Cas d'éude : Eco-quarier solaire du Triangle Sud à Monmélian Nom du proje : Adresse du proje : Nom e ype de propriéaire : Conac : Eco-quarier solaire du Triangle Sud Triangle Sud F-Monmélian Ville Monmélian Place Alber Serraz 73800 Monmélian Jean Rauber, Direceur général des services direcionservices@monmelian.com A/ Conexe de l éude A.1/ Moivaions Monmélian es une commune de 4 000 habians siuée au sein du Terrioire Cœur de Savoie qui regroupe 43 communes e 34 000 habians, à 300 m d aliude, à 15 km de Chambéry e à 50 km de Grenoble. Monmélian es par ailleurs connue en France e en Europe comme ville piloe dans le domaine de l énergie solaire, poliique qu elle développe depuis 1983. La commune compe 1564 m² de panneaux solaires hermiques soi 390 m² pour 1000 habians (10 fois plus que la moyenne naionale qui es de 32 m²). Championne de France de l énergie solaire duran de nombreuses années, elle es l une des quare premières colleciviés locales de France à s êre vue aribuer en décembre 2007 le label européen Ci ergie pour l exemplarié de sa poliique Energie-clima, un label renouvelé en 2012. Le proje du Triangle Sud poursui la dynamique d innovaion. Dans son nouveau PLU, la commune se fixe pour objecif d accueillir une populaion nouvelle e de répondre aux besoins en logemen de demain. Aux côés d un cerain nombre de sies en renouvellemen urbain, le Triangle Sud es confirmé comme zone d urbanisaion fuure avec une ambiion environnemenale fore : réaliser un quarier inégran un réseau de chaleur solaire avec un aux de couverure solaire des besoins hermiques de 80%. L éude d urbanisme pré-opéraionnelle pour la concepion d ensemble d un nouveau quarier de 800 à 1000 logemens a éé lancée en 2012 sur cee base.
Ensoleillemen [kwh/m²] Tempéraure exérieure [ C] A.2/ Démarche de concepion originale L ambiion d inégrer un réseau de chaleur solaire à ce fuur quarier a revu le mode de faire au sein de l équipe pluridisciplinaire e de ravail avec la ville, nécessian d avancer prioriairemen sur la dimension echnique pour bien cerner les exigences de surface solaire (m² de panneaux), de sockage inersaisonnier (volume imporan) e de réseau associé, pour aeindre ce aux de couverure solaire de 80% des besoins d énergie. Alors que généralemen, les approches echniques viennen se surimposer à l approche urbaine e paysagère, émoussan parfois cerains principes fors d aménagemen, dans le cadre de ce proje, le ravail d urbanisme a inégré rès en amon e de manière iéraive les approches echniques pour mûrir e développer une cohérence environnemenale globale. Un vrai pari pris de composiion e de programmaion émerge de ce processus. La commune de Monmélian a confié l élaboraion de l éude pré opéraionnelle sur le «TRIANGLE SUD» pour la concepion d ensemble d un nouveau quarier plan de composiion urbain e paysager à un groupemen de bureaux d éudes archiece, urbanise, paysagise, énergéique avec le souien de l Insiu Naional de l Energie Solaire. Le proje concerne la réalisaion d un éco-quarier solaire d environ 800 logemens. A.3/ Données d environnemen Le fuur Ecoquarier solaire du Triangle Sud es siué sur la commune de Monmélian. Figure 1 : Implanaion de l'ecoquarier solaire du Triangle Sud L ensoleillemen moyen annuel es de 1400 kwh/m² sur une surface inclinée à 30 e la empéraure 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 2 : Ensoleillemen mensuel sur un plan incliné à 30 e empéraure exérieure pour le clima de Monmélian 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 - le reour d expérience posiif de la ville sur les insallaions solaires exisanes - la voloné de la ville de promouvoir l énergie solaire e d assurer un aux de couverure solaire de 80% - l inégraion rès en amon de l objecif de 80% d énergie solaire, e la réflexion commune avec les équipes d urbanise e archiece
Cependan de nombreux freins on égalemen dû êre appréhendé, e noammen : - le planning de développemen du quarier : consrucion des 800-1000 logemens avec un ryhme de 40-60 logemens par an - l inégraion urbaine du sockage solaire liée à l objecif de 80% de couverure solaire qui implique des capaciés de sockage imporane (plusieurs milliers de m 3 ) - 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 monage juridique e financier de l opéraion originale B/ Méhodologie e ouils uilisés pour l éude B.1/ Courbe de charge du réseau de chaleur > Besoins chauffage e ECS d un logemen ype Les hypohèses prise pour la définiion d un logemen-ype don les performances énergéiques son de niveau RT2012 20% son les suivanes : - surface moyenne par logemen : 70 m² - nombre d habian par logemen : 2,3 - besoin en chauffage par logemen : 2,8 MWh/an - besoin en eau chaude saniaire par logemen : 2,1 MWh/an soi environ 40L/jour.personne d eau chaude saniaire à 60 C e 20% de peres de bouclage. Figure 3 : Besoin de chauffage e ECS pour un logemen ype > Phasage de consrucion e demande en chaleur Le proje prévoi la consrucion de 1000 logemens. Le phasage iniialemen prévu pour la consrucion es donné dans le ableau e le graphique suivans, ainsi que le nombre de logemens, le nombre bâimens e les besoins calorifiques par îlos en enan compe des peres du réseau de chaleur : Îlo Phasage Nb de logemen Nb de bâimen Besoins oaux (CH+ECS+Peres) A 2 ans 170 8 884 MWh/an B 5 ans 290 14 1508 MWh/an C 6 ans 290 14 1508 MWh/an D 3 ans 125 6 650 MWh/an E 2 ans 110 5 572 MWh/an
Le phasage de consrucion propose la consrucion de 40 à 60 logemens par an, ce aux éan plus imporan les 2 premières années de consrucion. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 besoins [MWh/an] CH+ECS cumulé nbr lgm/an 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Figure 4 : Phasage de consrucion (poins noir) e besoins de chaleur ne cumulé (barre orange) Un exemple de profil mensuel de la demande es donné dans le profil ci-après. MWh 300 250 200 peres RC MWh/mois ECS MWh/mois chauffage MWh/mois 150 100 50 0 janv. fév. mars avril mai juin juill. aoû sep. oc. nov. déc. Figure 5 : Profil mensuel des besoins du réseau de chaleur pour l'îlo C (290 logemens) B.2/ Dimensionnemen e performance du réseau de chaleur solaire L insallaion solaire éudiée pour le réseau de chaleur de l ecoquarier du Triangle Sud es réparie sur les bâimens avec une réinjecion d énergie solaire au niveau de la chaufferie cenrale. L insallaion solaire a éé simulée à parir du logiciel de simulaion dynamique TRNSYS. La cenrale solaire e la chaufferie on éé modélisées e simulés. Les besoins du réseau son fournis par un fichier exerne. Figure 6 : Modélisaion de la cenrale solaire 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 chaleur 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 chaleur sans insallaion solaire. 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 C/ Résulas de l éude C.1/ Concepion, dimensionnemen e performance du sysème solaire connecé au réseau de chaleur Principe du réseau de chaleur par îlo : Le phasage des consrucions condui à une archiecure de réseau «décenralisée» pour rendre auonome chacune des phases (équivalen à un îlo de 150 logemens). La producion d énergie es assurée au niveau de chaque bâimen, au moyen d un champ de capeur. L énergie solaire es ransmise au réseau, de façon à alimener l ensemble des bâimens. Une chaufferie cenrale, par îlo, assure la fourniure du complémen d énergie. L énergie excédenaire, non uilisée par les bâimens noammen en éé, es sockée dans un volume de sockage iner-saisonnier. Les élémens de cee soluion son (par îlo) : - Un réseau de chaleur alimenan chaque bâimen de logemen via une sous-saion e foncionnan à des empéraures enre 45 C (reour) e 70 C (dépar), - Plusieurs champs de capeurs insallés en oiure des bâimens e connecés direcemen au réseau de chaleur, - Une chaufferie cenrale à gaz pour effecuer l appoin e le secours connecée au réseau de chaleur, - Un sockage iner-saisonnier de ype «Tank Thermal Energy Sorage» (TTES), c es-à-dire en cuve/silo exérieur, - Une sous-saion (SST) par bâimen
Le principe es présené dans le schéma suivan. capeurs solaires capeurs solaires capeurs solaires bâimen bâimen bâimen SST SST SST réseau de chaleur réseau gaz chaufferie sockage iner saisonnier SST Figure 7 : Schéma de principe de la producion de chaleur solaire décenralisée Performance du réseau de chaleur solaire : Les capeurs solaires reenus pour l éude son des capeurs plans haue performance (η0=0.817, a1=2.205 W.m -2.K -1, a2=0.0135 W.m -2.K -2 ). Afin d obenir le aux de couverure solaire de 80%, les producions calorifiques devron êre assurés par les différens moyens de producion el que déaillé dans le ableau suivan. En considéran un appoin de ype chaudière gaz, la producion de CO2 équivalen es égalemen donnée dans le ableau. Îlo Nb logemen Besoins oaux (CH+ECS+Peres) MWh/an Producion solaire Producion appoin Conenu CO2(*) MWh/an MWh/an g/kwh A 170 884 709 (80%) 175 (20%) 57.3 B 290 1 508 1 212 (80%) 296 (20%) 56.7 C 290 1 508 1 212 (80%) 296 (20%) 56.7 D 125 650 521 (80%) 129 (20%) 57.3 E 110 572 459 (80%) 113 (20%) 57.3 (*)Hypohèses de calcul : rendemen de chaudière = 90%, PCI/PCS = 0,9 e conenu CO2 du gaz naurel = 234 g/kwh PCI Les dimensions e performances des insallaions solaires de ces soluions son les suivanes : Îlo Surface capeurs m² Volume sockage inersaisonnier m 3 Producion solaire Producivié solaire MWh/an A 1 670 6 500 709 424 B 2800 11 000 1 212 433 C 2 800 11 000 1 212 433 D 1 228 4 800 521 424 E 1 081 4 200 459 424 kwh/(m².an) Un focus sur les performances de l insallaion solaire pour l îlo A (170 logemens) es réalisé ci-après.
Energie [MWh] Solaire jour Solaire inersaisonnier Appoin 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Figure 8 : Répariion mensuelle des énergies alimenan le réseau pour l îlo A Le diagramme suivan représene l ensemble des énergies annuelles mises en jeu pour le cas de l îlo A (170 logemens). Figure 9 : Diagramme des flux d énergie annuels du réseau de chaleur solaire de l îlo A C.2/ Focus sur le sockage d énergie Sockage en cuve de ype TTES L objecif de aux de couverure solaire élevé (80%) fixé par la commune implique la mise en œuvre de sockage de grand volume permean de déphaser la producion du besoin d énergie. Le sockage inersaisonnier à mere en œuvre pour les différens îlos es repris dans le ableau suivan ainsi qu un ordre de grandeur des dimensions : Îlo Volume sockage inersaisonnier m 3 Dimensions Haueur (m) x diamère hors isolaion (m) A 6 500 H15 x D24 B 11 000 H23 x D25 ou 2 cuves de H15 x D21 C 11 000 H23 x D25 ou 2 cuves de H15 x D21 D 4 800 H12 x D22 E 4 200 H12 x D21 La présence d une nappe d eau souerraine de faible profondeur limie la possibilié d enerrer les sockages afin de limier leur impac visuel au sein du quarier. Il es donc imporan d inégrer au mieux ces sockages dans leur environnemen.
Les phoos suivanes illusren des proposiions d inégraion archiecurale des sockages solaires : Bureaux auour d un sockage (Allemagne) Silo réhabilié habillé de logemen (Copenhague) Silo végéalisé parking Lyon Perrache (France) Habillé d un mur d escalade Variane : sockage en sonde géohermique (BTES) La soluion de sockage d énergie dans des sondes géohermiques pourrai êre uilisée en variane à un sockage énergéique sensible sous forme de réservoir d eau. Le principe es d envoyer la chaleur à haue empéraure (95 C) dans le sous-sol (enre 30 e 100 m de profondeur) en période de surproducion (en éé) e de la récupérée en période de sous producion (en hiver). La chaleur es resiuée à une empéraure plus basse (enre 65 e 25 C). Une pompe à chaleur es alors nécessaire à ceraines périodes pour pouvoir valoriser la chaleur récupérée. L éude de données hydrogéologiques e hydrologiques a permis de déerminer qu aucun forage n a une profondeur supérieure à 24m. La non présence de forage de profondeur supérieure à 25 m semble indiquer que la présence d eau sous cee profondeur es limiée voire inexisane. Ceci semble rès inéressan pour la mise en œuvre de la soluion de sockage géohermique. Le champ géohermique serai donc composé de sondes de profondeur de 100 m avec les 30 premiers mères isolés (pour évier les peres vers la nappe alluviale) pour socker l énergie enre une profondeur de 30 e 100 m. Chaufferie cenralisée Appoin Gaz e PAC Réseau appoin PAC Sockage coure durée Réseau solaire Sockage longue durée Champ sondes géohermiques Figure 10 : Schéma de principe du réseau de chaleur solaire avec sockage en sonde géohermique
Une première esimaion du dimensionnemen du sysème pour le cas de l îlo A abouirai à un champ de 18 sondes de 70 mères uiles couplé à une pompe à chaleur de 150 kw e sockage de 200m 3. La répariion des énergies par moyen de producion es la suivane : - Solaire : 80% - Pompe à chaleur (Elecricié) : 9% - Appoin : 11% C.3/ Bilan économique du réseau de chaleur solaire La répariion des invesissemens en hors TVA par pose es le suivan : Ilo Nb logemen Capeur k HT Sockage TTES k HT Appoin k HT Réseau k HT Toal k HT A 170 835 40% 931 45% 59 3% 255 12% 2 080 B 290 1 400 44% 1297 41% 101 3% 366 12% 3 164 C 290 1 400 43% 1297 40% 101 3% 464 14% 3 262 D 125 614 38% 760 48% 44 3% 178 11% 1 596 R 110 540 37% 700 48% 39 3% 179 12% 1 458 Figure 11 : Répariion des coûs d'invesissemen par pose pour l'îlo A Le ableau suivan présene les monans d invesissemen e les coûs d exploiaions sur 20 ans non acualisés, le coû global acualisé sur 20 ans, la producion de chaleur sur 20 ans le proje e le LCOE en découlan. Ilo Nb logemen Invesissemen proje (CAPEX) k HT Exploiaion 20 ans (OPEX) k HT Cou global acualisé 1 20 ans k HT Producion chaleur 20 ans MWh LCOE proje TTC 2 /MWh A 170 2 080 783 2 661 17 232 233 B 290 3 164 1 268 4 087 27 144 234 C 290 3 262 1 272 4 188 26 390 249 D 125 1 596 580 2 021 12 350 250 E 110 1 458 516 1 838 11 154 249 1 : aux d acualisaion de 4% ; 2 : TVA à 5.5% Le financemen des insallaions réseau de chaleur es réalisé par la vene de la chaleur produie. Pour les soluions énergies renouvelables, don les coûs d invesissemen son élevés e ne son pas compéiifs avec les soluions acuelles uilisan des énergies fossiles, des aides son disponibles. Les calculs on éé fais pour deux scénarios suivans : - Un LCOE de 150 TTC/MWh, ce qui correspondrai à une «facure énergéique» par logemen de l ordre de 780 TTC/an ; - Un LCOE de 100 TTC/MWh, ce qui correspondrai à une «facure énergéique» par logemen de l ordre de 520 TTC/an ;
Le coû résiduel «resan à financer» permean d aeindre ces LCOE objecifs son les suivans : Ilo Nb logemen LCOE proje Resan à financer pour un LCOE de 150 /MWh k HT HT /lg Resan à financer pour un LCOE de 100 /MWh k HT HT /lg TTC/ MWh A 170 233 927 5 455 1 489 8 756 B 290 234 1 445 4 982 2 296 7 919 C 290 249 1 639 5 652 2 460 8 484 D 125 250 793 6 340 1 189 9 510 E 110 249 717 6 516 1 079 9 809 Les pises pour le «resan à financer» son les suivanes : - Aides à l invesissemen pour le développemen des EnR - Prise en charge dans les coûs d aménagemen, en conre parie de errains vendus «chauffés», dans le cadre d une opéraion d aménagemen qui par ailleurs nécessie relaivemen peu d équipemens d infrasrucures publics C.4/ Aperçu des modèles d affaires possibles Le monage juridique d une elle soluion doi prendre en compe les caracérisiques pariculières du proje. Les risques echniques e financiers son deux élémens rès imporans qui von oriener la soluion du monage. Les soluions de financemen proposées dans le paragraphe précéden monren qu il es indispensable que la collecivié prenne en charge dans la durée la maîrise d ouvrage du proje. Les deux principaux modes de gesion possible son : - la régie publique - la délégaion de service publique Les DSP réseau de chaleur son habiuellemen mise en place pour des conras de fourniure de chaleur supérieure à 5GWh/an, ce qui n es pas le cas ici. La régie publique semble donc le monage le plus approprié. Aueurs Cee éude a éé réalisée par le CEA INES, les bureaux d éudes TECSOL e INDDIGO ; en collaboraion avec le groupemen de bureaux d éudes LIEUX-DITS (archiecure e urbanisme) / PROGRAMMES-URBAINS (programmaion urbaine e monage d opéraion) / MDP (ranspor par câble) / Hélène SAUDECERRE (paysagise) / HIS&O (hydraulique) / Aliudes VRD. Cee fiche d'informaion a éé préparée par CEA INES. Dae : 14/05/2014 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.