Un nouvel outil de simulation open-source pour planifier les réseaux CAD

Les tableaux de réseau créés sont directement utilisés pour la simulation hydraulique, avec la demande de débit massique pour chaque sous-station et les données opérationnelles pour chaque station source, toutes deux fournies à partir des données d’entrée. Le débit massique à la source est déterminé par: (i) la somme du débit massique nécessaire pour répondre à la demande de chaleur de toutes les sous-stations; (ii) un paramètre de distribution de la charge, qui est déterminé dans la fonction de merit order des sources (choisie par l’entreprise énergétique) afin de déterminer l’ampleur du débit massique, individuellement pour chacune des sources de chaleur CAD.

Le résultat du modèle hydraulique fournit une base stable pour simuler le modèle thermique. L’échangeur de chaleur de chaque sous-station est modélisé et il est important que le débit massique utilisé dans le modèle hydraulique soit déterminé avec précision, afin que le débit massique puisse fournir la chaleur nécessaire en fonction du niveau de température dans la section du réseau. Finalement, une simulation thermique et hydraulique combinée est réalisée avec la demande de chaleur de chaque sous-station, les données d’entrée du modèle hydraulique et le niveau de température à la source.

Études de cas réalisées en contexte urbain

Le développement par étapes du réseau CAD dans la ville d’Yverdon-les-Bains a été présenté en détail dans une publication précédente [2]. Dans le cadre du projet FOSTER_DHN, toutes les étapes ont été intégrées et le fonctionnement des différents sous-réseaux prévus étudié tant de manière séparée que dans un fonctionnement exploitant les synergies entre eux (bouclement). Une étude de cas similaire a été réalisée sur des réseaux CAD de la société neuchâteloise Viteos SA, pour la partie relative à l’identification de possibles synergies. La figure 2 montre, par exemple la distribution de vitesse dans une partie du réseau lors d’une journée particulièrement froide.

Tous les paramètres hydrauliques – vitesse, flux massique, température et pression – sont accessibles pour tous les éléments du réseau à un pas de temps donné par l’utilisateur. On peut ainsi identifier des endroits dans le réseau pouvant poser un problème, e. g. une température de distribution trop basse, une vitesse d’écoulement trop élevée entraînant potentiellement une augmentation des pertes de charge ou encore un flux massique non-adapté au diamètre de conduite. Une étude détaillée des pertes sur le réseau peut également être réalisée. On est donc en mesure d’obtenir une vue opérationnelle détaillée de tout le réseau, avec de multiples points d’injection et à différentes températures, ce qui représente une nouveauté à notre connaissance.

De plus, l’outil FOSTER_DHN intègre un module qui permet d’identifier de possibles synergies entre sous-réseaux existant dans une même ville. L’idée de base, présentée dans [2], consiste à étudier à quel moment un réseau peut fournir de la chaleur à un autre réseau, avec trois objectifs principaux: (i) permettre l’intégration d’énergies renouvelables et leur utilisation optimale, notamment quand elles sont de nature situationnelles; (ii) réduire les coûts d’investissement sur les sous-réseaux dans le dimensionnement des technologies pour les jours les plus froids; (iii) favoriser les technologies les plus efficientes et/ou décarbonnées. Dans le cas d’Yverdon-les-Bains, par exemple, le sous-réseau CAD alimenté par la station d’épuration des eaux usées (STEP) peut fournir de la chaleur à d’autres réseaux à des moments cruciaux de l’année. On augmente ainsi la proportion des énergies renouvelables situationnelles par l’installation d’une connexion hydraulique appropriée. Un exemple de ces échanges possibles entre sous-réseaux est donné à la figure 3.

Ainsi, selon la stratégie de contrôle choisie par l’entreprise énergétique ou la priorisation des sources en fonction d’objectifs politiques (i. e. un taux de couverture imposé pour l’alimentation du CAD via des énergies renouvelables) et selon le dimensionnement des infrastructures ou encore en fonction de strategies d’asset management, il est possible de mettre en place des synergies différentes qui permettent la couverture de la demande en chaleur sur le territoire. Il s’agit donc d’un levier supplémentaire dans la planification opérationnelle et financière d’un système CAD dans un environnement urbaindonné.

Autres résultats et perspectives

Pour des raisons d’espace, l’application de l’outil FOSTER _DHN sur des cas dans les villes de Neuchâtel et de Lausanne n’a pas pu être présenté. Toutefois, elle a fourni des résultats importants pour les entreprises énergétiques partenaires dans ces villes, respectivement Viteos SA et Services Industriels de Lausanne.

Le projet a notamment permis de préciser dans quelle mesure les énergies fossiles peuvent être remplacées au niveau de l’alimentation des réseaux CAD. L’intégration des énergies renouvelables [3] résulte plus aisée pour les besoins de chaleur en bande mais hélas beaucoup moins pour le fonctionnement de pointe lors des périodes les plus froides. Alors que la combustion du bois et du biogaz ne sont pas contemplés dans les stratégies fédérales et de nombreux cantons, ils pourraient tout de même apporter une contribution significative, malgré leur nature non-situationnelle.

Le biogaz pourrait aussi se révéler important pour permettre de relever le niveau de température des sources géothermiques de moyenne profondeur, une énergie renouvelable situationnelle: le projet FOSTER_DHN a notamment permis d’estimer le besoin en biogaz de manière précise dans le cas spécifique de la ville d’Yverdon-les-Bains en vue de l’exploitation de la géothermie de moyenne profondeur.

Alors qu’il était déjà connu dans la littérature scientifique que les ressources énergétiques renouvelables et à faible teneur en carbone peuvent jouer un rôle important dans l’approvisionnement des réseaux CAD, le projet a étudié la mise en œuvre détaillée de ces ressources dans trois villes de Suisse occidentale. En particulier, des scénarios ont été proposés qui permettent d’atteindre une part d’énergies renouvelables de 80%: une publication ultérieure présentera ces résultats en détail. L’identification et l’exploitation des synergies entre les sous-réseaux CAD par des connexions appropriées permettent notamment d’augmenter la part des sources d’énergie renouvelables d’environ 10 à 15% dans l’une des villes étudiées. Le rôle crucial de l’exploitation des sources d’énergie localisées a été analysé et identifié comme une contrainte possible.

Le framework basé sur python qui a été développé dans ce projet peut être utilisé pour la planification, la conception et le dimensionnement des futurs réseaux, mais aussi pour explorer les changements apportés aux conditions opérationnelles des réseaux existants, à condition que la demande de chaleur des bâtiments connectés soit connue de manière suffisamment détaillée [4]. Le code a été testé dans des environnements urbains réels, à la fois pour des quartiers et pour des réseaux urbains complets dans deux villes de taille moyenne.

L’outil FOSTER_DHN, basé sur une approche open-source, permet en outre d’afficher les résultats sur des cartes détaillées pour faciliter la communication, ainsi qu’un grand nombre d’autres indicateurs pertinents, allant des paramètres de la mécanique des fluides aux émissions de gaz à effet de serre, des évaluations de l’énergie primaire aux calculs économiques. Il représente donc clairement une aide à la décision fort utile, tant pour les services publics multi-énergies que pour les autorités locales.

Bibliographie

[1] Lohmeier, D. et al. (2020): Pandapipes: An Open-Source Piping Grid Calculation Package for Multi-Energy Grid Simulations. Sustainability 12(23): 9899. DOI: 9

[2] Capezzali, M.; Fesefeldt, M. (2023): Projet FOSTER_DHN – Pour des réseaux de chauffage à distance plus efficaces et moins carbonés. Aqua & Gas 12/23: 16–19

[3] AEE SUISSE; Wärme Initiative Schweiz (2020): Erneuerbare- und CO2-freie Wärmeversorgung Schweiz. Eine Studie zur Evaluation von Erfordernissen und Auswirkungen. Schlussbericht vom 6. Juni 2020

[4] Darmayan, L. et al. (2016): Système de management energétique territorial – une plateforme web cartographique pour la planification de la politique énergétique locale. Aqua & Gas 6/16: 56–65