Envi F 401 Projet Interdisciplinaire 2

Thonnard Nicolas (000325693)
Envie 5e (Géographie)
Groupe 3
03/01/2013
Envi F 501 : Projet Interdisciplinaire 2
Groupe 4 : Vers une transition zéro carbone pour
le chauffage à Bruxelles à l’horizon 2050.
Travail Disciplinaire
L’impact environnemental des centrales de
cogénération à biomasse, des panneaux solaires
thermiques et des réseaux de chaleur à Bruxelles.
Introduction.
Les changements climatiques sont un des principaux enjeux actuels. La commission européenne
vient de publier une feuille de route vers une économie compétitive à faible intensité carbone à
l'horizon 2050 (Commision européenne, 2011). Les régions devront donc mettre en place des
mesures afin d’atteindre cet objectifs d’économie bas-carbone.
A Bruxelles, selon un rapport de l’IBGE (IBGE, 2002), 70% des émissions de CO2 sont liées au
chauffage. Afin d’obtenir un impact significatif sur le bilan carbone à Bruxelles, plusieurs mesures
sont proposées pour diminuer les émissions liées au chauffage des bâtiments résidentiels et
tertiaires:
1. Installation de centrale biomasse extramuros.
2. Installation de centrale biomasse locale.
3. Installation de panneau solaire thermique collectif.
Ces différentes mesures s’accompagnent de la mise en place d’un réseau de chaleur permettant de
distribuer la chaleur produite ou récupérée (dans les centrales et les panneaux solaires thermiques)
vers les lieux de consommations (bâtiments à chauffer).
Ce travail disciplinaire se concentre sur les impacts environnementaux des différentes mesures et
principalement, sur la diminution des émissions en CO2 pour la région de Bruxelles capitale.
Les impacts environnementaux.
Les impacts environnementaux désignent les modifications (qualitatives, quantitatives et
fonctionnelles) de l’environnement. La zone de l’étude environnementale ne se limite pas à la ville de
Bruxelles : elle comprend aussi la zone de production de la biomasse ainsi que les transports jusque
Bruxelles.
Les centrales à Biomasse.
La biomasse est une énergie renouvelable issue du soleil de manière indirecte (comme l’énergie
hydroélectrique ou éolienne) et est une énergie renouvelable si l’on veille à la pérennité de la
ressource (Bal & Chabot, 2001). C’est le cas de la France, où les forêts sont gérées de manière
durable (la croissance en volume de la ressource forestière est supérieure à l’exploitation). Au
contraire, dans les pays en développement, la forêt est en nette diminution et la biomasse ne peut
pas être considérée comme une énergie renouvelable.
Le CO2 est prélevé dans l’atmosphère par la biomasse lors de la photosynthèse et le carbone est
stocké dans l’organisme sous forme de matière organique. Lors de la combustion de cette biomasse
pour produire de la chaleur dans une centrale, la quantité de CO2 émise dans l’atmosphère est plus
ou moins équivalente à la quantité de CO2 absorbée lors de la phase de croissance de la biomasse. Le
bilan carbone de la combustion de la biomasse est donc neutre. (Akella, Saini, & Sharma, 2009).
Les émissions directement liées à la combustion étant nulle, les autres sources d’émissions de gaz à
effet de serre dans les centrales à énergie renouvelable (dites « à émission zéro ») deviennent
dominantes. (Voorspools, Brouwers, & D'haeseleer) Les émissions indirectes de gaz à effet de serre
sont liées à la construction, l’entretien et la démolition du bâtiment ainsi qu’au transport et à la
1
production de la biomasse. L’analyse du cycle de vie d’une centrale à biomasse cogénératrice et de la
biomasse permet de déterminer les émissions en gaz à effet de serre de ces sources d’émission
indirecte.
Dans la littérature, on retrouve plusieurs valeurs pour l’évaluation de l’impact de l’utilisation de la
biomasse comme énergie. Comme on peut le voir dans le tableau ci-dessous, les énergies
renouvelables ont de très faible émission de CO2 et la biomasse émet entre 17 et 27 gCO2/KWh.
(Akella, Saini, & Sharma, 2009) (Pour comparaison, les émissions des énergies fossiles en gaz à effet
de serre sont disponibles en annexe 1).
Source : (Akella, Saini, & Sharma, 2009) page 392.
Dans un article plus détaillé (Pehnt, 2006) (voir tableau ci-dessous), les émissions atmosphériques
sont détaillée en fonction de la source d’énergie et de différents détails techniques (le type de
central : cogénératrice ou turbine ; l’origine de la biomasse : bois de forêt ou taillis à courte
rotation). De plus, il précise les émissions des autres gaz dans l’atmosphère. Pour lui, le CO2 émis par
la biomasse varie entre 11 et 41 gCO2/KWh el.
Extrait du tableau3 de (Pehnt, 2006) page60. (Disponible en entier en Annexe 2). (SRF=short rotation forestry=taillis à court rotation)
L’impact environnemental de la biomasse ne se limite pas aux impacts atmosphériques lors des
émissions directes et indirectes. Plusieurs impacts environnementaux peuvent être répertoriés pour
le processus de fabrication de la biomasse (Abbasi & Abbasi, 2010).
2
La biomasse contient de l’azote. Le prélèvement de cette biomasse contribue à la modification du
cycle de l’azote. L’influence anthropique sur le cycle de l’azote a entrainé une augmentation de
l’azote réactif atmosphérique. Ce type d’azote réagit pour passer sous la forme de molécules de NH3,
N2O, NOx et NO3 et engendre des problèmes de production d’ozone troposphérique, d’acidification,
d’eutrophisation, d’hypoxie, etc. De plus, il n’est pas possible de maintenir une production élevée de
biomasse pour des cultures non fixatrice d’azote (car les stocks d’azote naturel du sol sont
insuffisants). Il faut alors employer des fertilisants, dont la fabrication consomme une grande
quantité d’énergie.
La production de biomasse nécessite de grande ressource en eau et en terre. L’utilisation du
territoire pour la production de biomasse entre en concurrence avec les cultures, les forêts et
l’urbanisation.
L’enlèvement de biomasse d’un territoire peut engendrée une dégradation du sol et de l’eau, des
inondations et des pertes de nutriments. La transformation d’écosystème naturel en plantation de
biomasse entraine une modification de l’habitat et des sources de nourritures de la faune et des
autres organismes vivants. Les plantations de monoculture d’arbres à croissance rapide réduise la
diversité végétale et demande un apport de pesticide et de fertilisant pour maintenir leur
productivité. (Abbasi & Abbasi, 2010)
Les panneaux solaires thermiques.
Le principal avantage des technologies utilisant l’énergie solaire est leur faible émission de CO2 et
normalement, leur absence d’émission atmosphérique pendant leur fonctionnement. (Tsoutsosa,
Frantzeskaki, & Gekas, 2005) Les panneaux solaires thermiques nécessitent une quantité de matière
raisonnable pour leur fabrication. On peut observer 4 types d’impacts négatifs de ce type
d’installation sur l’environnement: les changements d’utilisation du territoire, les émissions de
produits chimiques accidentelles, l’impact visuel et les émissions indirectes.
Les systèmes utilisant une importante surface (système de concentration très haute température et
système de stockage) ne font pas partie de notre projet. Dans le cas de nos panneaux solaires
thermiques (panneaux solaires basses-moyennes températures collectifs), le changement
d’utilisation du sol sera nul car, les systèmes de collectes de l’énergie solaire se situeront sur le toit
des habitations ou des constructions tertiaires.
Durant le fonctionnement des panneaux solaires thermiques, seul une quantité de matière
insignifiante est consommée : le liquide de refroidissement doit être changé tous les 2 à 3 ans. La
seule source de pollution potentielle vient du changement de ce liquide et peut être facilement évité
par une bonne pratique.
Les panneaux solaires peuvent être facilement intégrés dans les bâtiments. L’impact négatif visuel
peut être évité par de bonnes pratiques d’installations et une certaine considération des bâtiments
d’intérêt historique (où on évitera d’installer des panneaux solaires). De plus, les architectes peuvent
utiliser les panneaux solaires pour améliorer l’esthétique des bâtiments.
La fabrication, l’installation, l’entretien et la démolition des panneaux engendre des émissions de CO2
indirectes. Elles peuvent être estimées par une ACV (analyse du cycle de vie). Dans la littérature
scientifique, il existe de nombreuses ACV de panneaux solaire thermique. Certaines de ses analyses
3
portent sur le système complet de chauffage et d’autres sur le système seul de collecte de l’énergie
(panneau solaire). Elles sont souvent très précises par rapport au système de chauffage utilisée et
comprennent un grand nombre d’informations très techniques comme : le type de capteur (vitrée,
non vitrée, à tube), la superficie des panneaux, la taille du réservoir d’eau, les différents types de
matériaux utilisées, le nombre de personne qui utilise cet équipement, etc.)
Comme exemple, on peut citer une étude pour une installation de 4m² de surface de panneau et
d’un réservoir de 200l (Koroneosa & Nanaki, 2012) dont le résultat est une émission de 12638 kg de
CO2 éq. pour le cycle de vie. Dans une autre étude (Esthace, 2009), un capteur non vitrée de 4.4m²
avec un ballon de 300l émet 9618kg de CO2 eq. pour son cycle de vie. Une étude (Ardente & Beccali,
2005) portant sur le capteur solaire seul (2.13 m² de surface) obtient un impact de 657 kg de CO2 éq.
pour le cycle de vie de ce type de panneau.
Les différentes analyses ACV sont très précises et porte à chaque fois sur des cas bien particulier de
panneaux solaires. Il est donc difficile d’utiliser les résultats de ces études et de les extrapoler pour
notre cas. Il faut donc se contenter d’une étude moins précise qui pourra nous fournir un chiffre
général sur l’impact environnemental des panneaux solaires. Une étude (Pehnt, 2006) propose une
analyse du cycle de vie pour chaque énergie renouvelable et, nous fournit le chiffre de 6.1 g de
CO2/MJth pour les panneaux solaires thermiques.
Les réseaux de chaleur.
L’analyse du cycle de vie d’un réseau de chaleur urbain (Perzon, Johansson, & Fröling, 2007) indique
que la majorité de l’impact environnemental (70 à 90% de l’impact global) est due aux pertes de
chaleur dans le réseau urbain. Une production supplémentaire de chaleur est nécessaire afin de
compenser ces pertes dans le réseau et, c’est cette production supplémentaire de chaleur qui a un
impact sur l’environnement. Les autres impacts environnementaux sont dus aux impacts
indirects lors de la fabrication et de l’installation du réseau de chaleur. Le second plus grand impact
environnemental est lié à la fabrication de l’isolation située autour des tuyaux du réseau de chaleur.
Il faudra donc être attentif au choix du matériel utilisé lors de la construction du réseau de chaleur.
L’ADEME a réalisé en 2005 un bilan
environnemental d’un chauffage collectif de
2MW avec un réseau de chaleur de 1.5km
(ADEME, 2005). Celui nous permet d’avoir
une bonne estimation de ce qui se passerait
pour notre deuxième mesure (Installation de
centrale biomasse locale). Les résultats de
cette étude sont, pour produire 1 MWh de
chaleur chez l’usager, une émission de 24 Kg
éq. CO2 , ce qui correspond à une valeur de
24g de CO2 éq. pour 1KWh.
Source : (ADEME, 2005) page 8.
Quantités de Kg éq. CO2 pour produire 1MWh de chaleur chez
4
l’usager.
Diminution des rejets en CO2 pour 2020 et 2050 par des changements
dans l’approvisionnement en énergie du chauffage et des ECS à
Bruxelles.
En créant différent scénario et hypothèse, une première estimation de la diminution des rejets en
CO2 à Bruxelles par la mise en place de nos 3 mesures peut être faite. Cette estimation est tout à fait
théorique car elle ne prend pas compte de la faisabilité économique et technique de l’élaboration de
ces mesures. Elle se base uniquement sur l’utilisation des valeurs de l’impact environnemental des
différentes énergies et d’hypothèse sur l’évolution de la consommation d’énergie à Bruxelles ainsi
que sur l’approvisionnement en énergie.
Pour notre comparaison, nous allons utiliser 3 scénarios différents d’émission de CO2 :
•
le premier, le business as usual où l’approvisionnement énergétique reste identique à 2009
pour 2020 et 2050 et où la variation de la consommation énergétique est liée à l’évolution
démographique.
•
Le deuxième, le scénario 1 où l’approvisionnement énergétique reste identique à 2009 pour
2020 et 2050 et où la variation de la consommation énergétique est liée à l’évolution
démographique, à des hypothèses de changement des comportements et à des hypothèses de
changement dans l’isolation des bâtiments.
•
Le troisième, le scénario 2 où l’approvisionnement énergétique est remplacé en grande
partie par des énergies renouvelables et où la variation de la consommation énergétique est liée à
l’évolution démographique, à des hypothèses de changement des comportements et à des
hypothèses de changement dans l’isolation des bâtiments.
Afin d’obtenir ces différentes courbes, nous devons d’abord déterminer l’évolution de la
consommation d’énergie.
Consommation énergétique (en ktep
pci)
Graphique 1 : Evolution de la consommation d’énergie pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire
pour la région de Bruxelles-capitale en 2020 et 2050.
1200.00
1000.00
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
2055
Temps (en année)
Les données de 2009 sont issues du bilan énergétique de la RBC (IBGE, 2011). Ces données et les hypothèses faites pour
obtenir les valeurs en 2020 et 2050 sont disponibles en annexe3.
5
La courbe rouge représente l’évolution de la consommation en tenant compte de l’évolution
démographique et la courbe verte en tenant compte de l’évolution démographique, des hypothèses
de changement des comportements et des hypothèses de changement dans l’isolation des
bâtiments.
Nous connaissons la demande en énergie à une année donnée en ktep : il faut la convertir en KWh
(1tep=11630KWh). En connaissant la répartition entre les différentes sources d’énergie(en %), on
calcule la consommation (en KWh) par source d’énergie. On multiplie chaque source d’énergie par
son facteur d’émission (g CO2/KWh) pour obtenir une valeur (en g de CO2). En addition ces quantités
de CO2, on obtient la valeur des émissions de CO2 en une année donnée.
L’ensemble des calculs et des sources ayant servis à obtenir ce graphique sont en Annexe 4.
Graphique 2 : Evolution des émissions de CO2 pour le chauffage et l'eau chaude
sanitaire à Bruxelles selon différent scénario.
Emission de CO2 (en tonnes de CO2)
3500.00
3000.00
2500.00
2000.00
Business as usual
1500.00
Scénario 1
Scénario 2
1000.00
500.00
0.00
2009
2020
2050
Temps (en année)
Sur le graphique 2, on voit que le scénario 2 permet d’atteindre un très bas niveau d’émissions de
CO2 (347 tonnes de CO2) alors qu’au contraire le business as usual entraine une augmentation des
émissions de CO2.
Discussion.
Grâce au deuxième graphique, on comprend l’intérêt des pouvoirs publics d’agir sur l’aspect
économie d’énergie (par l’isolation et/ou l’utilisation raisonnée de l’énergie) ET sur l’utilisation
d’énergie renouvelable car, quand ces deux aspects sont associés, la réduction de CO2 est
significative et permet de se diriger vers une économie bas-carbone.
6
Pour l’instant, la courbe du scénario 2 n’est pas réaliste car elle ne prend pas en compte tous les
impacts (socio-économique, technique, politique, etc.) de la mise en place des énergies
renouvelables à Bruxelles. Elle reste une courbe totalement théorique et qui sera sans doute remise
en question lors de la partie interdisciplinaire du projet. Néanmoins ce graphique reste intéressant
car il permet notamment, d’obtenir la courbe pour les émissions de CO2 du business as usual.
Conclusion.
Les énergies renouvelables ont de faibles émissions de CO2. La biomasse et les panneaux solaires
thermiques sont des solutions intéressantes pour diminuer les émissions de CO2 dans le cadre du
chauffage et des eaux chaudes sanitaires à Bruxelles. Il ne faut cependant pas oublier les autres
émissions atmosphériques que provoque la combustion de la biomasse et certaines questions
environnementales qui restent à approfondir, comme la problématique de l’approvisionnement en
biomasse. En thermes quantitatif, l’utilisation de ces deux énergies renouvelables, associées à
d’autres mesures, peut permettre d’atteindre une société bas-carbone pour Bruxelles.
7
Annexe.
Annexe 1 :
Source : (Akella, Saini, & Sharma, 2009) page 392.
Annexe 2 :
Source : (Pehnt, 2006) page60.
8
Annexe 3 :
Consommation d’énergie à Bruxelles en ktep pci en 2009 :
2009
chauffage résidentiel
chauffage tertiaire
Eau chaude sanitaire résidentiel
Eau chaude sanitaire tertiaire
Source : (IBGE, 2011) P96 (pour le résidentiel) et P124 et P130(pour le tertiaire)
578.90
292.16
133.10
33.20
Hypothèses :
Hypothèse d’augmentation de la consommation pour l’évolution démographique et de diminution
de la consommation pour les hypothèses d’isolation et d’URE (utilisation raisonnée de l’énergie). La
justification de ces hypothèses est validée dans les travaux personnels des autres membres du
groupe.
2020
chauffage
Eau chaude
sanitaire
2050
Démographie
+1%
Isolation
-15%
URE
-3%
Démographie
+5%
Isolation
-50%
URE
-10%
+17%
+0%
3%
+30%
0%
10%
Annexe 4 :

Evolution de la consommation A (démographie) et évolution de la consommation B
(démographie, isolation, URE) en ktep pci :
A
chauffage résidentiel
chauffage tertiaire
ecs résidentiel
ecs tertiaire
total

2009
578.90
292.16
133.10
33.20
1037.36
2020
584.69
295.08
155.73
38.84
1074.34
B
2050
607.85
306.77
173.03
43.16
1130.80
2009
578.90
292.16
133.10
33.20
1037.36
2020
480.49
242.49
151.73
37.85
912.56
2050
260.51
131.47
159.72
39.84
591.54
Facteur de conversion de l’énergie : 1tep=11630KWh
9

Répartition des différentes sources d’énergie en %
Pour le business as usual et le scénario 1 :
résidentiel
tertiaire
chauffage Eau chaude sanitaire chauffage Eau chaude sanitaire
gasoil
25.6
18.3
20
20
gaz naturel
69.6
68.5
80
80
charbon
0.7
/
/
/
butane/propane
0.4
1.7
/
/
bois
0.3
/
/
/
électricité
3.1
11.3
/
/
solaire thermique
/
0.2
/
/
Répartition des différentes sources d’énergie pour le chauffage et les eaux chaudes sanitaires à
Bruxelles en 2009 source : (IBGE, 2011)
Pour le scénario 2, on définit :
résidentiel
tertiaire
chauffage Eau chaude sanitaire chauffage Eau chaude sanitaire
80
30
80
30
Bois
/
70
/
70
Solaire Thermique
20
/
20
/
Gaz naturel

Facteur d’émission (en g CO2/KWh) (energieplus)
Émission d'équivalent CO2 [g/kWh PCI] : valeur ADEME 2007 (cycle complet)
Électricité réseau belge : niveau producteur 267
Gaz naturel
231
Fioul lourd
319
Fioul domestique
301
Propane
275
Charbon
371
Panneau solaire thermique = 6.1 g/ MJth = 21.96 g/kWh (voir page4)
Bois= 24 g/kWh (voir page 4)
10
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