Réseau de froid

Un réseau de froid, ou RFU pour réseau de froid urbain est l'équivalent d'un réseau de chaleur, mais dédié au transport et à la distribution de « frigories » plutôt que de calories.

On parle aussi de

• District cooling pour les anglophones,
• LSC pour "lake source cooling" ou DLWC (direct lake water cooling) quand la source de frigories est un lac,
• DSWC (direct sea water cooling) quand l'eau froide est pompée en mer.

Hammarbyverket à Stockholm (Suède) est une centrale énergétique urbaine qui produit à la fois de la chaleur (calories) et du froid (frigories)

Ce réseau distribue généralement de l'eau très fraiche et il peut desservir des habitations, des écoles, des supermarchés, entreprises... Il peut théoriquement concerner un quartier ou une ville et être associé à un smartgrid. Le système hydrothermique peut être fermé (en une ou plusieurs boucle, avec ou sans échangeurs seuls ou en batteries) ou de type ouvert (l'eau finale sert par exemple à l'irrigation, au remplissement de plans d'eau ou à l'arrosage d'espaces verts, etc.).

Dans certaines régions (près de l'océan en zone froide ou profonde, près d'une mer fermée et profonde, près de pergélisols ou de lacs froids) les frigories naturelles sont disponibles à faible coût dans les eaux hypolimniques et plus faciles à exploiter et transporter. Ailleurs il faut produire du froid (éventuellement corrélativement à du chaud, via une pompe à chaleur par exemple).

Le réseau peut être géré par la commune (en régie) ou par un prestataire privé.

Historique et principe

Le pergélisol est depuis la préhistoire utilisé pour conserver de la viande ou du poisson, et il a probablement depuis longtemps été utilisé durant le court été arctique comme source estivale de frigorie. C'est naturellement dans des régions froides (pays nordiques ou de montagne) que ce principe a été testé pour la climatisation individuelle, de quartier ou urbaine.

En zone tempérée, les catiches (où l'on élevait les endives et des champignons) et autres champignonnières ont depuis des siècles utilisé la fraicheur estivale du sous sol. Des brasseries utilisent encore en Europe tempérée des glacières fonctionnant comme au moyen-âge, très efficacement (elles conservent durant plus de 10 mois de la glace ou de la neige qu'on y a accumulé en hiver (dans des fosses artificielles ou des cavités naturelles ).

Le premier réseau de froid suédois fut installé en 1992 à Västerås, et 3 ans plus tard, un réseau similaire est installé à Stockholm. Le principe est très similaire à celui du réseau de chaleur. Une centrale, souvent la même que celle utilisée pour produire de la chaleur, produit de l'eau froide, soit en la puisant directement dans un lac, soit grâce à une pompe à chaleur. L'eau froide (autour de 6°C) est ensuite acheminée vers le client grâce à un réseau de canalisation isolées, et traverse ensuite un échangeur de chaleur situé chez le client de façon à alimenter en froid le système de climatisation du bâtiment. Dans une ville dense, tout comme pour les réseaux de chaleur, le réseau de froid est bien plus efficace énergétiquement, et donc plus écologique, que des systèmes individuels de production de froid.

En cas de prélèvement dans un lac, l’emplacement du point de pompage est déterminant car la stabilité thermique et les niveaux de températures de certains lacs varient significativement dans l'année. Sa stabilité et le froid augmentent généralement avec la profondeur. Les études d'impacts restent à affiner sur le moyen et long terme, mais à ce jour les effets thermiques semblent faibles et/ou « se confondent avec la fluctuation spontanée du milieu, et la qualité chimique des eaux presque jamais affectée. Aucun impact notable n’a été perçu sur la faune et la flore aquatique vivant à proximité ».
Théoriquement, dans un lac très profond à forte stratification thermique un même réseau pourrait utiliser les calorie en surface et les frigories au fond.

Exemples d'application

Finlande : Le système de refroidissement du district d'Helsinki valorise la chaleur perdue en été dans les unités de production d'énergie par cogénération en faisant fonctionner des réfrigérateurs à absorption qui climatisent les lieux de vie et de travail en réduisant la consommation d'électricité.
En hiver, le refroidissement exploite la fraicheur naturelle de l'eau de mer. L'adoption de systèmes de refroidissement urbains vise à réduire de 90 % la consommation électrique dédiée au refroidissement ; ils devrait connaître une croissance exponentielle de l'utilisation, [1] l'idée étant maintenant adopté dans d'autres villes finlandaises.

Suisse : Un réseau frigorifique construit en 1957 a été rénovée en 1995 pour climatiser le siège du groupe Neslé à Vevey (Lac Léman) et refroidir les datacenters (8 MW au total), à partir d'un pompage à 50 m prof. Le rejet se fait à environ 9 m de profondeur.
Depuis 1985, l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne dispose d'un double réseau de chaleur et de froid qu'elle utilise selon ses besoins, ce qui a permis une meilleure efficacité énergétique global du système de chauffage/climatisation (de 19 MW). La ville de Genève a décidé d'utiliser les couches profondes et froides du Lac de Genève (projet GLN Genève-Lac-Nations). Le pompage est situé à 70 m prof. (6°C, 940 m3/h nominal) et l'eau renvoyée dans la rivière La Sorge (à 12-14°C). Les besoins de chauffage sont couverts via des pompes à chaleur, ceux de climatisation via des échangeurs de chaleur (4.8 MW nominal, en direct selon Vuille F. V., 2004; Schmid J., 2005 cités par Viquerat (2012)). Les eaux de retour sont en partie dans ce cas valorisée pour l'arrosage.
En 2009 un réseau a été créé A/ Versoix-Centre (Genève, Lac Léman) qui devrait atteindre à sa capacité maximale en 2013. Le pompage (à 50 m prof. ; 600 m3/h nominal) alimente le réseau puis l'eau tiédie est rejetée dans la rivière La Versoix, contribuant au chauffage (6.6 GWh/an) et à la climatisation en direct (1.8 GWh/an) pour environ 60'000 m2 de bâtiments à basse consommation (Conti, 2010; Chenal, 2008).

Suède : Au début des années 2000, les principes testés et les objectifs sont les mêmes qu'en Finlande.
. Bien que les besoins en climatisation soient bien moins importants en Suède que les besoins en chauffage, selon l'agence suédoise de l'énergie, entre 2 et 4 TWh d'énergie sont utilisés en Suède pour la climatisation. La plupart des installations sont des installations individuelles, mais la part des réseaux de froids augmente. En 2011, la Suède comptait 33 entreprises de réseaux de froid (qui sont les mêmes que celles des réseaux de chaleur), pour une distribution totale de 888 GWh de froid ; le réseau de froid atteint 371 km fin 2011. Le réseau de Stockholm, géré par Fortum, fait partie des plus importants réseaux en Europe, permettant le refroidissement d'une surface de 7 000 000 m² de commerces, grâce à un réseau de 76 km de long.

Etats-Unis : Le système de refroidissement/climatisation de l'Université Cornell utilise le Lac Cayuga comme dissipateur de chaleur du système central de production d'eau glacée du campus, qui alimente aussi le réseau de refroidissement de l'arrondissement scolaire de Ithaca City (depuis l'été 2000, après un investissement de 55-60 millions de dollars. Il refroidit un 14 500 tonnes d'eau (puissance : 50 MW).

Canada  : En Août 2004, "Enwave Energy Corporation", une société spécialisée dans la distribution d'énergie de quartier à Toronto a commencé à faire fonctionner un système utilisant l'eau profonde du Lac Ontario pour climatiser les bâtiments du quartier administratif et universitaire en centre-ville, y compris des tours de bureaux, le Metro Toronto Convention Centre, une petite brasserie et un centre de télécommunications. Le processus qui a été intégré (en 2004) à un réseau de froid existant depuis 1997 s'est fait connaître sous le nom de refroidissement par eaux profondes (DLWC pour Deep Lake Water Cooling). Il fournira de plus de 40 000 t d'eau glacée (140 MW) de refroidissement, ce qui est plus importante que les puissances installées ailleurs pour le même usage. Une autre caractéristique du système Enwave est qu'il est intégré à l'approvisionnement en eau potable de Toronto (qui nécessitait un nouvel emplacement de pompage plus près du rivage, mais plus profond dans le lac. Le gestionnaire devait assumer les coûts de déplacement de la prise d'eau et de chauffage de l'eau potable, qui était trop froide pour être distribuée. La coopération de l'agence de refroidissement urbain et d'Enwave a permis de résoudre les deux problèmes: Enwave a payé le coût de déplacement de la prise d'eau et a fourni la chaleur suffisant pour tiédir l'eau potable à des niveaux acceptables en extrayant efficacement de la chaleur des bâtiments. Les deux réseaux sont physiquement séparés, mais peuvent échanger des calories via un échangeur de chaleur.

Emirats Arabes Unis : En Janvier 2006, "PAL technology" pilote l'un des projets émergents des Émirats Arabes Unis impliqués qui construisent à la fois des unités de dessalement, des usines de traitement des eaux usées et des réseaux de refroidissement urbains (Plus de 400 000 tonnes (1 400 MW) en projets, pour des centrales régionales de refroidissement). Palm Jumeirah (l'archipel artificiel des Émirats arabes unis construit dans le golfe Persique dispose d'un réseau de froid fourni par "Palm Utilities LLC" pour climatiser les bâtiments de cette citée lacustre.

Pays-Bas : En 2006, un réseau de froid urbain a été construit dans la région d'Amsterdam, en utilisant l'eau du Nieuwe Meer.

Inde : La ville d'Ahmedabad (dans le Gujarat) prévoit un tel système.

Qatar : On the 9th of November 2010, The world's largest district cooling plant opened at The Pearl-Qatar. This plant is owned and operated by (known as Qatar Cool). It is capable of cooling a load of 130,000 tons (450 MW).[7]

Le 9 Novembre 2010, la plus grande usine de refroidissement de district du monde a été inaugurée au Pearl-Qatar. Elle est détenu et exploité par « Qatar District Cooling Company » (connue sous le nom « Qatar Cool »), pour une capacité de charge de 130 000 t (450 MW). D'autres projets existent ; Le système de refroidissement urbain de Lusail fournira 500 000 tonnes d'eau glacée à ses utilisateurs finaux via un réseau intégré relié à des usines de réfrigération, ce qui en fera l'un des plus grands systèmes de refroidissement urbain au monde.
Un projet de double centrale de réseau urbain de froid utilisant 36 refroidisseurs, 36 tours de refroidissement et deux unités de stockage d'eau froide a été lancé en 2012 pour l'université de Sabah Al-Salem. Le tunnel de service mesure 18 kilomètres et abrite des tuyaux pré-isolés et un système complet d'extinction d'incendie ainsi qu'un système d'éclairage, de drainage et un équipement de vidéosurveillance (104 km de fibres optiques), le tout fermé par des portes anti-feu en acier.

France : Paris dispose d'un début de « Réseau de froid parisien » expérimente depuis 2002 sur deux sites une « alimentation renforcée grâce au stockage de glace » dans la centrale frigorifique Opéra/Galfa (capacité frigorifique globale d'environ 20 000 kWh). et se propose de développer des réseaux de froid (dans son Plan climat). Les 2 "glacières" ont été intégrés début 2006 à la centrale frigorifique "Les Halles" qui dispose d'une capacité frigorifique globale d'environ 30 000 kWh (44 MW provenant des machines frigorifiques, et 13 MW supplémentaires ajoutées durant de courtes périodes au réseau de froid de la ville grâce aux stockages de glace.
Lyon possède aussi un réseau de froid, géré par la société Prodith.

Stockage de frigories

Des brasseries utilisent encore en Europe froide ou tempérée des glacières fonctionnant comme au moyen-âge, très efficacement (elles conservent durant plus de 10 mois de la glace ou de la neige accumulé dans le sol, dans des fosses artificielles ou des cavernes naturelles, etc)).

Des systèmes de captage hivernal de frigorie dans la roche du sous-sol sont testés. La roche y est refroidie par circulation d'air très froid et les mêmes canalisations peuvent être utilisées pour refroidir de l'air chaud en été (avec problèmes de condensation à gérer). Des frigories peuvent aussi être exportées par pompage de l'eau à l'état fondu, pour injection directe dans un système de refroidissement urbain (ou indirecte via un échangeur de chaleur). L'eau de fonte devenue tiède est ensuite renvoyée dans le stock de glace ou neige où elle se refroidit.

En Suède, il existe à Sundsvall une usine de refroidissement à neige construite et détenue par le comté (1500 MWh/an)

Déshumidification

En zone tropicale subtropicale, des besoins importants de déshumidification de l'air existent, qui peuvent être associés aux systèmes de froid

Bibliographie

• DELBÈS, J., & VADROT, A. (2000). Réseaux de froid urbain. Techniques de l'ingénieur. Génie énergétique, 5(BE9320), BE9320-1.
• BAZART, J. M. (2006). Genèse d'un réseau de froid sous l'équateur. Chauffage, ventilation, conditionnement d'air, (844), 46-50.
• CETE de l’Ouest (2013). Contenu CO2 des réseaux de chaleur et de froid Arrêté du 11 juillet 2013.
• DELBES, J., & VADROT, A. (2000). Réseaux de froid urbain. Production et stockage du froid. Techniques de l'ingénieur. Génie énergétique, 5(BE9321), BE9321-1 (résumé).
• DELBES, J., & VADROT, A. (2000). Réseaux de froid urbain. Réseaux de distribution. Techniques de l'ingénieur. Génie énergétique, 5(BE9322), BE9322-1 (résumé).
• Faessler, J., Haroutunian, A., Hollmuller, P., & Lachal, B. M. (2011). Étude d'opportunité pour le projet GLU/GLA: pertes thermiques du réseau Lac, connexion aux bâtiments et potentiel de froid ; évaluations et recommandations. SIG (résumé).
• Viquerat, P. A. (2012). Utilisation des réseaux d'eau lacustre profonde pour la climatisation et le chauffage des bâtiments; bilan énergétique et impacts environnementaux: Etude de cas: le projet GLN (Genève-Lac-Nations) à Genève (Thèse de Doctorat, soutenue à l'Université de Genève) et résumé).

Voir aussi

Articles connexes

• Pompe à chaleur
• Froid
• Air conditionné
• Cogénération
• Économies d'énergie
• Énergie renouvelable
• Galerie technique
• Réseau de froid
• Climatisation
• Condensateur
• Tour aéroréfrigérante