Stratégie d'extension optimale pour un réseau de chauffage urbain

Le défi

Primeo Energie est l’un des plus grands exploitants de réseaux de chaleur de Suisse, gérant plus de 220 centrales de chauffage pour le contracting thermique, la chaleur industrielle sur mesure et le développement de quartiers en Suisse et dans les pays voisins. Dans la commune de Muttenz, près de Bâle, Primeo souhaitait étendre son réseau de chaleur urbain existant pour raccorder davantage de clients, mais le système était déjà complexe : cinq nouveaux hubs de bâtiments, cinq segments de réseau candidats et trois centrales existantes (une centrale à déchets de bois et deux chaudières à mazout).

Trois éléments rendaient la planification difficile. La capacité libre sur le réseau existant varie d’un mois à l’autre et est insuffisante durant les mois d’hiver critiques, de sorte que toute extension doit être dimensionnée par rapport à une contrainte mouvante. La charge ajoutée dépend du raccordement des nouveaux bâtiments en l’état ou après rénovation, ce qui change à la fois la demande et les revenus. Et le coût de chaque nouveau segment de conduite dépend directement de sa longueur et de son utilisation, ce qui se répercute à son tour sur la manière d’exploiter les trois centrales. Primeo avait besoin de réponses fiables sur le potentiel de profit et le risque économique avant de s’engager dans le déploiement.

Comment Sympheny a été utilisé

L’équipe de Primeo et Sympheny ont construit un seul modèle holistique du quartier de Muttenz : cinq hubs, cinq segments candidats, trois centrales, le raccordement au réseau existant et une contrainte agrégée en équivalent CO₂ pour imposer ≥80% d’approvisionnement renouvelable. Quatre variantes de scénario ont été définies pour 2027 et 2031, avec des taux de raccordement plus faible (A) et plus élevé (B), avec et sans rénovation de l’enveloppe des bâtiments dans le cadre de l’optimisation. Le modèle a travaillé à résolution temporelle horaire pour suivre quand la capacité libre de la centrale à déchets de bois existante pouvait fournir la nouvelle charge et quand les chaudières à mazout devaient intervenir.

• Modèle horaire de hubs et segments : a capturé la variation mensuelle de la capacité disponible sur le réseau existant et le déséquilibre saisonnier avec la nouvelle demande hivernale.
• Rénovation comme variable de décision : a traité la rénovation de l’enveloppe des bâtiments comme partie de l’optimisation, et non comme un intrant fixe, faisant apparaître où elle améliorait le profit malgré des ventes de chaleur plus faibles.
• Contrainte de part renouvelable : a utilisé le suivi de production horaire pour imposer une part minimale de 80% de chaleur renouvelable sur l’ensemble du réseau, y compris en exploitation de pointe hivernale.

Le site de Muttenz tel que modélisé dans Sympheny : cinq hubs de bâtiments, trois centrales existantes et cinq segments de réseau candidats vers le réseau de chauffage urbain existant.

Résultat

Trois des quatre variantes de scénario modélisées ont donné des plans d’extension rentables, avec les cinq segments de réseau candidats construits dans les solutions optimales et deux d’entre eux exploités de manière bidirectionnelle. Le scénario 2031-B(R), avec un taux de raccordement plus élevé et une rénovation optimisée, était le plus rentable : la simulation a montré que même si la rénovation réduit la demande de chaleur et les revenus directs, les économies sur le dimensionnement du réseau compensent largement cette perte.

Du côté de l’approvisionnement, la capacité disponible de la centrale à déchets de bois existante couvre la nouvelle charge de base la plus grande partie de l’année ; en hiver, de la chaleur supplémentaire est achetée à la centrale à déchets de bois via un segment bidirectionnel. Les deux chaudières à mazout existantes sont conservées comme réserves de capacité et ne fonctionnent que lors des plus hautes pointes de demande, juste assez pour dépasser le seuil de 80% de renouvelable. Le remplacement de la chaudière à mazout au hub A par une chaudière à plaquettes de bois ne s’est pas avéré rentable ; ce n’est que dans la variante à plus forte demande (sans rénovation) qu’une chaudière à bois supplémentaire est nécessaire pour couvrir les pointes que les unités à mazout existantes ne peuvent atteindre. Primeo sait désormais quels segments construire, dans quel ordre, et quel scénario est rentable, la base du déploiement par étapes à Muttenz.