Fiche détaillée Master
| Mémoire N° | 230 |
| Auteur | COLLET Olivia |
| Titre | Analyse énergétique, environnementale et économique d’un réseau de chaleur géothermique moyenne profondeur : Etude de cas de l’installation de Riehen |
| Thématique & formation | Energie |
| Résumé | Les réseaux de chaleur permettent en théorie d’améliorer l’efficience d’un système énergétique dans son ensemble et d’intégrer une part significative d’énergies renouvelables dans le mix des ressources et de production. Ainsi, ils s’inscrivent dans le contexte actuel de transition énergétique, qui prévoit notamment un approvisionnement énergétique pérenne et en accord avec la protection de l’environnement. Dans cette optique, l’utilisation de la géothermie est opportune puisque cette ressource renouvelable est disponible en tout temps et tout lieu. La valorisation de cette énergie peut être optimisée grâce à l’utilisation de pompes à chaleur, permettant une adéquation des niveaux de température entre la ressource et la demande. Aussi, de par leur consommation d’électricité, ces transformateurs créent de possibles synergies entre filière thermique et électrique, spécialement au sein des réseaux de chaleur. Bien que très développés dans certains pays comme la Suède ou le Danemark, les réseaux thermiques sont peu utilisés en Suisse et par conséquent également peu étudiés. Compte tenu de l’intérêt de tels systèmes et du manque de connaissances en la matière en Suisse, ce travail propose un retour d’expérience sur les performances énergétiques et économiques du réseau de chaleur de Riehen, en Suisse dans le canton de Bâle, sur l’année 2013. La spécificité de ce réseau réside dans son système de « super cooling », qui permet, grâce à des pompes à chaleur, d’augmenter la température départ de la ressource géothermique et de sur-refroidir le retour de la ressource. Aussi, le CAD Riehen est le seul de ce type en fonction dans le pays et existe depuis de nombreuses années, ce qui rend son étude particulièrement instructive. Premièrement, ce travail expose la théorie nécessaire à la compréhension du fonctionnement du réseau, en décrivant la ressource géothermique, les pompes à chaleur et couplages chaleur-force, ainsi que les réseaux de chaleur. Deuxièmement, une analyse des données énergétiques, environnementales et économiques est établie pour l’année 2013. Pour terminer, les résultats sont comparés à d’autres réseaux thermiques. L’analyse énergétique a révélé que 42% des 45 GWh produits en 2013 proviennent de la géothermie. Près de la moitié de la chaleur restante (31%) est produite à partir du gaz, dont deux tiers par les couplages chaleur-force et un tiers par les chaudières. La production thermique est complétée par les chaudières à mazout, le réseau de chaleur de Bâle, les pompes à chaleur aérothermiques et les chaudières à bois. Le réseau possède une densité thermique faible, soit de 1.17 MWh/m tracé/an. Au total, avec une production issue à 45% d’énergies renouvelables, les émissions CO2 sont de 4.8 ktCO2, ce qui correspond à 118 g CO2/kWh vendu. En utilisant la géothermie à son plein potentiel, cette énergie pourrait produire jusqu’à 51% de la chaleur, et permettrait d’économiser 837 tonnes CO2/an additionnels, soit 17% des émissions de 2013. L’étude économique a montré que depuis la mise en fonction du réseau, les investissements se sont élevés à 82.3 MCHF. Le coût payé de la chaleur, soit après avoir bénéficié des subventions, est de 17.0 cts/kWh. Le prix de la chaleur pour les particuliers est inférieur au coût de la chaleur, impliquant un bilan économique annuel négatif. Néanmoins, il existe des tarifs préférentiels de vente et d’achat d’électricité dans le canton de Bâle, qui permettent au réseau d’optimiser les revenus, en régulant la production par les couplages chaleur-force et l’achat nécessaire à l’approvisionnement des pompes à chaleur. Au total en 2013, 20% des revenus du réseau proviennent de la vente d’électricité. Une utilisation optimisée de la géothermie cette année-là diminuerait de 569'721 CHF la recette, ce qui représente 40% des gains émanant de la vente d’énergie électrique. Ces chiffres expliquent l’utilisation restreinte de la géothermie au profit de la cogénération. Enfin, les comparaisons énergétiques et économiques de Riehen avec des réseaux thermiques similaires ont permis d’établir que, tant pour des réseaux géothermiques que pour des réseaux basse densité, les coûts de la chaleur sont élevés. Ces résultats expliquent l’importance des coûts de la chaleur de Riehen, qui combine ces deux caractéristiques. |
| Summary | District heating systems are in theory installations increasing energetic system efficiency and integrating a significant portion of renewable energy in resources and production mix. Therefore, they are part of the current context of energy transition, which plans a perennial energy supply in accordance with environmental protection. In this context, the use of geothermal energy is opportune as this renewable resource is available anytime and anywhere. The valuation of this energy can be optimized by the use of heat pumps, which match resource and demand temperature levels. Also, as they consume electrical energy, these transformers create possible synergies between thermal and electrical sector. Although they are well developed in several countries such as Sweden and Denmark, district heating networks are rarely used in Switzerland, and consequently poorly studied as well. Considering the interest of such systems and the lack of knowledge on this matter, this work offers a feedback on energetic and economic performances of Riehen district heating in Switzerland, in Basel canton, for the year 2013. The specificity of this network lies in its “super cooling” system, which increases the starting resource temperature and over-decreases the return resource temperature through heat pumps. Also, Riehen district heating is the only one of that type operating in the country, and has been in place for many years; this is why its study is particularly instructive. Firstly this work presents necessary theory to understand the district heating operation, by describing geothermal resource, heat pumps and cogeneration, and district heating systems. Secondly, an energetic, environmental and economic data analysis is exposed for the year 2013. Finally, results are compared to other similar district networks. Energetic analysis showed a geothermal production of 42% from the total production of 45 GWh. Almost half of the rest (31%) is produced by gas, from which two third come from cogeneration and one third from boiler. Thermal production is completed by oil boilers, Basel district heating system, aerothermal heat pumps and wood boilers. Riehen thermal density is 1.17 MWh/m/year. With a production generated by 45% of renewable energies, CO2 emissions are 4.8 ktCO2, which corresponds to 118 g CO2/kWh sold. Using geothermal energy to its full potential could produce 51% of the heat and spare additional 837 tons CO2/year, or 17% of 2013 annual emissions. Economic study indicated that investments for the district heating system since its installation have reached 82.3 MCHF. The heat cost (after receiving subventions) is 17.0 cents/kWh. Heat price for individuals is lower than paid heat cost, inducing a negative annual economic balance. However, different rates regarding power sale and purchase exist in Basel canton, which enables the income to be optimized, by regulating cogeneration production and purchase for heat pumps supply. In 2013, 20% of incomes result from electricity sale. Optimal use of geothermal energy would have decreased revenue related to power production of 569’721 CHF, which represents 40% of real cogeneration income. These outcomes explain restricted use of geothermal energy in favour of the cogeneration. Finally, energetic and economic comparison with other similar district heating systems exposed that heat costs are high both for geothermal heating districts and for low density thermal networks. These results explain the magnitude of Riehen heat costs, as the district heating combines these two characteristics. |
| Volée | 2013 |
| Date et heure soutenance | 15-09-2016 11:00 |
| Salle soutenance | A6b |
| Collation | 163 pages, 78 figures, 16 tableaux |
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| Mot-clés | Réseau thermique, chauffage à distance, géothermie, pompes à chaleur, couplage chaleur-force, Riehen |
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| Dernière mise à jour |
2025-01-31 14:47:25 |