Réseaux de chauffage urbain – Énergie, rendement et coût

Les villes développent de plus en plus de réseaux de chauffage urbain alimentés par des centrales de cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité). On cherche ici à évaluer les performances énergétiques et économiques d’un tel réseau.

Données:

• Centrale de cogénération d’une puissance thermique de 50 MW et d’une puissance électrique de 20 MW.
• Rendement global de la centrale : 90 %.
• Le réseau dessert 10 000 logements, chacun ayant un besoin moyen de 8 000 kWh/an pour le chauffage.
• Pertes thermiques dans le réseau : 15 % de la chaleur produite.
• Coût de production de la chaleur (entretien, combustible, etc.) : 0,04 €/kWh utile livré.
• Coût du combustible : 0,03 €/kWh
• Électricité revendue : 0,10 €/kWh.
• Durée moyenne de fonctionnement de la centrale : 4 000 h/an.

Questions:

1. Énergie annuelle distribuée : Calculez la quantité totale d’énergie thermique annuelle demandée par les logements. Comparez-la à l’énergie effectivement livrée par la centrale après les pertes dans le réseau.
2. Vérification de la puissance disponible : La puissance thermique installée (50 MW) est-elle suffisante pour couvrir les besoins de chauffage en moyenne annuelle ?
3. Bilan énergétique global :
   • Calculez l’énergie totale produite par la centrale (chaleur + électricité).
   • Déterminez l’énergie primaire consommée par la centrale, connaissant le rendement global (90 %).
4. Rentabilité :
   • Calculez le chiffre d’affaires annuel issu de la vente de chaleur et de la vente d’électricité.
   • Discutez la pertinence économique du système si le coût du combustible est de 0,03 €/kWh d’énergie primaire.
5. Avantages et inconvénients :

* Citez deux avantages et deux inconvénients d’un réseau de chauffage urbain, sur les plans énergétique, environnemental et pratique.

Corrigé:

1. Énergie annuelle distribuée

\[ E_{\text{demandée}} = 10\,000 \times 8\,000 = 8\times10^7~\text{kWh/an} = 80~\text{GWh/an} \] \[ E_{\text{produite}} = \frac{E_{\text{demandée}}}{1 - 0{,}15} \approx 9{,}4\times10^7~\text{kWh/an} = 94~\text{GWh/an} \]

2. Puissance disponible

Énergie annuelle disponible : \[ 50~\text{MW} \times 4\,000~\text{h} = 2\times 10^{11} ~\text{Wh/an} = 200~\text{GWh/an} \]

La puissance installée est suffisante.

3. Bilan énergétique global

Énergie totale produite : \[ E_{\text{totale}} = (50 + 20)~\text{MW} \times 4,000~\text{h} = 2,8\times10^8~\text{kWh/an} = 280\,\text{GWh/an} \] Énergie primaire consommée : \[ E_{\text{primaire}} = \frac{E_{\text{totale}}}{0{,}9} \approx 3,1\times10^8~\text{kWh/an} = 310\,\text{GWh/an} \]

4. Rentabilité

Recettes:

\[ R_{\text{chaleur}} = 8\times10^7 \times 0{,}04 = 3,2\times10^6~€ \] \[ R_{\text{élec}} = 20~\text{MW} \times 4,000~\text{h} \times 0{,}10 = 8\times10^6~€ \] Total ≈ 11,2 M€

Coût du combustible:

\[ C_{\text{combustible}} = 3,1\times10^8 \times 0{,}03 = 9,3\times10^6~€ \]

Marge brute ≈ 1,9 M€

5. Avantages et inconvénients

• Avantages :
  • Valorisation de la chaleur fatale et cogénération efficace.
  • Réduction des émissions de CO₂ par rapport à des chaudières individuelles.
• Inconvénients :
  • Coût d’investissement élevé et pertes dans le réseau.
  • Dépendance à une infrastructure centralisée difficile à modifier.