Fleury de Oliveira,
Pierre Hollmuller,
Bernard Lachal,
Loïc Quiquerez,
Stefan Schneider

Caractérisation spatio-temporelle des besoins et des ressources énergétiques d’un quartier urbain, le cas du quartier de la Jonction à Genève

Introduction

Le secteur de l’approvisionnement énergétique des bâtiments constitue le plus gros poste de consommation énergétique et le principal émetteur de gaz à effet de serre en Suisse. Réduire la demande énergétique et substituer les énergies fossiles par des énergies renouvelables dans ce secteur est l’une des clés de la transition énergétique. L’élaboration de stratégies énergétiques axées sur l’utilisation accrue des énergies renouvelables nécessite cependant de savoir où et quand sont disponibles ces ressources, respectivement où et quand l’énergie est demandée.

La caractérisation spatio-temporelle des ressources et de la demande est particulièrement importante pour le déploiement des réseaux thermiques car la chaleur et le froid, contrairement à d’autres vecteurs énergétiques tels que les combustibles ou l’électricité, se transportent plus difficilement sur de grandes distances pour des raisons technico-économiques. Ces réseaux, limités à l’échelle des villes, sont donc favorables au déploiement / développement de ressources énergétiques renouvelables disponibles localement.

Dans ce contexte, l’objet de ce travail consiste en l’élaboration d’une base de données homogène, à l’échelle d’un quartier urbain existant, permettant de caractériser les ressources et les demandes dans leurs dimensions spatiales et temporelles. Les diverses contraintes environnementales, légales, foncières qui peuvent limiter, sur le territoire, l’exploitation de certaines ressources sont également abordées. L’objectif de ce travail est la mise à disposition d’un socle d’information consolidé qui puisse être utilisé pour réaliser un diagnostic énergétique et des scénarii énergétiques à l’échelle du territoire.

 

Répartition géographique des bâtiments du quartier de la Jonction selon les différentes affectations et répartition du nombre des bâtiments par affectation.

Le cas d’étude choisi est le quartier de la Jonction situé dans le centre-ville de Genève. Ce quartier présente un double intérêt : i) le tissu urbain se caractérise par une forte concentration et une certaine diversité, offrant des opportunités pour déployer des réseaux thermiques et pour exploiter des synergies entre besoins de chaleur et besoins de froid ; ii) plusieurs ressources énergétiques renouvelables sont disponibles localement.

Méthodologie

Ce travail repose sur la collecte, le traitement et l’analyse de données existantes et disponibles, complétées par des modèles le cas échéant.

Les données sources utilisées pour évaluer les besoins de chaleur annuels à l’échelle des bâtiments proviennent de la base de données des indices de dépenses de chaleur (IDC), publiée par l’OCEN et disponible sur le portail du SITG. Les besoins de chaleur des bâtiments non renseignés dans la base IDC sont estimés à l’aide d’un modèle d’extrapolation statistique développé par l’UNIGE. Les besoins de chaleur sont ensuite séparés entre une fraction dédiée au chauffage des locaux et une fraction dédiée à la production de l’ECS (chaleur fournie aux ballons de stockage d’ECS). La dynamique horaire des besoins de chaleur (chauffage et ECS) sur l’année 2015 est évaluée à l’échelle de l’ensemble du quartier de la Jonction à partir d’un re-scaling de courbes de charge mesurées sur 6 sous-stations raccordées au réseau de chaleur CAD-Laurana.

Les données sources utilisées pour évaluer les puissances froid à l’échelle des bâtiments proviennent des bases de données alimentées depuis 1980 par les dossiers de requête d’autorisations déposés auprès de l’OCEN, avec séparation entre froid de confort (climatisation de locaux) et de process (climatisation de datacenters). Les besoins annuels sont calculés via la durée d’utilisation équivalente à pleine puissance, dérivée de la construction des profils horaires. La dynamique horaire des besoins de froid (confort et process) sur l’année 2015 est évaluée à l’échelle de l’ensemble du quartier de la Jonction à partir d’un re-scaling de courbes de charge mesurées sur 7 sous-stations du réseau froid GLN. La décomposition entre les deux prestations froid est estimée à l’aide d’un modèle multilinéaire développé par l’UNIGE.

Les besoins annuels électriques, agrégés par adresse, proviennent des SIG. Un modèle UNIGE a permis de séparer les besoins électriques pour usage domestique et non-domestique. La dynamique horaire des besoins sur l’année 2015 est évaluée à l’échelle de l’ensemble du quartier à partir d’un re-scaling de la courbe de charge cantonale.

Des modèles simples, mais robustes, ont permis d’évaluer les dynamiques de production thermique et électrique pour diverses ressources renouvelables existantes dans le quartier de la Jonction.

  • La dynamique de production solaire prend en compte le rayonnement global horizontal mesuré, la morphologie des toitures du quartier (orientation, pente et effet de masque), ainsi que l’affectation et le nombre d’habitants de chaque bâtiment ;
  • Les dynamiques de production par les ressources hydrothermiques (Rhône, Arve) prennent en compte les températures et les débits mesurés, ainsi que les contraintes règlementaires sur l’usage thermique de ces ressources. Par hypothèse les coefficients des performances des machines thermiques sont fixés (COP = 3, EER = 5), ainsi que la température pour l’utilisation de ressource en mode freecooling (T ≤ 12°C) ;
  • Le potentiel thermique lacustre est estimé en base annuelle, car la dynamique de production est moins sujette aux aléas climatiques (pompage d’eau à -40 m de profondeur). Par hypothèse le coefficient de performance de la PAC est fixé (COP = 3) et le froid se fait par une utilisation directe de la ressource ;
  • Le potentiel annuel de production de la nappe provient du rapport PGG (COP = 3 et freecooling), tandis que le potentiel d’exploitation de la chaleur du sous-sol par les sondes géothermiques est estimé à l’aide du logiciel PILESIM2, après prise en compte des contraintes légales et d’emplacement.
     

Résultats

Les graphiques sur la figure suivante montrent les répartitions des différentes demandes énergétiques du quartier de la Jonction. On constate que presque 55% des besoins énergétiques du quartier, hors mobilité, sont ceux liés aux prestations de chaleur (chauffage et ECS) couverts à presque 85% par des agents énergétiques fossiles (mazout et gaz). Moins de 10% des besoins du quartier, hors mobilité, sont liés aux prestations de froid (process et confort) couverts presque à 100% par des machines thermiques à compression.

 

Besoins annuels de chaleur, de froid et d'électricité du quartier de la Jonction, pour 2015.


Les dynamiques des différentes prestations énergétiques (chaud, froid et électricité) sont présentées sur la figure suivante où on voit clairement la forte dépendance saisonnière des prestations thermiques, notamment due au chauffage et le froid de confort. Au contraire, les appels de puissance électrique ont une dépendance saisonnière moins importante (minimum de puissance journalière à 15°C), mais un profil hebdomadaire bien marqué avec des baisses des puissances en week-end et jours non-ouvrables.

 

Courbes de charge des besoins de chaleur, de froid et d’électricité du quartier de la Jonction, pour 2015. Valeurs moyennes horaires en traits clairs, valeurs moyennes journalières en traits foncés.

On a pu indiquer également dans ce projet que les services de type ruban (ECS et froid process) ont en fait une dépendance avec la température extérieure. Les puissances journalières pour la production d’ECS sont en moyenne 1.5 fois plus élevées en hiver qu’en été et celles liées au froid process, 3.3 fois moins importantes.

Le tableau suivant synthétise le potentiel des différentes ressources étudiées, en terme d’énergie utile (chaud, froid, électricité), mises en relation avec les demandes du quartier. On note que le potentiel énergétique des ressources hydrothermiques (Air, Rhône, Arve, Lac) est largement supérieur aux demandes du quartier. Le potentiel géothermique (champs de sondes) pourrait quant à lui couvrir la totalité des demandes de froid et un quart des demandes de chaud du quartier, à condition cependant d’une utilisation combinée (stockage saisonnier). En vue de la forte densité du quartier, la couverture solaire est très faible, moins de 15% pour l’électricité et 5% pour le thermique (20% de la demande d’ECS).

 

Tableau de synthèse des gisements énergétiques présents dans le quartier de la Jonction et de ses valorisations possibles, en regard des demandes de chaud, froid et électricité.

Sur la figure suivante on voit le bilan énergétique annuel pour la production de chaud et de froid pour les différentes ressources étudiées. La prestation de chaud est décomposée entre chaleur puisée dans la ressource, électricité pour les PACs (COP de 3), ainsi que chaleur d’appoint. Nous indiquons également le taux de couverture par la PAC. La prestation de froid est décomposée entre valorisation par freecooling ou par machine de froid1 (MF), ainsi que froid d’appoint. Le taux de couverture concerne la somme des prestations par freecooling et machine de froid.

 

Bilan thermique et taux de couverture pour les différentes ressources. Sondes géothermiques (traitillé) : seule « ressource » contrainte à une exploitation mutualisée de chaud et froid pour éviter la dérive de température du terrain.

La figure suivante montre les profils de température des ressources aéro- et hydro- et géothermiques. Par ailleurs, afin de mettre en évidence la relation entre ces températures et la performance des machines thermiques, le tableau qui suit indique la température moyenne de chaque ressource pondérée par les demandes thermiques. À cet égard, on note que la variation de température entre les diverses ressources reste relativement faible pour la production par PACs (pour lesquelles l’enjeu majeur se situe au niveau de la température de distribution, qui a un impact nettement plus prononcé sur le COP). En revanche, l’EER des machines de froid est plus sensible à la température de la ressource.

 

Graphique de gauche : profils des températures de l’air, du lac, de l’Arve, du Rhône et du terrain (simulations PILESIM2) et de la nappe (valeur fixée à 11.5°C) en moyennes journalières (trait foncé) et en moyennes horaires (trait clair). Graphique de droite : Distributions classées des valeurs moyennes horaires. Les températures des ressources aéro-hydriques sont celles de 2015 et les températures du terrain sont celles liées à la température du fluide caloporteur pour l’année d’exploitation pour laquelle le bilan thermique correspond à celui de la moyenne sur 50 ans.

 

Température moyenne pondérée pour les différentes demandes et formes de production.


Conclusions

In fine, les aboutissements de ce travail consistent en :

  • un ensemble de développements méthodologiques, permettant la caractérisation spatio-temporelle des demandes et ressources du quartier de la Jonction ;
  • la mise à disposition d’un socle d’information consolidé, qui puisse être utilisé pour réaliser un diagnostic énergétique et des scénarii énergétiques à l’échelle du territoire.

La valeur ajoutée de ce travail concerne en particulier les points suivants :

  • la séparation des demandes chauffage / ECS et des demandes de froid confort / process ;
  • la prise en compte de l’aspect temporel, avec l’élaboration de courbes horaires, tant pour les demandes que les ressources, sur une année de référence commune ;
  • la mise en évidence des dynamiques saisonnières et journalières des demandes.

Parmi les améliorations possibles, nous citerons les points suivants :

  • amélioration du modèle de demande annuelle d’ECS, du moins pour le résidentiel (en tenant compte du nombre d’habitants au lieu de la SRE) ;
  • décomposition de la courbe de charge thermique selon les niveaux de température, en fonction de la température extérieure et des diverses prestations (ECS, chauffage par radiateur / au sol) ;
  • amélioration / validation du modèle de décomposition de demande de froid sur la base d’études de cas supplémentaires ;
  • amélioration du profil de demande électrique, en tenant compte des prestations différenciées (par exemple en fonction du code NOGA, du nombre d’emplois par secteur d’activités, du nombre d’habitants, …) ;
  • prise en compte de l’évolution saisonnière de la température des nappes superficielles.

Finalement, la méthodologie développée dans ce travail pourrait aisément être généralisée à d’autres périmètres du Canton, qui pourraient ainsi être traités de façon homogène. La généralisation pourrait se faire de façon automatisée, grâce à l’implémentation d’un outil informatique.

Cependant, afin de permettre la création de scénarii prospectifs, les développement méthodologiques suivants demeureraient nécessaires :

  • prise en compte de projets de rénovation et de développement urbains, avec des demandes réalistes en lieu et place de demandes normées ;
  • prise en compte des projets de développement énergétiques, en particulier liés aux futurs réseaux thermiques (CADéco, CAD Rive-Gauche, CAD Pallette, …) ;
  • évaluation des potentiels mobilisables après la prise en compte des diverses contraintes liées au territoire (techniques, légales, organisationnelles, …).


Notes

1 Dans le cas des machines de froid, la consommation électrique ne fait pas partie de la prestation, mais du rejet thermique vers la ressource.

Remerciements / Financement

Cette étude a été réalisée grâce au soutien financier des Services industriels de Genève (SIG).

Liens

Rapport complet :
De Oliveira Filho, F., Quiquerez, L., Schneider, S., Faessler, J., Lachal, B. M., & Hollmuller, P. (2018). Caractérisation spatio-temporelle des besoins et des ressources énergétiques d’un quartier urbain : le cas du quartier de la jonction à Genève.

Fleury de Oliveira

Fleury de Oliveira

Fleury de Oliveira est titulaire d'un master en physique et d’un master en sciences de l'environnement et de l’énergie. Il travaille actuellement pour l'intégration des énergies renouvelables (notamment la géothermie) aux systèmes énergétiques existants comme adjoint scientifique au Groupe Systèmes énergétiques de l’Institut des sciences de l'environnement depuis 2015.

www.unige.ch/sysener/fr/equipe/fleury-de-oliveira

Pierre Hollmuller

Pierre Hollmuller

Pierre Hollmuller est chargé de cours à l'Université de Genève. Sa carrière de recherche et d'enseignement dans le domaine des systèmes énergétiques s'est développée au sein de diverses universités (Université de Genève, Universidade de Lisboa Portugal, Universidade Federal de Santa Catarina Brésil). En collaboration avec le Prof. Martin Patel, il gère depuis 2010 le Partenariat de recherche entre les Services industriels de Genève (SIG) et l'Université de Genève, dans le domaine de l'efficacité énergétique et de l'intégration des énergies renouvelables.

www.unige.ch/sysener/fr/equipe/hollmuller

Bernard Lachal

Bernard Lachal

Après une première formation d’ingénieur physicien à Lyon et un doctorat en physique à l’Institut de physique de l’Université de Genève, Bernard Lachal poursuit ses recherches concernant les problèmes énergétiques au sein du Groupe de physique appliquée (GAP) et du Centre universitaire d’étude des problèmes de l’énergie (CUEPE) de cette même université. Il suit avec succès la formation postgrade sur l’énergie de l’EPFL et un passage de quelques mois au Politecnico de Milan complète son parcours. Jusqu'en 2017 il est responsable du Groupe Systèmes énergétiques de l’Institut des sciences de l'environnement, où il dirige des recherches sur la mesure, l'évaluation technico-économique et la modélisation de divers systèmes énergétiques de différentes tailles, spécialement dans le domaine de la thermique du bâtiment, de l’électricité et des énergies renouvelables.

Loïc Quiquerez

Loïc Quiquerez

Loïc Quiquerez est chef de projet EnR-Géothermie aux Services industriels de Genève (SIG). Il est géographe-énergéticien (spécialisation réseaux de chaleur) et titulaire d'un doctorat de l'Université de Genève. Ce doctorat a fortement contribué à l'étude mentionnée dans cet article.

Stefan Schneider

Stefan Schneider

Titulaire d’un doctorat en mathématiques appliquées, Stefan Schneider a travaillé à l’Université de Genève de 1990 à 1999 comme assistant en analyse numérique et comme maître-assistant en génétique des populations. Après 15 ans d’expérience professionnelle dans le privé, il poursuit actuellement sa carrière à l’Université de Genève comme collaborateur scientifique et travaille au sein de l’Institut des sciences de l'environnement depuis 2014. Il a participé de 2014 à 2017 au projet FEEB&D sous la responsabilité des professeurs Bernard Lachal et Martin Patel. Depuis 2017 il travaille sur divers projets liés au Partenariat de recherche entre les Services industriels de Genève (SIG) et l'Université de Genève, sous la responsabilité du Dr. Pierre Hollmuller.

www.unige.ch/sysener/fr/equipe/schneider

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