Réseaux de chaleur solaire et stockage thermique – L'exemple des « Water Pit Storage » au Danemark

Cédric Anglade (ECLy 2015) — 2016-10-01T19:39:00Z

Le solaire thermique au Danemark

Partons faire un petit tour au Danemark, pays des réseaux de chaleur où ces derniers couvrent 60% des besoins de chauffage contre 5% en France. Ce taux atteint même 98% à Copenhague ! Dans ce pays, les grands projets de réseaux de chaleur alimentés par des centrales solaires se développent à grande vitesse comme en atteste la carte des projets en construction dans le pays (Figure 2). La production solaire n'étant pas pilotable et non corrélée avec la consommation d'énergie, tout grand projet s'accompagne d'un moyen de stockage thermique [2].

Les Danois ont développé leur propre technologie dans ce domaine : plusieurs hectares de panneaux solaires sont raccordés à un stockage thermique à grande échelle : des « Water pit storage » qui sont des grandes fosses creusées dans le sol et remplies d'eau (Figure 3). Ces mini-lacs, à moitié enterrés et bien isolés, permettent le stockage inter-saisonnier de l'excédent de chaleur produit par les panneaux solaires en été.

Zoom sur les « Water Pit Storage »

Ces derniers permettent de stocker plusieurs dizaines de milliers de m3 d'eau à un prix relativement faible pouvant descendre jusqu'à 50 €/m3, à comparer aux prix des réservoirs cylindriques de plus de 400 €/m3 [3].

La forme est celle d'un trapèze, forme la plus simple à construire se rapprochant de la forme sphérique qui présente les pertes thermiques les plus faibles en raison d'un faible ratio surface sur volume.

Le lac est creusé à la pelleteuse. La terre extraite est placée sur les bords du réservoir pour augmenter sa hauteur et éviter les coûts d'extraction. Les bords sont inclinés le plus possible tout en garantissant la stabilité lors de la construction, soit une pente d'environ 27° par rapport à l'horizontale. La fosse est ensuite recouverte d'un « liner » spécial, qui permet de garantir l'étanchéité du réservoir. De nombreuses recherches ont portés sur ces liners pour trouver les plus résistants à haute température tout en empêchant la pénétration de la vapeur d'eau.

L'isolation constitue un des éléments les plus chers. Pour réduire la surface à couvrir, le fond n'est pas isolé. Au fur et à mesure des premières années d'exploitation, le sol aux alentours va se réchauffer et jouer le rôle d'isolant.

La couverture qui vient recouvrir la fosse est un des composants les plus techniques. Pour parer aux phénomènes de dilatation thermique, celle-ci est construite de manière à flotter sur l'eau.

En cours d'exploitation, l'eau va se stratifier en couches de températures croissantes au sein du stockage. L'eau en haut du réservoir peut ainsi atteindre 90°C quand l'eau en bas est à 40°C. Pour ne pas perturber la stratification, l'eau chaude en provenance des panneaux solaires est directement insérée à la bonne hauteur à l'aide d'un stratificateur, tube métallique présent sur la Figure 3.

Les Danois ont pris une grande avance dans ce domaine et développé un savoir-faire unique en Europe en surmontant les problèmes rencontrés lors des toutes premières constructions : fuites, défaut de liners, contraintes géotechniques…

A titre d'exemple, le stockage du réseau de chaleur de 30 GWh de la ville de Marstal a longtemps été le plus grand au niveau mondial : une fosse de 75 000 m3, mesurant 113 m de long, 88 m de large pour une profondeur de 16 mètres [4]. Les deux mois nécessaires à son remplissage reflètent son énorme volume. Les panneaux solaires produisent en moyenne 400 kWh/m2/an. Une surface de 33 000 m2 de panneaux solaires produit plus de 50% de la consommation d'énergie du réseau.

En été, les panneaux solaires suffisent à couvrir les besoins du réseau. En hiver, une pompe à chaleur 1,5 MW et une chaufferie bois de 4,0 MW servent de compléments (Figure 4). La pompe à chaleur permet de délivrer de l'eau à 75°C et fonctionne en refroidissant l'eau stockée dans le réservoir, en priorité lorsque les prix de l'électricité sont bas.

En 2015, Marstal a été détrôné par le réseau de Vojens : une surface de 52 491 m² de panneaux solaires d'une puissance de 37 MW sont associés à un stockage de 203 000 m³ [5]. Le système permettra ainsi de couvrir approximativement 50% des besoins du réseau composé de 2 000 maisons. L'investissement s'élève à 16 millions d'euros, dont environ 9 millions pour le champ solaire et 4 millions pour le stockage. La nouvelle tendance semble donc être au plus gros système afin de profiter d'économies d'échelles et obtenir un coût du m3 le plus faible possible.

Perspectives d'évolution

Ces grands stockages thermiques pourront servir à l'avenir à lier les réseaux de chaleur avec le réseau électrique (via des pompes à chaleur ou « co-génération », aussi appelée « combined heat and power » ou « CHP plants ») et apporter une plus grande flexibilité au réseau électrique, flexibilité essentielle pour une forte pénétration des énergies renouvelables. La filière Power-to-Heat, concept consistant à valoriser le surplus de production électrique via une transformation en chaleur, apparaît de plus en plus dans de nombreux scénarios de transition énergétique à l'horizon 2050 et des appels d'offres en ce sens (comme celui lancé par le Club Stockage d'Energies de l'ATEE) commencent à voir le jour.

En France, les réseaux solaires peinent à se développer malgré une volonté certaine de se lancer dans le domaine : appel à projets de l'ADEME, conférence internationale annuelle sur les réseaux de chaleur solaire à Toulouse organisé par SDH (Solar District Heating) [6]. Un des freins au développement de ces derniers réside dans les températures élevées des réseaux de chaleur. Pour l'instant, on peut citer les réseaux de Balma à Toulouse et de Juvignac à Montpellier.

Espérons que de nouveaux projets voient le jour dans un futur proche avec le développement des éco-quartiers, la rénovation des bâtiments, l'extension et la densification de réseaux nécessaires pour répondre aux objectifs de réduction des émissions de CO2 grâce au développement des réseaux de chaleur.

Sources :

[1] Site de l'entreprise Danoise PlanEnergi. Disponible sur http://www.planenergi.eu/

[2] PAVLOVL Georgi K, OLESEN Bjarne W, Seasonal ground solar thermal energy storage – Review of systems ans applications, ICIEE, DTU, Denmark

[3] JENSEN Morten Vang, Large Systems Seasonal pit heat storages - Guidelines for materials & construction, Task 45 IEA-SHC, 2014

[4] DANNEMAND Andersen J, BODKER L, Large Thermal Energy Storage at Marstal District Heating, 2013

[5] Site de l'entreprise danoise Ramboll :
http://www.ramboll.com/projects/re/south-jutland-stores-the-suns-heat-in-the-worlds-largest-pit-heat-storage

[6] SDH, National report france, New business opportunities for solar district heating and cooling. D5.1 Macro Ana-lyses, Thomas DUFFE et al.

Retrouvez également cet article dans le Flash n°51.

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