installation de capteurs de température sur 13 échangeurs primaires, montre que les températures de retour du côté primaire sont élevées, malgré des températures de retour relativement basses du côté secondaire (fig. 4). Les échangeurs primaires sont classés de gauche à droite, par ordre décroissant de valeur médiane pour la température de retour primaire. Ces dernières varient de 86 à 56 °C (prim. fr., bleu foncé), avec une dispersion importante. La température aller du CAD (prim. ch, rouge foncé) est très stable et d’environ 110 °C. Du côté secondaire, la température aller varie entre 48 et 65 °C (sec. ch., rouge clair), et la température retour correspondante varie entre 39 et 49 °C (sec. fr., bleu clair).

On constate que les températures de retour relativement élevés du côté primaire ne sont pas dues à des retours élevés du côté secondaire. En effet, les deux échangeurs ayant le retour primaire le plus élevé (O9_14 et O9_12: 86 et 77 °C) sont également ceux ayant le retour secondaire le plus bas (39 et 40 °C). Inversement, l’échangeur ayant l’avant-dernier retour primaire le plus bas (G15: 56 °C) est celui dont le retour secondaire est le plus élevé (49 °C).

Nombre d’unités de transfert

Pour une analyse plus approfondie, nous caractérisons chacun des échangeurs primaires ci-dessus en termes de nombre d’unités de transfert (NUT), qui relie la surface A et le coefficient d’échange U au plus petit des débits primaire et secondaire (Vmin). Les équations pour le calcul des NUT peuvent être consultées dans [4] par exemple. La figure 5 montre la température de retour primaire de chaque échangeur, en fonction de son NUT. Les points représentent le NUT mesuré, tandis que les courbes montrent la température de retour théorique en fonction du NUT (c’est-à-dire en fonction de la surface de l’échangeur de chaleur).

On constate que les retours primaires élevés (voir fig. 4) sont dus à des valeurs NUT relativement faibles, généralement inférieures à 1,5. Avec un NUT augmenté à 4 (essentiellement une surface d’échange accrue), tous les échangeurs atteindraient des retours primaires compris entre 43 et 49 °C, sans affecter le fonctionnement du côté secondaire. Un ΔT plus élevé du côté primaire induirait un débit proportionnellement plus faible, libérant ainsi de la capacité pour l’extension du réseau ou la possibilité d’abaisser la température aller primaire.

CONCLUSION

Cette étude porte sur un réseau de chaleur à distance de 2ème génération datant des années 1960, fournissant 359 GWh/an à 110 °C/70 °C (températures aller/retour). Il est prévu de baisser sa température de fonctionnement pour permettre d’augmenter la part de chaleur renouvelable dans son mix énergétique.

Tout d’abord, nous utilisons la méthode du volume excédentaire pour classer les différentes SST en fonction de leur influence sur la température de retour du CAD. L’optimisation des SST ayant un volume excédentaire significatif pourrait conduire à des améliorations de la performance du CAD et à la réduction de la température de fonctionnement. Cependant, la visite des sous-stations sélectionnées montre différentes typologies de connexion et de comptage (échangeurs de chaleur simples ou multiples, ainsi que connexion aux sous-réseaux au niveau du quartier), ce qui rend la supervision automatique, la détection et l’interprétation de niveaux de température inadéquats plus difficile.

En auditant un ensemble de sous-stations spécifiques, nous avons observé que dans la plupart des cas, le côté secondaire n’est pas responsable des températures de retour élevées du côté primaire. Bien qu’inattendue, cette situation est sans aucun doute plus facile pour l’opérateur du CAD, puisque les échangeurs primaires sont sous sa propre responsabilité et gestion. Des optimisations complémentaires du côté secondaire, qui découleraient de la responsabilité des clients, devraient bien sûr être effectuées si possible et/ou nécessaire.

Bibliographie

[1] Quiquerez, L. (2017): Décarboner le système énergétique à l’aide des réseaux de chaleur: état des lieux et scénarios prospectifs pour le canton de Genève. Doctoral Thesis, Université de Genève.

[2] SIA (2020): Norme SIA 385/1:2020. Installations d’eau chaude sanitaire dans les bâtiments – Bases générales et exigences

[3] Nussbaumer, T. et al. (2019): Guide de planification Chauffage à distance. ASCAD, SuisseEnergie

[4] Kaboré, M. et al. (2012): Modélisation et caractérisation expérimentale d’un échangeur à plaque. Archive de École d’ingénieurs de l’université de Savoie (n.d.).

[5] Callegari, S.A. et al. (2023): Strategies and potentials of temperature reduction on existing district heating substations: two case studies. Genève.