Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
27. avril 2021

Thermoréseaux utilisant la chaleur des eaux usées

LES EAUX USÉES COMME ÉLÉMENT CLÉ DE LA STRATÉGIE ÉNERGÉTIQUE

Les stations d’épuration (STEP) suisses jouent un rôle important non seulement pour la protection de nos eaux mais également dans la stratégie énergétique 2050. Cet article présente trois exemples romands de thermoréseaux utilisant la chaleur des eaux usées.
Thierry Ackermann, Julie Grelot, G. Kuza, C. Pasquier, Aurelie Margueron, Pierre-Alain Kreutschy, 

L’eau utilisée pour se doucher ou pour faire la lessive contient encore de la chaleur lorsqu’elle arrive à la STEP. Une fois traitées, les eaux épurées sont rejetées dans un lac ou un cours d’eau en présentant encore des températures de 12 à 22 °C selon la saison. En termes d’approvisionnement, la quantité de chaleur (résiduelle) provenant des eaux usées serait théoriquement suffisante pour chauffer environ un bâtiment sur six relié à une STEP.
Selon une étude réalisée par l’Initiative Chaleur Suisse (Alliance d’associations et d’entreprises partageant la vision commune d’un secteur suisse du chauffage totalement décarboné et renouvelable d’ici 2050) [1], un approvisionnement en chaleur renouvelable et neutre en CO2 est possible d’ici 2050 pour l’ensemble du secteur du bâtiment en Suisse (ménages, services et industrie). La part des thermoréseaux valorisant une source renouvelable se monte aujourd’hui à environ 8%. Le potentiel d’augmentation d’ici 2050 est estimé à 27%, la chaleur des eaux usées provenant des STEP pouvant y contribuer pour un tiers.
En Suisse, plus de 100 systèmes pour la valorisation de la chaleur des eaux usées sont déjà en fonction. Pour une utilisation rentable de cette énergie, il est nécessaire que le consommateur de chaleur soit proche d’un collecteur ou d’une STEP. Les bâtiments avec de grands besoins en énergie comme les bâtiments d’administration, les écoles, les immeubles locatifs sont particulièrement adaptés. La chaleur résiduelle des eaux usées est écologique et peut être considérée, pour autant que la pompe à chaleur soit alimentée avec de l’électricité renouvelable (énergie hydraulique, solaire, etc.) comme neutre en terme d’émissions de CO2. Il s’agit d’une énergie propre, de provenance régionale et utilisable sur place.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Concrètement, l’énergie thermique des eaux traitées est récupérée en sortie de STEP grâce à un échangeur de chaleur et transmise à un thermoréseau (fig. 1). Ce système permet de distribuer à l’ensemble d’un quartier ou d’une ville de l’énergie thermique grâce à un réseau de conduites souterrain qui transporte de l’eau à basse température. Le réseau est connecté à des pompes à chaleur installées directement chez les clients. Elles amplifient la chaleur livrée par les canalisations pour fournir du chauffage et de l’eau chaude sanitaire ou, en mode réversible, du froid de confort.
Les avantages d’un tel système proviennent du fait que de grandes quantités d’eau sont constamment disponibles, et qu’elles peuvent être largement refroidies sans impact négatif sur le milieu récepteur, bien au contraire. L’offre en chaleur est donc élevée. Cependant, il y a quelques aspects à considérer pour la mise en œuvre de telles installations. Tout d’abord, une autorisation du canton et des exploitants de la STEP est nécessaire (voir [2]). Ensuite, en termes d’exploitation, les échangeurs de chaleur doivent être nettoyés périodiquement. Pour finir, il faut qu’une zone urbanisée ou des consommateurs importants de chaleur soient situés suffisamment proches de la STEP ou du collecteur, c’est-à-dire dans les 1 à 2 kilomètres au maximum.

EXEMPLES PRATIQUES

Chauffage à distance de la STEP de Morges 

La STEP de Morges a été construite en 1971 et traite 4,3 millions de m3 d’eaux usées par an. Jusqu’en 2018, les eaux usées épurées étaient rejetées dans le lac Léman et présentaient un potentiel de récupération de chaleur non exploité. Les températures et débits minimaux mesurés à la sortie de la STEP sont de l’ordre de respectivement 10,5 °C (en hiver) et 80 l/s. Avec ces données, il peut être envisagé de prélever par des pompes à chaleur une puissance de chauffage de 1,7 MW à partir des eaux usées traitées.
Fruit d’un partenariat entre la Ville de Morges, l’Association intercommunale pour l’épuration des eaux usées de la région morgienne (ERM) et Romande Energie (RE), cette installation qui a été mise en place valorise cette ressource énergétique locale et renouvelable.

Le projet (fig. 2)

Après une étude de faisabilité réalisée en 2014, les travaux de génie civil et d’hydraulique, débutés en novembre 2016, se sont achevés en juin 2018. La mise en service de la première phase du projet a été finalisée en septembre 2018 (fig. 3 et 4). Le siège de Romande Energie est le premier bâtiment à avoir été relié à ce nouveau thermoréseau. Une seconde phase a permis de relier le projet immobilier des Résidences du Lac, situé à proximité. Une réserve de production permet d’ores et déjà d’envisager le raccordement de nouveaux bâtiments dans le périmètre de desserte du thermoréseau, dans les années à venir. Romande Energie et le projet immobilier présentant également un besoin en froid (climatisation), c’est un réseau froid de chauffage à distance qui a été réalisé. Un kilomètre de conduites (aller) a été nécessaire pour relier les bâtiments à la STEP. Romande Energie a assuré la planification, la construction et le financement de l’installation dans le cadre d’un contracting.

Les perspectives

À terme, le système thermique à distance de la STEP de Morges pourrait délivrer une puissance de chauffage valant 2000 kW et celle de la climatisation 500 kW. Environ 4000 MWh de chaleur et 500 MWh de froid seraient distribués par année. Le potentiel de la STEP n’est donc aujourd’hui pas totalement exploité et pourrait s’étendre à des bâtiments situés dans les alentours.

Centrale de chauffe à la STEP de Vuippens 

Depuis sa mise en service en 2004, le chauffage à distance (CAD) représente un secteur-clé pour Gruyère Energie SA qui poursuit activement son développement aussi bien du point de vue technique que géographique. La future centrale de chauffe de Vuippens et le réseau déployé dans les environs en sont des illustrations fortes.

Les prémices du CAD

Les premières réflexions relatives au chauffage à distance ont commencé dans les années 1990: Gruyère Energie avait alors pour but de mettre à disposition des habitants de Bulle une énergie de réseau à plus de 90% renouvelable. Grâce à une industrie locale riche en sous-produits de sciage, d’une croissance démographique conséquente ainsi que d’un plan communal des énergies résolument axé sur le renouvelable, est né le chauffage à distance. Depuis les premiers raccordements en 2004 jusqu’à nos jours, on compte plus de 900 bâtiments raccordés représentant plus de 12'000 habitants – une forte croissance basée essentiellement sur le bois.

La centrale de chauffe de Vuippens: une opportunité

En 2014, le Canton de Fribourg a mené une étude traitant des potentiels énergétiques des STEP fribourgeoises. Résultat: la STEP de Vuippens s’inscrivait dans les 3 STEP offrant le plus important potentiel de récupération d’énergie du canton. Gruyère Energie s’est donc penchée sur la question. Il s’agissait alors d’une opportunité qui permettait notamment de répondre à un besoin de diversification des sources d’énergies et à une demande de chaleur hiver comme été (dans une STEP, la chaleur est disponible toute l’année). En 2018, après études et analyses, le projet est désormais sur les rails.

Concept et fonctionnement

La valorisation des rejets de chaleur sur les eaux épurées de la STEP de Vuippens se veut novateur – le premier du genre dans le canton de Fribourg. 100% renouvelable, ce dernier – développé et financé par Gruyère Energie – est conçu selon un principe simple: installer des pompes à chaleur dans l’enceinte de la STEP, qui permettront de récupérer environ 5 °C sur les eaux au moment où celles-ci rejoignent leur milieu naturel à une température moyenne de 15 °C. Pour ce faire, une station de pompage d’une capacité de 150 l/s permet de transporter l’eau jusqu’aux échangeurs primaires de la centrale puis l’eau retourne dans la conduite de rejet de la STEP. Cette station est conçue de manière à s’adapter à l’évolution des infrastructures et des quantités d’eau traitées. L’énergie récupérée dans les échangeurs primaires est ensuite valorisée et restituée à 85 °C dans un circuit secondaire grâce à plusieurs pompes à chaleur d’une puissance totale supérieure à 4500 kW. La chaleur excédentaire issue des couplages chaleur-force (CCF) de la STEP y sera également valorisée. Ces CCF sont alimentés par le biogaz issu du traitement des boues et produisent de l’électricité de manière renouvelable. À terme, cette centrale de chauffe pourra ainsi injecter jusqu’à 34 GWh thermiques par année dans le réseau, une énergie suffisante pour alimenter plus de 6000 habitants.
Suite à sa mise à l’enquête et à l’obtention du permis de construire en 2020, la construction de la centrale de chauffe est planifiée en 2022 pour une mise en service en 2023 (fig. 5). Ajoutons que la conception de cet ouvrage a été possible grâce à l’excellente collaboration du propriétaire de la STEP, l’Association intercommunale pour l’épuration des eaux usées du bassin versant Sionge (AIS).

Un seul réseau

Parallèlement à la réalisation de cette centrale – la 7e pour Gruyère Energie – l’entreprise développe son réseau CAD dans les villages gruériens de Vuippens et de Marsens. Ce dernier a notamment pu être relié, fin 2020, au réseau principal en fonction dans l’agglomération bulloise et ainsi bénéficier d’une chaleur issue d’énergies renouvelables. Une étape importante pour de grands consommateurs locaux tels que le Centre de soins hospitaliers du Réseau Fribourgeois de Santé Mentale (RFSM) qui utilisait jusqu’alors des énergies fossiles. La nouvelle centrale de Vuippens permettra aussi de diversifier la production de chaleur renouvelable utilisée dans les plus de 140 km du réseau CAD dont 90% de la chaleur est issue d’énergie renouvelable.

Un avenir prometteur

L’année 2022 marquera une étape importante dans le développement du CAD de Gruyère Energie avec la construction de la centrale de chauffe de Vuippens ainsi que la liaison de ce village au réseau de Bulle – via Marsens qui pour sa part a été relié en 2020.
Cet excellent système qu’est le chauffage à distance offre encore de nombreuses possibilités et perspectives de développement notamment en termes de diversification des moyens de production. De quoi doubler la taille et l’énergie livrée dans le réseau de chauffage à distance de Gruyère Energie.

Y-CAD à Yverdon-les-Bains 

La ville d’Yverdon-les-Bains s’est engagée dans une politique énergétique ambitieuse sous-tendue par plusieurs objectifs à l’horizon 2035:

  • Réduction de la consommation énergétique globale par habitant de 43%
  • Réduction des émissions de gaz à effet de serre de 54% par rapport à 2000
  • Couverture de 30% des besoins par des ressources renouvelables locales

 

Une étude de planification énergétique territoriale a permis de définir de façon précise la structure du parc bâti et les systèmes énergétiques utilisés, notamment pour le chauffage des bâtiments. Il s’avère que la configuration d’Yverdon-les-Bains est particulièrement favorable au développement de plusieurs boucles de réseaux thermiques indépendants, pouvant à terme être reliées pour maximiser les synergies énergétiques entre les différents quartiers de la ville.

Un réseau à basse enthalpie

Parmi les projets initiés dans cette logique, le réseau de chauffage urbain CAD STEP vise la fourniture à terme de près de 13 GWh de chaleur majoritairement renouvelable dans le périmètre du futur éco-quartier qui accueillera 3000 nouveaux habitants et 1500 emplois entre la gare CFF et les rives du lac de Neuchâtel.
CAD STEP est un réseau de chauffage urbain à basse enthalpie pour l’approvisionnement en chaleur d’un large périmètre autour de la STEP d’Yverdon-les-Bains, dont la transformation en cours fera passer sa capacité de traitement de 45'000 à 70'000 équivalent habitants et son volume annuel de rejets d’eaux épurées de 3,5 à 5 millions de m3 d’ici 2033 (fig. 6).
Ce réseau de chauffage urbain de 1300 m de long (2600 m aller/retour) à basse enthalpie, d’une puissance (source froide) d’environ 1,0 MW en phase I puis de 3,6 MW en phase II, utilise l’énergie thermique des eaux usées traitées (température entre 10 °C et 22 °C selon la période de l’année). Les eaux usées traitées sont pompées dans les échangeurs de chaleur à plaques en aval de la STEP dans un bâtiment technique séparé (fig. 7). L’énergie thermique prélevée sur les eaux usées est ensuite transportée jusqu’aux consommateurs finaux via un réseau souterrain de canalisations isolées.
Des sous-stations partiellement hybrides
Chez les utilisateurs finaux, l’énergie thermique prélevée sur les eaux usées traitées est portée à un niveau de température plus élevé (environ 55 °C à 65 °C) au moyen de pompes à chaleur pour le chauffage et l’eau chaude pour les bâtiments neufs, et avec un appoint au gaz naturel pour les bâtiments plus anciens (fig. 8). Dans ce processus de récupération de la chaleur, 60 à 70% de l’énergie fournie provient des eaux usées traitées, les 30 à 40% restants étant couverts par de l’électricité en grande partie renouvelable, alimentant les pompes à chaleur, et du gaz naturel.

CONCLUSION

Pour atteindre l’objectif de zéro émission nette d’ici 2050, nous devons exploiter pleinement le potentiel disponible de sources d’énergie renouvelables: la chaleur résiduelle des eaux usées traitées dans les stations d’épuration des eaux usées (STEP) peut y contribuer largement.
Comme le démontrent les exemples pratiques présentés dans cet article, l’énergie nécessaire à la fourniture de chaleur et de froid dans les ménages, les entreprises, les bâtiments publics ainsi que l’industrie peut être issue de cette source d’énergie renouvelable et transformée neutre en CO2.

Chiffres clés
CAD STEP de Morges
  • Investissement phase 1: 5 Mio CHF
  • Rejets de CO2 économisés: 334 t/an
  • Production de chaleur: 1400 MWh/a
  • Production de froid: 400 MWh/a

 

Centrale de chauffe de Vuippens:
  • Investissement total: 8 Mio CHF
  • Rejets de CO2 économisés: 10'100 t/a
  • Production de chaleur: 34 GWh/a

 

CAD STEP d’Yverdon les Bains
  • Investissement total, phase I: 6,5 Mio CHF
  • Rejets de CO2 économisés, phase I: 600 t/a
  • Rejets de CO2 économisés,phase II: 2000 t/a
  • Production de chaleur, phase I: 3,5 GWh/a
  • Production de chaleur, phase II: 12,6 GWh/a
Une base légale sous toit

La révision totale de la loi sur le CO2 a été adoptée par le parlement le 25 septembre 2020. Les objectifs de l’Accord de Paris sont ainsi ancrés dans les bases légales suisses, à savoir une limitation du réchauffement climatique à 1,5 degré et une réduction de 50% des émissions de gaz à effet de serre d’ici 2030. Pour ce faire, la Suisse prévoit d’effectuer au moins les trois quarts des efforts sur son propre territoire. L’objectif visé est la neutralité climatique d’ici 2050.
Une nouvelle mesure de soutien porte sur la couverture des risques liés aux investissements dans la construction et l’extension de réseaux thermiques et de l’installation de production de chaleur afférente, qui sont alimentés par des énergies renouvelables et des rejets thermiques. Les détails de mise en œuvre de cette mesure seront définis ces prochains mois.

Bibliographie

[1] AEE Suisse (2018): Réalisable et finançable. Le chauffage en 2050 – décarboné et renouvelable. Étude initiée par l’Initiative Chaleur Suisse.

[2] OFEN/VSA (2010): Énergie dans les stations d’épuration – Guide complet sur l’optimisation énergétique des stations d’épuration des eaux usées.

[3] OFEN/InfraWatt (2016): Chauffer et rafraîchir grâce aux eaux usées: conseils à l’attention des maîtres d’ouvrage, des communes et des exploitants.

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