Une nouvelle approche pour décarboner les réseaux de chaleur existants

Créée en 2018 à la suite d’une idée issue de l’EPFL, Exergo développe une technologie innovante de transport d’énergie thermique basée sur l’utilisation du dioxyde de carbone (CO₂) comme fluide caloporteur. L’idée consiste à utiliser le changement de phase de ce CO₂ pour transporter l’énergie entre une ou plusieurs sources de chaleur ou de froid à l’ensemble des consommateurs d’un réseau urbain.

Aujourd’hui, cette technologie s’impose progressivement comme une solution de transfert énergétique pour les réseaux de chaleur existants à eau, qui cherchent à valoriser des sources renouvelables ou de récupération éloignées des zones urbaines. Les sources de chaleur envisageables sont variées: plans d’eau, rivières, nappes phréatiques, géothermie de faible profondeur, stations d’épuration, rejets thermiques industriels, voire eau potable selon les contextes.

Le principal défi réside dans le raccordement de ces nouvelles sources aux réseaux existants. Avec les systèmes traditionnels à eau, le faible écart de température disponible impose des débits très élevés, et donc des conduites de grand diamètre. Ces infrastructures entraînent des coûts importants de génie civil, notamment lorsque le tracé traverse des zones sensibles et impose des travaux compliqués (microtunnels, forages dirigés, franchissements d’ouvrages). L’approche d’Exergo vise à réduire la taille et la complexité de ces liaisons énergétiques tout en améliorant leur rendement énergétique. En exploitant le changement de phase du CO₂, la densité énergétique du fluide est fortement accrue: il devient possible de transporter la même puissance thermique avec des conduites de diamètre bien inférieur et sans circulation mécanique forcée dans certains cas. Cette innovation ouvre la voie à des solutions plus compactes, plus économiques et plus durables pour le raccordement de nouvelles sources aux centrales de grande puissance (5 à 30 MW).

Le projet de Schiffenen: relier un lac à un réseau urbain

La société Groupe E, propriétaire et exploitant du réseau de chaleur Fricad dans l’agglomération de Fribourg, a été parmi les premières à s’intéresser à cette technologie. Le réseau Fricad, historiquement constitué de plusieurs sous-réseaux, est aujourd’hui interconnecté. Ceci permet de planifier une réduction de la dépendance aux combustibles fossiles.

La ressource en bois étant limitée régionalement, Groupe E s’est tourné vers la valorisation de la chaleur des cours d’eau, et en particulier du lac de Schiffenen, dont les caractéristiques (température moyenne mensuelle de 4 à 19 °C et débit suffisant) en font une source stable et exploitable pour l’alimentation d’une centrale de pompes à chaleur.

Projet initial

Le projet initial prévoyait de pomper l’eau du lac et de la transporter jusqu’à une centrale de 18 MW située dans la zone industrielle d’Englisberg, via un circuit intermédiaire à base d’eau et d’éthanol (pour éviter le gel en hiver). Avec un ΔT de 3 K au niveau de la prise d’eau, les calculs imposaient deux conduites de 800 mm de diamètre posées dans un microtunnel de 1,5 m, alimentant quatre pompes à chaleur de 4,5 MW chacune.

Une solution techniquement faisable, mais lourde sur le plan du génie civil et présentant un risque environnemental lié à la présence d’éthanol en cas de fuite.

La solution innovante: un transport d’énergie au CO₂

Face à ces contraintes, Groupe E a mandaté Exergo pour concevoir une variante intégrant la technologie de transport d’énergie au CO₂ (fig. 1). Ce choix permet de réduire significativement les diamètres de conduites, de simplifier les travaux de génie civil, d’éliminer tout risque de pollution du lac et d’abaisser les coûts d’investissement et d’exploitation, notamment grâce au fonctionnement en thermosiphon.

Réalisation prévue du projet

Transfert d’énergie grâce au thermosiphon

L’eau pompée dans le lac alimente quatre échangeurs thermiques qui servent à évaporer le CO₂. La vapeur ainsi produite s’élève naturellement vers la centrale grâce à la différence de densité entre les phases liquide et gazeuse.

Au niveau des pompes à chaleur, le CO₂ se condense directement, cédant sa chaleur à l’ammoniac du circuit secondaire. Le liquide condensé redescend ensuite par gravité vers les échangeurs situés en bord de lac.

La différence d’altitude d’environ 50 m entre la station de pompage et la centrale crée un circuit gravitaire stable: aucune pompe n’est nécessaire pour la circulation du fluide (fig. 2). Ce fonctionnement passif réduit considérablement la consommation électrique auxiliaire et améliore le rendement global de la chaîne énergétique.

Conception et travaux de génie civil

La liaison entre la station de pompage et la centrale sera réalisée à l’aide de deux forages dirigés de 700 mm de diamètre chacun. Chaque forage accueillera deux lignes de production indépendante comprenant une conduite d’aller vapeur (150 mm) et une conduite de retour liquide (100 mm). La flexibilité des conduites permet leur insertion après la réalisation du forage, simplifiant la mise en œuvre et permettant également le passage de câbles électriques et de fibres optiques dans le même ouvrage. Comparée à la variante à eau, la solution au CO₂ est nettement plus compacte et requiert des machines de forage plus petites (fig. 3).