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ROADMAP - Réseau de distribution de chaleur et de froid de 6ème génération

Ingénierie et Architecture

Étude du comportement dynamique, par la simulation et l'expérimentation, d'un innovant réseau de distribution de chaleur et de froid de 6ᵉ génération basé sur le changement de phase du CO2.

Roadmap couvre toute la chaine de valeur de la technologie du réseau anergie au CO2 : simulation numérique, design et construction, émulation expérimentale en laboratoire et démonstrateur taille réelle.

Les réseaux de distribution d’énergie thermique sont des composants importants du système énergétique territorial. Malgré les avancées technologiques de 5 générations successives de réseaux, le principe de base – circulation d’un fluide monophasique avec échange de chaleur sensible – est resté inchangé. Le but de ce projet est de simuler et d'expérimenter un innovant réseau de distribution de chaleur et de froid de 6ᵉ génération, le réseau CO2.

Le principe du premier réseau de distribution de chaleur, datant de 14ᵉ siècle, est resté inchangé pendant 4 générations technologiques : production de l’énergie-chaleur distribuée par un fluide monophasique avec un grand écart de température avec l'environnement. Ce système est caractérisé par une seule prestation (chauffage ou refroidissement), des rôles producteurs et consommateur figés (aucune interaction), des écarts de température élevés entre le fluide et l’environnement (pertes), et une densité énergétique moyenne imposant des diamètres inadaptés à un déploiement urbain. En alternative, le réseau de 5ᵉ génération - réseau anergie - distribue de l’eau froide (température ambiante 10 à 25°C). Cette eau alimente des pompes à chaleur ou de froid qui élèvent ou diminuent la température de la puissance-chaleur aux niveaux requis. La diminution de la température du réseau a permis de réduire les pertes, mais a provoqué une diminution de sa densité énergétique compensée par l’augmentation du diamètre des conduites du réseau. Cela rend ce réseau encore moins adapté au tissu urbain, où le sous-sol est déjà surexploité et où les gros travaux ont un fort impact sur l’économie locale. Afin de résoudre cette problématique, une 6ᵉ génération de réseaux a été développée, le réseau CO2. Ce réseau utilise un fluide caloporteur sous les phases de liquide et de vapeur (système diphasique) et utilise l’enthalpie de vaporisation et/ou de condensation pour échanger sa chaleur. Ce système cumule les avantages de toutes les générations précédentes. En exploitant la densité énergétique associée au changement de phase, ce réseau utilise un diamètre de conduite plus compact, plus simple à déployer.

S'agissant d'une technologie récente, il n'existe ni de modèle numérique ni d'installation physique. Or, il est important de disposer d'un outil expérimental permettant d'étudier de manière simple et sécurisée le comportement du réseau et de ses composants face à différents types de sollicitations. De même, un outil numérique doit permettre d'optimiser les démarches expérimentales.

Le but de ce projet est d'étudier le comportement dynamique, par la simulation et l'expérimentation, d'un innovant réseau de distribution de chaleur et de froid de 6ᵉ génération, le réseau CO2. Les objectifs sont (a) caractériser et transposer un cas d'étude afin de (b) le modéliser et de le simuler numériquement, (c) d'émuler son fonctionnement expérimentalement avec une installation à l’échelle, et (d) de valoriser et diffuser les acquis. Les connaissances développées permettront de comprendre la dynamique d’un tel réseau, notamment au vu des interactions stochastiques entre producteurs/consommateurs et entre réseaux thermiques et électriques. Seront également maitrisés les composants constituant le réseau. Finalement, l’expérience acquise permettra au consortium de poursuivre sa collaboration et d’entreprendre la conception, le déploiement et le support technico-scientifique de systèmes dans le cadre de futurs projets de plus grande envergure.