Industrial Process and Energy System Engineering

SECTION DE
Génie mécanique
IPESE
Industrial Process and Energy System Engineering
Potentiels Thermo-économiques Comparés de
Réseaux Avancés Fonctionnant au CO2 et à l’Eau
Motivations & Objectifs
Fonctionnement
Les besoins de chauffage et d’eau chaude
sanitaire sont satisfaits à l’aide de pompes à
chaleur électriques prélevant de la chaleur au
réseau en condensant le CO2 vapeur. A
l’inverse, l’évaporation du CO2 liquide dans
des échangeurs permet de satisfaire les
besoins de refroidissement. Le réseau permet
ainsi d’effectuer des échanges thermiques
entre les utilisateurs de froid et les utilisateurs
de chaud. Une centrale de régulation fourni
ou évacue de la chaleur du réseau selon que
les besoins de chaud ou de froid sont les plus
importants.
De nos jours, les besoins de chauffage et de refroidissement représentent près de 40% de
l’énergie finale consommée dans les pays industrialisés. Les objectifs d’efficience
énergétique et de réduction des émissions de gaz à effet de serre rendent indispensable le
développement de systèmes efficaces permettant de pourvoir à ces besoins. Le réseau CO2
présente l’avantage de parvenir à satisfaire simultanément les besoins de chauffage et de
refroidissement et de réduire fortement leur coût énergétique. Cette réduction est
directement liée à la faible température (de l’ordre de 15°C) à laquelle le réseau est
exploité.
Un réseau similaire au réseau CO2 mais fonctionnant avec de l’eau peut également être
envisagé. L’objectif principal est d’évaluer et de comparer les aspects énergétiques et
économiques de la mise en place de ces deux différents types de réseaux dans un quartier
de la ville de Genève.
Cycles de pompes à chaleur
Des calculs de cycles simplifiés de pompes à chaleur ont été effectués afin de déterminer
les performances des pompes à chaleur des utilisateurs. A la température de
dimensionnement, le rendement exergétique des cycles des pompes à chaleur satisfaisant
les besoins de chauffage est de 0.56 et l’efficacité de chauffage de 4.63.
Réseau eau : avantages et inconvénients
+ Afin que le CO
(vapeur et liquide) soit à un état proche de la saturation, la pression dans
les conduites du réseau CO2 est de l’ordre de 50bar. Dans le cas du réseau eau, de l’eau
chaude remplace le CO2 vapeur et de l’eau froide le CO2 liquide. La pression dans les
conduites d’eau est de l’ordre de 1bar ce qui simplifie la mise en place du réseau.
2
+ En raison de la pression élevée, la température du réseau CO
ne peut pas être supérieure à
15°C. La température du réseau eau peut, elle, être augmentée en hiver lorsque les besoins
de climatisation sont nuls. Cela permet de réduire la puissance des pompes à chaleur des
utilisateurs et de diminuer ainsi leur coût d’investissement. Sur le plan énergétique une
élévation de la température du réseau n’est pas intéressante. En effet, la réduction de la
consommation d’électricité des pompes à chaleur est inférieure à l’augmentation de la
consommation électrique de la centrale de régulation.
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- La différence d’enthalpie entre l’eau chaude et l’eau froide est nettement plus faible que la
chaleur latente d’évaporation du CO2. Pour cette raison, les débits d’eau nécessaires ainsi
que les diamètres des conduites devant être installées sont plus importants dans le cas du
réseau eau (720mm au lieu de 280mm pour le CO2 liquide et 330mm pour le CO2 vapeur).
- A plus long terme, il peut être envisagé d’utiliser directement le CO
dans des systèmes de
pompes à chaleur ouverts. Cela permet de se passer du fluide intermédiaire contenu dans
les pompes à chaleur conventionnelles, de supprimer ainsi un transfert de chaleur et, par
conséquent, d’augmenter l’efficacité des pompes à chaleur. L’utilisation d’un réseau eau
rend ces modifications impossibles.
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Évaluation économique
Banc d’essai
Les valeurs actuelles nettes des deux types de réseaux ont été évaluées. Pour cela, les
investissements, les coûts d’opération et différents taux de renchérissement ont été
considérés. L’investissement lié aux conduites des réseaux a un impact prépondérant sur la
valeur actuelle nette. Le réseau CO2 a l’avantage d’avoir des conduites de diamètre
inférieur. Sa pression élevée augmente cependant le coût de ses conduites. Globalement, les
deux réseaux présentent des coûts relativement similaires. La rentabilité des réseaux sur
une durée de 25ans peut être atteinte en facturant l’énergie fournie et évacuée par le réseau
à un prix variant entre 9 et 10ct/kWh.
Afin de vérifier différents points du fonctionnement d’un réseau CO2, un banc d’essai a été
développé lors de travaux précédents. La finalisation de l’installation de ce banc d’essai a
été effectuée. Ce banc d’essai a également fait l’objet d’une certification (équipements sous
pression). Différentes modifications ont été apportées au dossier de certification existant.
Afin de prendre en compte les
incertitudes liées à l’évaluation des
besoins énergétiques et des coûts des
réseaux, une analyse de paramètres
incertains a été réalisée. Basée sur des
données statistiques, cette analyse
permet d’obtenir une distribution de
la valeur actuelle nette des réseaux.
D’après les distributions obtenues, la
rentabilité des réseaux après 25ans est
assurées dans plus de 85% des cas.
Auteur
Remerciements
Patrick Chatelan
Prof. Daniel Favrat
Samuel Henchoz
Superviseur
Prof. François Maréchal
Laurent Rami
Céline Weber