CHAUFFAGE
Install Magazine 970 – mai 2020

Un réseau d’égouts comme réseau de chaleur

Chauffer à l’aide des eaux usées

Chauffer par le biais des eaux d’égouts. Les entreprises, les scientifiques et l’administration municipale de Lünen en Allemagne planchent sur le sujet. Il s’agit d’un nouveau développement du concept de récupération de chaleur à partir des eaux usées. Il atteint des rendements nettement plus élevés que les systèmes conventionnels, en particulier parce qu’il utilise la chaleur résiduelle qui serait autrement perdue des industries ou d’autres types de sociétés. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le secteur de l’installation et les gestionnaires de réseau de distribution.

De nombreux processus génèrent de la chaleur résiduelle, habituellement perdue. « Actuellement, il arrive généralement que les entreprises paient beaucoup d’argent pour détruire cette chaleur. De cette façon, beaucoup d’énergie précieuse est perdue », explique le professeur Dr. Karsten Körkemeyer, chef du domaine de l’économie du bâtiment à l’université technique de Kaiserslautern. Sous sa direction, une équipe de recherche travaille avec les entreprises Innovatherm (incinération des boues), Trianel (centrale au charbon), Auribis (recyclage du cuivre) et Caritas (aide sociale) à Lünen pour exploiter utilement la chaleur perdue. L’équipe est également composée des chercheurs Philipp Müller et Andreas Glöckner, de l’institut de recherche Fraunhofer ISI Karslruhe et de la société municipale de traitement des eaux usées de Lünen.

Développer l’exploitation

L’objectif du projet est de transférer de façon systématique la chaleur résiduelle aux eaux usées. Cette eau est ensuite transportée en aval dans le système d’égouttage existant, où la chaleur stockée est finalement utilisée. Quelle est l’ordre de grandeur du potentiel ? Des études indiquent que les options de récupération de chaleur des eaux d’égouts actuellement disponibles suffiraient pour couvrir 10% des besoins totaux en chaleur des bâtiments en Allemagne. « Si l’on prend également en compte la chaleur industrielle perdue, le potentiel augmente encore plus, et au moins 27% des besoins totaux en chaleur en Allemagne seraient couverts », stipule le professeur Körkemeyer.

Deux solutions

La recherche a démontré qu’il existe deux solutions pour transporter la chaleur. La première utilise directement la chaleur des eaux usées industrielles. « C’est une méthode économique », déclare Philipp Müller. Pour la deuxième solution, il est fait usage d’un réseau de chaleur, qui transfère la chaleur de l’endroit d’où elle provient aux égouts, où les eaux usées sont réchauffées. « Nous utilisons à cet effet une technique qui est sur le marché depuis des années », déclare Andreas Glöckner. « Il ne s’agit que de combiner les composants disponibles d’une manière innovante. » Afin de pouvoir récupérer la chaleur du réseau d’égouts, divers concepts d’échangeurs de chaleur sont utilisés, selon l’application.

Pour les échangeurs de chaleur de récupération de chaleur des eaux usées, il est primordial que le caloporteur n’entre jamais en contact direct avec les eaux d’égouts, pour des raisons à la fois hygiéniques et techniques. Le fluide caloporteur du circuit secondaire est généralement de l’eau ou un mélange eau-glycol, qui sert de source de chaleur pour une pompe à chaleur. L’eau refroidie retourne à l’échangeur de chaleur pour fermer le cycle.

Le projet à Lünen

Ce concept est particulièrement intéressant pour les villes disposant de sociétés de production industrielle. Ce type de production de chaleur peut ensuite être intégré dans la planification de nouveaux projets d’habitations. Dans ce projet, l’équipe de recherche collabore entre autres avec des entreprises comme Innovatherm, Trianel et Aurubis. « Toutes ces sociétés sont des producteurs de chaleur », explique Philip Müller. Les consommateurs sont dans ce cas un atelier protégé de Caritas de Lünen et un lotissement d’une société locale de logement.

Dans ce nouveau concept de fourniture de chaleur, nous faisons usage de l’infrastructure existante, plus particulièrement les égouts, que nous utilisons comme réseau de chaleur », explique le professeur Körkemeyer. « Les raccordements sont déjà partout disponibles. » En comparaison avec les pompes à chaleur air/eau conventionnelles, qui puisent leur énergie dans l’air ambiant, les eaux usées sont une source à température élevée constante : la moyenne annuelle est de 15 °C. « Si nous pouvons augmenter la température des eaux usées, cela aura un impact direct sur le rendement de la pompe à chaleur, et donc aussi sur le prix de la chaleur pour l’utilisateur », ajoute Andreas Glöckner. Pour fonctionner efficacement, non seulement une température suffisamment élevée est requise, mais également un débit d’eaux usées suffisamment élevé. En outre, la production de chaleur ne doit pas être trop éloignée des utilisateurs.

Viabilité économique

Dans le cas spécifique de Lünen, le choix s’est porté sur un échangeur de chaleur dans les égouts. Ce type d’échangeur de chaleur est fabriqué par exemple par Uhrig Bau ou Kasag. Dans l’état actuel du projet, la chaleur résiduelle d’Innovatherm est acheminée directement dans le réseau d’égouts sans échangeur de chaleur intermédiaire. Cela est possible car Innovatherm ne refroidit pratiquement pas ses propres eaux usées, qui sont directement versées dans le réseau d’égouts. Dans ce dernier, les eaux usées chaudes se mélangent aux autres flux d’eaux usées. Les eaux usées ainsi réchauffées servent alors de source de chaleur à une pompe à chaleur eau-eau qui dessert l’atelier protégé de Caritas. Une chaufferie bivalente y est installée, à savoir la chaudière à condensation à gaz existante, complétée par une pompe à chaleur qui couvre la charge de base. La pompe à chaleur est dimensionnée à 1/3 de la demande de chaleur maximale et couvre 3/4 des besoins totaux de chaleur sur une base annuelle.

En plus des paramètres déjà mentionnés pour un fonctionnement économiquement viable, en particulier la température et le débit des eaux usées, d’autres facteurs déterminent la rentabilité. Comme par exemple une puissance élevée (100 kW au moins), un accès facile au réseau d’assainissement, une urbanisation suffisamment dense, du chauffage à basse température et une demande de chauffage toute l’année, la modernisation du système de chauffage, la possibilité de combiner avec une cogénération, la taille, la longueur et le bon état du système d’égouts, une pente entre 1 et 10 pour mille, une vitesse d’écoulement entre 0,2 et 0,8 m/s et une charge hydraulique des égouts entre 5 et 40%.

Les paramètres doivent être bons

Par conséquent, un logiciel de conception est disponible sur le site Web de l’équipe de recherche. Cela permet aux municipalités et aux entreprises intéressées de se rendre rapidement compte de la pertinence du concept pour leur cas. « Pour une première estimation, une brève évaluation basée sur quelques données est suffisante », selon Philipp Müller. « Si le résultat est positif, une étude de faisabilité peut être réalisée sans avoir à examiner l’ensemble de la zone. En effet, cela entraînerait des coûts élevés. »

« Le coût d’investissement peut être plus élevé qu’avec les techniques de chauffage traditionnelles », poursuit Andreas Glöckner. Cependant, les investissements dans les échangeurs de chaleur et la pompe à chaleur s’amortissent d’eux-mêmes à long terme. Par exemple, les utilisateurs sont plus indépendants des fluctuations des prix des combustibles fossiles. En outre, les coûts d’exploitation sont nettement inférieurs à ceux des systèmes de chauffage traditionnels. Finalement, l’on dispose de ce fait d’un système respectueux de l’environnement à faible émission de CO₂. La durée de vie de l’échangeur de chaleur est suffisamment longue (environ 40 ans).

La recherche en pratique

Dans la première phase du projet InnoA2 « Utilisation innovante de la chaleur des eaux usées par la distribution de chaleur via les égouts », l’équipe de Kaiserslautern et leurs partenaires ont étudié la faisabilité technique et juridique du process et recherché des investisseurs. La réalisation concrète doit suivre après, fin 2020. Les installations pilotes sont ensuite évaluées scientifiquement. Lors de la mise en œuvre, tous les composants sont modélisés avec le BIM et intégrés dans le processus de conception-construction-monitoring. Ainsi, pour les projets ultérieurs, on peut non seulement se référer à la documentation usuelle, mais aussi aux modèles 3D, et voir où le design a dû être adapté lors de la réalisation.

L’énergie tirée des eaux usées, actuellement non utilisée, peut ainsi être acheminée via le réseau d’égouts jusqu’aux utilisateurs « en aval ». En chauffant les eaux d’égout à l’aide de chaleur résiduelle, l’énergie peut être transportée relativement facilement et efficacement. Ensuite, la chaleur est portée à niveau par les utilisateurs. Par exemple, les sources d’eaux usées qui n’ont pas été utilisées jusqu’à présent peuvent être considérées. De plus, l’infrastructure d’égouttage existante a un double usage : comme système d’égouts et comme réseau de chaleur. L’ensemble permet de réduire la consommation d’énergie primaire et rend le concept plus rentable. De cette façon, les zones moins densément peuplées peuvent également être raccordées aux énergies renouvelables, où les réseaux de chaleur traditionnels ne sont pas viables. Cela crée de nouvelles opportunités économiques pour les gestionnaires de réseaux d’égouttage.

Par le Dr. Lütz Mücke

Photos : TU Kaiserslautern