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Aug 04, 2023

Dossier de solution : Toronto's District Energy

Par Charles Schilke 9 décembre 2022 Le système de refroidissement par eau profonde des lacs de Toronto

De Charles Schilke

9 décembre 2022

Le système de refroidissement à l'eau des lacs profonds de Toronto est un exemple de la « troisième vague » d'énergie urbaine.

Toronto est en mesure de déplacer 55 mégawatts d'énergie par an du réseau grâce à son système de refroidissement par eau profonde de lac. Le système exploite l'eau froide au fond du lac Ontario pour refroidir les hôpitaux, les centres de données, les campus d'enseignement et les bâtiments gouvernementaux, commerciaux et résidentiels.

En tant que quatrième grande ville la plus peuplée et à la croissance la plus rapide d'Amérique du Nord, Toronto progresse avec une expansion robuste mais à faible émission de carbone de sa capacité énergétique. Grâce à son système Deep Lake Water Cooling (DLWC), la ville est en mesure de déplacer 55 mégawatts d'énergie par an du réseau, soit suffisamment pour alimenter huit hôpitaux.

Pour atteindre ces résultats, DLWC exploite l'eau froide au fond du lac Ontario pour refroidir les hôpitaux, les centres de données, les campus éducatifs et les bâtiments gouvernementaux, commerciaux et résidentiels. DLWC utilise moins d'un dixième de l'énergie requise pour la climatisation conventionnelle.

DLWC, le plus grand système de refroidissement alimenté par un lac au monde, est exploité par Enwave Energy Corporation de Toronto, une société d'énergie de quartier entièrement intégrée, et a été lancé en 2004 au coût pour la ville de 230 millions de dollars canadiens (179 millions de dollars américains). Avec les autres systèmes énergétiques de quartier d'Enwave à Toronto, DLWC sert de prisme à travers lequel comprendre le contexte et l'état de l'énergie de quartier en général.

Trois vagues d'énergie urbaine

Contrairement à la production et à la distribution centralisées d'énergie aux utilisateurs finaux éloignés, l'énergie de quartier est générée par de petits producteurs d'énergie locaux et utilisée par des utilisateurs finaux immédiatement proches.

Fernando Carou, directeur de l'énergie renouvelable et du développement net zéro pour la ville de Toronto, a une vision à long terme de l'origine et de la direction de l'énergie de quartier. Il considère l'énergie de quartier d'aujourd'hui comme "la troisième vague d'énergie urbaine". Les trois vagues sont les suivantes :

L'énergie de quartier produite localement est plus efficace et moins polluante que l'énergie produite dans une grande centrale éloignée en raison d'un principe de base de la science physique : la résistance. Lorsque l'électricité passe sur un support de transmission tel que des fils, le cuivre métallique des fils ralentit le taux de transmission ou "résiste" à la transmission de l'énergie électrique, gaspillant jusqu'à 60% de l'énergie générée.

Plus la distance parcourue par l'énergie est grande, plus l'énergie est perdue par résistance. Plus la distance est courte, moins l'énergie est perdue.

Ainsi, l'énergie de quartier produite localement parcourt une distance plus courte, rencontre moins de résistance, gaspille moins d'énergie, génère moins de pollution et est plus efficace.

La décision du promoteur immobilier de choisir l'énergie de quartier doit tenir compte de trois facteurs : 1) le coût du capital de l'énergie de quartier par rapport à une grande centrale électrique, 2) les économies d'exploitation de l'énergie de quartier par rapport à une grande centrale électrique, et 3) les économies d'espace de l'énergie de quartier par rapport aux bâtiments individuels.

Le Centre Toronto-Dominion, qui comprend six tours et un pavillon recouvert de verre teinté de bronze et d'acier noir, est le plus grand ensemble d'immeubles de bureaux au Canada et l'un des premiers à avoir adopté le système de refroidissement par eau profonde du lac. Contrairement à la production et à la distribution centralisées d'énergie aux utilisateurs finaux éloignés, l'énergie de quartier est générée par de petits producteurs d'énergie locaux et utilisée par des utilisateurs finaux immédiatement proches. (Crédit photo : David MacMillan)

Pas de taille unique

L'énergie de quartier se décline en plusieurs tailles qui offrent différentes opportunités aux développeurs. Le district applicable peut couvrir seulement deux bâtiments ou plus ou une grande zone comme la zone de service du système DLWC.

La taille du quartier et la nature de la propriété et du contrôle du quartier déterminent la nature de la décision du promoteur immobilier quant à savoir si et comment utiliser l'énergie du quartier.

Lorsque le quartier est petit, le promoteur immobilier peut directement concevoir et construire le système énergétique du quartier et ainsi avoir un grand contrôle sur le système, y compris la capacité d'auto-produire de l'énergie, ce qui est crucial pour les utilisations critiques comme les hôpitaux et les centres de données. Le système est susceptible d'être complètement privé.

Mais là où le district est grand, comme la zone de service du système DLWC, le promoteur a relativement peu de contrôle sur le système et est donc un « preneur » du système énergétique du quartier. Dans ce cas, le système est généralement public ou exploité par une entreprise privée comme Enwave au nom du public.

La centrale de cogénération d'Enwave à Pearl Street est l'une des deux principales chaufferies qui desservent le système de chauffage d'Enwave au centre-ville de Toronto. L'espace utilisable de l'usine y était une contrainte importante. (David MacMillan)

Se regrouper

Lorsque plusieurs promoteurs immobiliers conviennent que l'énergie de quartier vaut la peine d'être poursuivie dans leur zone de marché, ils peuvent souhaiter s'unir pour faire pression sur la municipalité concernée pour un système énergétique de quartier efficace.

Bien que ce soit beaucoup plus lent qu'un processus privé, lorsque les économies d'un système énergétique de quartier sont très importantes, comme avec DLWC, cela confère un avantage concurrentiel significatif sur d'autres quartiers ou villes et peut valoir le temps et le coût de poursuivre.

Les promoteurs immobiliers, les ingénieurs, les dirigeants politiques et d'autres se sont regroupés pour créer le système DLWC. Comme le souligne Richard Joy, directeur exécutif d'ULI Toronto, le système DLWC est géologiquement possible car le plateau sous-marin qui s'étend de la partie continentale de Toronto tombe rapidement, ce qui rend l'eau froide et profonde disponible de manière inhabituelle à proximité des bâtiments des clients. Là où la pente du plateau sous-marin est relativement graduelle, le refroidissement par l'eau des lacs profonds n'est pas possible. Le système DLWC offre une alternative externalisée aux tours et équipements de refroidissement traditionnels, permettant d'économiser un capital et des coûts d'exploitation importants pour les grands bâtiments.

Comparé à un refroidisseur, le système DLWC peut réduire la consommation d'électricité d'environ 80 %. Le système de refroidissement est une source d'énergie propre, renouvelable et fiable. Le système DLWC réduit également la consommation d'eau et les coûts d'exploitation, fournit des coûts énergétiques plus prévisibles et améliore la résilience.

Le système utilise trois gros tuyaux qui s'étendent sur trois milles (5 km) dans le lac Ontario, à une profondeur de 272 pieds (83 mètres). L'eau y est à une température constante de 39 degrés F (4 degrés C) et est acheminée vers l'usine de filtration de Toronto Water, puis vers une station de pompage au bord du lac. Là, de grands échangeurs de chaleur transfèrent l'énergie thermique entre les systèmes : l'eau potable de la ville est chauffée au minimum, tandis que l'eau fournie aux bâtiments du centre-ville est refroidie. Une fois que l'eau réfrigérée a circulé et refroidi les bâtiments, Enwave recycle la chaleur, renvoyant l'eau chaude à la station de pompage pour répéter le processus.

Amy Jacobs, vice-présidente principale des opérations commerciales d'Enwave, souligne qu'outre l'efficacité du refroidissement de la source du lac elle-même, l'échelle du district du système permet de récupérer la chaleur résiduelle des bâtiments refroidis, qui est utilisée à des fins de chauffage.

En 2019, Toronto et Enwave ont lancé une expansion du système DLWC au coût de 100 millions de dollars canadiens (77,6 millions de dollars américains), soit la moitié du coût du système initial. L'expansion de l'offre DLWC est conçue pour réduire la demande de pointe sur le réseau, ce qui permet d'économiser jusqu'à 70 % de la demande de pointe. (Envague)

Extension du système

En 2019, Toronto et Enwave ont lancé une expansion du système DLWC au coût de 100 millions de dollars canadiens (77,6 millions de dollars américains), soit la moitié du coût du système initial. L'expansion de l'offre DLWC est conçue pour réduire la demande de pointe sur le réseau, ce qui permet d'économiser jusqu'à 70 % de la demande de pointe.

Comme le note Joy, l'expansion du système DLWC est étroitement liée à un grand développement à usage mixte appelé The Well. Enwave s'est associé à Riocan Real Estate Investment Trust et Allied REIT pour construire et exploiter une « batterie » thermique souterraine de plusieurs étages, sous le développement. L'eau froide du lac est ensuite accumulée la nuit afin qu'elle puisse ensuite être libérée dans la chaleur du jour pour le refroidissement, ajoutant encore une autre couche d'efficacité.

En plus de l'expansion actuelle du système, Carou est convaincu que la ville de Toronto et Enwave entreprendront de futurs agrandissements majeurs du DLWC environ une fois par décennie, en fonction de la croissance économique et démographique de Toronto et de la capacité de financer cette croissance.

D'ici 2050, l'objectif de Toronto est d'avoir 30 % de sa surface au sol - tous les espaces commerciaux, pas seulement les immeubles de la ville - connectés au chauffage et à la climatisation à faible émission de carbone.

Une image récente du nouveau tuyau d'admission du projet d'agrandissement du DLWC retiré dans le lac Ontario et coulé. (Envague)

Infrastructure énergétique et de services publics de quartier

Depuis son développement il y a un siècle, l'énergie de quartier a été appliquée à une gamme croissante d'infrastructures de services publics, y compris la production combinée de chaleur et d'électricité (CHP), le refroidissement urbain conventionnel autre que DLWC et le chauffage urbain. En plus de DLWC, Enwave exploite tous ces types de systèmes énergétiques de quartier dans le Grand Toronto, un véritable laboratoire de l'énergie de quartier.

La cogénération utilise le gaz naturel pour créer deux produits : la chaleur et l'électricité. Les centrales traditionnelles ne convertissent que 40 % de l'énergie du combustible en électricité, tandis que 60 % de l'énergie générée est gaspillée sous forme de chaleur et évacuée.

Ayant une unité de cogénération dans le cadre d'un système de district, une entreprise comme Enwave peut distribuer la chaleur produite à ses clients, ainsi qu'utiliser l'électricité. La cogénération est donc généralement une forme très efficace d'énergie de quartier.

Dans une centrale de cogénération, la chaleur résiduelle est récupérée pour créer de la vapeur, de l'eau chaude ou de l'eau réfrigérée pour chauffer ou refroidir un réseau environnant de bâtiments énergétiques de quartier. En utilisant le sous-produit thermique de la production d'électricité, les centrales de cogénération atteignent régulièrement des rendements énergétiques de 70 à 80 %, bien supérieurs au taux typique de 40 % pour la production d'électricité pure.

Étant donné que l'énergie thermique ne peut pas être transmise sur de longues distances comme l'électricité, la principale contrainte de la cogénération est que la génération du sous-produit thermique doit avoir lieu à proximité des utilisateurs finaux. Ainsi, l'énergie de quartier est une solution intéressante pour les centres-villes denses, les campus universitaires ou les entités industrielles qui concentrent la demande d'énergie thermique.

Mais un système de cogénération comme celui d'Enwave, qui est connecté au réseau et avait une capacité totale de quatre mégawatts, est généralement peu attrayant pour les communautés moins concentrées, en particulier dans les endroits où les réseaux électriques sont relativement sales plutôt que les réseaux propres de Toronto. En augmentant considérablement l'efficacité des centrales électriques, la cogénération réduit les coûts de carburant, les émissions de carbone et la pollution. Les systèmes énergétiques de quartier CHP augmentent la charge thermique potentielle, réduisent les besoins d'investissement en capital et permettent des économies d'échelle.

La zone de chalandise d'Enwave à Toronto représente les infrastructures d'eau glacée, de vapeur et d'eau chaude. Enwave s'est associée à Riocan Real Estate Investment Trust et Allied REIT pour construire et exploiter une « batterie » thermique souterraine de plusieurs étages. L'eau froide du lac s'accumule la nuit et est libérée le jour. (Envague)

Refroidissement urbain conventionnel

Comme indiqué, le système DLWC de Toronto est extrêmement efficace, mais DLWC a une capacité maximale, comme tout actif de service public. Ainsi, en plus du DLWC, Enwave exploite d'importants actifs de refroidissement urbain conventionnels.

Enwave exploite à la fois le DLWC et ses actifs de refroidissement urbain conventionnels de manière synchronisée pour optimiser d'abord l'utilisation de l'actif DLWC le plus efficace, puis, lorsque le DLWC atteint sa capacité, se tourne vers le refroidissement urbain conventionnel.

En l'absence de disponibilité de DLWC à Toronto ou ailleurs, le refroidissement urbain est un moyen efficace de refroidir un réseau de bâtiments. Les centrales de refroidissement abritent de grands équipements efficaces qui produisent de l'eau réfrigérée qui s'écoule à travers une tuyauterie isolée dans les bâtiments des clients via un échangeur de chaleur, absorbant la chaleur de l'espace du bâtiment.

Le refroidissement crée généralement 50 à 75 % de la demande d'électricité de pointe. En regroupant la demande de refroidissement au sein d'un réseau de bâtiments, le refroidissement urbain crée une économie d'échelle qui stimule l'efficacité, équilibre les charges électriques et réduit les coûts de carburant.

Chauffage urbain

Le chauffage urbain, la forme originale d'énergie de quartier, est un moyen efficace de chauffer un réseau de bâtiments. Contrairement à la cogénération, le chauffage urbain ne produit que de la chaleur. La vapeur ou l'eau chaude produite à la centrale de chauffage est transmise par des conduites thermiques isolées aux bâtiments des clients, et l'énergie thermique qui en résulte est transférée au système de chauffage du bâtiment.

En regroupant la demande de chauffage au sein d'un réseau de bâtiments, le chauffage urbain crée une économie d'échelle qui stimule l'efficacité, équilibre les charges électriques et réduit les coûts de carburant.

Enwave exploite un service de chauffage de l'eau à Toronto depuis quelques années seulement, dit Jacobs, mais exploite un service d'eau chaude à Charlottetown sur l'Île-du-Prince-Édouard depuis plus de 25 ans. Cet ancien système alimenté aux hydrocarbures est actuellement complété par des sources à faible émission de carbone, telles que les pompes à chaleur.

L'avenir de l'énergie de quartier

De nombreux professionnels du domaine de l'énergie de quartier s'intéressent à la modernisation des systèmes énergétiques existants pour l'énergie de quartier et considèrent cette modernisation comme essentielle pour l'avenir de l'énergie de quartier.

À Philadelphie, par exemple, Alan Razak, membre de l'ULI et directeur de la société immobilière AR Spruce, organise un panel de services consultatifs pour étudier l'utilisation de l'emprise de Philadelphia Gas Works (PGW) pour placer des pompes à chaleur géothermiques souterraines à proximité des maisons individuelles. La modernisation de cette manière peut profiter aux services publics ainsi qu'aux consommateurs d'énergie : le nombre de clients de gaz PGW diminue régulièrement, de sorte que l'entreprise aura une capacité décroissante à supporter le coût d'exploitation de son système de gaz, mais pourra peut-être récupérer au moins une partie de ses coûts grâce au placement de pompes à chaleur.

Un bonus de la modernisation des systèmes énergétiques existants pour l'énergie de quartier est de ne pas avoir à assumer tous les coûts initiaux d'un nouveau système énergétique de quartier, y compris les coûts environnementaux du carbone intégré pour les nouvelles constructions.

À mesure que les besoins énergétiques ont augmenté et que la disponibilité des énergies renouvelables s'est généralisée, ce qui s'applique particulièrement à Toronto, les promoteurs immobiliers ont redécouvert l'énergie de quartier sous sa forme renouvelable de troisième vague et l'utilisent dans des projets appropriés.

De plus, le réseau électrique principal longue distance est sollicité bien au-delà de sa capacité prévue, et en utilisant un réseau local hors du réseau principal, l'énergie de quartier peut réduire la pression sur le réseau principal et prolonger sa durée de vie, et ce sans frais pour les opérateurs du réseau principal. Dans les zones où le réseau principal ne peut tout simplement pas absorber d'utilisateurs supplémentaires, l'énergie de quartier peut être la seule solution.

En économisant l'énergie simplement en localisant le lieu de sa production – conservation par localisation – l'énergie de quartier contribue largement à permettre au secteur immobilier de gérer la transition énergétique.

Apprenez-en plus sur les développements innovants à Toronto lors de la réunion de printemps ULI 2023.

CHUCK SCHILKE est un stratège immobilier basé à Washington, DC, un promoteur, un financier, un avocat et un conférencier en immobilier à l'Université Johns Hopkins. Il a effectué toutes les vérifications préalables juridiques de l'immobilier pour la fusion Exxon-Mobil, a reconstruit le système de traitement du sang de la Croix-Rouge à l'échelle nationale et a créé le programme de maîtrise en immobilier de l'Université de Georgetown.