Les eaux usées, un réservoir de chaleur à exploiter
Par Harold Schuiten | Energymag | 05.04.11 | Publié dans Energymag N° 13 |
Une idée qui trace son chemin: récupérer les calories des effluents, via l'installation d'échangeurs de chaleur dans les canalisations d'égouts reliés à des pompes à chaleur. Le procédé ouvre de nouvelles perspectives aux collectivités locales désireuses d'améliorer leur bilan énergétique.
Chauffer ses espaces via des pompes à chaleurs nécessite une source de calories, en général via le sol, par la géothermie, ou l'air extérieur, grâce à l'aérothermie. Mais un autre gisement demeure largement inexploité: les eaux usées. Trois quart de la chaleur des effluents domestiques (salles de bains, lessives, cuisine, vaisselles,...etc.) est en effet rejeté à l'égout, en pure perte. La température du réseau oscille ainsi entre 13 et 20°C, selon les saisons, avec une relative stabilité en raison de l'inertie thermique du milieu. Des caractéristiques idéales pour approvisionner une pompe à chaleur, via un échangeur de chaleur posé dans le collecteur. Depuis 2007, le système, développé par le chercheur allemand Urs Studer, alimente en chauffage les 280 appartements du quartier de Ruggächern, en Suisse. Le procédé se rencontre surtout en Allemagne, Suisse, et aux Etats-Unis, où 20 installations sont en activité. Son développement est spectaculaire: 33 projets se construisent actuellement dans le monde et 100 autres entrent en phase d'étude. Degrés Bleus, filiale de la Lyonnaise des Eaux commercialise le dispositif en France depuis début 2009, sous l'égide du bureau d'étude Saunier & Associés.
En pratique
Le système consiste à installer un échangeur de chaleur intégré dans la canalisation, ou posé sur celles préexistantes. Des conduits envoient le fluide réchauffé vers les PAC, où le fluide est porté à 50-70°C, pour être redistribué dans les bâtiments. Dès la première année, les économies d'énergie se situent entre 20-30% et parfois 50% du poste énergie global annuel. Les émissions de gaz à effets de serre diminuent, elles, de 60% (voir ci-contre). "L'avantage est triple: réduction du poste énergétique, bénéfice environnemental et moindre exposition au fluctuation du prix du gaz", estime Mathieu de Kervaenoel, Directeur d'affaires Energies Nouvelles à la Lyonnaise des Eaux. Le système s'annonce avant tout avantageux pour la fourniture de chaleur dans les régions aux hivers froids, à l'exemple du Nord Est de la France. Ses performances y dépassent celles de l'aérothermie. Le rafraîchissement reste néanmoins possible. Une configuration par réseau hydraulique du circuit de rafraîchissement intérieur du bâtiment s'avère alors indispensable. A l'exemple des pompes à chaleur en général, le procédé ne se substitue pas à l'usage d'une chaudière mais vient en complément. Une PAC au coefficient de performance annuel de 3,5 assure 80% de la chaleur. La chaudière assure les 20% restants lors des pointes de consommation.
Implantation urbaine
Quant aux lieux d'implantation les plus adéquats, ils concernent sans surprises les zones urbaines denses. Les besoins en chaleur y sont importants et l'installation de panneaux solaires et d'éoliennes pâtit des faibles disponibilités d'espace ou des nuisances entraînées. Le procédé requiert également des débits minimums dans les canalisations. Le débit moyen journalier dans le collecteur doit atteindre les 8 litres/seconde, soit les effluents d'une zone couvrant 8 à 12.000 personnes. Une implantation dans des agglomérations de 20 à 30.000 habitants reste envisageable, mais de préférence en aval d'un point d'assainissement. Les usages les plus adaptés renvoient à ceux des PAC en général. "On est dans des gammes de puissances minimums de 150 kW thermique pour le chauffage et l'eau chaude, soit l'équivalent d'une cinquantaine d'appartement. Cela concerne des besoins constants et collectifs: groupes d'habitations, hôpitaux, piscines, maisons de retraite...etc.", ajoute-t-on dans la société.
Mise en place aisée
Question chantier, Degrés Bleu estime l'impact sur la chaussée et les bâtiments très limité, surtout en cas de pose d'un échangeur dans un conduit préexistant. Un diamètre minimum dans le collecteur est alors requis. La société exige entre 1m et 1,20m de diamètre minimum, contre 800 millimètres, en Allemagne et en Suisse, pour des canalisations censées être visitées lors des entretiens... Dans tous les cas de figures, la longueur d'un échangeur standard atteindra néanmoins 20 mètres au minimum, sur un tronçon rectiligne. Et les PAC devront se situer au plus près. Le réseau caloporteur supporte 250 m linéaires d'éloignement maximum. La puissance des systèmes Degrés Bleus varie entre 100 et 1.000 kilowatts pour un investissement initial de 200.000 euros minimum à 1-1,5 million d'euros. Des montants conséquents donc, même si les économies d'échelle jouent à plein. Les coûts varient aussi naturellement selon les configurations. L'extension d'un réseau ou son renouvellement constitue ainsi de vraies opportunités. L'installation d'un échangeur intégré dans la nouvelle canalisation s'y fait alors à moindre frais. Pour ce tarif, la Lyonnaise prend en charge la fourniture clé en main et la pose de toute l'infrastructure: échangeur, réseau caloporteur, PAC, autres équipements nécessaires à la chaufferie et assure une garantie de résultat de 2 ans. Un système de mesures retrace les performances dans le temps.
Robuste et durable
Quant aux performances du système sur le long terme, Degrés Bleu se veut optimiste. "Urs Studer, l'inventeur du procédé, a déposé de nouveaux brevets depuis 2002, et il est aujourd'hui plus performant que celui en application en Suisse. Un nouveau système de bande de cuivre diminue les dépôts de biofilms qui tendaient à s'accumuler et réduire les performances", assure Mathieu de Kervaenoel. La durée de vie de l'échangeur est estimée entre 30 et 50 ans et 20 ans pour la pompe à chaleur. Les canalisations en inox supporteraient sans difficultés la corrosion. Au final, l'entreprise annonce un retour sur investissement séduisant de moins de 10 ans, hors subvention. En France, le système intéresse déjà les collectivités locales. Degrés Bleu annonce trois projets d'implantations en phase de discussion et trente-cinq autres études d'opportunité en cours. La société vise déjà d'éventuels applications industrielles plus importantes. Et en Belgique? Des applications seraient envisageables. A condition de s'associer avec des énergéticiens tels qu'Axima, et d'assurer ainsi des engagements sur les économies d'énergie générées.
Comment cela marche?
Un échangeur de chaleur est installé dans les canalisations d'eaux usées. Il est constitué d'un circuit fermé en boucle, dans lequel le fluide caloporteur en circulation se réchauffe au contact des effluents. Ce circuit alimente une pompe à chaleur qui va élever la température d'eau de 12-15°C (température des eaux usées) à un niveau exploitable entre 50 et 70°C. Installée dans une chaufferie centrale, la pompe à chaleur alimente les bâtiments. Particularité de taille, elle est réversible et peut être également utilisée pour climatiser les bâtiments (maisons de retraite, hôpitaux, logements, piscines, écoles, bureaux...). Précisons que le système peut être installé sur du neuf (collecteurs munis d'échangeurs de chaleur intégrés) comme sur de l'existant (l'échangeur de chaleur est fixé au radier du collecteur). Développé par la société Rabtherm, il est déjà appliqué sur une vingtaine de réalisations en Suisse, en Allemagne et en Autriche. Et montre des résultats probants. A Singen en Allemagne, un immeuble de bureaux de 4.000 m2 (Technopole SinTec) est entièrement chauffé et climatisé par ce biais. La puissance déployée est de 350 kW en chaud et 242 kW en froid, sur base d'un débit dans le collecteur de 45l/s. A Ollon en Suisse, avec un débit de 26l/s et une température d'eaux usées moyenne de 9°C, une résidence comprenant 20 appartements et une piscine parvient à réduire ses émissions de CO2 de 80% grâce à cette technique. La réduction des coûts énergétiques a été évaluée à 58%.
Combien cela coûte?
Une fois le système complet installé à côté d'une chaudière au gaz préexistante, les économies se gagnent sur deux niveaux: la consommation de gaz qui diminue d'un facteur dix. Le poste passe ainsi de 80 à 8% de la facture annuelle globale. L'entretien de la chaudière baisse, lui, à 10-15% contre 20 auparavant, vu sa moindre sollicitation. Mais à côté, de nouveaux postes de coût apparaissent en consommation d'électricité et entretien. Il faudra ainsi ajouter les nouveaux 20% d'électricité consommée par la PAC, plus environ 7% pour son entretien et 25 autres pour celui de l'échangeur de chaleur. "Le curage pluriannuel des conduits est une opération très simple, au coût de 500 à 1000 euros", assure Mathieu de Kervaenoel. Au final, la facture annuelle se monte ainsi à 75-80% de celle initiale. A côté de ce cas de figure, la rentabilité du système dépend de nombreux paramètres. Citons: le débit dans le collecteur, les profils de consommation du bâtiment, la demande en chaleur, la typologie du réseau (neuf/existant, unitaire/séparatif) et la proximité de l'utilisateur finale pour limiter les pertes de charges. En cas de marque d'intérêt pour un projet, le coût d'une étude d'opportunité se monte à dix mille euros. Elle comprend un état des lieux du réseau d'assainissement, la mesure du débit dans la canalisation, l'analyse des besoins de chauffage des bâtiments et l'établissement des coûts d'investissement. En second lieu, une étude de faisabilité, à vingt mille euros, apportera des engagements fermes et définitifs sur les aspects techniques, le chiffrage des coûts et le bilan environnemental. Elle concerne le dimensionnement précis des installations, l'établissement du coût d'investissement et la mesure du temps de retour sur investissement.
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