Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
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Article technique
03. janvier 2020

Chaleur et froid à distance

Developpement de réseaux thermiques à Genève

Genève bénéficie d’un engagement fort de la part du canton en matière de transition énergétique. En tant que bras industriel de l’État, et acteur essentiel dans la mise en place de la Stratégie 2050 de la Confédération sur le canton, SIG a fait de la transition énergétique un des éléments fondamentaux de sa stratégie d’entreprise. En ce qui concerne l’énergie thermique, SIG s’est fixé l’objectif à long terme de chauffer et refroidir Genève grâce à des sources de chaleur renouvelables et locales. Les projets SIG dans le domaine des réseaux thermiques pour atteindre cet objectif sont présentés dans l’article.
Margarete  Bucheli 
Objectifs énergétiques du canton de Genève

Tout le monde parle d’électricité produite à partir de sources d’énergie renouvelables. Mais il est facile d’oublier qu’environ 39% des besoins énergétiques de la Suisse sont utilisés pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire dans nos bâtiments, des maisons individuelles aux complexes industriels. Ce sont actuellement les ressources fossiles qui y contribuent le plus. Les chiffres sur les émissions de CO2 du système énergétique du canton de Genève (obtenus en 2014 pour une population de 482 545 habitants) le soulignent également: les émissions représentent environ 4,2 tonnes de CO2 par habitant, dont plus de la moitié, soit 2,2 tonnes sont émises par le secteur de l’approvisionnement en chaleur des bâtiments. Le reste est réparti entre les émissions du secteur des transports (1,1 tonne; sans compter l’aéroport), et du secteur de l’électricité (0,8 tonnes; en considérant le contenu CO2 du mix électrique suisse de consommation de 139 g CO2/kWh) [1]. En conséquence, pour le canton le plus grand potentiel de réduction des émissions de CO2 se situe dans le secteur de l’approvisionnement en chaleur des bâtiments.
Les objectifs énergétiques du canton de Genève ont été définis dans la conception générale de l’énergie 2013 (CGE 2013). Elle est basée sur la stratégie énergétique 2050 de la Confédération et s’appuie sur la société à 2000 watts et neutre en carbone sans nucléaire comme vision de long terme. Sa stratégie repose sur la maîtrise et la réduction de demande d’énergie, sur la valorisation énergétique des ressources indigènes par des grands projets ainsi que sur la mobilisation des acteurs publics et privés. La CGE 2013 prévoit un rôle significatif pour SIG (Services Industriels de Genève). Depuis 2017, le Canton collabore de façon fructueuse avec SIG sous la bannière GEnergie 2050 pour atteindre les objectifs ambitieux fixés dans la CGE 2013.

Développer la thermique renouvelable

Conformément aux objectifs de la conception globale cantonale, notamment en ce qui concerne l’augmentation de la part des énergies renouvelables et l’utilisation rationnelle de l’énergie, SIG a développé une stratégie thermique. Le canton de Genève est aujourd’hui dépendant à plus de 90% des énergie fossiles – mazout et gaz naturel – pour son chauffage. Il s’est fixé pour objectif de baisser la consommation thermique fossile par habitant de 39% d’ici 2023. Cet objectif sera notamment atteint grâce aux contributions de la géothermie de différentes profondeurs, du réseau hydrothermique GeniLac et de la valorisation des rejets thermiques. Parallèlement, SIG accélère le développement de ses réseaux de chaleur et de froid pour tripler les livraisons à l’horizon 2035.

Les réseaux thérmiques de SIG

SIG exploite actuellement plus de 20 sites de production de chaleur et de froid et près de 105 kilomètres de réseau, dont le réseau de chaleur à distance CADSIG et le réseau GeniLac alimenté par l’eau du lac Léman. On peut distinguer trois grandes périodes dans le développement des réseaux thermiques dans le canton:

  • 1960–1974: le projet CADSIG donnant l’opportunité d’approvisionnement des grands ensembles urbains
  • 1986–2002: le projet CADIOM
  • 2000–aujourd’hui: extension, interconnexion et diversification des réseaux thermiques
Les réseaux «historiques»: CAD SIG et CADIOM

Le réseau de chaleur à distance (CAD) le plus étendu et le plus ancien a été conçu lors de la construction de la cité du Lignon, et mis en service en 1964: c’est le CADSIG qui est situé sur la rive droite et englobe les communes de Vernier, Meyrin, Grand-Saconnex, Petit-Saconnex et Genève (environ 40'000 habitants). Le réseau est alimenté par la centrale du Lignon qui possède quatre grosses chaudières à gaz.
Le second plus grand réseau (environ 20'000 habitants, réseau CADIOM), situé sur la rive gauche du Rhône, est alimenté par les rejets de chaleur de l’usine d’incinération des déchets des Cheneviers. Les deux réseaux ont été connectés en 2012 et permettent dès lors de valoriser une importante quantité supplémentaire des rejets de chaleur venant des Cheneviers. Le complément est apporté par les chaudières du Lignon. Cela a permis de réduire l’utilisation du gaz dans la chaufferie SIG au Lignon. Si l’on considère les deux réseaux ensemble, comme le canton le fait, environ 50% de la chaleur provient des déchets et l’autre moitié du gaz naturel. Dans les deux réseaux reliés, l’eau surchauffée circule à des températures de 120 °C dans l’aller et 70 °C dans le retour.

Les réseaux alimentés par l’hydrothermie: Genève Lac Nation et GeniLac

Depuis plus de dix ans, SIG capte l'eau du lac Léman, une ressource naturelle et locale, pour rafraîchir et chauffer les bâtiments des organisations internationales et des entreprises du quartier des Nations (Genève Lac Nations, GLN). Le principe de GLN consiste à amener l’eau du lac Léman directement aux bâtiments consommateurs pour les rafraîchir, en les raccordant à un réseau de transport et de distribution d’eau profonde du lac dont la température est d’environ 8 °C toute l’année (fig. 1). La production de froid est assurée par des échangeurs raccordés en direct sur le réseau secondaire de distribution des bâtiments. Le système permet également de chauffer les constructions neuves ayant des besoins de chauffage à basse température par l’adjonction de pompes à chaleur haute performance.
Les installations de GLN sont composées d’une station de pompage connectée à une conduite d’aspiration d’une longueur de 2,5 km qui puise l’eau profonde du lac à – 37 m. Une crépine permet d’aspirer l’eau tout en la filtrant grossièrement pour éviter l’aspiration de corps non désirés (débris, poissons, etc.). Une injection de chlore est réalisée afin d’empêcher le développement d’algues et de moules zébrées dans la conduite et le réseau. L’eau arrive dans la station de pompage dans un puisard, réserve d’eau permettant de réaliser un tampon entre le lac et les pompes de distribution. L’eau est alors distribuée dans les bâtiments connectés via un réseau de conduites enterrées. Il s’agit d’un circuit ouvert fonctionnant à une pression de 8 bars. Une fois utilisée par les bâtiments, l’eau est rejetée par un diffuseur dans le lac à 200 m de la rive à une profondeur de –4,5 m sous la surface où l’eau du lac a une température plus élevée qu’à une profondeur de 37 m, de sorte que la différence de température est maintenue faible afin de ne pas impacter l’environnement.
En hiver, le réseau fonctionne en boucle fermé lorsque les conditions le permettent. Ce fonctionnement permet de récupérer la chaleur des bâtiments rafraîchis pour chauffer les bâtiments avec les pompes à chaleur [2].
S’inspirant du succès du système GLN, un autre réseau hydrothermique, appelé GeniLac, est en cours de construction. Ce nouveau réseau sera réalisé en plusieurs étapes et concerne tout d’abord le centre-ville, où les travaux ont commencé en 2015. Depuis 2017, les entreprises et commerces peuvent s’y raccorder. Grâce à un contracting clé en main, SIG garantit à ses clients (hôtels, banques, centres commerciaux, etc.) un approvisionnement thermique à haute performance pour répondre à leurs besoins en chaud et en froid. Dix bâtiments sont déjà raccordés, dont celui de Bucherer. En un an, la maison d’horlogerie et joaillerie a réduit sa consommation d’électricité de 24'000 kWh pour le rafraichissement du bâtiment et a évité le rejet d’environ 22 tonnes de CO2 émis par le chauffage.
La station de pompage du Port Barton, située au bord du lac à 8 m en dessous du Léman et équipée de 10 pompes, alimente à la fois le réseau GLN et le réseau GeniLac Centre-Ville. Ce dernier est également un système ouvert et fonctionne à une pression de 6 bars, ce qui est suffisant pour alimenter des bâtiments dans des zones de 10 à 30 m au-dessus du niveau du lac.
Les objectifs suivants ont été fixés pour le projet GeniLac:

  • Diminution forte de la consommation d’électricité pour la production de froid (–80% à l’horizon 2020)
  • Des solutions sans utilisation des gaz frigorigène à effet de serre
  • Dimunition des émissions de CO2 pour la production de chaleur grâce au couplage de pompes à chaleur au réseau de froid (–25% à l’horizon 2020)
Vue d’ensemble des réseaux thermiques

La figure 2 présente une carte des réseaux thermiques existants du canton appartenant à SIG ainsi que les projets futurs. En outre, le tableau (vérsion mai 2018) donne un aperçu des réseaux existants, y compris une brève description de ceux-ci et des sources de chaleur utilisées.

Projets futurs de SIG

Comme déjà mentionné, le canton de Genève s’est fixé comme objectif de baisser la consommation thermique fossile par habitant de 39% d’ici 2023. En plus, l’objectif est d’augmenter la part de l’énergie renouvelable dans les réseaux thermiques à 40% d’ici 2035. Ces objectifs seront atteints en particulier par le biais de deux grands projets: l’expansion de GeniLac et l’utilisation de l’énergie géothermique. Le second est le défi du Programme GEothermie 2020, géré par l’Etat de Genève et mis en œuvre par SIG.

GeniLac

Trois principales étapes de réalisation sont prévues pour le projet GeniLac. La première était le projet 20 MW (GeniLac Centre-Ville). La deuxième étape, scénario 60 MW et réseau GeniLac Aéroport), est actuellement en cours de réalisation. Dans cette phase, une nouvelle station de pompage et un réseau de distribution d’eau du lac seront construits pour le refroidissement des bâtiments de l’aéroport. Cette étape complètera le projet 20 MW qui alimente le centre-ville de Genève et permettra en outre d’augmenter la puissance du réseau de GeniLac Centre-Ville et de l’actuel réseau GLN actuellement saturé. Avec l’achèvement de la troisième étape (projet 140 MW), un réseau d’environ 30 km de long sera construit d’ici 2035, s’étendant de la rive gauche à la rive droite (fig. 2). L’épine dorsale du nouveau réseau GeniLac Aéroport du Vengeron vers Palexpo sera constituée de conduites de transport (aller et retour) de 1,4 m de diamètre, dont la plupart seront enterrées à deux mètres de profondeur sous la bande centrale de l’autoroute. Par cela SIG se joint aux travaux de terrassement liés au futur échangeur autoroutier du Grand-Saconnex et à l’enfouissement d’une ligne à haute tension. Le boucle jusqu’à l’aéroport est conçu comme un circuit fermé avec une pression de fonctionnement de 12 bars. Afin d’alimenter ce réseau, SIG est en train de construire une nouvelle station de pompage (voir photo de titre) en complément de la station de pompage existante du Port Barton. La nouvelle station sera située au bord du lac, sur le site de la plage du Vengeron. Elle sera construite en sous-sol afin d’être intégrée dans l’environnement. D’une profondeur de 17 mètres, soit l’équivalent de 7 étages en sous-sol, elle hébergera 10 pompes d’aspiration, des filtres et 7 échangeurs de chaleur (fig. 3). Par ailleurs, des travaux lacustres seront effectués pour l’aspiration de l’eau: Deux crépines seront posées, à 45 mètres au fond du lac Léman, ainsi que deux tuyaux d’une longueur d’environ 1 km et d’un diamètre de 1,9 m. Les travaux ont débuté en février 2019 et s’achèveront en 2022. SIG investit près de 100 millions de francs dans cette station de pompage.

GEothermie 2020

Genève mise sur la géothermie pour chauffer le canton avec une chaleur renouvelable et locale. On estime que la géothermie pourrait couvrir environ 20% des besoins en chaleur du canton d’ici une vingtaine d’années.
Un rapport d’évaluation sur le potentiel géothermique du canton de Genève, piloté par le service cantonal de l’énergie et SIG, a été publié en 2011 [4]. Il fait état d’un potentiel géothermique très important, tant à l’échelle du canton qu’à celle du bassin genevois dans son ensemble. La géologie du bassin genevois est prometteuse: Il est limité par des reliefs (Jura, Vuache et Salève) dans lesquels on peut observer des couches de calcaires et de marnes datant du Trias, du Jurassique et du Crétacé. Ces couches rocheuses passent en profondeur sous le Bassin genevois. Le sommet de ces couches est incliné depuis le NW vers le SE, ce qui fait qu’on les trouve vers 300 m de profondeur dans le secteur de La Plaine et à plus de 1300 m à Thônex. Leur épaisseur totale est de l’ordre de 2,5 à 3 km. À ces profondeurs et lorsqu’elles sont fracturées, les roches calcaires sont vraisemblablement le siège de circulation d’eau chaude. De plus, le potentiel étant multiple, on peut théoriquement utiliser toute la gamme des systèmes géothermiques pour fournir de la chaleur et du froid et pour stocker cette énergie. Mais pour pouvoir exploiter ce potentiel il est indispensable de mieux connaître le sous-sol genevois. C’est un des objectifs principaux du programme GEothermie 2020.
Seule une prospection détaillée, suivie de forages d’exploration, permettent d’identifier précisément les ressources géothermiques qui doivent répondre à deux critères:

  • débit d’eau suffisant
  • température suffisamment élevée

Les projets de géothermie à faible et moyenne profondeur sont d’abord destinés à fournir de la chaleur pour:

  • le chauffage d’immeubles, de quartiers à travers les réseaux de chaleur, et de serres agricoles
  • l’eau chaude sanitaire
  • des processus industriels et agricoles

Le développement du programme GEothermie 2020 passe par plusieurs phases incluant des étapes de cartographie puis de forage des sous-sols. Au cours de la première phase, SIG et ses partenaires au canton et à l’université de Genève ont réuni toutes les données disponibles sur le bassin géologique. Cela étant, on a rajouté par-dessus une prospection sismique en deux dimensions en définissant des routes le long desquelles les camions vibreurs se déplacent afin de mener des sortes «d’échographie» du sous-sol. Pour ce faire, des capteurs (géophones) sont déployés et plantés le long de la route et récupère l’écho d’onde sonores envoyées dans le sol afin d’imager des zones de faille dans lesquelles l’eau peut s’écouler. À partir de l’été 2020, les résultats de la prospection sismique en 2D seront complétés par ceux en 3D. À cet effet, des équipements vibrants seront installés dans tout le canton de Genève, ce qui permettra de générer comme en cube, un véritable modèle géologique du sous-sol.
En plus des relevés sismiques, des forages d’exploration sont effectués. Le premier forage exploratoire de Satigny a confirmé les prévisions établies sur la base des tests géophysiques réalisés depuis la surface. De l’eau chaude a été trouvée à 744 mètres de profondeur. Cette eau remonte naturellement à la surface à une température de 33 °C et à un débit de plus de 50 litres/seconde. Cela correspond à une énergie thermique de 20 à 30 GWh par an, soit l’équivalent de la consommation annuelle en chauffage et en eau chaude de 2000 à 3000 ménages. Grâce aux bons résultats du forage de Satigny d’autres forages d’exploration sont prévus. En effet, un nouveau forage est déjà en train d’être réalisé: Le forage de Lully (fig. 4) est le second forage d’exploration à moyenne profondeur du programme GEothermie 2020 après celui réalisé en 2018 à Satigny. À Lully, les zones de failles présumées qui affectent les couches calcaires sont d’un autre type et il convient d’explorer ce contexte pour évaluer s’il est tout autant favorable aux circulations naturelles d’eau chaude. Le forage de Lully sera un peu plus profond que celui de Satigny et descendra jusqu’à 1130 mètres.

Ces travaux de prospection associés aux forages exploratoires fourniront une cartographie détaillée du sous-sol genevois et permettront de localiser les sites favorables à l’exploitation de la géothermie d’ici à deux ans sur l’ensemble du territoire. Ces opérations sont décisives pour augmenter les chances de succès des futurs forages plus profonds de productions et de garantir une utilisation durable et maîtrisée de la géothermie. Il est prévu d’utiliser les eaux chaudes provenant des forages de production directement dans des réseaux thermiques dont les températures devraient être probablement comprises entre 70 et 80 °C.

Conclusion

SIG déploie de nombreux efforts pour atteindre son objectif d’apporter 80% de chaleur non fossile à ses clients via des réseaux thermiques d’ici 2035. Outre les deux grands projets décrits dans l’article, GeniLac, à savoir l’utilisation de l’eau du lac pour le refroidissement et le chauffage, et GEothermie 2020, à savoir l’utilisation de l’énergie géothermique à faible et moyenne profondeur, un projet visant à optimiser et étendre à la rive gauche le plus grand réseau de chauffage urbain existant à Genève (CAD SIG-CADIOM; fig. 2) est également en cours. Dans une première étape, le niveau de température dans le réseau doit être abaissé de 120 °C (aller)/70 °C (retour) à environ 90 °C (aller)/45 °C (retour). Pour ce faire, il faut changer toutes les sous-stations chez les clients ou y rajouter les échangeurs de chaleur. En outre, on doit modifier la production de l’eau chaude sanitaire chez les clients.
Dès qu’un niveau de température plus bas est atteint dans le réseau, des sources de chaleur avec des températures plus basses peuvent être intégrées. Non seulement la géothermie sera intégrée dans le réseau CAD SIG-CADIOM à l’avenir, mais il est également prévu d’utiliser des rejets des eaux usées purifiées de la STEP à Genève avec une pompe à chaleur de 60 MW de puissance. Enfin, le canton souhaite que SIG étudie l’installation d’une centrale d’incinération du bois forestier pour produire de l’électricité et de la chaleur.
Avec toutes ces mesures, l’objectif de 80% de chaleur non fossile dans les réseaux thermiques de SIG sera atteint en combinant les composants suivants: Déchets, bois de construction, bois forestier, rejets des eaux usées, géothermie et eau du lac. Le gaz naturel jouera tous un rôle dans la couverture de la charge de pointe et de la redondance. À cette fin, des centrales de chauffage au gaz seront construits à plusieurs endroits.

 

Remerciements

La SSIGE et l’auteur tiennent à remercier les collaborateurs de SIG, sans l’aide desquels cet article n’aurait pu être rédigé. Un grand merci en particulier à Michel Monnard, Directeur de la thermique, pour l’interview ainsi qu’à Fabrice Malla, Responsable de la maitrise d’ouvrage du projet Hydrothermique GeniLac, Michel Meyer, Responsable géothermie, et Véronique Tanerg, Relations publiques, pour la relecture et la correction de l’article.

Bibliographie

[1] Quiquerez, L. et al.; Services Industriels de Genève (2016): Evaluation quantitative de scénarios de développement du marché de la chaleur à Genève à l’horizon 2035: Quel rôle pour les réseaux de chaleur? Genève, Services industriels de Genève, 64 p.
[2] Crochet, D.; Ducrest, J.; Monnard, M. (2017): Réseau thermique Genève-Lac-Nations (GNL) – Etude de cas. SuisseEnergie, OFEN
[3] République et canton de Genève: https://www.ge.ch/document/facteurs-ponderation-nationaux-attribues-aux-reseaux-chaleur-distance-canton-geneve
[4] Groupe de travail PGG (2011): Evaluation du potentiel géothermique du canton de Genève (PGG). Rapport de synthèse
[5] Geothermie 2020: https://www.geothermie2020.ch/

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