PDCEN: COMMUNE DE MONTREUX Potentiel de valorisation de la chaleur des eaux usées épurées en sortie de STEP. Document No 2.4.6

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1 PDCEN: COMMUNE DE MONTREUX Potentiel de valorisation de la chaleur des eaux usées épurées en sortie de STEP Document No 2.4.6

2 2 SOMMAIRE 1. Introduction Description et définition de la ressource Etat de la technique actuel et futur Chiffres clés Principaux avantages et critiques Etat actuel de la ressource sur le territoire communal Méthodologie employée Consommations/Productions existantes Carte de la ressource Potentiel mobilisable Méthodologie proposée Limites du potentiel mobilisable Potentiel mobilisable à court terme Potentiel mobilisable à long terme Impacts sur le territoire Proposition d action Opportunité pour développer un projet phare Opportunité d actions Conclusions...11 Version N Date Auteur Relecteur Distribution à Stéphanie Perret Martin Kernen Commune de Montreux Stéphanie Perret Martin Kernen Commune de Montreux

3 3 1. Introduction 1.1 Description et définition de la ressource Les eaux usées épurées en sortie de la station d épuration du Pierrier à Clarens ont une température moyenne de 11 C en hiver. La chaleur de ces eaux peut être récupérée et valorisée au moyen de pompe à chaleur afin de produire de la chaleur utile au chauffage de bâtiments, soit de manière décentralisée chez chaque consommateur, soit par une production de chaleur centralisée, par exemple à la STEP. 1.2 Etat de la technique actuel et futur VALORISATION DE LA CHALEUR DES EAUX USÉES ÉPURÉES La récupération de chaleur sur les eaux épurées en sortie de STEP peut être réalisée grâce à différents types d installations. Les échangeurs à plaques sont les plus utilisés pour l échange thermique entre les eaux usées épurées et le circuit d eau intermédiaire alimentant les pompes à chaleur. Une étape de filtration est positionnée entre l arrivée des eaux épurées et l échangeur de chaleur. Ceci permet la réduction de l encrassement des échangeurs de chaleur par rétention des particules et substances plus épaisses (boues, sable, etc.). Des filtres automatiques (p.ex. filtre de Bernoulli avec rinçage automatique du filtre) sont généralement utilisés. La chaleur récupérée des eaux usées épurées sert de source froide à un système de pompe à chaleur. Ce système utilise l énergie de la source froide et de l électricité : en général 1/3 d électricité et 2/3 de chaleur de la source froide pour produire 1 unité de chaleur à une température définie. Selon la taille des systèmes, la température maximale produite est de 55 C à 70 C pour les pompes à chaleur sur mesure ou de grandes tailles (de type industrielle). Plus basse est la température de la chaleur souhaitée, meilleures seront les performances des pompes à chaleur. Idéalement une température de 50 à 55 C permet d atteindre de bonnes performances. Deux configurations de réseaux sont possibles : Figure 1 : Exemples d échangeurs en sortie de STEP : échangeur à plaques réseau froid avec pompes à chaleur décentralisées chez chaque client, réseau chaud avec pompe(s) à chaleur centralisée(s), par exemple à la STEP et distribution de chaleur aux consommateurs.

4 AUTRES TECHNOLOGIES Récupération de chaleur dans le collecteur La récupération de chaleur peut se faire directement dans le collecteur, soit à l aide d échangeurs intégrés dans une canalisation préfabriquée ou installés sur un collecteur existant. Il est intéressant d installer un dispositif de récupération de chaleur des eaux usées pour un diamètre de canalisation supérieur à 80 cm et lorsque le débit d eaux usées dans la canalisation est supérieur à 15 l/s 1. Ce système a l avantage de pouvoir se situer proche des preneurs de chaleur, avec une puissance thermique récupérée de quelques dizaines à quelques centaines de kw. Il est idéal pour un réseau de chauffage à basse température. Il est important de mentionner que l abaissement de température des eaux usées par récupération de chaleur peut avoir une influence négative sur le fonctionnement de la STEP, en particulier les procédés de nitrification dénitrification. Cette influence est fonction du mode de fonctionnement actuel de la STEP, suivant qu elle dispose de «réserves» ou non par rapport à sa limite supérieure de fonctionnement. Figure 2 : Récupération de chaleur dans les collecteurs [ Récupération de chaleur en sortie d immeuble Cette solution capte la chaleur des eaux usées directement à la sortie de l immeuble, grâce à un échangeur de chaleur installé dans une fosse dédiée à cette utilisation. Les eaux usées arrivent dans la cuve centrale. Le filtre retient les plus grosses particules dans la cuve et une pompe déverse quotidiennement les résidus accumulés dans la cuve vers le collecteur. Le niveau d eau dans la fosse est maintenu suffisamment haut pour qu il y ait déversement du trop-plein dans le tube intermédiaire puis vers le collecteur. 1 Avec une valeur théorique retenue de 170 l/jour/habitant, le collecteur doit recevoir les eaux usées d environ 7500 personnes pour atteindre un débit moyen journalier de 15l/s. Un minimum de 6'000 personnes est retenu comme seuil limite pour constituer un potentiel intéressant de récupération de chaleur.

5 5 Cette solution se différencie des autres précédemment citées car son domaine d application privilégié est la production d eau chaude sanitaire de l immeuble. Elle est intéressante si les quantités d eaux usées rejetées sont d au moins 8'000 à 10'000 litres par jour (rejets d eaux usées d environ 60 personnes). La puissance de chauffage est de 50 KW à 300 kw. C est une solution un effet minime sur la STEP mais qui n est pas adaptée à un chauffage à distance. Elle est utilisée pour chauffer l eau chaude sanitaire du bâtiment. Cette technologie est mature avec plus de 200 installations en Suisse. Le potentiel exploité par cette méthode est indépendant du réseau d eaux usées. Il s agit de solutions ponctuelles pour de gros consommateurs d eau chaude (hôtel, administration, etc.). Figure 3 : Installation d un échangeur de chaleur dans une fosse en sortie d immeuble [ Récupération de chaleur à partir d une fosse de relevage en dérivation du collecteur Pour ce type d application, le concept ThermWin Solution a été développé par HUBER Technologie. Grâce à l utilisation d une fosse de relevage créée en dérivation du collecteur, l échangeur de chaleur ne se trouve pas directement dans le collecteur mais dans un local de chaufferie au-dessus. Ce système est intéressant pour de gros bâtiments avec des besoins en chauffage/ecs d au minimum 150kW. Le débit minimal dans le collecteur pour une telle application est de 10l/s et la température minimale des eaux usées de 10 C. Cette technologie est encore peu mature avec quelques installations en Europe à ce jour. Figure 4 Schéma de principe du système ThermWin de HUBER

6 6 1.3 Chiffres clés Le potentiel de cette ressource est disponible toute l année, avec une meilleure efficacité (moins d électricité consommée) quand la température des eaux usées est plus élevée. Comme la très grande majorité de la consommation a lieu uniquement pendant la période de chauffe, à moins d avoir des consommateurs de type industriels, le potentiel est calculé sur la température hivernale des eaux usées. L exploitation de ce potentiel est directement liée aux consommateurs de chaleur disponibles à proximité de la STEP et dont les conditions de chauffage sont compatibles avec les niveaux de température des pompes à chaleur. Le prix de revient de la chaleur pour cette ressource dépend de la configuration du réseau de chauffage à distance valorisant la chaleur produite. Il varie entre 12 cts/kwh dans un cas très favorable à 20 cts/kwh si la configuration n est que peu adaptée. Les prix les plus intéressants sont atteints lorsque différentes conditions sont réunies, notamment : densité énergétique des preneurs de chaleur élevée, niveau de température demandé par les consommateurs bas, grands consommateurs et consommateurs en été. A noter que dans le canton de Vaud, l utilisation de pompe à chaleur n est pas reconnue comme production de chaleur renouvelable, notamment dans le calcul de la part obligatoire d énergie renouvelable. 1.4 Principaux avantages et critiques Avantages : la majeure partie (environ 2/3) de la chaleur finale produite est issue de sources renouvelables non fossiles, la part renouvelable peut passer à 100% pour autant que l électricité de la pompe à chaleur provienne de source(s) renouvelable(s), du fait du peu de place nécessité, il est particulièrement bien adapté au milieu urbain, l utilisation locale d une ressource disponible de manière continue et durable, la valorisation du potentiel en sortie de STEP n influence pas le fonctionnement de la STEP, la maintenance du système de récupération de chaleur des eaux usées épurées est facilitée car réalisable par le personnel de la STEP. Inconvénients: la valorisation du potentiel est intéressante uniquement si un nombre suffisant de consommateurs de chaleur est intéressé, la maintenance du système de récupération de chaleur est plus exigeante que dans le cas de source froide telles que des sondes géothermiques ou nappe phréatique (selon la qualité de l eau de la nappe).

7 7 2. Etat actuel de la ressource sur le territoire communal 2.1 Méthodologie employée L étude 2 réalisée par Estia en 2008 est utilisée comme base pour la définition du potentiel de la ressource et ses possibilités d exploitation. Un contact a également été pris avec M. Thonney, responsable de l unité Assainissement au SIGE. 2.2 Consommations/Productions existantes valorisation de la ressource entre 1993 et 2000 avec le réseau Revalpie alimentant des pompes à chaleur de 4 clients - STEP et salle Omnisports du Pierrier : PAC 380 kwth - VMCV (bât. 1 et 3+4) : PAC 620 kwth - Ecole Professionnelle de Montreux et VMCV (bât. 2) : PAC 370 kwth - anciennement Société Romande Energie, actuellement Police Riviera : PAC 380 kwth Suite à différents problèmes techniques, la ressource n est actuellement plus valorisée. 2.3 Carte de la ressource La ressource est localisée à la STEP de Clarens. Le périmètre de valorisation de la ressource est ainsi à proximité de la STEP. STEP du Pierrier Figure 5:Zone d opportunité pour le déploiement d un CAD (voir annexe 4, carte 13) 2 Référence de l étude : Analyse du potentiel énergétique du quartier du Pierrier à Clarens, Rapport final du projet de valorisation des eaux épurées de la STEP du Pierrier, F. Flourentzou et B. Nguyen (Estia) et collaboration de A. Balsiger (Chammartin & Spicher), novembre 2008

8 8 3. Potentiel mobilisable 3.1 Méthodologie proposée Le rapport d Estia de 2008 propose une évaluation du potentiel. Il est défini comme la quantité maximale de chaleur que l on peut extraire des eaux usées épurées. Les hypothèses de calcul utilisées sont les suivantes : température minimale hivernale des eaux usées épurées : 11 C, débit exploitable des eaux usées épurées : 646 m 3 /h (débit moyen annuel), abaissement de la température des eaux usées épurées de 5 K, coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur de Limites du potentiel mobilisable Les limites à l exploitation optimale du potentiel sont les suivantes : nombre suffisant de preneurs de chaleur intéressés pour répondre aux critères de rentabilité d un réseau de chauffage à distance, niveau de température de la chaleur livrée le plus bas possible afin d optimiser les performances des pompes à chaleur ; cependant si les températures hivernales des besoins en chaleur sont élevées, des solutions techniques peuvent être trouvées, notamment l utilisation de chaudières d appoint pour répondre aux pics de demande hivernale. Une régulation de qualité est alors exigée. Les technologies actuelles permettent de garantir que les performances des pompes à chaleur ne soient pas péjorées. suite aux problèmes techniques du réseau Revalpie exploité entre 1993 et 2000, il est important de mettre en valeur la progression des connaissances quant à la conception et l exploitation de ce type de réseau afin de rassurer et d encourager un nombre maximal de preneurs de chaleur dans le cas d un nouveau projet de chauffage à distance. tests du réseau Revalpie nécessaires et influence du dimensionnement du réseau Revalpie (estimation du potentiel de réserve sur les conduites en place). 3.3 Potentiel mobilisable à court terme Le potentiel mobilisable à court terme utilise les hypothèses ci-dessus. La puissance disponible dans les eaux usées épurées (source froide) est estimée à 3'700 kwsf 3. Le potentiel d énergie thermique finale disponible en sortie des pompes à chaleur s élève à environ 12 GWh/an. L étude d Estia analyse un scénario de remise en service du réseau Revalpie avec les sites anciennement raccordés au réseau (STEP, Omnisports, EPM, VMCV et police Riviera). Dans ce cas, environ 20% du potentiel serait exploité. 3 kwsf : puissance pour la source froide (côté froid de la PAC)

9 9 3.4 Potentiel mobilisable à long terme Le potentiel mobilisable à long terme pourrait être influencé par la mise en place du traitement quaternaire des eaux usées dans la région de la Riviera. Deux possibilités d évolution sont envisageables : seul le traitement quaternaire est délocalisé à Villeneuve. Le potentiel de la ressource à la STEP de Clarens reste inchangé 4. les traitements tertiaires et quaternaires sont délocalisés à Villeneuve. La valorisation de la ressource à la STEP de Clarens devrait alors se faire sur les eaux usées brutes non traitées, c'est-à-dire avec une technologie d échangeur de chaleur adaptée aux eaux usées brutes et leurs contraintes spécifiques. Sans la connaissance de la solution choisie concernant cette problématique nous rendons attentif au fait que toute installation qui pourrait être faite à la STEP devra permettre une évolution future vers l une ou l autre des deux solutions ci-dessus. 3.5 Impacts sur le territoire L utilisation de cette ressource a pour conséquence d abaisser la température des eaux usées traitées avant leur rejet dans le milieu environnant (ici le lac), ce qui constitue une conséquence favorable à l environnement. Même après abaissement de la température, les eaux usées épurées refroidies restent plus chaudes que l eau du lac en hiver. L impact sur le milieu naturel est ainsi négligeable. 4 Au vu de la distance entre la STEP du Pierrier (Clarens) et la STEP de Roche (Villeneuve), il n est pas considérer que l abaissement de température à la STEP du Pierrier aurait une incidence sur le traitement quaternaire éventuel à la STEP de Roche.

10 10 4. Proposition d action 4.1 Opportunité pour développer un projet phare La chaleur des eaux usées épurées de la STEP du Pierrier à Clarens constitue une source d énergie durable et renouvelable à basse température. Cette chaleur peut être récupérée et valorisée par des pompes à chaleur dans le cadre d un projet de chauffage à distance, soit par un réseau froid avec pompes à chaleur décentralisées chez chaque client, soit par un réseau chaud avec pompe(s) à chaleur centralisée(s), par exemple à la STEP et distribution de chaleur aux consommateurs. Les anciens consommateurs du réseau Revalpie exploitaient environ 20% du potentiel disponible. De nouveaux consommateurs de chaleur pourraient être recherchés et ralliés au projet. De plus, le rapport d Estia souligne que les chaudières à mazout des 4 anciens clients du réseau Revalpie arrivent en fin de vie avec un remplacement prévu en Il est important d en saisir l opportunité pour relancer ce projet phare. 4.2 Opportunité d actions Les actions suivantes pourraient faciliter la mise en place et le succès du projet phare de chauffage à distance valorisant la chaleur des eaux épurées de la STEP : communication sur le projet par la Commune afin de rassurer et confirmer que les erreurs du réseau Revalpie ont été identifiées et seront désormais évitées ; précautions à prendre dès la conception du projet, optimisation des systèmes de chauffage chez les anciens clients Revalpie (Omnisports, EPM et VMCV 2, VMCV et dépôts (1 et 3+4) et la police Riviera) afin d abaisser les températures de départ du chauffage ; réflexion parallèle sur l utilisation d éventuelles chaudières d appoint chez les consommateurs pour les pointes hivernales, dans ce cas accent mis sur une régulation de grande qualité, recherche dans le périmètre de nouveaux consommateurs de chaleur intéressés au projet, intégration au projet de consommateurs de froid pour le rafraichissement de locaux.

11 11 5. Conclusions Le potentiel mobilisable est estimé à 12 GWh annuels de chaleur finale valorisable. La ressource fut utilisée de 1993 à 2000 avec le réseau de froid à distance Revalpie avec pompes à chaleur décentralisées. Ce réseau exploitait environ 20% de la ressource mobilisable. Les opportunités d actions listées précédemment permettraient la mise en place d un projet phare utilisant cette ressource. La communication est un aspect premier afin d anticiper les questions et rassurer les clients potentiels quand à la maturité de la technologie et aux précautions de conceptions nécessaires, afin d éviter les problèmes connus sur l ancien réseau. La recherche de nouveaux clients est le deuxième point clé qui permettrait d assurer la réussite d un tel projet. Le calendrier influence également favorablement la relance d un tel projet avec l arrivée en fin de vie d ici 2015 des chaudières chez les clients de l ancien réseau Revalpie. Depuis 10 ans, la valorisation de la chaleur des eaux épurées des STEP est une technologie performante, qui a fait ses preuves. Un exemple phare est notamment le réseau de Schlieren (ZH) avec déjà 11 MW installés. Stéphanie Perret Ingénieure de projets Martin Kernen Directeur adjoint PLANAIR SA; SPT; Yverdon, 7 février 2014