Réseaux Du Froid Urbain 1

Réseaux de froid urbain Production et stockage du froid par Jacques DELBÈS Directeur technique Direction industrielle Chaud et Froid urbains − Cogénération d’ELYO et

Adrien VADROT Ingénieur projets Direction industrielle Chaud et Froid urbains − Cogénération d’ELYO

............... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ..... 1. Produc oducti tion on d’ea d’eau u gla glacé cée e .......... 1.1 Techn echniq ique uess de ref refro roid idis isse seme ment nt.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.1.1 .1.1 Refr Refroi oidi diss sseu eurs rs à comp compre ress ssio ion n .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.1.2 .1.2 Refr Refroi oidi diss sseu eurs rs à abso absorp rpti tion. on... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 1.1.3 Comparaison entre refroidisseurs à compression et à absorption 1.1.4 .1.4 Refr Refroi oidi diss ssem emen entt par par eau eau de prof profon onde deur ur.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.1.5 .1.5 Autr Autres es tec techniq hnique uess .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.2 Con Concept ceptiion de la prod produc ucti tion on et intég ntégra rati tion on des des RFU RFU ..... ...... .... .... ........ ...... ........ ...... ........ ...... 1.2.1 .2.1 Produ roduct ctio ion n d’ea d’eau u glac glacée ée cent centra rali lisé séee .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.2.2 .2.2 Produ roduct ctio ion n d’ea d’eau u glac glacéée par par cent centrrales ales mul multi tip ples.. les........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... 1.2.3 .2.3 Produ roduct ctio ion n en en par paral allè lèle le et en séri série.. e.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 1.2.4 .2.4 Inté Intég grati ration on de refr refroi oidi diss sseu eurs rs à abso absorp rpti tion on dans dans la cog cogénér énérat atiion.. 1.2.5 .2.5 Inté Intég grati ration on de sous sous-s -sta tati tion onss de de fro froid id dans ans le le cha chauf uffa fage ge urba urbain.. in.... ....

2. Stoc Stocka kage ge d’éne d’énerg rgie ie ther thermi miqu que e ... ...... ....... ...... ........ ...... ........ ...... .... .... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ...... 2.1 Avanta antag ges et inco incon nvénie énient ntss du stoc stocka kage ge d’én ’énergi ergiee the thermiqu mique.. e.... .... .... .... .... ...... 2.1 2.1.1 Stoc Stocka kage ge de froi froid... d..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.1 2.1.2 Stoc Stocka kage ge comb combin inéé de de fro froid id et de chale haleur... ur..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.1.3 .1.3 Quel Quelqu quees inc inco onvéni énients ents du sto stockage kage de froi froid d et et de de cha challeur eur .... .......... ...... 2.2 2.2 Rése Réserv rvoi oirs rs de de stoc stocka kage ge the therm rmiq ique. ue... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.2. 2.2.11 Rése Réserv rvoi oirr de stoc stockage kage d’ea d’eau u chau chaude. de... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.2. 2.2.22 Rése Réserv rvoi oirr de stoc stocka kage ge d’e d’eau au gla glacé cée... e..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.2. 2.2.33 Comb Combin inai aiso son n du SET SET et de la rése réserv rvee ince incend ndie ie .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3 2.3 Techn echnol olog ogie iess de stoc stocka kage ge de l’én l’éner ergi giee ther thermi miqu que. e... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3. 2.3.11 Syst Systèm èmes es à stra strati tific ficat atio ion n natu nature rell lle.. e.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.3. 2.3.22 Autr Autres es méth méthod odes es de stoc stocka kage ge d’ea d’eau u gla glacé cée.. e.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3. 2.3.33 Syst Systèm èmes es à chan change geme ment nt de pha phase. se... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.4 Con Concept ceptiion et dime imensio nsion nneme nemen nt du du stoc stocka kage ge de froi froid d .... ....... ...... ........ ...... ........ ...... .... .... 2.4. 2.4.11 Stoc Stocka kage ge d’én d’éner ergi giee ther thermi miqu quee répa réparrti ou cent centra rali lisé sé.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.4. 2.4.22 Stoc Stocka kage ge tota totall / stoc stockage kage part partie iel... l..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.4. 2.4.33 Facte Facteur urss écon économ omiq ique uess .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.5 2.5 Méth Méthod odes es de cons constr truc ucti tion.. on.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

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11 11 11 11 11 11 11 11 12 12 12 12 14 15 15 15 15 16

Pour en savoir plus ........................................... ................................................................ .......................................... ........................... ...... Doc. BE 9 324

lus que pour un bâtiment isolé, la conception de la production d’eau glacée d’un réseau de froid urbain (RFU) fait appel à de nombreux paramètres pour assurer un investissement compétitif associé à un ensemble réunissant souplesse et économie d’exploitation, efficacité énergétique, longévité et capa- cité d’extension : — connaissance des futurs utilisateurs, de de leurs exigences, de leurs profils de charge ; — analyse des coûts coûts de l’énergie l’énergie selon sa provenance ;

P

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploi tation du droit de c opie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, l ’Ingénieur, traité trait é Génie énergétique

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RÉSEAUX DE FROID URBAIN ______________________________________________________________________________________________________________

— choix entre une ou plusieurs centrales ... Chaque dossier doit faire l’objet d’une étude particulière approfondie, car chaque situation est particulière et la variété des solutions techniques rencon- trées et décrites dans cet article montre qu’il ne faut surtout pas essayer de généraliser. L’adjonction d’un stockage est un moyen supplément aire de gestion ration- nelle, son dimensionnement et le choix de la technique pour la meilleure complémentarité avec la production étant aussi le résultat d’une étude détaillée au cas par cas. Cet article, première partie des trois volets de la présentation du froid urbain, est extrait de « District Cooling Handbook », édité par Elyo et l’European Marketing Group on District Heating en juin 1999 dans une seconde version, sous l’égide du programme européen EU THERMIE . Abréviations Symbole

Désignation

COP

Coefficient de performance Réseau de froid urbain Réseau de chauffage urbain Réseau de chauffage et de froid urbain Stockage d’énergie thermique Stockage d’eau glacée

RFU RCU RCFU SET SEG

1. Production d’eau glacée

Sortie eau du condenseur (30 à 40 C) °

La production d’eau glacée peut être obtenue par différents moyens fondés sur des techniques de refroidissement bien maîtrisées, étudiées en détail dans le paragraphe suivant.

Q c

Condensation du fluide réfrigérant T c

1.1 Techniques de refroidissement

Condenseur Vanne d'expansion

Compresseur W

Évaporateur T e

Les deux principales techniques industrielles de refroidissement pour la production d’eau glacée sont basées, l’une sur le processus de compression, l’autre sur l’absorption. D’autres techniques peuvent cependant être envisagées. Nous les présentons aux paragraphes 1.1.4 et 1.1.5.

Évaporation du fluide refrigérant Q e

Sortie eau glacée (0,5 à 10 C) °

1.1.1 Refroidisseurs à compression

Q c W

La façon la plus courante de produire du froid selon un procédé industriel consiste à utiliser le cycle dit à compression, dans lequel un fluide en circuit fermé est comprimé, condensé, détendu et évaporé.

1.1.1.1 Principe de fonctionnement et performance La figure 1 illustre la technique de production du froid par compression. Le cycle de compression peut être décomposé comme suit : — le fluide frigorigène à basse pression, légèrement surchauffé, est comprimé à haute pression et à haute température ; — après refroidissement dans le condenseur, la vapeur du fluide réfrigérant est totalement condensée et la chaleur dégagée par ces

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Q e

: énergie récupérée au condenseur : travail mécanique fourni : énergie fournie à l'évaporateur

Figure 1 – Schéma d’un cycle de refroidissement par compression

opérations est évacuée dans le milieu ambiant (eau de refroidissement ou air environnant) ; — le condensat est détendu à basse pression et à basse température à travers un détendeur ; — la vapeur humide du fluide frigorigène absorbe alors, dans l’évaporateur, la chaleur du milieu ambiant (eau de l’évaporateur, à basse température : 0,5 à 10 °C), en s’évaporant et en revenant à un état de vapeur surchauffée.

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_____________________________________________________________________________________________________________ RÉSEAUX DE FROID URBAIN

L’efficacité du refroidisseur est déterminée par le calcul du coefficient de performance ( COP ) de la machine frigorifique qui s’exprime par le rapport entre l’énergie frigorifique fournie et l’énergie consommée : CO P f

avec

Q e

= -------

W

; Q c = W + Q e

énergie récupérée au condenseur, travail mécanique fourni, Q e énergie fournie à l’évaporateur. Pour une machine idéale, le calcul du COP peut être effectué au moyen de la relation suivante : Q c W

CO P f

avec

T e

= -----------------------

( T – T ) c e

température du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur (K), T c température du fluide caloporteur à l’entrée du condenseur (K). En pratique, les COP réels des systèmes en fonctionnement sont à peu près la moitié des valeurs théoriques, jusqu’à des COP de 6 pour les refroidisseurs à compression. Les COP varient en fonction de la charge du refroidisseur ; il faut effectuer des calculs précis du COP pour optimiser le rendement de l’installation. Pour plus de détails sur le fonctionnement théorique des refroidisseurs à compression, on pourra se reporter aux références [5] [6] [7]. T e

1.1.1.2 Techniques de compression Différents types de compresseurs sont envisageables selon l’utilisation du refroidisseur. Les refroidisseurs équipés d’un compresseur à pistons sont généralement utilisés pour des puissances frigorifiques relativement modérées (inférieures à 1,5 MW) et ont un coefficient de performance plus bas que celui des autres types de refroidisseurs, ce qui réduit leur utilisation dans le domaine du froid urbain. Cette technique est bien connue et facile à exploiter. Il faut noter qu’il existe des compresseurs à pistons dont les puissances frigorifiques vont jusqu’à 30 MW et qui peuvent produire du froid jusqu’à des températures cryogéniques. Ils sont très efficaces, mais leurs coûts d’investissement et d’entretien sont élevés [8]. 

Les compresseurs à vis deviennent d’un emploi plus courant et sont disponibles avec des puissances frigorifiques qui les rendent plus adaptés aux applications de froid urbain (jusqu’à 7 MW). On porte de plus en plus d’intérêt aux compresseurs à vis, particulièrement dans le cas d’une utilisation avec l’ammoniac, car ils sont très efficaces et bien adaptés aux taux de compression élevés de l’ammoniac. Cependant, par rapport aux compresseurs à piston, leur bruit pose un problème potentiel. Mais, comparés aux compresseurs centrifuges, ils restent très efficaces avec de l’eau de refroidissement à basse température [8]. 

Les compresseurs centrifuges (figure 2) sont les plus courants dans le domaine du froid urbain. Leur puissance frigorifique peut atteindre 25 MW et ils s’adaptent facilement aux variations de charge, jusqu’à un minimum de 40 %. Au-dessous de cette charge minimale, des phénomènes d’instabilité sont susceptibles de se produire. Leur fiabilité, leur coût de fonctionnement par mégawatt et leurs faibles dimensions sont aussi des avantages certains. La différence de prix entre les compresseurs à vis et les compresseurs centrifuges doit être évaluée sur la base des projets spécifiques. Lorsque les températures du condenseur et de l’évaporateur ont été fixées, il faut éviter les grandes pressions différentielles [9] par le choix d’un fluide frigorigène approprié. 

Figure 2 – Refroidisseurs centrifuges dans la centrale de Bercy (RFU de Climespace, à Paris)

1.1.1.3 Moteurs utilisés dans les refroidisseurs à compression En raison de leur faible coût d’investissement et de fonctionnement, les moteurs électriques sont ceux choisis le plus fréquemment pour l’entraînement des refroidisseurs à compression. D’autres dispositions peuvent toutefois être envisagées. Les turbines à vapeur sont utilisées dans un certain nombre de réseaux de froid urbain (RFU) aux États-Unis. Certains procédés industriels et l’incinération de déchets sont générateurs de sous-produits (chaleur ou vapeur) qui peuvent être obtenus gratuitement. Dans de tels cas, les turbines à vapeur peuvent assurer le fonctionnement des refroidisseurs sans coût énergétique supplémentaire. En raison de l’augmentation du prix de l’électricité en été dans certains pays et de la disponibilité du gaz naturel à un prix relativement bas, les moteurs à combustion et les turbines à gaz sont également utilisés. Les turbines à vapeur et les moteurs à combustion sont parfois préférés car ils fonctionnent même en cas de panne d’électricité. Bien que les moteurs à combustion aient un meilleur rendement que les turbines à vapeur, celles-ci apportent une meilleure sécurité puisqu’il est possible d’alimenter la turbine couplée au refroidisseur à partir de plusieurs chaudières et, ainsi, de disposer de plusieurs combustibles. Dans le choix d’une réalisation par turbine ou moteurs, il faudra prendre en compte les coûts d’exploitation qui sont bien plus élevés pour les moteurs.

1.1.1.4 Fluides frigorigènes et leur impact sur l’environnement Au cours des cinquante dernières années, l’utilisation des CFC (chlorofluorocarbones), en raison de leur grande stabilité et de leur bonne adaptation aux nécessités du cycle à compression, s’était presque généralisée [10]. Maintenant, ces fluides, accusés de contribuer à la destruction de la couche d’ozone et à l’effet de serre, sont interdits. De nouveaux produits sont utilisés, d’autres font encore l’objet de mise au point [11] [45]. Ainsi, tous les refroidisseurs fonctionnant avec les CFC ainsi, qu’à terme, ceux fonctionnant avec les HCFC (hydrochlorofluorocarbones) devront être remplacés. Par exemple, 60 000 centrales de refroidissement auraient dû être changées aux États-Unis pendant la dernière décennie [12].


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Eau de refroidissement Condenseur

Q c

Générateur

Vapeur d'eau

T c

Q g

T g

Fluide chaud : vapeur, eau ou gaz (combustion directe)

Eau Échangeur

Détendeur Solution Absorbeur concentrée

Évaporateur

Pompe du réfrigérant

T e

Solution diluée

T a

Vers utilisation d'eau glacée Retour d'eau glacée utilisée Q g Q e Q a Q c

: : : :

Q e

Q a

Eau de refroidissement

énergie fournie au générateur énergie fournie à l'évaporateur énergie récupérée à l'absorbeur énergie récupérée au condenseur

Figure 3 – Schéma d’un cycle d’absorption à simple effet utilisant de l’eau comme frigorigène et du bromure de lithium comme absorbant

Des HCFC tels que le R 22 et le R 123 ou des HFC (hydrofluorocarbones) tels que le R134 a ou encore l’ammoniac (R 717) sont utilisés pour remplacer les CFC. Cependant, les caractéristiques et les avantages de ces fluides restent souvent inférieurs à ceux des CFC et les recherches pour trouver d’autres fluides de remplacement se poursuivent. L’ammoniac, qui n’a pas d’effet néfaste sur l’ozone de la stratosphère, a des caractéristiques frigorifiques intéressantes, mais son utilisation peut être problématique en raison de son caractère toxique en cas de fuite. Des mesures très strictes contre les fuites sont indispensables. L’eau peut également être utilisée dans les centrales de fortes puissances. Des essais sont actuellement en cours sur des refroidisseurs centrifuges. Leur COP est situé entre 8 et 12. Avec ce type de machine, l’eau du réseau peut être utilisée directement dans le cycle de compression du refroidisseur [13].

1.1.2 Refroidisseurs à absorption Le processus d’absorption est une autre technique industrielle pour la production d’eau glacée. Elle est utilisée en Europe mais, plus encore, aux États-Unis et au Japon, où l’on a beaucoup fait pour améliorer ses performances. Les refroidisseurs à absorption utilisent directement la chaleur comme source première d’énergie pour produire le froid, au lieu d’énergie mécanique, comme c’est le cas des refroidisseurs à compression. Selon la technique employée, la source chaude peut être constituée par de la vapeur d’eau, de l’eau chaude, ou encore les fumées provenant de la combustion directe de gaz. L’utilisation des refroidisseurs à absorption est extrêmement souple. Ils peuvent être intégrés à un réseau de chauffage urbain par vapeur, eau chaude ou gaz (cf. article [BE 9 323] dans ce volume). Il s’agit là de la pratique dominante en matière de froid urbain en Allemagne comme au Japon. Ils peuvent également être utilisés dans l’industrie. Leur utilisation est optimale lorsqu’une chaleur à

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faible potentiel est disponible, dans des conditions telles qu’il est impossible d’entraîner une turbine à vapeur. Exemple : deux refroidisseurs à absorption au bromure de lithium ont été utilisés dans le réseau de froid urbain de l’aéroport d’Orly, à Paris. Ils fonctionnaient grâce au chauffage par la vapeur provenant de la centrale thermoélectrique [14].

1.1.2.1 Principe de fonctionnement et performance Le fluide frigorigène est absorbé, en dégageant de la chaleur, par un liquide sous basse pression d’évaporation. Il est désorbé du mélange en absorbant la chaleur d’un système de chauffage, à la pression de condensation. L’effet frigorifique est obtenu dans un évaporateur classique. Deux fluides sont utilisés dans ce cycle : — le fluide frigorigène , qui doit s’évaporer et se condenser et qui est généralement de l’eau. L’ammoniac permet d’obtenir des températures négatives (jusqu’à − 60 °C), mais il a des effets toxiques en cas de fuite ; — l’absorbant, qui doit absorber la vapeur du frigorigène, et qui est généralement du bromure de lithium. Les machines à bromure de lithium peuvent produire de l’eau glacée jusqu’à 5 °C, ce qui correspond aux besoins des RFU. Ce composé n’a aucun effet sur l’environnement. La figure 3 illustre le principe du refroidisseur à absorption. On peut résumer le cycle d’absorption comme suit : — au générateur, de la vapeur, de l’eau chaude ou des fumées provenant d’une combustion sont utilisées pour porter à ébullition un mélange de fluide frigorigène et d’absorbant. La vapeur de fluide frigorigène se dégage et la solution d’absorbant est concentrée ; — la vapeur de frigorigène dégagée dans le générateur est entraînée dans le condenseur. L’eau de refroidissement refroidit puis condense le frigorigène ; — le frigorigène liquide passe dans l’ évaporateur après avoir traversé le détendeur. L’eau glacée à température plus élevée que le fluide frigorigène permet son évaporation ; — la vapeur de frigorigène provenant de l’évaporateur passe ensuite dans l’ absorbeur où l’eau de refroidissement élimine la cha-



leur émise par l’absorption des vapeurs de frigorigène. La solution diluée retourne au générateur par l’intermédiaire d’une pompe ; — un échangeur thermique transfère la chaleur de la solution concentrée relativement chaude provenant du générateur vers la solution diluée qui retourne au générateur, et réduit ainsi la quantité de chaleur qui doit être rejetée de l’absorbeur. Pour les refroidisseurs à absorption, le coefficient de performance s’exprime par la formule suivante [6] : CO P f

avec

Q e

= -------

Q g

;

Q g + Q e

=

Q a + Q c

énergie fournie au générateur, énergie fournie à l’évaporateur, Q a énergie récupérée à l’absorbeur, Q c énergie récupérée au condenseur. Comme pour les refroidisseurs à compression, la valeur du COP qui correspondrait au fonctionnement d’une machine idéale peut être obtenue pour la relation : Q g Q e

CO P f

avec

T e

= -----------------------

( T c – T e )

×

( T g – T c )

-----------------------

T g

température d’entrée du fluide f rigoporteur, température d’entrée du fluide de refroidissement, T g température d’entrée du fluide chaud. Comme pour les refroidisseurs à compression, les COP des systèmes d’exploitation sont en gros la moitié des valeurs théoriques et se situent dans une plage de 0 à 1,2. Il convient de noter que, sur le plan technique, cette définition du COP diffère très sensiblement de celle du COP des machines à compression. En effet, pour comparer les deux processus sur le plan énergétique, il faudrait multiplier le COP des machines à compression par le rendement du moteur d’entraînement, pour un moteur thermique, ou par le rendement du moteur électrique multiplié par le rendement de production de l’électricité, dans le cas d’un entraînement par moteur électrique. Cependant, cette différence de définition du COP est justifiée économiquement si on cherche à comparer les coûts induits par l’achat des énergies directement utilisées pour le fonctionnement de la machine. T e T c

1.1.2.2 Refroidisseurs à absorption à simple ou double effet Le refroidisseur décrit ci-dessus utilise une technique à simple effet. Certains systèmes à absorption fonctionnant à partir de vapeur ou d’eau chaude ont des cycles à double effet où la chaleur provenant de la vapeur de fluide frigorigène au condenseur du premier générateur est utilisée pour préchauffer du fluide dans un second générateur. L’efficacité du système s’en trouve accrue. Les refroidisseurs à absorption à double effet ont besoin de 45 % d’énergie en moins par rapport aux refroidisseurs à simple effet, c’est-àdire qu’un refroidisseur à double effet a un COP maximal de 1,2 au lieu de 0,7 dans le cas d’un refroidisseur à simple effet, pour des régimes classiques de température pour de la climatisation. Les refroidisseurs à simple effet peuvent être utilisés avec une température de 65 °C à 140 °C dans le générateur, et les refroidisseurs à double effet avec une température de 170 °C. Cette différence de température déterminera leurs conditions d’utilisation. Les refroidisseurs à absorption simple et double effet sont disponibles dans une gamme de puissances frigorifiques très variables, allant jusqu’à 6 MW. Les constructeurs mettent actuellement au point des refroidisseurs à triple effet dont le COP est proche de 1,5. Les principaux pro-

blèmes techniques rencontrés concernent les hautes températures et les fortes pressions à l’intérieur de la machine.

1.1.2.3 Fonctionnement silencieux À l’exception des pompes hermétiques, nécessaires à la recompression du mélange et à la circulation des fluides calo- ou frigoporteurs, les refroidisseurs à absorption n’ont aucune partie mobile. Ils fonctionnent plus silencieusement (malgré quelques vibrations) que les refroidisseurs à compression. Cette différence peut se révéler importante dans les immeubles de bureaux ou les hôpitaux.

1.1.2.4 Contraintes techniques La puissance d’un refroidisseur à absorption faiblit lorsque la température de la source chaude diminue. Une surface d’échange thermique plus importante est nécessaire pour une puissance donnée de refroidissement, ce qui implique un coût d’investissement plus élevé par unité de puissance frigorifique. Gotebörg Energy a étudié l’impact produit sur les coûts d’investissement par l’installation d’un refroidisseur utilisant l’eau d’été normale à 75 °C de son réseau de chauffage urbain, et en a conclu qu’il était plus économique d’augmenter la température estivale de fonctionnement à 100 °C [5]. Un autre problème technique concerne le refroidissement de l’absorbeur et du condenseur du groupe à absorption. Si le refroidissement est effectué au moyen d’un circuit utilisant des tours de refroidissement, l’absorbeur et le condenseur doivent posséder de grandes surfaces d’échange, ce qui peut provoquer de grands panaches de vapeur d’eau. Le coût ainsi que l’impact sur l’environnement s’en trouvent accrus. Une façon de résoudre ce problème consiste à utiliser la chaleur rejetée pour produire de l’eau chaude. Les refroidisseurs à double effet, et tout spécialement les refroidisseurs à combustion directe, peuvent produire de l’eau chaude jusqu’à 80 °C, tout en produisant de l’eau glacée.

1.1.2.5 Fonctionnement et entretien Aux États-Unis [5], les avis diffèrent en ce qui concerne la comparaison des coûts d’entretien entre les refroidisseurs à absorption et à compression. Si l’on considère leurs équipements associés, les coûts concernant les refroidisseurs à absorption et les refroidisseurs à compression centrifuge entraînés par un moteur électrique semblent être pratiquement identiques. Il faut noter que l’entretien des refroidisseurs à absorption est réduit en raison du fait qu’il y a peu de parties mobiles et que leur durée de vie est ordinairement de trente ans. Le démarrage et l’arrêt des refroidisseurs à absorption prennent beaucoup de temps, ce qui réduit leur souplesse de fonctionnement par rapport aux refroidisseurs à compression centrifuge. En revanche, il faut noter la facilité d’adaptation des refroidisseurs à absorption : la charge peut varier facilement dans une plage de 10 à 100 % de la puissance nominale ; elle peut donc être adaptée avec précision aux grandes variations de besoins causées par la température ambiante et l’ensoleillement, avec une variation relativement faible du COP .

1.1.2.6 Investissement et coût de fonctionnement Le problème principal pour le développement de cette technique est le coût d’investissement des refroidisseurs à absorption par rapport aux refroidisseurs à compression. La situation sur le marché américain est illustrée figure 4. Des facteurs locaux, tels que les coûts supplémentaires d’augmentation de la puissance électrique nécessaire à l’alimentation de refroidisseurs à compresseurs, peuvent influer sur les coûts relatifs d’investissement [5]. Le prix élevé en été de l’électricité dans certains pays favorise aussi l’adoption des refroidisseurs à absorption. Un calcul simple montre que, dans le cas d’un absorbeur à combustion directe, le prix ramené à l’unité d’énergie du gaz doit être


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cycles diffèrent en ce sens que le cycle à absorption utilise une petite pompe à liquide pour produire le différentiel de pression, alors que le cycle à compression utilise un compresseur de vapeur dont la consommation en énergie primaire est beaucoup plus élevée.

Investissement ($ / kW) 350 300 250

Dans le cas le plus courant où le refroidisseur à compression est entraîné par un moteur électrique, le besoin total en électricité est beaucoup plus bas pour les refroidisseurs à absorption, le facteur de réduction pouvant aller jusqu’à 10. La puissance du raccordement électrique du bâtiment peut être réduite, ce qui permet d’importantes économies.

200 150 100 50 0

À l’opposé de cette faible consommation d’électricité qui caractérise les refroidisseurs à absorption, le besoin de refroidissement au condenseur et à l’absorbeur est bien plus important.

Centrifuge Centrifuge Absorbeur Absorbeur électrique turbine à vapeur à vapeur à vapeur simple double effet effet

Exemple : avec une capacité de refroidissement de 10 MW disponible sur les tours de refroidissement, une puissance frigorifique de 8 MW peut être produite avec un groupe à compression, mais seulement de 5 MW avec un groupe à absorption à double effet. Cet inconvénient est encore plus net dans le cas d’un refroidisseur à simple effet.

Figure 4 – Coûts d’investissement comparatifs des techniques de refroidissement, y compris l’installation, les appareils associés et le coût des bâtiments [5]

Tous ces refroidisseurs, qu’ils soient à compression ou à absorption, requièrent des équipements associés, tels que pompes à eau pour évaporateurs et condenseurs, ventilateurs de tours de refroidissement et de condenseurs à air.

approximativement trois à quatre fois plus bas que le coût énergétique de l’électricité, pour compenser le surcoût d’investissement. Il faut noter que les ventes de refroidisseurs à absorption représentent de loin la part la plus importante du marché japonais de la climatisation, tant au niveau des refroidisseurs individuels qu’au niveau des RFU (cf. article [BE 9 322] de ce traité). Comme les RFU sont souvent la propriété des compagnies gazières, cette technique est préférée et se révèle financièrement intéressante. En Allemagne, les ventes de refroidisseurs à absorption ont progressé en 1990, parce que ces refroidisseurs apportent une solution facile au remplacement des CFC et qu’ils peuvent être associés à des RCU existants. Le pourcentage de renouvellement qui était auparavant de 5 à 10 % a augmenté aujourd’hui jusqu’à 40 voire 50 %.

1.1.3.2 Caractéristiques techniques des refroidisseurs Le tableau 1 résume les caractéristiques techniques principales des refroidisseurs disponibles sur le marché.

1.1.4 Refroidissement par eau de profondeur Le refroidissement par eau de profondeur ( Deep Water Source Cooling ou DWSC) implique, pour la production d’eau glacée, l’utili-

1.1.3 Comparaison entre refroidisseurs à compression et à absorption

sation de grandes quantités renouvelables d’eau naturellement froide comme dissipateur de chaleur, au lieu de l’utilisation d’équipements à forte consommation d’énergie. Cette notion est similaire à l’utilisation de l’énergie géothermique pour le chauffage urbain. Malgré de nombreuses études, il n’existe aujourd’hui que très peu d’installations utilisant ces ressources abondantes et renouvelables.

1.1.3.1 Énergie primaire Le cycle à absorption et le cycle à compression ont en commun l’évaporation et la condensation d’un fluide frigorigène. Les deux

Tableau 1 – Comparaison entre les refroidisseurs à compression et les refroidisseurs à absorption Technologie des machines frigorifiques Paramètre Énergie primaire Fluides COP

Gamme de puissance frigorifique ............................... (MW)

(m2 /kW)

Surface au sol ..................... Masse au sol ........................ (kg/kW) Q eau de refroidissement Q eau refroidie utile

BE 9 321 − 6

Refroidisseurs à compression

Refroidisseurs à absorption

Piston

Vis

Centrifuge

Simple effet

Double effet

Énergie mécanique

Énergie mécanique

Énergie mécanique

Eau chaude 65 °C < T < 80°C

R 134a, HCFC, NH 3

R 134a, HCFC, NH 3

R 134a, HCFC, NH 3

H2O − LiBr, NH3 − H2O

Vapeur ou gaz de combustion T > 170 °C H2O − LiBr, NH3 − H2O

4à6

4à6

0,6 à 0,75

1,2

0,1 à 1,5 0,006 à 0,016 5,2 à 9,1

0,3 à 7 0,006 à 0,016 5,2 à 9,1

0,5 à 25 0,006 à 0,016 5,2 à 9,1

0,1 à 5,8 0,01 à 0,03 8,5 à 22

0,1 à 5,3 0,01 à 0,03 8,5 à 22

1,2 à 1,25

1,2 à 1,25

1,2 à 1,25

1,91 à 2,5

1,91 à 2,5



5,5



Échangeur

Pompe d'eau de mer

Aller d'eau glacée (5,5 à 8,5 C)

Bâtiments

°

Pompe d'eau glacée

Mer

Prise d'eau glacée 4,4 à 7,5 C

Rejet d'eau de retour (9 à 14,5 C)

Retour d'eau glacée (10 à 15,5 C)

°

°

°

Prise d'eau de mer ou de lac

Centrale avec échangeur et pompes

1.1.4.1 Configuration du système La figure 5 illustre un exemple typique. Le réseau est séparé en trois parties différentes : pompage de l’eau froide, échangeur dans une centrale et réseau de distribution classique. L’échangeur permet d’utiliser de l’eau douce traitée dans la partie distribution, afin de limiter les problèmes liés à l’utilisation d’eau naturelle en circuit ouvert. Une spécificité technique de cette solution, comparée à un RFU classique, réside dans le traitement de la source d’eau et dans le choix des matériaux appropriés pour les conduites, les pompes et les échangeurs thermiques, afin d’éviter d’endommager le système à circuit ouvert. Les RFU classiques ont une température de distribution d’eau de l’ordre de 4 à 7 °C, ce qui implique une température de source d’eau inférieure à 5 °C. De l’eau à cette température est disponible dans un certain nombre de lacs profonds, le long de certaines côtes océaniques et dans les formations aquifères profondes. Des études ont démontré qu’on peut trouver de l’eau froide entre 3 et 6 °C à des profondeurs d’environ 70 m dans les lacs et de 500 à 1 000 m dans les océans [15]. Lorsque la température est plus élevée, l’eau profonde peut être utilisée pour le refroidissement du condenseur, comme indiqué paragraphe 1.1.4.3. Il est indispensable de faire une étude d’impact sur l’environnement et de s’assurer que la quantité d’eau disponible est suffisante pour minimiser l’impact du pompage. Cette étude doit aussi comprendre une recherche et une analyse portant sur les conséquences du pompage de grandes quantités d’eau froide en zone bathypélagique profonde et de leur retour dans la zone épipélagique superficielle à plus haute température.

1.1.4.2 Avantages du refroidissement par eau profonde Cette technique présente les avantages économiques et environnementaux suivants : — la seule énergie nécessaire est celle consommée par les pompes ; elle représente seulement 10 à 20 % de l’énergie utilisée par une centrale à refroidisseur centrifuge comparable ; — les rejets de CO2 sont grandement réduits, et on n’a besoin ni de tours de refroidissement, ni de fluide frigorigène. Cela réduit l’utilisation d’eaux de refroidissement traitées chimiquement et permet d’éviter les panaches de vapeur d’eau ; — comme on le voit dans le tableau 2, le refroidissement par eau de profondeur peut réduire la consommation d’énergie de l’installation d’un facteur pouvant aller jusqu’à 7.

Distribution d'eau glacée dans les bâtiments

Figure 5 – Réseau typique de refroidissement par source d’eau de profondeur

1.1.4.3 Production d’eau glacée par couplage eau de profondeur − refroidisseurs à compression − pompes à chaleur L’utilisation de machines frigorifiques à compression peut contribuer à améliorer l’efficacité globale d’un RFU et d’un RCU associés, car la chaleur excédentaire provenant des pompes à chaleur peut être utilisée dans un RCU existant. 

Exemple : cas du réseau Birka Energi de Stockholm Ce RFU fonctionne grâce à l’eau de la mer Baltique [16]. On a découvert, à 4 km de la ville, des conditions favorables à l’alimentation en eau froide couvrant la quasi-totalité des 35 MW nécessaires. Le reste est fourni par des pompes à chaleur (puissance 25 MW), qui refroidissent l’eau de mer avant le passage dans l’échangeur du RFU. À l’origine, les pompes à chaleur étaient utilisées dans le RCU. Cette production écologique ainsi que l’utilisation de pompes à chaleur déjà disponibles ont compensé l’investissement considérable dû à la longueur des tuyauteries d’eau de profondeur. L’arrivée est à une profondeur de 20 m pour l’alimentation et la sortie, pour l e retour, est en surface.

L’eau froide de profondeur peut aussi être considérée comme un des éléments d’un réseau multiproduction. 

Exemple : installation à Halifax Harbor, en Nouvelle-Écosse (Canada) Cette source est combinée à des refroidisseurs centrifuges entraînés par des moteurs électriques afin de produire la tot alité de la charge de refroidissement nécessaire aux bâtiments.

Tableau 2 – Comparaison de la consommation d’énergie : système basé sur le refroidissement par eau de profondeur et système à refroidisseurs à compression (1) Source

Groupe froid ................................ Pompes des groupes (2)............. Pompes de lac ou mer (2)........... Pompes au condenseur ............. Ventilateur de tours .................... Total .............................................

Production par Production par groupes froids eau profonde (kWe / kWf ) (kWe / kWf )

186 x 10 −3 20 x 10 −3

0 20 x 10 −3 14 x 10 −3 0 0 34 x 10 −3

−

28 x 10 −3 9 x 10 −3 243 x 10 −3

(1) kWf : puissance frigorifique exprimée en kW kWe : puissance électrique exprimée en kW (2) puissance électrique pour pomper 30 m de colonne d’eau


BE 9 321 − 7


Enfin, lorsque de l’eau est disponible à une température plus élevée que celle requise pour la production directe d’eau glacée, elle peut être utilisée pour le refroidissement du condenseur d’un refroidisseur classique au lieu de tours de refroidissement. 

Exemple : RFU de Lisbonne L’eau du Tage est pompée pour refroidir une boucle à eau douce de refroidissement des condenseurs. Après être passée par les échangeurs, l’eau retourne au fleuve par un collecteur d’eaux pluviales. Cette solution exige un entretien, une filtration et un trai tement d’eau minutieux pour éviter l’apparition d’algues ou de mollusques, ou la corrosion des tubes d’arrivée et des échangeurs et leur encrassement. Les tuyaux de raccordement sont en béton, et les échangeurs de chaleur en titane.

1.1.5 Autres techniques

Ce type de refroidisseur demande, en guise d’énergie primaire, une source de chaleur à une température allant de 80 à 100 °C (eau chaude) et peut produire de l’eau glacée jusqu’à une température de 5 °C. Au condenseur et en phase d’adsorption, le refroidisseur rejette une grande quantité de chaleur, ce qui exige un système de refroidissement onéreux de puissance élevée. L’eau de refroidissement, à 50-53 °C, comme dans le cas des refroidisseurs à absorption, peut être utilisée pour du chauffage ou du préchauffage.

1.1.5.3 Détente de gaz Exemple : à Vincenza, en Italie, l’effet de refroidissement provoqué par la détente de 85 millions de mètres cubes de gaz par an, de 50 à 4 bar, est directement exploité dans le RFU pendant l’été. Pendant toute l’année, la production de froid est complétée par des pompes à chaleur fonctionnant dans un site géothermique, principalement utilisées pour le RCU [20].

1.1.5.1 Refroidissement naturel (free cooling )

1.1.5.4 Coulis de glace

La technique de refroidissement naturel consiste à utiliser la température ambiante pour refroidir l’eau utilisée dans le réseau de distribution. Tout comme dans le cas du refroidissement par eau de profondeur, la condition première est de pouvoir disposer d’une basse température. Un échangeur air-eau est installé dans un endroit exposé au vent ou sur le toit d’un bâtiment pour améliorer l’échange thermique. En effet, l’eau glacée doit être à une température d’environ 5 °C dans le réseau. Le refroidissement naturel est utilisé principalement aux ÉtatsUnis pour la climatisation de bâtiments individuels ou de salles d’ordinateurs, pendant l’hiver. Cette technique permet d’obtenir un coût d’exploitation modéré. Des ajustements peuvent être effectués pour optimiser cette solution. La production de froid peut se faire en deux temps. Le premier consiste en un refroidissement préliminaire du retour d’eau par l’intermédiaire de l’échangeur de refroidissement naturel. On ajoute ensuite un refroidisseur en aval du refroidissement naturel pour obtenir la bonne température.



Exemple : système utilisé pour la production d’eau glacée dans le tunnel sous la Manche Les échangeurs de chaleur sont utilisés tour à tour pour le refroidissement naturel en hiver et pour le refroidissement des condenseurs des groupes frigorifiques en été. On trouvera des renseignements complémentaires sur cette installation dans la référence [17].

1.1.5.2 Refroidisseurs à adsorption Dans les refroidisseurs à adsorption, la différence avec les refroidisseurs à absorption, où le fluide frigorigène est absorbé par un agent absorbant liquide, réside dans le fait que le fluide frigorigène est retenu à la surface d’une substance hygroscopique, comme des granulés de gel de silice ou de la zéolithe, par exemple. Le processus a lieu dans l’adsorbeur, où le refroidissement par circulation d’eau permet l’adsorption jusqu’à ce que le gel de silice ou la zéolithe atteigne son niveau de saturation, après quoi la capacité d’adsorption de la substance doit être régénérée [18] [19]. Cette phase de régénération (ou de désorption) est effectuée dans le même volume fonctionnant en générateur, en arrêtant le refroidissement et puis en chauffant afin de débarrasser l’agent adsorbant de la vapeur d’eau (ou d’un autre produit) qu’il contient. Afin d’assurer un fonctionnement moins discontinu du refroidisseur, la machine comporte deux parties distinctes dont les fonctions générateur et collecteur sont périodiquement permutées, par exemple toutes les cinq minutes. Ces machines ont un COP de l’ordre de 0,6.

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Principe

Les systèmes à coulis de glace (encore appelés parfois sorbet ou, en anglais, ice slurry ) sont basés sur la circulation d’une solution de l’agent refroidissant, généralement une solution aqueuse, avec ses cristaux de glace en suspension à la température de fusion [21]. Pour l’eau, la température sera inférieure à 0 °C. Ce procédé améliore la puissance du système de deux façons : en augmentant la différence de température entre départ et retour, et par l’utilisation de la chaleur latente de la glace. Cela permet une réduction du débit pour une même quantité d’énergie frigorifique transportée. La capacité de refroidissement des coulis de glace peut être de deux à six fois plus importante que celle de l’eau glacée traditionnelle. Par conséquent le diamètre des tuyaux peut être réduit, d’où une réduction significative des coûts. L’utilisation de ce fluide peut également permettre d’éviter le remplacement des tuyaux dans un réseau existant, lorsqu’une grande augmentation de charge est nécessaire. Comme on peut le lire dans la référence [22], quelques systèmes existent au Japon, mais sans circulation de sorbet. Les autres pays où le coulis de glace est utilisé pour la climatisation sont la Corée, la Chine, l’Afrique du Sud (refroidissement des mines profondes) et le Canada. Plusieurs grosses centrales d’une capacité frigorifique allant jusqu’à 4 MW existent également au Botswana et au Danemark. Cette solution technique a un grand avenir dans les RFU, mais on procède encore à des essais sur le coulis de glace dans plusieurs pays. Elle est de plus en plus utilisée en réfrigération commerciale. Il faut également remarquer que les sociétés exploitant les mines en profondeur d’Afrique du Sud doivent trouver des solutions techniques pour accroître rapidement la longueur et la charge des réseaux. L’expérience acquise peut être utile dans le cadre des RFU. La technique basée sur le sorbet rend nécessaire un processus de production spécifique, ainsi que des méthodes spéciales de stockage et de distribution, qui seront décrites dans la suite de cet article. 

Production

Les coûts d’investissement et de fonctionnement des refroidisseurs à coulis de glace sont plus élevés que ceux des refroidisseurs traditionnels, mais des progrès importants sont réalisés en vue de réduire les coûts supplémentaires [22]. Actuellement, il existe au moins deux options disponibles sur le marché pour la production du sorbet [22] : — l’une utilise un évaporateur fonctionnant sur le principe de surfusion de l’eau. Un écoulement d’eau, lorsqu’il est refroidi lentement, peut être mis en surfusion de plusieurs degrés sans formation de glace sur la paroi. Une fois que l’eau a quitté l’évaporateur, des



cristaux de glace se forment en raison de l’état physiquement instable de l’écoulement ; — l’autre utilise un système à racleur pour amener les cristaux de glace depuis le bord de la paroi jusqu’à la masse de liquide. Il existe d’autres procédés, tels que le procédé à point triple, qui congèle l’eau dans le vide, le flow-ice process , le procédé Sunwell et le procédé CBI. On peut noter que, dans la ville de Nagaoka, au Japon, 28 000 familles peuvent utiliser un système de climatisation utilisant la neige. La neige est stockée pendant les grosses chutes hivernales et réutilisée pendant l’été [23].

1.2 Conception de la production et intégration des RFU 1.2.1 Production d’eau glacée centralisée La production d’eau glacée est basée principalement sur les refroidisseurs d’eau à compression utilisant le principe le plus classique et possédant le COP le plus élevé. Ce sont généralement des unités monoblocs et les différents fabricants ont perfectionné la technique en combinant leur expérience et des solutions modernes au niveau des composants, comme les échangeurs à plaques (plus efficaces et permettant d’utiliser une quantité moindre de fluide frigorigène), les régulations électroniques et l’automatisation. La maintenance en est bien connue et les pièces détachées sont facilement disponibles. Ces systèmes sont généralement entraînés par des moteurs électriques mais les centrales de froid urbain sont souvent raccordées à d’autres sources d’énergie, comme le chauffage urbain, la valorisation énergétique des déchets ou la cogénération, dans des conceptions d’utilisation efficace de l’énergie. Dans de tels cas, d’autres entraînements sont utilisés : turbine à gaz ou à vapeur, moteur alternatif à combustion interne (cf. § 1.1.1.3). On utilise également dans certains cas des refroidisseurs à absorption (cf. § 1.1.2). Le choix dépend toujours des tarifs locaux des énergies. La conception d’une centrale doit inclure le calcul de la puissance totale et la disposition de tous les composants en vue de satisfaire, de la façon la plus économique possible, les exigences du projet, au niveau des investissements tout comme au niveau de l’exploitation à long terme. Il faut prendre en compte la possibilité de développement et rester ouvert à une évolution future vers des solutions plus larges.

1.2.2 Production d’eau glacée par centrales multiples Un réseau peut avoir plusieurs centrales de refroidissement. Il peut s’agir de centrales de production d’eau glacée ou de stockages d’énergie thermique. Cette conception améliore la fiabilité de la distribution. Elle peut aussi devenir une obligation lorsque la demande de froid dépasse la capacité de débit des tuyaux à la sortie de la centrale. Plusieurs centrales de production peuvent être gérées à distance avec un bon contrôle des paramètres d’exploitation. Les actions suivantes permettent de réduire les coûts d’exploitation. Il faut : — éviter le fonctionnement à charge réduite car il entraîne une diminution des COP ; — régler la température de départ et le débit de chaque centrale, car le COP décroît avec la baisse de la température de départ d’eau glacée ;

Figure 6 – Refroidisseurs disposés en parallèle au RFU de Climespace, à Paris

— choisir la source d’énergie primaire la plus économique ; — intégrer quelques refroidisseurs locaux pour écrêter la production de froid maximale et les forts débits et pour éviter l’investissement d’une nouvelle centrale.

1.2.3 Production en parallèle et en série En général, la production d’eau glacée pour les applications de froid urbain fait appel à plusieurs machines pour fournir la charge du RFU. Les refroidisseurs peuvent être disposés en série, en parallèle ou selon une combinaison des deux moyens. La mise en série permet différents étages de refroidissement de l’eau. 

Exemple : le processus de refroidissement du tunnel sous la Manche fonctionne avec un système de refroidissement naturel complété, en aval des retours, par un refroidisseur à compression utilisant un moteur électrique pour amener l’eau des départs à la température nécessaire [17].

Cette technique est limitée au niveau de la puissance : lorsque la charge est importante, le débit nécessaire dépasse le débit maximal des évaporeurs en série. Si le réseau est composé de différentes centrales, la configuration en série s’avère impossible. La technique la plus courante consiste à disposer les refroidisseurs en parallèle . L’eau glacée en sortie des refroidisseurs est mélangée dans un collecteur avant d’être dirigée sur le réseau. 

Exemple : la centrale des Halles, à Paris, comporte dix refroidisseurs à compresseurs (neuf centrifuges et un à vis) disposés en parallèle [24] (figure 6).

On peut combiner les dispositions en série et en parallèle , ce qui offre une bonne souplesse de fonctionnement et permet d’adapter la puissance de production à la charge. C’est la solution qui a été choisie sur le site Expo 98 à Lisbonne et à Capitol Hill, à Washington (États-Unis). 


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Exemple : — à Lisbonne, deux refroidisseurs à absorption en parallèle assurent le premier étage du refroidissement, de 12 à 8 °C. Ils sont disposés en série avec deux refroidisseurs à ammoniac et à compresseur à vis fonctionnant en parallèle et assurant le deuxième étage de 8 à 4 °C ; — le réseau de Capitol Hill desservait déjà les locaux du gouvernement avant la Seconde Guerre mondiale [25]. L’augmentation de charge a rendu nécessaire une modification du système de production. Trois modules indépendants d’une puissance de 70 à 84,5 MW ont été prévus. La figure 7 représente le schéma du premier module, fonctionnant en parallèle avec l’ancienne centrale. La production de la centrale est symétrique. Dans chaque chaîne de production, deux refroidisseurs sont disposés en série. Pour améliorer la souplesse de la centrale, des dérivations ont été mises en place pour permettre n’importe quelle combinaison de refroidisseurs.

1.2.4 Intégration de refroidisseurs à absorption dans la cogénération Lorsque la puissance provient d’un combustible et qu’elle est rendue disponible sur l’arbre d’une machine ou sous forme d’énergie électrique, et si la chaleur résiduelle du moteur d’entraînement n’est pas utilisée au mieux, l’efficacité du processus ne dépasse pas 20 à 40 %. Le but de la cogénération est d’utiliser la plus grande partie des 60 à 80 % d’énergie disponible après la production d’électricité, et ainsi de réduire les pertes énergétiques. La cogénération est la production simultanée de chaleur et d’électricité ; on l’appelle aussi production « chaleur/force ». Une façon d’utiliser la chaleur disponible consiste à intégrer un refroidisseur à absorption. Dans cette disposition, le terme « trigénération® » a été utilisé par TRIGEN aux États-Unis. La cogénération est largement développée dans certains pays où le prix de l’énergie en fait une solution rentable. Exemple : au Danemark, 70 % des chauffages urbains font appel à la cogénération [26].

Aller

1.2.4.1 Techniques de cogénération Une turbine à vapeur couplée à un alternateur est le générateur d’électricité le plus courant au monde [5]. La technique de cogénération consiste à utiliser l’énergie disponible dans la vapeur à la sortie de la turbine pour l’utiliser dans un procédé, pour du chauffage ou bien comme source de chaleur d’un refroidisseur à absorption. On peut également pratiquer, à des fins identiques, des soutirages de vapeur sur la ligne de détente. Les moteurs alternatifs à combustion interne sont disponibles pour des groupes électrogènes jusqu’à une puissance électrique de 50 MW. On récupère la chaleur, d’une part au niveau des gaz d’échappement au moyen d’un récupérateur de chaleur à une température d’environ 350 à 450 °C, d’autre part au niveau du système de refroidissement du moteur, à une température plus basse (80 °C environ). La gamme des turbines à gaz, dites aussi turbines à combustion, varie de 1 à 250 MW. En cogénération, l’arbre moteur entraîne généralement un générateur électrique. La chaleur résiduelle des gaz d’échappement, à une température d’environ 450 à 550 °C, est récupérée par une chaudière adaptée. Nota : Pour de plus amples renseignements sur la cogénération, on se reportera aux articles spécialisés de ce traité [B 8 910], [BE 9 340], [BE 9 341] et [BE 9 342], références [41] [42] [43] et [44] en [Doc. BE 9 324].

1.2.4.2 Amélioration du rendement énergétique de la cogénération Par récupération directe de la chaleur des gaz Dans les RFU, les refroidisseurs à absorption à double effet sont surtout utilisés pour obtenir davantage de puissance. Il leur faut une énergie motrice à haute température. Ils peuvent recevoir directement les gaz d’échappement d’une turbine à gaz ou d’un moteur à combustion interne par l’intermédiaire d’un échangeur thermique spécialement conçu pour réchauffer la solution de bromure de lithium par exemple [27]. Il est possible d’augmenter la production de froid en améliorant la quantité et la qualité thermiques du flux des gaz d’échappement, au moyen d’un brûleur auxiliaire de postcombustion pour augmenter la température des gaz. La température de sortie de l’eau glacée du refroidisseur est réglée en contrôlant le flux de gaz d’échappement à travers l’échangeur thermique au bromure de lithium. Les gaz d’échappement chauds inutilisés peuvent être dirigés vers un autre dispositif de récupération de chaleur ou envoyés directement vers l’atmosphère. 

Par refroidissement de l’air de combustion Les performances des turbines à gaz diminuent lorsque la température de l’air de combustion augmente. L’incidence sur la puissance d’une turbine peut aller jusqu’à 15 à 18 % ou plus quand la température de l’air est élevée. L’utilisation du froid en provenance du refroidisseur à absorption pour refroidir l’air de combustion permet d’éviter les hautes températures d’arrivée. La production de froid pour le réseau peut donc également améliorer les performances d’été de la turbine à gaz [27] et apporter une plus-value au système complet. 

Retour

Refroidisseur

Refroidisseur

Refroidisseur

Refroidisseur

1.2.5 Intégration de sous-stations de froid dans le chauffage urbain

Figure 7 – Schéma simplifié du module de la centrale de refroidissement de Capitol Hill (Washington DC)

BE 9 321 − 10

Pendant l’été, les RCU ont une charge réduite. Un RCU peut alors alimenter une sous-station de froid dans laquelle des refroidisseurs à absorption produisent l’eau glacée pour alimenter des réseaux secondaires. Deux solutions principales sont disponibles : intégration d’un refroidisseur à absorption à simple effet dans un réseau d’eau chaude à une température de 100 °C environ ou bien intégration de refroidisseurs à double effet dans un réseau de vapeur ou d’eau surchauffée.



En été, l’eau chaude des RCU est souvent à une température plus basse que pendant l’hiver. La température de retour peut être réduite à 60 °C. La combinaison du refroidisseur à absorption avec la situation d’un RCU en été doit être optimisée.

2. Stockage d’énergie thermique Le stockage d’énergie thermique (stockage de froid / stockage de chaleur) peut représenter une stratégie intéressante pour l’optimisation des RFU et des RCU. Il permet généralement une réduction assez importante des investissements et des coûts d’exploitation et un fonctionnement plus rationnel des équipements de production d’énergie.

2.1 Avantages et inconvénients du stockage d’énergie thermique 2.1.1 Stockage de froid On se réfère souvent au stockage thermique de froid sous l’abréviation SET (Stockage d’Énergie Thermique). Pendant les périodes où la demande de froid est faible, les équipements de production de froid fonctionnent en surpuissance. Le surplus d’énergie produite est stocké dans un SET. Le froid stocké est ensuite utilisé pour répondre à la charge de refroidissement appelée par les utilisateurs. Le milieu de stockage peut être l’eau glacée, la glace ou un sel eutectique à changement de phase.

2.1.2 Stockage combiné de froid et de chaleur Le stockage de froid et de chaleur peut être combiné de différentes façons, afin d’améliorer l’efficacité du réseau. Exemple : dans le parc technologique de Valladolid, en Espagne, le RCU comprend un stockage unique [28], utilisé en hiver pour stocker de la chaleur et en été pour stocker du froid. Afin d’optimiser le fonctionnement de la centrale de cogénération, et en raison de la possibilité de vendre de l’électricité au service public, la stratégie consiste à mettre les générateurs électriques en marche aussi souvent que possible. l’énergie thermique produite doit ensuite être stockée afin de s’accorder au profil de demande de chaleur.

2.1.3 Quelques inconvénients du stockage de froid et de chaleur Le principal inconvénient des systèmes de stockage est une influence négative sur certains aspects de la consommation d’énergie : — les pertes thermiques des réservoirs de stockage peuvent ne pas être négligeables, particulièrement dans le cas d’un stockage à petite échelle. Pour le stockage de froid à petite ou moyenne échelle, les pertes thermiques peuvent aller généralement [[29] p. 215] de 1 à 5 % de la capacité de stockage par jour ; — certains systèmes de stockage peuvent aussi provoquer une diminution de l’efficacité de la production. Par exemple, le stockage de glace exige une production de froid à environ − 10 °C au lieu de 5 °C dans des circonstances normales : comme le COP des refroidisseurs dépend de la température de l’évaporateur, la perte d’efficacité qui en résulte est d’à peu près 35 %.

2.2 Réservoirs de stockage thermique 2.2.1 Réservoir de stockage d’eau chaude

Le SET présente de nombreux avantages : — il permet de décaler la consommation d’électricité vers les heures creuses à tarif réduit ; — en raison des variations importantes entre les charges de refroidissement de jour et de nuit, il permet une réduction significative (en général 25 à 50 %) de la puissance à installer de la centrale de production de froid ; — il permet d’éviter l’utilisation d’un groupe électrogène de secours en cas de défaillance mécanique d’une machine ; — dans la plupart des cas, les SET sont prévus, dès la conception, pour réduire la puissance de la centrale de production de froid. Il est aussi courant d’installer un SET seulement lors d’une phase d’extension, pour repousser les limites d’un système dont la demande a dépassé ses capacités initiales de puissance. Le SET permet à chaque refroidisseur de fonctionner à sa puissance nominale, à plein rendement, assurant aussi un fonctionnement plus continu avec moins de démarrages et d’arrêts, ce qui améliore à la fois l’efficacité dans le temps et la durée de vie des machines. Pendant toute l’année, le SET améliore la moyenne du COP du refroidisseur car, pendant la nuit, la température du condenseur est bien inférieure à la température extérieure ambiante de la journée.

Le stockage d’eau chaude présente un intérêt dans le cas de la production de froid par des machines à absorption. Pour de grands réseaux urbains, des réservoirs pressurisés n’auraient aucune justification économique. C’est la raison pour laquelle les réservoirs de stockage sont généralement des réservoirs atmosphériques, ce qui limite en pratique la température à un niveau inférieur à 90 °C. On peut remarquer que, dans les installations CVC (chauffage, ventilation, climatisation) traditionnelles, la température de retour des réseaux de chauffage urbain n’est pas inférieure à 45 ou 55 °C. Cela permet une différence maximale de température entre aller et retour de 60 / 70 K [30]. Pour cette valeur de ∆T , la puissance énergétique est d’environ 70 kWh/m 3 − bien qu’en pratique elle soit souvent très inférieure. Les nouveaux équipements CVC, comme Thermonet [30], semblent avoir la capacité de s’adapter à des températures de retour d’un niveau de 15 à 20 °C à peine, ce qui équivaut à une puissance supérieure pour un volume donné d’eau stockée.

2.2.2 Réservoir de stockage d’eau glacée En raison des faibles valeurs de ∆T que l’on peut atteindre en pratique, la puissance énergétique d’un stockage d’eau glacée (SEG) est limitée à environ 10 kWh/m 3. Si on prend l’exemple d’un stockage parfaitement stratifié avec un ∆T égal à 10 K, on obtient une puissance théorique de 12 kWh/m 3.


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Diffuseur supérieur

Profondeur du réservoir

Thermocline Gradient de température vertical

Diffuseur inférieur a

5

Profondeur du réservoir Thermocline

10 15 Température ( C)

5

°

position de la thermocline (charge partielle)

10 15 Température ( C) °

b

position de la thermocline (décharge totale)

Figure 8 – Exemple de profil vertical de température en stockage stratifié

Plus la différence de température ∆T est élevée, plus la puissance sera élevée. Une tendance prometteuse consiste à augmenter la capacité de froid en utilisant une saumure au lieu d’utiliser de l’eau. Exemple : à Chicago [31] [32], les 32 000 m 3 du SEG ont été récemment transformés en un système de saumure à basse température (− 1 °C) pour atteindre une puissance maximale de stockage (valeur cible : 13,5 kWh/m 3).

L’eau glacée est stockée dans des réservoirs. On pourrait penser à utiliser ce qu’on appelle des « réservoirs à mélange », où la température de l’eau serait uniforme dans tout le réservoir. Toutefois, comme le montrent les références [12] [33], la stratification des températures permet une meilleure efficacité. Dans la plupart des cas, on préfère des réservoirs stratifiés, où la stratification peut être naturelle ou obtenue avec des techniques différentes, pour séparer l’eau froide de l’eau chaude de retour (cf. § 2.3.2).

2.2.3 Combinaison du SET et de la réserve incendie Les règlements concernant la construction des bâtiments peuvent rendre obligatoire l’installation d’un réservoir destiné à assurer une alimentation fiable en eau pour les réseaux de sprinkleurs, en cas d’incendie. Dans ce cas, il peut être possible de combiner les exigences de protection contre l’incendie avec la fonction de stockage [33] [34].

2.3 Technologies de stockage de l’énergie thermique L’eau est le milieu le plus courant pour le stockage de chaleur ou de froid. Toutefois, pour faire en sorte que l’eau reste à l’état liquide, la valeur du ∆T ne peut généralement pas dépasser 15 K dans le cas du stockage de froid et 70 K pour le stockage de chaleur. Il s’avère que, contrairement aux stockages d’eau chaude, les stockages d’eau glacée sont souvent très volumineux. Alors que le stockage d’eau chaude est le seul type de stockage utilisé pour les réseaux de chauffage urbain, un grand nombre de méthodes de stockage de froid ont été développées pour améliorer le rendement des RFU indépendants.

BE 9 321 − 12

2.3.1 Systèmes à stratification naturelle Les systèmes à stratification naturelle sont probablement les plus économiques et les plus fiables, en raison de leur simplicité. Ils utilisent la gravité pour séparer l’eau glacée de départ (plus lourde) de l’eau de retour (plus légère). Les réservoirs à stratification naturelle assurent une séparation efficace sans recourir aux obstacles physiques ou à un système relativement complexe de tubes et de vannes, comme dans le cas d’un système à réservoirs multiples à un grand nombre de réservoirs. Des projets de recherche comparant l’efficacité des systèmes à stratification à d’autres systèmes, comme ceux à membrane, ont montré que la différence d’efficacité est souvent très faible ; dans bien des cas, les systèmes de stratification, plus économiques, sont préférables.Toutefois, il est important d’éviter la déstratification qui pourrait résulter d’une mauvaise conception des arrivées et des sorties d’eau. Il faut utiliser des diffuseurs pour remplir le réservoir doucement par un écoulement permettant de conserver une « thermocline » suffisamment nette, comme illustré sur la figure 8. L’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Conditio- ning Engineers ) donne des indications [29] concernant la conception du diffuseur et les calculs correspondants avec une distribution d’eau interne en « arborescence » pour assurer un autoéquilibre des débits (figure 9). En raison du temps de réponse du refroidisseur, il convient de prendre garde à ce que les opérations transitoires ne bouleversent pas la stratification. Un certain délai est généralement nécessaire avant que la température de l’eau glacée n’atteigne la valeur souhaitée après la mise en fonctionnement du refroidisseur. Par conséquent, il peut être souhaitable, comme dans le réseau de froid de Lisbonne, d’adapter la boucle d’eau de façon à éviter qu’une eau glacée à température trop élevée ne soit envoyée dans le stockage.

2.3.2 Autres méthodes de stockage d’eau glacée Différentes méthodes de stockage d’eau glacée (SEG) ont été conçues et utilisées sur des sites avant le succès des systèmes à stratification naturelle. La plupart d’entre elles ont été mises au point principalement pour éviter les mélanges d’eau glacée à température de départ avec l’eau de retour, et sont plus ou moins efficaces. Toutefois, elles nécessitent souvent des configurations complexes au niveau du réservoir ou des tuyauteries, ce qui les rend chères et/



Espace pour flux maximal

Espace pour flux maximal 5 C °

Espace de régulation

15 C °

5 C °

5 C

Volume d'eau avec mélange

5 C

5 C

5 C °

°

15 C °

Régulation de sortie Figure 11 – Réservoir à chicanes Centre du plafond

Diffuseurs Côté chaud

Figure 9 – Vue interne du stockage d’eau glacée à stratification naturelle à Lisbonne, Portugal (source : Climaespaço) 15 C °

15 C °

5 C °

°

°

Distributeur supérieur Côté froid

15 C °

Ancrage de membrane à mi-hauteur 5 C

15 C °

Figure 12 – Réservoirs en série

°

a

Distributeur inférieur

position de la membrane (charge partielle)

b

position de la membrane (décharge totale)

Figure 10 – Réservoir à membrane

ou difficiles à exploiter convenablement. Puisque le souci principal était le mélange, d’autres mécanismes ont été imaginés puis abandonnés en raison de risques de performances insuffisantes et de réduction du volume stocké utile. Le guide EPRI ( Electric Power Research Institute ) 1988 sur la conception des SEG [35] expose de façon complète les différentes techniques, avec leurs avantages et leurs inconvénients respectifs.

2.3.2.1 Réservoirs à membrane Les réservoirs à membrane utilisent une membrane souple pour séparer l’eau chaude de retour de l’eau froide stockée au-dessous (figure 10). Aux États-Unis, ces réservoirs étaient utilisés pendant une courte période, à l’époque où les diffuseurs n’étaient pas complètement au point, dans les systèmes de stockage où la stratification naturelle n’était pas satisfaisante [36]. Mais, à présent que l’expérience et les ordinateurs ont amélioré la conception des systèmes à stratification naturelle, le système à membrane a été abandonné. 2.3.2.2 Système à chicanes Le système à chicanes consiste en un espace de stockage unique divisé en plusieurs compartiments par une série de chicanes verticales. Dans ces systèmes, l’écoulement peut s ’effectuer du haut vers le bas, ou horizontalement (écoulement sinueux en tampon). Pen-

dant le remplissage, l’eau glacée est pompée dans un compartiment à partir duquel elle s’écoule dans des compartiments successifs. Le débit (figure 11) est conçu de telle manière que l’eau glacée pénètre par le fond de chaque compartiment, ce qui préserve la stratification naturelle. À mesure que le remplissage progresse, on voit se former une interface consistant en un petit volume d’eau mélangée. Cette interface, souvent appelée tampon, circule à travers le système à chicanes en rejetant l’eau la plus chaude. Les pertes énergétiques sont importantes, en raison des mélanges et d’un rapport surface/ volume élevé.

2.3.2.3 Système à réservoirs en série Un système à réservoirs en série reliés les uns aux autres, comme sur la figure 12, fonctionne de la même façon qu’un réservoir à chicanes. Il présente les mêmes problèmes de grandes pertes énergétiques, en raison d’un rapport surface/volume élevé et du coût important dû à la multiplication des réservoirs.

2.3.2.4 Système à labyrinthe Le système à labyrinthe a été développé à l’origine au Japon, où des murs maillés de fondation sont utilisés pour supporter les structures des bâtiments. Ces murs de fondation consistent en un réseau de poutres qui forment un ensemble d’alvéoles vides, généralement de sept pieds carrés. Les ingénieurs ont inséré des tuyaux dans les poutres reliant les alvéoles, créant ainsi un labyrinthe (figure 13). Ce système, qui utilise une particularité de certaines constructions japonaises, peut se révéler économique en dépit de ses défauts de fonctionnement, car il n’est pas nécessaire d’investir dans un réservoir de stockage.


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ment de phase, est bien plus importante. Dans le cas d’un RFU, on stocke de la glace, qui peut se transformer en eau glacée pour la distribution. 

La glace se forme sur la surface de l’évaporateur du refroidisseur et tombe périodiquement dans un réservoir de stockage rempli d’eau. La chute de la glace est provoquée par le dégivrage périodique de l’évaporateur (ce qui produit une baisse de performance d’environ 10 %). Généralement, le cycle de dégivrage dure une ou deux minutes toutes les trente minutes.

Figure 13 – Réservoir labyrinthe : vue en plan et schéma de circulation de l’eau



5 C

°

°

5 C °

5 C °

Réservoir vide

16 C °

5 C °

Circuit primaire 5 C °

Groupe

Stockage de coulis de glace

Les systèmes à coulis de glace, qui n’ont pas encore été utilisés commercialement à grande échelle, ont été présentés au paragraphe 1.1.5.4. Dans le cas des RFU, leur principal avantage est une grande capacité de refroidissement, qui peut contribuer soit à améliorer la performance de réseaux existants, soit à réduire le dimensionnement de nouveaux réseaux (diamètre des canalisations et/ou pompage). Leur énergie théorique est de 30 à 60 kWh/m 3, en fonction du pourcentage de glace dans l’eau (10 à 40 %).

Charge

5 C

Récolte de glace

16 C °

Position de charge totale du stockage Figure 14 – Système à réservoir vide

Le stockage de coulis de glace peut également être considéré comme une amélioration par rapport à la récolte de glace : le système est plus souple en raison du fait que la glace n’est pas nécessairement stockée à proximité du générateur de glace. Un autre avantage est que la production de ce coulis de glace ne fait appel à aucune énergie de dégivrage, ce qui améliore l’efficacité énergétique. 

Formation externe de glace

La glace se forme autour des tuyaux ou des tubes submergés dans lesquels circule un fluide frigorigène ou un fluide refroidisseur secondaire. Par fusion de la glace par contact direct avec un courant d’eau à l’extérieur des tubes, on obtient l’eau glacée pour la distribution.

2.3.2.5 Système à un réservoir vide Les systèmes à un réservoir vide sont constitués de deux réservoirs ou plus, utilisés en séquence plutôt qu’en série (figure 14). Le mélange est pratiquement évité. Pendant le cycle de décharge, de l’eau chaude de retour est admise dans le réservoir qui était auparavant vide. Une fois ce réservoir rempli, un autre aura été vidé de son eau glacée et c’est vers lui que sera dirigé le débit d’eau de retour. Les systèmes à réservoir vide sont très efficaces pour éviter les problèmes de déstratification. Toutefois les coûts d’investissement sont assez importants et la grande surface d’eau en contact avec l’air favorise l’introduction d’oxygène dans le réseau et exige un traitement d’eau local. Ce système est particulièrement avantageux dans les cas où il est impossible d’installer des réservoirs suffisamment hauts pour utiliser la stratification. Un système à réservoir vide fonctionne depuis l’été 1999 sur le réseau de Climespace, dans le centre de Paris [37]. Treize réservoirs d’une capacité totale de 13 000 m 3 sont situés sous le 5 e étage d’un parc de stationnement. Ce système peut débiter une puissance frigorifique de 17,5 MW pendant six heures.

2.3.3 Systèmes à changement de phase Le principal avantage des systèmes à changement de phase est la réduction du volume des réservoirs. En effet, la capacité thermique par mètre cube, grâce à l’apport de la chaleur latente du change-

BE 9 321 − 14



Formation interne de glace

La glace se forme sur des tuyaux ou des tubes submergés, similaires à ceux utilisés dans le système précédent. La circulation d’un fluide caloporteur tiède dans les tuyaux fait fondre la glace par transfert de chaleur à travers les parois, ce qui permet l’obtention d’eau glacée. C’est la solution qui a été choisie dans le RFU de Lyon, surtout pour améliorer la capacité du système [38]. 

Glace encapsulée

De l’eau, contenue dans des récipients de plastique submergés (le plus souvent des boules de plastique d’un diamètre de l’ordre de 8 cm), gèle et fond au gré de la circulation d’un fluide caloporteur froid ou tiède dans le réservoir contenant les ballons [39]. Des substances à changement de phase peuvent également être utilisées dans les boules de plastique. Il s’agit de sels eutectiques dont la température de fusion est située entre les températures d’arrivée et de retour du RFU ; l’énergie récupérée permet alors la fusion du sel. La société californienne Transphase commercialise, aux ÉtatsUnis et en Asie, un sel eutectique à changement de phase à 8 °C. Cette température est intéressante car elle assure un meilleur COP [33]. Elle améliore aussi les possibilités de production de froid au moyen de systèmes à refroidissement naturel.



2.4 Conception et dimensionnement du stockage de froid

) W M En service ( e u q i f i r o Charge g i r du f e stockage c n a s s i u P

2.4.1 Stockage d’énergie thermique réparti ou centralisé Les SET centralisés sont situés près de la centrale de production d’eau glacée, ce qui permet des économies d’échelle et l’utilisation de systèmes à glace aussi bien qu’à eau glacée. Les SET répartis sont situés à distance de la centrale. Ils apportent une amélioration de capacité à la fois au niveau de la production de froid et au niveau des tuyauteries. De ce fait, les SET répartis sont de plus en plus utilisés dans le but de dépasser les limites initiales de capacité de distribution du système. C’est une bonne solution lorsque des garanties supplémentaires de fonctionnement fiabilisé sont exigées. Toutefois, il faut remarquer que les SEG sont plus faciles à mettre en place en tant que systèmes répartis. En effet, leur chargement ne pose aucun problème, alors que le chargement en glace d’un SET réparti demande un raccordement à une installation centrale de production de glace par l’intermédiaire du pompage de coulis de glace ou d’un fluide caloporteur secondaire à basse température.

Exemple : prenons un profil de charge d’un jour-étalon avec une pointe de 2 000 kW durant 6 h et des besoins de 1 000 kW le reste de la journée. Le besoin journalier est alors de 30 000 kWh. En fonction du « design » du stockage, on peut obtenir l es points de fonctionnement du tableau 3.

En service

Charge de froid Décharge du stockage

Charge du stockage

Profil journalier Production par groupes directement

Production par groupes directement a

stockage total

) W M ( Fonctionnement continu des groupes e u Charge de froid q i f (faite par le stockage) i r o g i Charge Charge r f Charge de froid du du e (faite par les groupes) c stockage stockage n a s s i u Profil journalier P

2.4.2 Stockage total / stockage partiel Les systèmes de stockage conçus pour emmagasiner suffisamment de froid pour faire face à la charge maximale d’un RFU fonctionnent en mode de stockage total. Ceux conçus pour faire face à des charges instantanées fonctionnent en mode de stockage partiel. Les systèmes à stockage partiel utilisent un SET plus petit et des équipements dont la capacité de refroidissement est moins importante que dans le cas de système à stockage total, ce qui réduit les coûts initiaux mais limite le potentiel de réduction de la demande. Les systèmes à stockage partiel peuvent également atténuer la hausse de température de l’eau stockée, qui provient de transferts de chaleur pendant le stockage. En effet, l’eau froide en provenance directe de la centrale de refroidissement peut être mélangée avec l’eau glacée de sortie du stockage, ce qui augmente les différences de température du système, à condition que la température de retour puisse être maintenue, et provoque une réduction des coûts initiaux de distribution et des coûts opérationnels de pompage. Parmi les systèmes à stockage partiel, on peut distinguer les systèmes à réduction en pointe et les systèmes à écrêtage de la charge [29]. La méthode de réduction en pointe présente une solution intermédiaire entre le stockage total et l’écrêtage de la charge. Comme indiqué sur la figure 15, les économies sur la demande sont plus importantes que dans un système à écrêtage de charge, et moins importantes que dans un système à substitution totale de charge. Les systèmes à écrêtage de charge sont destinés à permettre une réduction maximale du dimensionnement du refroidisseur : les équipements de refroidissement fonctionnent continuellement à pleine charge et plein rendement pendant les 24 h du jour-étalon. Pendant le reste de l’année, le refroidisseur ne fonctionnera plus continuellement à charge nominale. En fait, il fonctionnera exactement comme un système à réduction en pointe. Le tableau 3, d’après la référence [35] illustre les valeurs types de dimensionnement en fonction des différents modes de fonctionnement du stockage.

Hors service

b

stockage partiel-écrêtage

) W M ( Réduction de la demande en pointe e u q i f i r Charge de froid o (faite par le stockage) g Charge Charge i r f du du e stockage stockage c Charge de froid n a (faite par les groupes) s s i u Profil journalier P c

stockage partiel-réduction en pointe

Figure 15 – Stratégies de base pour le fonctionnement du stockage thermique

2.4.3 Facteurs économiques 

Stockage centralisé et stockage réparti

Les SET centralisés sont généralement moins chers en raison des effets d’échelle, mais les SET répartis peuvent s’avérer plus économiques (particulièrement lorsque la capacité du RFU devient insuffisante). En effet, ils permettent une réduction de la capacité du réseau aussi bien que de la centrale de production de froid. Capacité de stockage Le prix de l’électricité, le profil de demande de froid et les considérations économiques sont des facteurs clés pour déterminer la durée rentable du cycle de stockage/déstockage. 

En fonction du rapport entre la capacité du SET et la puissance de refroidissement, on peut classer les SET d’après la durée moyenne des cycles : stockage à court terme (quelques heures ou même moins), stockage journalier (cycle charge-décharge de 24 h), stockage hebdomadaire ou même stockage saisonnier. Le rapport entre coût du stockage et capacité de stockage est généralement une fonction décroissante de la capacité de stockage, particulièrement dans le cas de gros systèmes de stockage d’eau. Il en résulte que, plus la centrale est importante, plus la valeur optimale de temps de stockage est élevée.


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Tableau 3 – Puissance de production avec différents types de stockage Mode de fonctionnement

Puissance installée (kW)

Capacité du stockage (kWh)

Puissance du groupe en pointe (kW)

Énergie délivrée par le groupe en pointe (kWh)

2 000 1 670 1 420 1 300

0 12 000 7 500 4 200

2 000 0 750 1 300

12 000 0 4 500 7 800

Pas de stockage Stockage complet Stockage avec réduction en pointe Stockage avec écrêtage



Stockage saisonnier / stockage hebdomadaire

Les stockages de chaleur à long terme, comme les stockages à lits de galets, ont été étudiés à la fin des années 1970, en rapport avec le stockage saisonnier de l’énergie solaire. Ce type de stockage est actuellement en fort développement en Suède. On peut s’intéresser aussi au stockage hebdomadaire. Exemple : dans des bâtiments à usage de bureaux, on peut décider de concevoir un système qui utilise les périodes creuses du week-end pour le remplissage. Il en résulterait un cycle de sept jours, avec des remplissages importants la nuit, pendant les jours de semaine, et un remplissage plus important encore pendant le week-end.

En fonction du profil de charge, il faut analyser la consommation d’électricité. Toutefois, B. Andersson a démontré [40] que l’on peut obtenir une diminution considérable de la puissance maximale des refroidisseurs. Des calculs concernant un RFU situé dans une ville type d’Amérique du Nord ont montré que, contrairement au stockage journalier, le stockage hebdomadaire réduirait la puissance maximale de 43 à 35 MW. La capacité de stockage nécessaire serait alors de 67 000 m 3 au lieu de 50 000 m 3 dans le cas d’un stockage sur 24 h. 

Stockage journalier et stockage de pointe

Le stockage journalier ou le stockage de pointe sont les plus communément utilisés. Cependant, une modélisation est nécessaire pour déterminer la capacité optimale de stockage [32]. En effet, un grand nombre de paramètres doivent être pris en compte : — profil de charge ; — prix de l’électricité en fonction de la période ; — coût du SET ; — valeur du ∆T du SET ; — efficacité des refroidisseurs en fonction de la température de stockage.

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2.5 Méthodes de construction Principes généraux Les réservoirs destinés aux SET sont généralement en acier, en béton, en fibre de verre ou en plastique. Des informations détaillées sont disponibles dans la référence [29]. Il existe différents types de réservoirs en acier. Les grands réservoirs, dont la capacité est supérieure à 1 500 m 3, sont montés sur le chantier à partir de plaques d’acier soudées. Les réservoirs plus petits (moins de 100 m 3) peuvent être fabriqués à partir de plaques d’acier galvanisées et d’un cadre de renforcement. Les réservoirs cylindriques pressurisés sont généralement utilisés pour des volumes de 10 à 200 m 3. 

Stockage d’eau glacée Stockage souterrain et stockage en surface Le stockage souterrain permet d’utiliser la surface libérée, en créant un parc de stationnement, un stade ou un espace vert par exemple. Le stockage souterrain ne doit être envisagé qu’après avoir pris en considération différents facteurs [31] : — complexité des canalisations d’un réservoir souterrain ; — résistance à la pression (particulièrement lorsque le réservoir est vide) ; — état du terrain et nappes souterraines ; — réglementations portant sur l’enfouissement des réservoirs (qui sont de plus en plus strictes) ; — coût d’investissement total, souvent deux fois plus important que dans le cas d’un réservoir aérien.  Béton et acier Il semble que les coûts initiaux et les coûts de fonctionnement d’un réservoir en acier seront probablement moins élevés que ceux d’un réservoir en béton [31]. Il faut prendre en compte le taux de fuite, qui sera probablement plus élevé pour les réservoirs en béton. Les réservoirs en béton peuvent être construits selon la norme D-110 de l’ American Water Works Association (AWWA), qui autorise des taux de fuite allant jusqu’à 0,1 % par jour. Dans le cas des réservoirs en acier soudé, la norme D-110 n’autorise aucune fuite. 

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Réseaux Du Froid Urbain 1

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