Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Les réseaux de chaleur à distance (CAD) jouent un rôle central dans la décarbonation de l’approvisionnement en chaleur en Suisse, notamment dans les zones urbaines et périurbaines où la mutualisation de la production de chaleur permet l’utilisation de ressources énergétiques renouvelables et locales. La biomasse, et plus particulièrement l’énergie du bois, constitue déjà un pilier de cette transition, grâce à sa disponibilité, sa capacité de stockage et sa compatibilité avec les réseaux de chaleur à haute température [2]. Cependant, le développement rapide du chauffage urbain soulève de nouveaux défis liés à la disponibilité des ressources, à la logistique des combustibles, au dimensionnement des installations, à l’impact sur l’air des émissions et à la stabilité des coûts à long terme [3].
Dans ce contexte, l’énergie solaire thermique apparaît comme un complément naturel aux systèmes à base de biomasse. Contrairement aux solutions électriques, l’énergie solaire thermique fournit de la chaleur directement à des températures adaptées au réseau, pendant des périodes qui coïncident en partie avec une baisse de la demande de chauffage, offrant ainsi la possibilité de réduire le fonctionnement des chaudières sans compromettre la sécurité d’approvisionnement. Des études antérieures ont déjà démontré la faisabilité technique et le potentiel d’économies de combustible du couplage du solaire thermique et de la biomasse dans les CAD [4]. Cependant, sa mise en œuvre pratique demeure limitée et souvent entravée par des incertitudes liées à la conception, aux stratégies de contrôle et à la performance économique.
Le projet OptiCADSol [1] a été développé pour proposer des solutions à ces obstacles donnant des indications claires quant aux configurations opérationnellement réalistes, en analysant les indications courant des associations de la branche [5] et en proposants l’adoption d’indicateurs de performance à la fois techniques et financiers. Plutôt que de multiplier les variantes conceptuelles, le projet visait à identifier des principes d’intégration robustes, à définir des règles de dimensionnement adaptées aux réseaux réels et à évaluer la compétitivité de l’hybridation solaire dans le contexte actuel du marché suisse. Les principaux enseignements tirés du projet OptiCADSol permettent d’identifier le concept d’intégration bois-solaire thermique le plus performant et son positionnement par rapport aux solutions de pompes à chaleur (PAC) de grande puissance, de plus en plus envisagées dans les projets de chauffage urbain [6].
Afin d’étudier les solutions hybrides bois-solaire, une centrale de chauffage urbain représentative a été analysée pour servir de modèle à une centrale à bois typique en Suisse fonctionnant sans apport solaire, selon le schéma simplifié de figure 1. Le système de référence comprend une cascade de chaudières à biomasse d’une puissance installée totale de 1,8 MWth, dimensionnée pour répondre à une demande annuelle de chaleur d’environ 5,8 GWh, avec une part d’environ 30% dédiée à la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Cela correspond à un petit réseau bois rural typique.
Le fonctionnement de base suppose deux chaudières en cascade, régulées selon les principes décrits dans le standard de qualité du QM Chauffages au bois [5]. Le nombre annuel typique pour les cycles de démarrage/arrêt pour ce type d’installation ont été dérivés des relevés statistiques publiés en littérature [7]. On suppose que le réseau subit une perte thermique totale de 10% au niveau de la distribution, avec une température de départ entre 80–85 °C en hiver et autour de 70 °C hors saison de chauffage, avec des températures de retour entre 40 et 55 °C selon la saison, comme montré en figure  2. Cette configuration de référence fournit ainsi un point de comparaison fiable pour les configurations hybrides.
Une partie des analyses se sont principalement concentrées sur un schéma d’intégration thermique bois-solaire optimisé et sur sa comparaison à deux alternatives à PAC de haute puissance. L’étude se limite à la performance énergétique et économique (CAPEX/OPEX, LCOH [8], part solaire et économies de biomasse), excluant les aspects systémiques plus larges tels que les interactions avec le réseau, les analyses de cycle de vie ou les dynamiques politiques au-delà des incitations considérées dans le projet. L’accent est mis géographiquement sur la commune suisse de Les Ponts-de-Martel dans le canton de Neuchâtel, où se trouve le réseau de chauffage urbain utilisé comme référence dans le cadre de cette étude.
Parmi les différentes stratégies d’intégration étudiées dans le cadre du projet OptiCADSol, une configuration s’est clairement distinguée par son efficacité en termes de productivité solaire et de performance globale du système: l’intégration en série du système solaire thermique en amont des chaudières biomasse, couplée à une unité de stockage thermique (ou TES, tiré de l’anglais Thermal Energy Storage). Ce concept repose sur une logique de fonctionnement simple qui privilégie l’utilisation de la chaleur solaire lorsqu’elle est disponible, tout en préservant les conditions de fonctionnement optimales des chaudières à bois (voir fig. 3).
Dans cette configuration, les capteurs solaires chargent un stock de chaleur stratifié dédié qui alimente directement le réseau de chauffage urbain tant que la température requise est atteinte. Ce n’est que lorsque le stockage solaire est épuisé ou que la température en sortie de champ solaire est insuffisante que le système biomasse prend le relais pour couvrir la demande restante. Ce mode de fonctionnement minimise les cycles marche/arrêt fréquents des chaudières et limite leur fonctionnement pendant les périodes de faible charge, où leur rendement a tendance à diminuer. Un avantage clé de ce concept d’intégration réside dans le découplage entre la production solaire et le fonctionnement de la biomasse. Le stockage solaire dédié permet une valorisation optimale de la chaleur solaire, même lorsque la demande instantanée est inférieure à la production solaire, tout en évitant la dissipation ou la réduction des gains solaires. Parallèlement, les chaudières à biomasse continuent de fonctionner dans leur plage de charge optimale, sans être contraintes à des phases de modulation ou de veille inefficaces.
Du point de vue de la conception, cette solution offre également une grande robustesse. Elle repose sur des composants standard, ne nécessite pas d’algorithmes de contrôle complexes et peut être adaptée à des réseaux de différentes tailles existantes ou de nouvelle construction. Ces caractéristiques rendent l’intégration bois-solaire avec stockage dédié particulièrement adaptée aux réseaux de chaleur urbains existants qui cherchent à réduire leur consommation de combustible et à améliorer la stabilité de leurs coûts à long terme, tout en limitant les risques d’exploitation.
Dans le concept d’intégration bois-solaire retenu, la chaleur solaire est utilisée pour préchauffer ou compléter la demande du circuit CAD, le TES compensant les fluctuations diurnes et hebdomadaires. Le champ solaire est dimensionné pour couvrir une part significative de la demande annuelle, tandis que le dimensionnement du TES, paramétrisé sur la base d’un volume spécifique quantifié en termes de m3 de stockage thermique par m2 de surface solaire installée, optimise le stockage d’énergie en fonction des variations de charge du réseau, de l’apport du solaire et de la stratégie de régulation et de charge du TES. Cette approche permet au système solaire de fournir de la chaleur en priorité pendant les périodes ensoleillées, réduisant ainsi la dépendance à la biomasse en été et en intersaison.
Comme l’illustre la figure 4, la part de la consommation couverte par l’apport d’énergie solaire thermique – appelée fraction solaire (FS) et exprimée en [%] – augmente avec la surface totale des capteurs. Toutefois, la productivité spécifique des capteurs, c.-à -d. la quantité annuelle de chaleur solaire utile rapportée à leur surface (Ysol, en [kWh/m2/an]), diminue à mesure que la surface installée augmente. Les gains supplémentaires de FS deviennent progressivement plus faibles car la surface additionnelle n’est plus exploitée de manière optimale. D’outre coté, l’augmentation du volume spécifique du TES permet d’améliorer la productivité spécifique des capteurs, mais elle entraîne une diminution de la FS, en raison des pertes thermiques accrues et de l’inertie thermique introduites par l’augmentation du volume de stockage. Néanmoins, vu que les valeurs de FS obtenues pour des volumes spécifiques de 0,075 m3/m2 et 0,1 m3/m2 sont très similaires, il apparaît que, pour ce cas d’étude, la valeur optimale du volume spécifique du stockage se situe dans cet intervalle.
Les impacts opérationnels de l’hybridation solaire sur le fonctionnement des chaudières biomasse sont à la fois positifs et négatifs, et dépendent de la taille du TES. L’ajout du solaire entraîne une augmentation des cycles ON/OFF des chaudières en intersaison, ainsi qu’une réduction, voire un arrêt, de la consommation de bois en été. Par rapport au cas de référence, le nombre annuel de cycles ON/OFF augmente fortement pour de faibles FS (+40% si FS < 10%) et de faibles volumes spécifiques du TES (inferieures à 0,1 m3/m2), tandis qu’il diminue pour des FS plus élevées (> 20%) et des volumes spécifiques importants (> 0,15 m3/m2).
Les émissions des chaudières dépendent fortement de leur régime de fonctionnement (voir tab. 1; [9]) et sont donc également affectées par l’ajout du solaire. Le projet OptiCADSol montre ainsi que, si les émissions de CO, directement lié aux phases de démarrage et arrêt des chaudières, augmentent légèrement par rapport au cas de référence (10 à 20% pour une FS de 10 à 30%), les émissions annuelles de particules fines (PM2,5), et en suspension (PM10) diminuent de 5 à 15%, tandis que les émissions d’NOx diminuent linéairement avec la FS (–30 % à 25 % de FS).
| Phase de fonctionnement | Polluant | Â | Â |
| CO | Particules fines | NOx | |
| Démarrage | 685  |
50Â |
182Â |
| Arrêt | 1209 |
50Â |
139Â |
| Pleine charge | 45Â |
10 |
125Â |
| Charge partielle | 64Â |
2.8Â |
104Â |
| Standby | 665Â |
10Â |
101Â |
L’intégration à une production biomasse d’un système solaire thermique équipé d’un TES dédié a donc des impacts complexes mais globalement positifs sur l’impact environnemental de la production de chaleur pour l’alimentation du CAD, en particulier sur la consommation de combustible, comme illustré par la figure 5. La consommation annuelle de combustible diminue avec la taille du champ solaire jusqu’à une certain valeur (~2000 m2 dans le cas en étude, soit une FS d’environs 20%), au-delà de laquelle le gain marginal lié à l’augmentation de la surface solaire diminue. Plus le volume spécifique est faible, en outre, plus la réduction de la consommation de combustible est importante. Cependant, cette réduction est similaire pour des volumes spécifiques de 0,075 ou de 0,1 m3/m2 de surface d’ouverture du champ solaire, ce qui indique que la capacité optimale du TES pour ce cas d’étude se situe dans cet intervalle.
La rentabilité de la solution hybride bois-solaire repose sur une analyse économique des coûts d’investissement et d’exploitation, ainsi que sur l’apport potentiel des mesures d’incitation à l’adoption de la technologie solaire thermique issues des autorités fédérales et cantonales. Dans l’analyse, l’impact économique est évalué à travers le calcul du LCOH, acronyme anglais pour le coût actualisé de la chaleur, c.-à -d. le coût moyen de production de la chaleur qui équilibre les flux de trésorerie actualisés sur la durée de vie de l’installation (Levelized Cost Of Heat; voir [8] et équation 1):
Eq. 1 Calcul de LCOH (Levelized Cost Of Heat). Où t représente la période entre l’année 1 et la fin de vie de l’installation N, Ct représente les couts d’investissement, Ot les couts fixes d’exploitation et Vt les couts variables d’exploitation; Et correspond à l’énergie livrée par le CAD et d est le taux d’actualisation.
La contribution du solaire est quantifiée par le LCOHsol, le coût actualisé de la chaleur produite par le sous-système solaire, qui, combinée au LCOHbio de référence pour l’énergie d’origine à biomasse ligneuse, permet d’obtenir un LCOHhyb, quantifiant le coût actualisé de la chaleur produite par la centrale hybride, selon l’expression suivante (équation 2; valide pour une valeur résiduelle de l’installation en fin de vie négligeable):
Eq. 2 Calcul de LCOHhyb . Où LCOHbio,ref est le cout de référence pour la chaleur biomasse seule, Fratio est la fraction de LCOHbio,ref due aux couts fixes (0,47 dans le cas de référence), FS est la fraction solaire et LCOHsol est le cout actualisé de la chaleur solaire, prenant en compte seulement la production solaire et les couts d’investissement et d’exploitation du champ solaire et du TES.
Les principaux facteurs déterminants sont les dépenses d’investissement liées au TES et au champ solaire, le coût de la centrale biomasse (incluant les dépenses d’amortissement et les coûts de combustible) et l’effet des incitations qui réduisent le coût net d’investissement pour le solaire. L’analyse distingue les coûts fixes (amortissement, dépréciation, coûts d’infrastructure) des coûts variables liés à la consommation de combustible, ce qui permet d’appréhender précisément comment le solaire réduit la consommation de combustible et tire parti des incitations.
Â
Les résultats indiquent que, compte tenu des subventions solaires disponibles [10], le chauffage solaire thermique génère de l’énergie à des prix bien plus compétitifs que le chauffage à la biomasse seule (supposé égal à 80 francs/MWh d’énergie finale pour de la plaquette forestière). Cependant, une fois que le LCOHbio est adapté pour tenir en compte du sous-amortissement des chaudières à biomasse due à la substitution du bois par du solaire, l’avantage de l’hybridation est limité à un régime de prix de la biomasse supérieure au moins à 85–90 francs/MWh, comme montré en figure 6. Dans le cas de combustibles plus nobles et coûteux, tels que les pellets, l’intégration de l’énergie solaire dans le réseau de chauffage à distance apparaît dès lors d’autant plus pertinente.
La présence d’un système de stockage d’énergie thermique dédié et d’une topologie d’intégration en série tend à minimiser le LCOHsol , en particulier pour des volumes spécifiques du TES inferieurs à 0,075 m3/m2. Les analyses de sensibilité montrent, d’autre part, que l’augmentation du volume spécifique du TES peut accroître la part du solaire, mais peut également faire grimper le LCOHsol. L’étude souligne également qu’au-delà d’une certaine surface solaire, où les capacités supplémentaires génèrent des rendements décroissants, l’avantage économique diminue, en particulier au-delà d’une valeur de FS d’environ 25%.
Dans le cadre du projet, deux solutions PV-PAC reliées au réseau ont été en autre évaluées afin de positionner la solution bois-solaire par rapport aux options d’électrification. La première configuration, illustrée à gauche en figure 7, est un système bivalent biomasse–pompe à chaleur (PAC) utilisant une PAC air-eau et un champ photovoltaïque raccordé au réseau électrique. La PAC est dimensionnée pour couvrir la demande estivale, tandis qu’une chaudière biomasse unique est dimensionnée pour assurer la couverture complète de la demande hivernale de pointe, en complément de la production de la PAC. La seconde configuration est un système PAC monovalente avec source de chaleur géothermique, également intégré à des panneaux photovoltaïques et reliée au réseau électrique, selon le diagramme simplifié à droite dans la figure 7. Dans les deux cas, le champ photovoltaïque est défini à partir d’une ligne PV de référence basée sur les spécifications de l’onduleur et du panneau PV adopté (efficience crête de 23,3%), puis décliné en multiples de surface afin d’analyser l’influence de la puissance installée sur la rentabilité et les performances techniques. Le COP de la PAC est modélisé dans le logiciel de simulation sur la base des caractéristiques des cycles au fluide naturel ammoniac (R717), capables de produire les hautes températures nécessaires à l’alimentation du CAD dans le cas en étude (température au condenseur de la PAC d’environs 85–90 °C).
Sur le plan économique, les systèmes hybrides bois-solaire tendent à présenter un LCOH plus faible lorsque les prix de la biomasse sont modérés et les incitations à l’énergie solaire importantes, car les investissements initiaux dans le solaire peuvent être amortis sur une longue durée de vie tout en remplaçant les coûts de combustible. Les PAC, bien qu’intéressantes dans les régions où l’électricité est bon marché et où la part des énergies renouvelables est élevée, sont confrontées à une plus grande exposition aux fluctuations du marché de l’électricité et à des problèmes potentiels de résilience en cas de contraintes sur le réseau ou de pics de consommation. Le LCOH des configurations PV-PAC est étroitement lié aux tarifs de l’électricité et au tarif de reprise en vigueur, à la fraction des besoins couverts par le PV et à la nécessité d’infrastructures supplémentaires pour le système de production.
Dans de nombreux contextes de planification de la décarbonation en Suisse, les systèmes hybrides solaire-biomasse offrent une rentabilité compétitive, voire supérieure, lorsque le coût de la biomasse est inférieur à un certain seuil et que des incitations compensent l’investissement dans la technologie solaire thermique. En revanche, les systèmes photovoltaïques couplés à des centrales de production à PAC peuvent surpasser les systèmes biomasse seuls lorsque les prix de la chaleur biomasse dépasse les 100 francs/MWh et que la fraction du besoin couverte par du solaire dépasse 50%, comme illustré en figure 8. En effet, le LCOH des centrales hybrides à solaire thermique et biomasse, en tenant compte des subventions actuels, est plus bas de celui des installations hybrides avec PAC à air (indirecte) et PV, même en considérant la reprise de l’excédentaire par le réseau aux tarifs subventionnés. En autre, la configuration bivalente à biomasse et PAC a une faible couverture des besoins même pour de grosses surfaces de PV. Dans le cas des installations à PAC sur eau de nappe avec du PV, la chaleur issue des centrales hybrides biomasse-solaire reste compétitive vis-à -vis de la configuration à PAC monovalente jusqu’à un coût de la chaleur biomasse d’environs 100 francs/MWh et pour des fractions solaires inferieures à 50%. À parité de fraction solaire, toutefois, la surface solaire nécessaire dans le cas du PV est plus de 3 fois celle nécessaire avec du solaire thermique, comme visible dans le panneau de droite dans la figure 8.
En s’appuyant sur les données de la Confédération [11, 12], les CAD ont distribué environ 8,4 TWh de chaleur en 2019, dont 30% issus du bois. À l’avenir, la demande de chaleur en Suisse (~100 TWh en 2019, dont 75 TWh pour le chauffage) pourrait diminuer d’environ 30% d’ici 2050, parallèlement à une forte expansion des CAD, avec une couverture de 50 à 75% en zones urbaines. Dans ce scenario, la partie du bois pourrait être limité à ~10% de la demande, pour un potentiel de bois-énergie exploitable estimé entre 16 et 19 TWh/an.
Dans ce contexte, selon les résultats du projet de recherche OptiCADSol, des systèmes hybrides bois-solaire avec une fraction solaire de ~25% permettraient de réduire la consommation de bois de plus de 27% (≈ 680 GWh/an, soit ~4,3% du potentiel exploitable), nécessitant plus de 1 000 000 m2 de capteurs solaires thermiques (base: 650 kWh/m2/an). En cas d’expansion des CAD à 75% de la demande, la consommation de bois pourrait atteindre ~4 TWh/an, avec un potentiel d’économie supplémentaire d’environ 1 TWh grâce au solaire, impliquant plus de 1 500 000 m2 de capteurs
Le déploiement à grande échelle de ces solutions, toutefois, dépend de plusieurs facteurs: des incitations cohérentes au déploiement du solaire, un prix stable de la biomasse et une standardisation des volumes de stockage afin de baisser les coûts d’investissement pour ce sous-système. Enfin, le potentiel national dépend également des orientations politiques: subventions incitatives, prix de l’électricité avantageux et simplification des procédures d’autorisation pour le stockage d’énergie thermique et les champs solaires peuvent aider la diffusion des solutions hybrides.
L’hybridation bois-solaire constitue une solution technique mature et économiquement viable pour le chauffage urbain en Suisse, dont l’objectif premier est d’économiser la ressource biomasse durant les périodes d’ensoleillement afin de la réserver pour les besoins hivernaux critiques, la décarbonation intervenant alors comme un bénéfice collatéral précieux. Les études menées montrent que l’intégration d’un champ de capteurs solaires thermiques et d’un système de stockage thermique en amont des chaudières à biomasse représente la configuration la plus performante, permettant de réduire significativement la consommation de bois tout en maintenant un rendement optimal des chaudières et une grande fiabilité du réseau de distribution.
Sur le plan financier, le coût du solaire thermique, situé dans une fourchette de 40 à 60 francs/MWh, s’avère aujourd’hui compétitif face à la biomasse grâce aux subventions et au niveau des prix de la biomasse. Bien que la rentabilité globale et la compétitivité face aux solutions d’électrification dépendent du contexte spécifique de chaque étude, le projet OptiCADSol a permis d’identifier un circuit d’intégration privilégié mettant en lumière l’impact déterminant du dimensionnement du stockage thermique. En effet, si une capacité de stockage accrue permet de produire davantage, elle doit impérativement rester en équilibre avec les réalités économiques du champ solaire pour ne pas pénaliser la performance globale du système de production.
Dans cette optique, le déploiement de réseaux de chauffage urbain intégrant l’énergie solaire thermique et le stockage d’énergie à des chaudières à biomasse ligneuse existantes ou nouvelles peut constituer l’un des moteurs de la politique énergétique suisse, capable de soutenir la décarbonation du secteur du chauffage tout en garantissant une utilisation durable des ressources nationales
Â
[1] Office Fédéral de l’Énergie (OFEN) (2025): Projet OptiCADSol. ARAMIS, Consulté le 03-23-2026.
[2] Nussbaumer, T. (2018): Guide de planification Chauffage à distance. SuisseÉnergie
[3] CSD ingénieurs SA (2021): Perspectives chaleur. Lausanne
[4] Von Gunten, D. et al. (2022): SolCAD – Rapport final.ARAMIS, Consulté le 03-23-2026.
[5] Good, J. et al. (2022): Planungshandbuch, QM Holzheizwerke, Vol.4
[6] Schneider, S. et al. (2020): Retour d’expérience énergétique sur le quartier des Vergers à Meyrin. Consulté le 03-03-2023
[7] Zotter, P. et al. (2024): Starts von automatischen Holzfeuerungen – Emissionsmessungen und Daten von Praxisanlagen. 18. Holzenergie-Symposium, Zürich, Verenum AG
[8] Aldersey-Williams, J.; Rubert, T. (2019): Levelised cost of energy – A theoretical justification and critical assessment. Energy Policy 124: 169–179.Â
[9] Zotter, P.; Nussbaumer T. (2022): Aktualisierung Emissionsmodell Holzfeuerungen 2020. Verenum, Zürich.
[10] Le Programme Bâtiments, Mesures encouragées, consulté le 17-03-2026.
[11] Conseil fédéral (2021): Potentiel des installations de chauffage et de refroidissement à distance. En réponse au postulat 19.4051, 2019. Berne.Â
[12] Office Fédéral de l’Énergie (OFEN) (2020): Perspectives énergétiques 2050+. Résumé des principaux résultats. Bern.Â
Ce travail a été soutenu par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) dans le cadre du projet OptiCADSol financé sous le contrat de subvention SI/502569-01.
Avec l'abonnement en ligne, lisez le E-paper «AQUA & GAS» sur l'ordinateur, au téléphone et sur la tablette.
Avec l'abonnement en ligne, lisez le E-paper «Wasserspiegel» sur l'ordinateur, au téléphone et sur la tablette.
Kommentare (0)