Cas d'éude : Eco-quarier Villeneuve à Chambéry Nom du proje : Adresse du proje : Nom e ype de propriéaire : Conac : Eco-quarier Villeneuve ZAC du Coeau F-Cognin SCDC, Gesionnaire de réseau 193 Rue du pré Demaison 73093 Chambéry CEDEX 9 Claude Morier, Direceur général claude.morier@cofely-gdfsuez.com Jean-Louis Lecocq, Direceur d'exploiaion jean-louis.lecocq@cofely-gdfsuez.com A/ Conexe de l éude A.1/ Moivaions Chambéry es une ville de 60 000 habians siuée en Savoie (France) avec une aggloméraion de 210 000 habians. Ville rès acive dans la promoion des énergies renouvelables, elle a reçue en 2008 le 1er prix des villes solaires dans la caégorie plus de 50 000 habians. Un nouveau quarier d'habiaion de 1200 logemens es créé à Cognin en périphérie de la ville de Chambéry, avec une première ranche de 500 logemens consruie sur la période 2014-2018. Suie à une éude concernan l'approvisionnemen énergéique du quarier, il a éé décidé d'éendre le réseau de exisan afin d'alimener ce nouvel Ecoquarier appelé Villeneuve. Le cahier des charges de la ZAC prévoi la mise en place de 1.5 m² de capeurs solaires hermiques par logemen permean d'assurer en moyenne 50% des besoins d'ecs. Afin d'apporer une soluion globale de producion d'énergie au promoeur immobilier e d'aeindre un aux de couverure solaire supérieur grâce à du sockage muualisé, l'opéraeur du réseau de a choisi d'éudier une soluion solaire décenralisée connecée au réseau de basse. La soluion solaire connecée au réseau de doi permere de conribuer aux engagemens globaux de l'opéraeur qui souhaie diminuer le conenu carbone du réseau de. A.2/ Descripion du réseau de exisan Le réseau de de la Ville de Chambéry a éé créé en 1949. Il es aujourd hui le 5ème par sa longueur, e le 15ème réseau français par sa producion d énergie. Le réseau de possède un mix énergéique diversifié avec la valorisaion des déches, une énergie hermique cogénérée, la biomasse e le gaz naurel. Le réseau foncionne en haue pression, disribuan l énergie sur 55 km à parir d eau surchauffée (140 /180 ). Il fourni de l énergie à 25.000 équivalen logemens, pour alimener noammen les éablissemens de sané, les éablissemens d enseignemen, l habia social, les copropriéés, les bâimens communaux, les indusries Figure 1 : Cenrale de producion de Croix Rouge (à gauche) e racé du réseau de de Chambéry (à droie)
Le réseau en chiffres : - 3 cenrales de producion de - 1 cogénéraion (producion mixe de e d élecricié) - 55 km de canalisaions enerrées - 550 poins de livraison - Plus de 25 000 équivalen logemens Les cenrales de producion : Cenrale de Bissy - Enlèvemen UVE par un vaporisaeur de 16 MW - 2 chaudières gaz vapeur de 40 MW - 2 urbines à gaz 8,5 MWh - 1 chaudière gaz vapeur 4 MW Cenrale Croix-Rouge - 1 chaudière biomasse 7 MW - 2 chaudières gaz eau surchauffée 11 MW e 13 MW - 1 chaudière gaz eau chaude 3 MW Cenrale Bassens - 1 chaudière gaz eau surchauffée 23 MW - 1 chaudière gaz eau chaude 4 MW En 2013, le mix énergéique du réseau es composé de biomasse (12%), UVE (28%), cogénéraion (23%), gaz (37%). Le conenu CO2 du réseau diminue e sa valeur en 2011 es de 172 gco 2 /kwh. Figure 2 : Répariion des énergies dans le mix énergéique acuel e fuur (à gauche) e évoluion du conenu CO2 du réseau (à droie) Exploiaion du réseau : La ville de Chambéry a confié à la Sociéé Chambérienne de Disribuion de Chaleur (SCDC), filiale de Cofely, le service public de producion e de disribuion de par un conra de concession depuis 1987 (délégaion de service public). Proje d exension du réseau : L écoquarier Villeneuve sera alimené par un sous-réseau basse (70 C/) connecé sur le reour du réseau exisan haue pression (180 C/110 C).
Ensoleillemen [kwh/m²] Tempéraure exérieure [ C] A.3/ Données d environnemen L exension du réseau de es siuée sur la commune de Cognin (France) en exrémié du réseau de exisan. Figure 3 : Implanaion de l'ecoquarier Villeneuve L ensoleillemen moyen annuel es de 1400 kwh/m² sur une surface inclinée à 30 e la exérieure moyenne es de 11.8 C. Le nombre de degrés-jours unifié base 18 DJU 18 es de 2500. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20-35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 - -5.00-10.00 0 2000 4000 6000 8000 Heure de l'année Figure 4 : Ensoleillemen mensuel sur un plan incliné à 30 e exérieure pour le clima de Chambéry A.4/ Opporuniés e barrières Les principales opporuniés ayan permis d iniier e développer le proje son : - la créaion d un nouveau quarier avec des bâimens basse consommaion - la voloné de la ville, de l aggloméraion e de l opéraeur du réseau de de développer les EnR&R, e diminuer le conenu CO 2 du réseau - le choix de mise en œuvre d un réseau de basse pour alimener l écoquarier - l obligaion pour les bâimens de l écoquarier d assurer 50% de la producion d eau chaude saniaire par l énergie solaire Cependan de nombreux freins on égalemen dû êre appréhendé, e noammen : - la pression foncière e l absence de disponibilié de errain pour implaner un champ cenralisé de capeur solaire. De ce fai, une soluion solaire décenralisée inégrée sur les bâimens a éé reenue. - l aspec echnologie innovane d inégraion du solaire sur le réseau, e surou le manque de reour d expérience en France - les invesissemens iniiaux imporans inhérens aux soluions solaires qui on en conreparie un coû d exploiaion rès faible - le manque d un cadre fixe pour le subvenionnemen d insallaions solaires connecées au réseau de. Un fond spécifique géré par l ADEME a éé mis en œuvre en 2013 pour l accompagnemen financier de proje démonsraeur de nouvelles echnologies émergenes : fond NTE - le manque de connaissance e de moivaion d un par des urbanises, archieces e promoeurs quan à l inégraion de surfaces solaires imporanes sur les bâimens e l inégraion d un sockage de gros volume au sein de l écoquarier
1 419 837 1255 1673 2091 2509 2927 3345 3763 4181 4599 5017 5435 5853 6271 6689 7107 7525 7943 8361 Puissance réseau [kw] Energie Réseau [MWh] B/ Méhodologie e ouils uilisés pour l éude B.1/ Courbe de charge du réseau de L éude effecuée a éé focalisée sur la 1 ère ranche du proje qui compore 480 logemens, réparis sur environ 12 bâimens don les objecifs de consommaions annuelles son de : - chauffage : 25 kwh/m 2 - eau chaude saniaire : 20 kwh/m 2 L insallaion solaire prévue es de ype décenralisée avec les capeurs solaires inégrés au niveau des bâimens e connecés en différens poins du réseau de. Plusieurs archiecures d inégraion du solaire au niveau des bâimens incluan de l auoconsommaion on éé éudiés. Tenan compe de ces conraines, la courbe de charge du réseau a éé définie à parir d un assemblage des besoins de plusieurs bâimens e des peres du réseau de : - besoins de chauffage des bâimens : modélisaion du bâi e simulaion dynamique réalisée à l aide de l ouil TRNSYS - besoins d eau chaude saniaire : profil de puisage d eau chaude saniaire issu de ravaux de la âche 26 de l AIE, e modélisaion du sysème de producion d ECS incluan le bouclage d eau chaude saniaire - hydraulique du réseau : modélisaion des canalisaions représenan le réseau de Les besoins globaux du réseau de son de 2168 MWh/an. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 - Figure 5 : Répariion mensuel des besoins d'énergie du réseau de de La monoone du réseau es déaillée sur la figure ci-après. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Heure / an Figure 6 : Monoone du réseau de
B.2/ Dimensionnemen e performance du réseau de solaire L insallaion solaire éudiée pour le réseau de de l écoquarier Villeneuve es de ype décenralisée avec une réinjecion d énergie solaire en ou poin du réseau, ainsi qu une voloné d aeindre un aux de couverure solaire élevé des besoins du réseau. Ces poins echniques spécifiques ainsi que la noion de démonsraeur piloe on oriené le choix de l ouil vers le logiciel de simulaion dynamique TRNSYS. L ensemble du réseau, des bâimens e des sysèmes solaires on éé modélisés en déails e simulés. Figure 7 : Modélisaion des sous-saions (gauche) e du réseau comple (droie) sous TRNSYS Les données mééorologiques uilisées dans les simulaions son issues de la base de données Meeonorm. Plusieurs indicaeurs énergéiques son uilisés afin de définir les performances du sysème. La producivié solaire réseau Q sol,m² : Elle représene l énergie solaire injecée au niveau du réseau de ramenée à la surface de capeurs solaires. [kwh/m²] Avec : - Q sol,an : producion solaire annuelle [MWh] - A solaire : surface de capeurs solaires [m²] Le aux d économie d énergie f SAV : Il représene l économie d énergie par rappor une soluion de référence sans solaire. Avec : - Q aux,solaire : Consommaion d appoin avec le sysème solaire [MWh] - Q aux,ref : Consommaion d appoin de la soluion de référence sans solaire *MWh] La soluion de référence es un réseau de sans insallaion solaire. La consommaion annuelle des 12 soussaions es de 1944 MWh, e la consommaion annuelle du réseau de en incluan les peres réseau es de 2168 MWh. B.3/ Economie Le calcul du coû de l énergie solaire es basé sur la méhode du LCOE (Levelized Cos of Energy). LCOE n 1 I n 1 M 1 r Q 1 r F sol, an, Avec : - I : CAPEX coû d invesissemen de l année - M : OPEX coû de foncionnemen e mainenance de l année - F : Coû de l énergie des auxiliaires de l année - n : durée de vie du sysème - r : aux d acualisaion
Les hypohèses pour le calcul des coûs son les suivanes : - insallaion solaire (capeur solaire, uyauerie, régulaion e insallaion) : 365 /m² - Sous-saion solaire réinjecion réseau : 12500 /sous-saion - Surcou réseau 3 ème ube : 5000 /sous-saion - Sockage : 250 /m 3 - Ingénierie : 7.5% de l invesissemen - Mainenance, enreien e foncionnemen : 1% de l invesissemen iniial - Consommaion d élecricié : 1.5% de la producion solaire - Taux d acualisaion : 4% - Augmenaion annuelle du prix de l élecricié : 3% - Taux d inflaion pour les coûs de mainenance e foncionnemen : 2% L insallaion es financée avec 10% de fond propre e un emprun de 20 ans avec un aux d inérê de 3%. D aures indicaeurs économiques propres à l opéraeur du réseau de on éé calculés par ses soins afin de déerminer la renabilié de l insallaion solaire. C/ Résulas de l éude C.1/ Concepion, dimensionnemen e performance du sysème solaire connecé au réseau de Raccordemen au réseau de exisan : L écoquarier Villeneuve sera alimené à parir d un sous-réseau basse (70/) connecé par l inermédiaire d un échangeur sur le reour du réseau haue exisan. Echangeur de haue Echangeur de haue 110 C Haue & pression 100 C Basse & pression Sous-saion principale COGNIN 70 C Réseau de Basse & pression Réseau de Eau surchauffée SCDC Figure 8 : Principe de connexion du sous-réseau de l'écoquarier Villeneuve sur le réseau principal La créaion d un sous-réseau basse perme d opimiser les performances du réseau alimenan les bâimens basse consommaion en diminuan les peres hermiques du réseau e en favorisan l inégraion d énergie solaire. Le raccordemen sur le reour du réseau de haue don la es de 110 C perme d un par d uiliser le réseau el qu exisan sans nécessier de débi supplémenaire ni de ravaux sur les canalisaions dus au sur-débi, e d aure par de diminuer la de reour du réseau principale e donc de réduire les peres du réseau. Inégraion du solaire sur le réseau de : sysème décenralisé La pression foncière e l absence de disponibilié de errain pour implaner un champ cenralisé de capeurs solaires d une par, e la voloné d aeindre un aux de couverure solaire imporan (40%) d aure par, on aboui au choix d une soluion solaire décenralisée inégrée sur les bâimens avec un sockage moyen-erme cenralisé.
Livraison Livraison Energie solaire Energie solaire 110 C 100 C 70 C Réseau de sous-chaussée Haue & pression Basse & pression Sous-saion principale COGNIN Sysème de gesion de la sraificaion STOCKAGE STRATIFIE Figure 9 : Exemple de schéma de principe du réseau de solaire 3 ubes de l'écoquarier Villeneuve Les capeurs solaires haue performance son insallés en oiure des bâimens connecés au réseau de en foncion de l orienaion e de la disponibilié de surface en oiure. Le principe de foncionnemen es le suivan : Récupéraion de l énergie solaire e charge du sockage L énergie solaire récupérée au niveau des bâimens es réinjecée sur le reour du réseau de. L alimenaion du circui solaire es assurée à parir d un 3 ème ube en provenance du sockage sraifié. Valorisaion de l énergie solaire e décharge du sockage L énergie solaire chargée dans le sockage perme de préchauffer le reour du réseau de. SI la de consigne n es pas aeine, l échangeur HP/BP appore le complémen d énergie. Une variane de réseau de 3 ubes es présenée sur la Figure 10. Livraison Livraison Energie solaire Energie solaire 110 C 100 C 70 C Haue Basse & pression & pression Sous-saion principale COGNIN Ballon ampon Sysème de gesion de la sraificaion STOCKAGE STRATIFIE Figure 10 : Variane de schéma de principe du réseau de solaire 3 ubes de l'écoquarier Villeneuve
Dans cee configuraion, les échangeurs solaires siués au niveau des bâimens son alimenés à parir du reour du réseau de e l énergie récupérée es réinjecée sur un 3 ème ube récolan l ensemble de l énergie solaire des différens bâimens e cenralisé dans un ballon ampon. Le ballon ampon perme de préchauffer le reour du réseau de, e le surplus d énergie de ce ballon es ransféré dans le sockage moyen-erme. Le principe de valorisaion de l énergie solaire es idenique au schéma de la Figure 9. Performance du réseau de solaire : L insallaion reenue es composée de 2160 m² de capeurs solaires plans haue performance (η0=0.817, a1=2.205 W.m -2.K -1, a2=0.0135 W.m -2.K -2 ) e un sockage cenralisé de 3000 m 3. La consommaion annuelle d énergie du réseau de haue es de 1290 MWh, e le aux d économie d énergie de cee soluion es : f SAV = 40,5%. Le sysème solaire assure une auonomie complèe du sous-réseau de juin à ocobre. Figure 11 : Répariion mensuelle des énergies alimenan le réseau Le diagramme suivan représene l ensemble des énergies annuelles mises en jeu. Figure 12 : Diagramme des flux d énergie annuels du réseau de solaire C.2/ Gesion de l énergie à l échelle du réseau de Le réseau de haue doi assurer la fourniure d énergie d appoin du sous-réseau alimenan l écoquarier Villeneuve. Ean connecé sur le reour, aucune modificaion de la sraégie de gesion de l énergie du réseau de principal n es à prévoir. Cependan, des amélioraions visan à valoriser au maximum le sockage insallé son envisagées.
Le aux de couverure des besoins de novembre à mars es faible, e il es inéressan d observer la charge e décharge du sock solaire. En effe, à parir du mois de novembre l éa de charge du sock es inférieur à 10% e n appore plus d énergie. Le volume du sockage peu donc êre valorisé : - en sockan de l énergie décarbonnée du réseau de haue en période de surplus de producion biomasse ou UIOM ; - En sockan de l énergie permean de subvenir aux pics de consommaion journaliers e limier le recours aux généraeurs de poines. Figure 13 : Charge e décharge du sockage solaire C.3/ Bilan économique du réseau de solaire L invesissemen nécessaire pour la réalisaion du sysème solaire décenralisé connecé au réseau de es : Insallaion solaire 788 400 Sous-saion solaire 150 000 Surcou réseau 3ème ube e gesion 102 000 Sockage 750 000 Ingénierie 134 280 Invesissemen oal 1 924 680 Subvenion (local, régional, naional) 1 325 000 Figure 14 : Répariion des invesissemens par pose En enan compe des hypohèses déaillées dans le B.3, le LCOE de l énergie solaire es: - LCOE hors subvenion = 142 /MWh - LCOE avec subvenion = 59 /MWh Il es à noer que ce coû de la correspond à une insallaion piloe permean d aeindre un aux de couverure solaire de 40%. C.4/ Aperçu des modèles d affaires possibles Le modèle d affaires acuel du réseau de principal es une délégaion de service public (DSP). L exension du réseau de alimenan l écoquarier Villeneuve es inégrée dans cee DSP : l opéraeur du réseau de réalise les invesissemens, exploie l insallaion e se rémunère sur la vene de la. Le prix de la du réseau de l écoquarier Villeneuve sera idenique à celui des aures usagers du réseau.
Aueurs Cee éude a éé réalisée par le CEA INES, le bureau d éudes ITF e l opéraeur du réseau de SCDC. Cee fiche d'informaion a éé préparée par CEA INES. Dae : 20/12/2013 Cedric Paulus, CEA INES - Insiu Naional de l'energie Solaire 50, Avenue du Lac Léman, 73377 Le Bourge du lac, France cedric.paulus@cea.fr, websie : hp://www.ines-solaire.org - hp://www.lien.fr Souenu par : Le conenu de cee publicaion n'engage que la responsabilié de son aueur e ne représene pas nécessairemen l'opinion de l'union européenne. Ni l'eaci ni la Commission européenne ne son responsables de l'usage qui pourrai êre fai des informaions qui y figuren.