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Oct 25, 2023

Cogénération et chauffage urbain pour des maisons confortables et des usines heureuses

La majeure partie de la consommation d'énergie de la société moderne est consacrée au chauffage sous une forme ou une autre, que ce soit

La majeure partie de la consommation d'énergie de la société moderne est consacrée au chauffage sous une forme ou une autre, que ce soit pour chauffer de l'eau, augmenter la température d'une pièce ou pour une utilisation dans des processus industriels. Cela en fait une excellente cible pour l'amélioration de l'efficacité et de la résilience, ainsi que dans l'effort de décarbonisation de la production énergétique mondiale. Ici, le chauffage urbain et des solutions similaires sont susceptibles de jouer un rôle majeur dans un proche avenir.

Au cours des dernières décennies, un certain nombre de pays ont déjà construit de vastes réseaux de chauffage urbain ou sont en train de le faire. Le principal avantage de ces réseaux de chauffage est qu'ils permettent non seulement une production de chaleur plus efficace et centralisée, mais permettent également, par exemple, que la chaleur résiduelle industrielle soit utilisée de manière productive plutôt que gaspillée, même si la majeure partie de la chaleur proviendra de centrales thermiques dédiées ou de cogénération.

Récemment, le chauffage urbain a reçu une forte impulsion, par exemple en Chine, sous la forme de cogénération nucléaire, tandis que la possibilité d'utiliser le stockage thermique pour stocker la chaleur pour une utilisation ultérieure, ainsi que le concept de lier les centres de données aux réseaux de chauffage sont également à l'étude. Bien que le chauffage urbain ne soit pas nouveau, il peut contribuer à faire basculer l'humanité vers un avenir à faible émission de carbone, sans perdre une once de confort.

Le principal avantage du chauffage urbain (DH) est leur efficacité globale accrue par rapport à de nombreuses sources de chaleur plus petites, telles que les chaudières domestiques individuelles au gaz ou au mazout, également en raison de l'utilisation de ce qui aurait autrement été principalement de la chaleur perdue. De plus, les sources qui fournissent de la chaleur au système peuvent être très diverses, même si le charbon a été le combustible de choix pour les réseaux de chauffage en Occident. Les systèmes DH de première génération ont été construits à la fin du XIXe siècle, le réseau à vapeur de New York en étant un excellent exemple. Ce type de système de première génération montre également les problèmes qui ont empêché leur adoption dans de nombreuses autres villes.

L'explosion de vapeur de la ville de New York en 2007 était l'une des douze explosions de conduites de vapeur depuis 1987, l'explosion de 2007 impliquant une rupture de conduite vieille de 83 ans et permettant à la vapeur chaude et sous pression d'éclater à travers le sol, blessant gravement des personnes et causant une grande quantité de dommages. Les systèmes DH qui ont été construits à partir des années 1930 environ et jusque dans les années 1970 utiliseraient plutôt de l'eau chaude, chauffée par des centrales de cogénération. Bien qu'ils soient toujours sous pression, ces systèmes ne présentent pas les mêmes risques de sécurité qu'un système à vapeur sous pression.

Plutôt que principalement un groupe de centrales au charbon dédiées qui alimentent un système à base de vapeur, ces systèmes DH de deuxième génération et les améliorations ultérieures (comme des tuyaux isolés au lieu de tuyaux en béton ordinaire) seraient généralement basés sur des centrales thermiques de cogénération, afin que les villes et les communautés voisines puissent être alimentées en chaleur et en électricité. Cette approche a été largement adoptée dans les pays scandinaves, ainsi que dans l'ex-Union soviétique.

Cependant, la construction de systèmes DH a largement stagné au cours des dernières décennies. En raison de la disponibilité de gaz naturel bon marché, et dans le cas de pays comme la Norvège et la France en raison des faibles prix de l'électricité, l'incitation financière à installer les tuyaux pour un nouveau système DH ou à étendre un système DH existant était souvent absente. De nombreux systèmes DH existants ont également vu leurs sources passer du nucléaire à faible émission de carbone aux combustibles fossiles, comme ce fut le cas avec les réseaux DH dans l'ex-URSS. Greifswald en Allemagne de l'Est et des REP cogénérateurs VVER similaires ont été fermés dans les années 1990, remplacés par des centrales au charbon et à gaz.

Dans le Bulletin de l'AIEA de mars 1989, Losev et al. décrire les plans DH qui existaient à l'époque pour étendre davantage l'utilisation de la cogénération des centrales nucléaires dans la partie européenne de l'URSS. Bien sûr, avec l'effondrement de l'URSS en 1991, les quelques systèmes DH qui ont été mis en œuvre depuis lors utilisent principalement des combustibles fossiles comme sources.

Des villes comme Berlin en sont un bon exemple, avec ses deux systèmes DH séparés (ouest et est). Bien que ce réseau s'étende essentiellement à la taille de la ville avant l'effondrement de l'URSS, il s'agit toujours du plus grand système DH d'Allemagne. Actuellement, Berlin essaie de trouver des moyens de s'éloigner des centrales au charbon à forte intensité de carbone qui fournissent l'essentiel de son approvisionnement en chaleur, avec Gonzalez-Salazar et al. (2020) proposant quelques scénarios possibles.

Dans leur évaluation des sources alternatives, ils ont constaté que la chaleur résiduelle industrielle pouvait apporter une petite contribution, la majeure partie étant absorbée par la combustion de déchets solides collectifs (fortement polluants) et de biomasse, principalement sous forme de copeaux de bois dans les centrales au charbon actuelles. L'écrasante majorité de l'approvisionnement en chaleur serait fournie par le gaz fossile (GN), cependant, avec l'idée que des alternatives au GN comme l'hydrogène (vert) pourraient être remplacées à un moment (lointain) dans le futur.

Dans leurs scénarios idéaux, le power-to-heat (P2H) serait également utilisé, ce qui implique de convertir l'électricité en chaleur à l'aide de technologies telles que le chauffage résistif, les pompes à chaleur, etc.

Comme le montre la situation à Berlin et à New York, avoir un système DH ne signifie pas nécessairement qu'il est à faible émission de carbone ou qu'il est facilement converti à partir d'une monstruosité polluante. Outre l'intégration de sources de chaleur à faible émission de carbone, il n'en demeure pas moins que l'emplacement de l'alimentation en chaleur est important pour l'efficacité du système. Pour les centrales thermiques et les sources de chaleur résiduelle industrielle, cela signifie qu'elles doivent être situées suffisamment près du consommateur, généralement à quelques dizaines de kilomètres pour minimiser les pertes de chaleur.

Cela joue également un rôle en ce qui concerne le scénario P2H consistant à utiliser l'excédent d'énergie des installations solaires et éoliennes pour chauffer une forme de stockage thermique. Étant donné que le stockage doit être placé suffisamment près de l'utilisateur final, cela signifie que l'énergie électrique doit être transférée via des lignes de transmission vers cette installation de stockage. Sans une capacité disponible suffisante sur ces lignes de transmission, l'excédent de puissance devrait encore être réduit. S'appuyer uniquement sur une puissance excédentaire signifierait également un apport de chaleur très variable dans le système, nécessitant une sorte d'approvisionnement en chaleur de secours, comme les combustibles fossiles ou l'énergie nucléaire, ou accepter des périodes de demandes de chauffage non satisfaites.

Le scénario le plus efficace est probablement celui des centrales de cogénération nucléaires traditionnelles, largement utilisées par les anciens États soviétiques, ainsi que par la Suisse avec sa centrale nucléaire de Beznau. Cette usine a été modernisée en 1984 pour fournir un chauffage urbain aux communautés voisines, ce qui a eu l'avantage supplémentaire de réduire la quantité de chaleur résiduelle se retrouvant dans la rivière voisine, ainsi que d'économiser plus de 14 millions de mètres cubes de gaz naturel par les ménages connectés.

Un aspect de ces centrales de cogénération est qu'une partie de la vapeur est utilisée pour le système DH plutôt que pour produire de l'électricité. Comme cette vapeur est extraite après avoir déjà (partiellement) détendue dans l'étage de la turbine, la réduction de la production d'électricité est généralement minime. Même ainsi, il est concevable qu'en ajoutant un stockage thermique au système DH et en acceptant la chaleur résiduelle des processus industriels, ainsi que des centres de données, etc., moins de vapeur devrait être détournée, permettant une plus grande production d'électricité, sans autrement affecter le système.

L'utilisation de P2H dans ce scénario aurait probablement très peu de sens, car ajouter plus de chaleur libérerait plus d'électricité, mais P2H n'a de sens que s'il y a déjà un excès d'électricité sur le réseau local, ce qui le rend essentiellement inutile. L'utilisation de sources de chaleur relativement constantes, comme les centres de données et les installations de fusion d'aluminium (comme on le voit par exemple en Norvège), pourrait cependant fournir des apports de chaleur supplémentaires redondants au système.

Avoir un accès continu au chauffage est important et une question de survie dans de nombreux pays, y compris lors d'événements météorologiques extrêmes comme les tempêtes hivernales du Texas de février 2021 qui ont coupé de nombreux ménages du gaz et de l'électricité. De même, de nombreuses industries nécessitent une source de chaleur constante, comme la fabrication du verre et de l'acier, ainsi que l'industrie pétrochimique. Ces demandes de chauffage s'étendent sur une large plage de températures, allant d'environ 100 °C pour les systèmes DH à 300 à ~1 000 °C pour la chaleur industrielle.

La demande de fiabilité renforce l'importance d'avoir des sources fiables prouvant la chaleur. Ici, les centrales nucléaires sont le seul type de source qui a un facteur de capacité > 90 % et ne dépend pas d'un ravitaillement quotidien, hebdomadaire ou même mensuel. C'est également pourquoi les usines chimiques et d'autres industries qui cherchent à s'éloigner des combustibles fossiles s'intéressent vivement aux petits réacteurs modulaires pour la chaleur des procédés industriels, car même de brèves baisses de la chaleur fournie peuvent interrompre la production, voire détruire une chaîne de fabrication.

Les réacteurs refroidis au gaz (HTR) à haute température (hélium) - comme le HTR-PM chinois - atteignent des températures beaucoup plus élevées que les réacteurs traditionnels refroidis à l'eau (LWR ou HWR), ce qui les rend adaptés à un nombre encore plus grand de processus industriels, tout en fournissant également de l'énergie électrique. Cela devrait idéalement fournir aux processus industriels de la chaleur et de l'électricité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 pendant les années que dure le combustible, ce qui en fait une source très attractive, économique et à faible émission de carbone.

La fiabilité des centrales nucléaires de cogénération a été prouvée pendant de nombreuses décennies, ce qui en a fait un choix évident pour des pays comme la Chine, alors qu'ils cherchent à trouver des alternatives aux centrales au charbon dans leurs systèmes DH. La ville chinoise de Haiyang, dans la province du Shandong, travaille actuellement à la conversion complète de son système DH des chaudières au charbon à la cogénération nucléaire. Comme indiqué, la chaleur du réacteur AP-1000 Haiyang-1 était à elle seule suffisante pour remplacer 12 chaudières au charbon.

L'objectif est de produire suffisamment de chaleur pour toute la ville de Haiyang à l'aide de cette centrale nucléaire unique, ainsi que de l'électricité et de la chaleur pour le dessalement, éliminant ainsi la plupart des combustibles fossiles utilisés par les habitants de la ville.

Une partie inévitable d'un système DH est que les tuyaux isolés de grand diamètre doivent être enterrés dans le sol, ce qui peut être assez perturbateur. Selon la situation, un système de pompe à chaleur peut être une alternative acceptable, offrant un rendement beaucoup plus élevé qu'un simple système de chauffage résistif. Ceux-ci nécessitent bien sûr une source d'énergie électrique fiable, mais les systèmes de pompe à chaleur peuvent être installés au gré du propriétaire.

Depuis 2004, l'UE a mis en vigueur la directive cogénération (chaleur et électricité combinées), qui est censée accroître la prolifération de la cogénération et du chauffage urbain au sein de l'UE. Malgré cela, le plus grand changement observable a souvent été le passage des ménages au gaz pour le chauffage au mazout (en raison des économies de coûts perçues), ainsi qu'une poussée vers les pompes à chaleur.

Lorsque l'on compare les efforts de décarbonisation du chauffage de l'UE aux pays qui ont pleinement adopté l'utilisation de l'énergie nucléaire pour la DH et la chaleur industrielle, cela soulève de nombreuses questions sur la faisabilité de créer un système de DH à faible émission de carbone sans impliquer l'énergie nucléaire. Il sera intéressant de voir comment les choses fonctionneront à cet égard dans les années à venir, en particulier avec la crise énergétique actuelle qui a complètement torpillé l'économie derrière l'implication du gaz fossile de quelque manière que ce soit.

[Image d'en-tête : la centrale nucléaire flottante Akademik Lomonosov, amarrée à Pevek, en Russie. Il fournit de l'électricité et de la chaleur à la communauté isolée.]