Etude de faisabilité

Transcription

F.H.R.
Assistance à Maîtrise d’Ouvrage
Rue de Lignières
80500 GUERBIGNY
Téléphone : 03 22 37 09 86
Fax
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E-mail
: [email protected]
Département de la Meuse
Communauté de Communes de Verdun
VILLE DE VERDUN
ZAC DE LA ROUTE D’ETAIN
ETUDE DE FAISABILITE SUR LE
POTENTIEL DE DEVELOPPEMENT EN
ENERGIES RENOUVELABLES
JANVIER 2013
F.H.R s.a.r.l au capital de 7.625 Euros. Siret 42180341200038
Etude de faisabilité sur le potentiel de développement en énergies renouvelables
ZAC de la route d’Etain
1
SOMMAIRE
Préambule
Page 4
Chapitre 1 - Les besoins énergétiques de l’opération d’aménagement
Page 5
1/ Présentation de l’opération d’aménagement
2/ Données géographiques et climatiques élémentaires
3/ Le parti d’aménagement et les besoins énergétiques
4/ Adéquation entre les besoins et les énergies renouvelables
Chapitre 2 - Etude de faisabilité en éolien
Page 10
1/ Préambule
2/ Contraintes préalables
3/ Potentiel de production
4/ Perspectives de rentabilité économique
5/ Conclusion du volet éolien
Chapitre 3 - Etude de faisabilité en solaire thermique et photovoltaïque
Page 14
1/ Préambule
2/ Contraintes préalables
3/ Potentiel de production
4/ Conclusion du volet solaire
Chapitre 4 - Etude de faisabilité en biomasse et assimilés
Page 21
1/ Préambule
2/ Analyse des contraintes préalables
3/ Analyse du potentiel de production
4/ Analyse de rentabilité économique
5/ Conclusion du volet biomasse
2
Chapitre 5 - Etude de faisabilité des énergies géo-/hydro-/aérothermiques Page 25
1/ Préambule
2/ Analyse des contraintes préalables
3/ Analyse du potentiel de production
4/ Analyse de rentabilité économique
5/ Conclusion
Chapitre 6 - Etude de faisabilité pour les énergies de récupération et pour la mise en
place d’un réseau de chaleur ou de froid
Page 30
1/ Préambule
2/ Contexte réglementaire
3/ Faisabilité de création d’un réseau de chaleur ou de froid sur site
4/ Faisabilité d’un raccordement à un réseau de chaleur ou de froid existant
Conclusion
Page 32
1/ Hiérarchisation des énergies renouvelables à développer :
2/ Préconisation pour la ZAC de la route d’Etain :
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie éolienne
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie liée à la biomasse
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie hydro-géothermique
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie solaire
3
Préambule
Ce rapport a pour but de réaliser « une étude de faisabilité sur le potentiel de développement
en énergies renouvelables de la ZAC de la route d’Etain, en particulier sur l’opportunité de la
création ou du raccordement à un réseau de chaleur ou de froid ayant recours aux énergies
renouvelables et de récupération. (article L.128-4 du code de l’urbanisme)
Ce rapport
donne une première hiérarchisation des énergies renouvelables et de
récupération éligibles sur site. Pour mémoire, une énergie renouvelable est une énergie dont
l’utilisation par les activités humaines se fait à un rythme inférieur ou égal au renouvellement
des réserves disponibles. Les énergies renouvelables concernent :
- l’éolien,
- le solaire photovoltaïque et thermique,
- la géothermie,
- l’aérothermie,
- l’hydrothermie,
- l’énergie marine et hydraulique,
- l’énergie issue de la biomasse (fraction biodégradable des produits, déchets et
résidus en provenance de l’agriculture, y compris les substances végétales et
animales issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries
connexes ; fraction biodégradables des déchets industriels et ménagers, gaz de
décharge, gaz de station d’épuration d’eaux usées, biogaz).
Une énergie de récupération correspond quand à elle à la valorisation de l’énergie résiduelle
de certains procédés industriels ou d’incinération.
Des préconisations sont émises en fin de rapport pour aiguiller la maîtrise d’ouvrage vers le
meilleur choix possible d’aménagement d’un point de vue énergétique.
4
Chapitre 1 – Les besoins énergétiques de l’opération
d’aménagement
1/ Présentation de l’opération d’aménagement :
La communauté de communes de Verdun a décidé lors de l’élaboration du PLU
intercommunal de créer une Zone d’Aménagement Concerté d’une surface de 15,5 hectares
aux secteurs « au pied de la côte d’Etain » et « le fond de la Vierge ».
Cette ZAC est destinée à accueillir des activités économiques et plus particulièrement pour
les besoins de l’activité artisanale.
La communauté de communes de Verdun a décidé par délibération du 31 janvier 2011 de
lancer les études pour la création d’une ZAC destinée aux activités artisanales, Route
d’Etain.
L’objectif de cet aménagement urbain est de répondre à la demande en espaces d’activités
et de favoriser l’accueil de nouvelles activités artisanales.
5
Suite à l’étude des différents scénarios possibles pour l’aménagement de la ZAC de la route
d’Etain, le périmètre a été défini à environ 14 hectares.
Règlement d’urbanisme :
La ZAC de la route d’Etain se situe en zone UX et 1AUXa.
Le plan local d’urbanisme spécifie que la zone actuelle en 1AUXa est peu ou pas équipée.
La hauteur maximale des constructions est fixée à 12 mètres au faîtage. Il n’y a pas de
prescription d’emprise maximale ou de COS. Néanmoins, l’article 5 indique que les unités
foncières doivent avoir une surface supérieure ou égale à 1500 m² et une largeur sur rue
supérieure ou égale à 20 mètres.
Justification règlementaire de l’étude :
L’article L.128-4 du Code de l’urbanisme spécifie que :
« Toute action ou opération d'aménagement telle que définie à l'article L. 300-1 et faisant
l'objet d'une étude d'impact doit faire l'objet d'une étude de faisabilité sur le potentiel de
développement en énergies renouvelables de la zone, en particulier sur l'opportunité de la
création ou du raccordement à un réseau de chaleur ou de froid ayant recours aux énergies
renouvelables et de récupération. »
L’étude de faisabilité sur le potentiel de développement en énergies renouvelables vient en
complément au dossier d’étude d’impact.
6
2/ Données géographiques et climatiques élémentaires :
Les données géographiques :
Le terrain se situe à l’Est de Verdun, face à la zone de Tavanes.
Il s’agit actuellement d’un espace agricole et naturel.
La topographie de la zone est caractérisée par deux formes doucement marquées :
- une pente Sud-Nord passant de 225 mètres au centre de la limite Sud à 218 mètres
au centre de la limite Nord,
- une pente centrale d’orientation Est Ouest passant de 220 mètres à l’Est à 215
mètres à l’Ouest.
Le dénivelé en diagonale est de 3,2%, passant de 235 mètres à l’angle Sud-Est, à 215
mètres à l’angle Nord-Ouest, soit 20 mètres sur une longueur de 625 mètres.
L’axe d’écoulement des eaux pluviales est de sens Est-Ouest, en limite intérieure du premier
tiers Nord de la zone et en tendant à s’étendre vers l’angle Nord-Ouest de la zone.
Les données climatiques :
Par défaut, nous prenons comme base de travail pour l’évaluation des potentiels
énergétiques les données météorologiques de Metz mesurées, sauf mention explicite, à 10
mètres au-dessus du sol (données NASA). Le cas échéant, toute modélisation énergétique
découlera de ces valeurs.
Température
de l’air (°C)
Janvier
Février
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Août
Septembre
Octobre
Novembre
Décembre
Moyenne
annuelle
2,4
3,1
6,7
9,7
14,4
17,6
19,5
19,5
15,0
10,8
6,0
3,1
10,7
Humidité
Pression
Température Chauffage Climatisation
relative atmosphérique
du sol (°C)
(°C-j)
(°C-j)
(%)
(kPa)
84,5 %
98,3
0,4
484
0
80,9 %
98,3
1,3
417
0
75,0 %
98,2
4,8
350
0
70,0 %
97,9
8,6
249
0
70,8 %
98,1
14,0
112
136
69,3 %
98,2
17,7
12
228
69,5 %
98,2
20,1
0
295
70,4 %
98,2
20,0
0
295
78,0 %
98,2
15,0
90
150
84,1 %
98,1
10,2
223
25
87,2 %
98,1
4,2
360
0
87,0 %
98,3
1,4
462
0
77,2 %
98,2
9,9
2759
1128
7
3/ Le parti d’aménagement et les besoins énergétiques :
Plusieurs hypothèses d’aménagement ont été proposées. Le choix du parti final a été décidé
par les élus de la Communauté de Communes de Verdun, pour le plan d’aménagement et
les surfaces qui suivent :
N° de lot
Surface
N° de lot
Surface
N° de lot
Surface
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3343
3216
2850
2557
2357
2400
2471
2502
2412
3957
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
3771
3811
3770
3633
4936
4347
2336
2325
2413
2365
21
22
23
24
25
26
27
28
2444
2528
3091
3666
6638
2685
2500
6101
Surface de voirie
Surface verte
18591
28868
8
Les besoins énergétiques pour un secteur comme la ZAC de la route d’Etain, qui ne fait que
14 hectares, dont les 28 lots constructibles représentent 9,1 hectares, et qui est destinée à
de l’activité essentiellement artisanale, éventuellement commerciale et de services, peut être
estimé en trois partie par ordre d’importance :
- les besoins thermiques, pour le chauffage des locaux,
- les besoins en électricité, avec une inconnue forte, liée aux activités artisanales
potentielles qui dans certains cas peuvent être fortement consommatrices d’électricité
(selon les process de fabrication),
- le besoin en eau chaude qui lui aussi peut varier selon le nombre de personnes
employées et les conventions collectives applicables.
4/ Adéquation entre les besoins et les énergies renouvelables :
Electrique
Pompe à chaleur
Espaces
publics
Solaire thermique
Electrique
Photovoltaïque
Espaces
privés
Chauffage
Climatisation
Eau-chaude sanitaire
Procédés industriels chaleur
Procédés industriels froid
Eclairage intérieur
Eclairage extérieur
Ventilation
Bureautique
Chauffage
Eau chaude sanitaire
Procédés industriels
Climatisation
Signalétique
Enseignes
Arrosage, pompage
Revente au réseau
Eclairage public
Signalétique
Arrosage automatique
Revente au réseau
Biomasse
« biochimique »
Thermique
Exemples
Biomasse
« thermochimique »
Valorisation
Eolien
Les correspondances entre les types de besoins énergétiques et les principales énergies
renouvelables sont les suivantes :
POSSIBILITE DE VALORISATION ENERGETIQUE
non
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
non
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
non
Les chapitres suivants présentent les différentes énergies renouvelables à étudier
conformément à l’article L.128-4 du code de l’urbanisme. Ils sont regroupés dans cinq
grands chapitres :
- l’énergie éolienne,
- l’énergie liée au rayonnement solaire direct,
- l’énergie liée à la biomasse,
- les énergies géothermique, aérothermique et hydrothermique,
- les réseaux de chaleur et de froid.
Une conclusion générale propose une hiérarchie des énergies renouvelables et suggère
quelques préconisations pour l’aménagement de la ZAC de la route d’Etain.
9
Chapitre 2 - Etude de faisabilité en éolien
Les éoliennes permettent en théorie de produire de l’électricité sur zone, que ce soit pour
ses besoins de fonctionnement propres ou dans le but de revendre cette énergie au réseau
électrique.
Après une introduction, ce chapitre dresse l’inventaire des contraintes préalables à
l’implantation d’éoliennes ; il propose ensuite de déterminer si le potentiel de développement
technique et de rentabilité économique sur site est intéressant.
1/ Préambule :
Les éoliennes permettent de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. La
gamme des modèles s’est considérablement étoffée depuis les débuts de la filière. On les
trouve en zone agricole, urbaine, marine avec des tailles comprises entre 1 et 200 mètres.
On peut les classer en deux catégories :
- Les éoliennes à axe horizontal comprenant les éoliennes à simple ou double hélice,
- Les éoliennes à axe vertical comprenant les éoliennes à trainée différentielle, à pales
tournantes.
L’électricité générée est classiquement exportée vers le réseau. Néanmoins, elle peut être
autoconsommée sur place.
Le grand éolien désigne tout aérogénérateur avec une hauteur de mât supérieure à 50
mètres, le moyen éolien tout aérogénérateur avec une hauteur de mât comprise entre 12 et
50 mètres, et enfin le petit éolien tout aérogénérateur avec une hauteur de mât inférieure à
12 mètres.
L’éolien de grande puissance désigne tout aérogénérateur d’une puissance nominale
supérieure à 350 kW, l’éolien de petite puissance désigne tout aérogénérateur d’une
puissance nominale inférieure à 36 kW, l’éolien de moyenne puissance désignant l’échelon
intermédiaire.
Performance de l’éolien par rapport au développement durable :
Les performances environnementales de la filière éolienne sont très intéressantes :
Critères
Commentaires
Infini à échelle humaine
Durée de vie du gisement éolien
(dépend majoritairement de l’activité solaire)
Capacité du gisement éolien
Plusieurs fois la consommation énergétique mondiale
Temps de retour en énergie grise
3 à 12 mois
Recyclage des composants
Important
Impact sur cycle carbone
Faible
Remise en l’état du site
Totale
Acceptabilité sociale
Peut poser certaines difficultés
Temporalité de production
Discontinue
2/ Contraintes préalables :
Afin d’éviter une implantation anarchique d’éoliennes sur le territoire français, le législateur
encadre leur développement par des garde-fous.
10
Procédures réglementaires en fonction de la taille des éoliennes :
En France, les procédures à respecter pour l’implantation d’une éolienne varient en fonction
de leur taille :
- sous le seuil de 12 mètres en hauteur de mât, un permis de construire n’est pas
nécessaire. Cette absence de formalité au titre du code de l’urbanisme n’exclut pas le
porteur du projet du respect des dispositions du PLU et de se conformer à la
rédaction d’une notice d’impact (R. 122-9 du Code de l’environnement).
- Au dessus du seuil de 12 mètres en hauteur de mât, les impantations d’éoliennes
sont soumises à permis de construire avec notice d’impact. La délivrance du permis
par le préfet intervient après avis des divers organismes (DREAL, Météo France,
DGAC, RAM, SDAP, ANFr…).
- Au dessus du seuil de 50 mètres en hauteur du mât, l’étude d’impact et l’enquête
publique deviennent obligatoires.
Inventaires des contraintes à l’implantation d’éoliennes sur zone :
En cas de choix d’implantation d’éoliennes, il revient au porteur du projet de lancer les
démarches officielles auprès des services de l’Etat habilités pour connaître les servitudes et
autres contraintes réglementaires. La ZAC de la Route d’Etain étant contiguë aux quartiers
d’habitations, les grandes éoliennes se trouvent de facto exclues dans le choix des modèles
possibles.
L’inventaire des contraintes techniques et réglementaires à l’implantation d’éoliennes sur le
site étudié n’empêche pas l’implantation de petites éoliennes sur la ZAC de la route d’Etain.
3/ Potentiel de production :
La région Lorraine a réalisé un atlas de potentiel éolien qui croise les zones venteuses et les
zones non grevées de contraintes et servitudes. Il en ressort que la zone d’étude est
comprise dans une zone « peu favorable ».
Cette partie a pour but de vérifier en première approximation le potentiel de production
envisageable sur la ZAC de la route d’Etain à partir des gisements éolien sur site avec une
marge d’incertitude sensible.
Simulation sur le potentiel de développement :
Seule une campagne de mesure à long terme par le biais d’appareils de mesure
(anémomètres…) permet de caractériser de façon fiable le régime des vents locaux.
Toutefois, cette collecte est inenvisageable dans le cadre de cette étude. Il reste toutefois
possible d’estimer ce potentiel en ordre de grandeur par des travaux préexistants.
La carte du potentiel éolien réalisée par la région Lorraine indique que l’est de Verdun se
situe dans une aire où la vitesse moyenne des vents est d’environ 5,2 m/s. La rose des vents
sur Metz donne par ailleurs des couloirs dominants au Sud-Ouest.
Nous opterons pour une vitesse de vent moyenne de 3,63 m/s sur le site d’étude à 10
mètres du sol.
Simulation de la production énergétique :
La gamme de puissance des machines inférieures à 12 mètres s’étende en général de 1kW
à 20 kW.
L’estimation de la production d’électricité pour une petite éolienne s’avère en pratique plus
difficile à prévoir que celle d’une grande éolienne, dans la mesure où les turbulences liées
aux obstacles à proximité jouent un rôle majeur. Ces paramètres sont également importants
à considérer pour limiter l’usure du matériel.
Le présent rapport ne comprend pas de modélisation des turbulences liées aux bâtiments
qui ne sont pas encore connus et dans la mesure où ce calcul demande des outils
techniques plus pointus dépassant le cadre de cette étude de faisabilité.
11
4/ Perspectives de rentabilité économique :
Coût moyen d’investissement :
Le coût moyen d’investissement pour des parcs de grandes éoliennes se monte
actuellement à environ 1000 €/kW. Ce ratio baisse progressivement grâce au
développement de ce type de technologie.
Le petit éolien n’a pas encore bénéficié d’une telle industrialisation, et le coût au kW reste
donc plus élevé. Il se monte en moyenne de 3000 à 5000 € /kW incluant le coût du matériel,
de la pose et du raccordement.
Dans le détail, les coûts d’investissement se subdivisent en plusieurs postes :
- les coûts liés à l’achat du matériel. Le coût d’une éolienne est très variable en
fonction du constructeur, de la puissance ou de la typologie de la machine. A l’heure
actuelle, les éoliennes à axe horizontal restent globalement un peu moins chères que
les éoliennes à axe vertical et connaissent également de meilleurs rendements
énergétiques. Le coût de la machine est le poste le plus important et représente entre
60 et 80 % des coûts d’investissement.
- les coûts liés à l’installation et à la pose. Le coût d’installation moyen tourne autour
de 2000 €/kW avec une nette dégressivité en fonction de la puissance installée. Ces
coûts incluent le redresseur et système de contrôle, l’équipement électrique, le coût
d’installation ainsi que des coûts additionnels lors d’une installation sur le toit (grue,
échafaudage, travaux de génie civil sur le toit). Certains constructeurs prennent en
charge l’installation de l’éolienne sur le toit du bâtiment. Autrement, il faut faire appel
à une entreprise de bâtiment ou de travaux publics.
- les coûts liés au raccordement électrique. La démarche est assez longue et peut faire
augmenter significativement le coût d’investissement de départ. Le coût forfaitaire
s’élève à 1000 €/kW installé pour des puissances inférieures à 36 kW.
- les coûts liés à la maintenance et à l’exploitation. Ces derniers restent faibles en
comparaison des autres postes. Il faut prendre en compte l’hypothèse d’un
changement de l’onduleur après dix ans de fonctionnement, auquel s’ajoute le coût
des assurances, ce qui implique des coûts de maintenance entre 100 et 200 € par an
en moyenne.
Subventions, aides et bénéfices :
Le site n’est pas compris dans une Zone de Développement de l’Eolien (ZDE). Celles-ci ont
été mises en place conformément à la loi du 13 juillet 2005 et donne le bénéfice du régime
de l’obligation d’achat d’électricité produite aux éoliennes qui y sont implantées, quelles que
soient leur taille et leur puissance.
Depuis mars 2008 néanmoins, des sociétés privées partenaires d’EDF en tant que
« responsable d’équilibre » pour le RTE (réseau de transport de l’électricité) peuvent
racheter la production des éoliennes situées hors des Zones de Développement de l’Eolien
et la réinjecter dans le réseau. Le prix de rachat dans ces conditions reste très bas, mais
l’implantation d’éoliennes reste possible par le biais d’une autoconsommation.
Estimation des temps de retour sur investissement :
La durée de vie moyenne d’une éolienne étant de 20 à 25 ans, l’investissement dans de
petites éoliennes sur la ZAC de la route d’Etain n’est intéressante que si l’on bénéficie de
subventions ou si les prix d’investissement sont relativement bas.
12
5/ Conclusion du volet Eolien :
Contraintes et
servitudes
Potentiel de
production
Retour sur
investissement
Conclusion
Seul le petit éolien avec des mâts d’une dizaine de mètres est
raisonnablement éligible sur la ZAC de la Route d’Etain.
A la hauteur envisagée, les productions énergétiques ne sont pas très
importantes.
Le petit éolien ne bénéficie pas d’une industrialisation à grande
échelle, ce qui induit un coût d’investissement et donc un temps de
retour sur investissement assez défavorable par rapport à d’autres
types d’énergies.
L’énergie éolienne n’est pas une solution économique très
intéressante, dans le cadre de la ZAC de la route d’Etain, même si elle
est vertueuse d’un point de vue environnemental.
13
Chapitre 3 - Etude de faisabilité en solaire thermique
et photovoltaïque
Les panneaux solaires photovoltaïques et thermiques permettent en théorie de produire de
l’électricité et de la chaleur. Ce chapitre répertorie les contraintes préalables à l’implantation
de panneaux solaires photovoltaïques et thermiques. Il se propose d’analyser ensuite le
potentiel de développement thermique et de rentabilité économique.
1/ Préambule :
Chaque année, 754 millions de TWh en provenance du soleil irradient la Terre, ce qui
équivaut à 7700 de fois l’énergie finale consommée par l’humanité. Ce flux d’énergie est
inépuisable à l’échelle humaine puisque notre étoile rayonnera encore pendant 5 milliards
d’années environ.
L’énergie émise par le Soleil est la clé de voûte de a majorité des énergies renouvelables, à
l’exception de l’énergie géothermique (énergie interne de la Terre) et marémotrice (attraction
gravitationnelle entre la Terre et la Lune).
Valorisation de l’énergie solaire :
Il existe deux façons d’exploiter l’énergie en provenance du soleil :
- l’une passive grâce aux principes de l’architecture climatique.
- l’autre active grâce à des procédés permettant de la capter, de la transformer voire
de la stocker.
Ce chapitre traite le second point, même si quelques éléments de l’architecture passive
seront indiqués en conclusion.
• L’énergie photovoltaïque :
Le principe de l’énergie solaire photovoltaïque consiste à transformer en électricité la plus
grande partie possible du flux de photons en provenance du soleil. L’effet photovoltaïque a
été découvert en 1839 par Antoine Becquerel lorsqu’il constata qu’un semi-conducteur
produit un courant continu dès lors qu’il se trouve exposé à un flux de rayonnement solaire.
Le constituant de base de l’énergie photovoltaïque s’appelle une cellule, qui est elle-même
composée de deux couches de semi-conducteurs et d’un réseau métallique collectant le
courant électrique. Pour augmenter la tension, les cellules sont assemblées en série entre
deux plaques protectrices, ce qui définit un module.
Le matériau le plus employé pour fabriquer les cellules photovoltaïques reste toujours le
silicium. Il présente en effet l’avantage d’être profus dans l’écorce terrestre et d’offrir de bons
rendements énergétiques.
Certaines technologies en couche mince comme le CIS (Cuivre Indium Sélénium) et plus
encore le CdTe (Tellure de Cadmium) trouvent également des débouchés commerciaux.
Leurs niveaux de performance et de coût sont intéressants, mais l’approvisionnement de ces
procédés technologiques pour des petits projets reste difficile.
Un système photovoltaïque peut être ou non raccordé au réseau public d’électricité.
Dans l’affirmative, un onduleur convertit le courant continu produit par les modules en un
courant alternatif monophasé ou triphasé destiné à être compatible avec les normes du
réseau électrique.
Dans la négative, l’électricité est consommée sur place. Cela nécessite donc obligatoirement
un stockage grâce à l’utilisation de batteries. Ces dernières impliquent un investissement
non négligeable tant en termes d’achat que d’entretien. Pour des sites isolés, ce surcoût
14
reste acceptable en comparaison du montant qu’il aurait fallu débourser pour une extension
du réseau public.
• L’énergie thermique :
Le principe de l’énergie solaire thermique consiste à transformer l’énergie reçue par le soleil
en chaleur. Avec l’aide fréquente d’une autre énergie d’appoint, cette technique permet de
produire de la chaleur pour :
- le chauffage domestique (Système Solaire Combiné – SSC).
- l’Eau Chaude Solaire (ECS).
- la climatisation pour certains procédés industriels.
Un système solaire thermique se compose de trois parties :
- une zone de captage : les capteurs solaires reçoivent le flux de rayonnement au
niveau d’un absorbeur qui monte progressivement en température. L’absorbeur est
traversé par des conduits qui contiennent un fluide caloporteur, généralement de
l’eau avec glycol pour éviter la formation de gel qui endommagerait le système.
Plusieurs types de capteurs existent en fonction des besoins, comme les capteurs
plans, les capteurs à tubes sous vide ou les capteurs non vitrés.
- Une zone de transfert : la récupération de l’énergie solaire est assurée par zone de
transfert de l’énergie solaire. Le transfert de l’énergie est assuré généralement par
une pompe de circulation dont le débit régulé permet au fluide de transmettre la
chaleur via un échangeur. Dans le cas de systèmes combinés avec chauffage, des
émetteurs de basse température (radiateurs ou planchers chauffants) qui contiennent
le fluide caloporteur restituent la chaleur aux pièces à chauffer.
- Une zone de stockage : le stockage de l’énergies s’effectue dans un ballon d’eau
chaude isolé thermiquement. Un local technique peut être nécessaire pour recevoir
les équipements notamment le ballon de stockage dont le volume peut être
important.
PERFORMANCES DU SOLAIRE PAR RAPPORT AU DEVELOPPEMENT DURABLE
Critères
Solaire photovoltaïque
Solaire thermique
Infini à échelle humaine
Durée de vie du gisement
Plusieurs fois la consommation énergétiques mondiale
Capacité du gisement
Temps de retour en
2 à 3 ans
1 à 2 ans
énergie grise
Recyclage des
composants
Impact sur cycle du
carbone
Remise en l’état du site
Temporalité de production
Elevé 95 % (silicium, verre),
mais certains bémols pour des
composants métalliques (plomb,
cadmium, cellules CdTe, voire
batterie si non raccordement au
réseau)
Plutôt élevé
Correcte mais dépend des techniques et du lieu de production
Totale
Large acceptation
Discontinue
2/ Contraintes préalables :
• Contraintes à l’installation de panneaux solaires photovoltaïques :
Contraintes réglementaires :
L’intégration de procédés visant à récupérer l’énergie solaire n’entraîne pas de contraintes
règlementaires notables.
Contraintes techniques liées au raccordement :
Pour une puissance installée inférieure à 250 kVA, la livraison de l’électricité produite est
réalisée en basse tension.
15
Pour un générateur de puissance supérieure à 250 kVA, la livraison est en haute tension ;
elle nécessite la mise en place d’un transformateur privé élévateur de tension. Cette
opération ajoute un surcoût non négligeable qui entraîne souvent l’installation de
générateurs de puissance juste inférieur à 250 kVA ou bien supérieure (de l’ordre de 400
kVA au minimum), de sorte à gommer ce surcoût par l’effet d’économie d’échelle.
• Contraintes à l’implantation de panneaux solaires thermiques :
Contraintes réglementaires :
Les capteurs peuvent être à l’origine d’une nuisance visuelle, et leur installation est donc
réglementée. La pose de panneaux solaires est possible, à condition de ne pas avoir
d’impact visuel trop important.
3/ Potentiel de production :
Les écarts d’irradiation solaire sont relativement conséquents entre le nord et le sud de la
France. Le département de la Meuse se situe logiquement plutôt en bas de classement. La
topographie de la ZAC de la route d’Etain et son axe majeurs Est-Ouest sont favorables pour
l’implantation de panneaux solaires en toiture des bâtiments, comme le montre le plan
topographique qui suit.
En revanche, il n’est guère possible à ce stade de l’aménagement d’évaluer finement le
masque solaire. L’emplacement, la taille et la disposition des futurs bâtiments constituent
autant de paramètres inconnus.
16
Données d’irradiation brute :
Les valeurs moyennes journalières de rayonnement pour le site de la ZAC de la route d’Etain
sont regroupées dans le tableau et le graphique ci-dessous :
Wh/m².jour
747
1530
2490
3730
4710
5110
5430
4510
3180
1800
1020
600
Optimum
34°
Wh/m².jour
1100
2240
3080
4150
4770
4970
5420
4870
3890
2460
1580
914
Wh/m².jour
1080
2110
2430
2710
2620
2520
2820
2960
2910
2170
1590
928
Inclinaison
optimale
Degré
61
58
45
32
19
12
17
28
42
53
62
63
2910
3290
2240
34
1062
1201
818
Horizontale
mois
Janvier
Février
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Août
Septembre
Octobre
Novembre
Décembre
Moyenne
journalière
annuelle
Energie
annuelle
(kWh/m².an)
Verticale
Rayonnement
diffus/global
0,74
0,61
0,60
0,55
0,55
0,55
0,49
0,51
0,52
0,60
0,66
0,75
0,55
Irradiation (Wh/m².jour)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Janvier
Février
M ars
A vril
M ai
Horizontale
Juin
Optimum
Juillet
A o ût
Septembre
Octo bre
No vembre
Décembre
Verticale
• Production d’énergie solaire photovoltaïque :
La simulation de la production d’énergie solaire photovoltaïque reposera dans cette étude
sur deux exemples issus des technologies à base de silicium, le polycristallin et l’amorphe,
compte tenu d’un rendement intéressant pour la première et d’un coût d’investissement initial
bas pour la seconde.
Le tableau ci-dessous montre la productivité possible (exprimé en kWh/kWc) d’une centrale
solaire photovoltaïque installée sur la zone d’étude, pour des inclinaisons optimale (34°),
intermédiaire (15°) et horizontale, avec un azimut plein sud. Une hypothèse d’un rendement
d’onduleur de 95 % et de pertes diverses de -10% (poussières, masque géographiques du
site…) a été appliquée.
17
Inclinaison
Optimale (34°)
Intermédiaire (15°)
Horizontal (0°)
Polycristallin Amorphe Polycristallin Amorphe Polycristallin Amorphe
46
45
37
35
27
26
Janvier
64
63
54
53
43
42
Février
90
90
83
82
74
72
Mars
110
111
108
109
102
102
Avril
127
131
131
134
129
131
Mai
122
127
129
133
129
132
Juin
128
133
133
139
132
137
Juillet
120
125
120
125
115
119
Aout
91
93
86
88
78
79
Septembre
64
64
57
57
48
48
Octobre
43
42
36
35
28
27
Novembre
36
35
29
28
21
20
Décembre
Total
1040
1057
1004
1018
926
935
annuel
(kWh/kWc)
Totatl
130,0
75,5
125,5
72,7
115,8
66,8
annuel
(kWh/m²)
Mois
Ces valeurs sont indicatives et doivent être modulées en fonction de l’inclinaison de la
structure porteuse des panneaux, de la technologie photovoltaïque retenue, du rendement
des onduleurs, de la qualité intrinsèque de l’installation, des marges d’erreur liées aux
données d’irradiation sur site.
• Production d’énergie solaire thermique :
Les systèmes potentiellement éligibles pour la zone dépendent des besoins. Les
correspondances entre les besoins et le type de capteur installé sont :
Besoins
Type de capteur
Préchauffage de l’eau
Capteurs non vitrés
Eau chaude sanitaire (ECS)
Capteurs plans
ECS + chauffage
Capteurs plans
Processus industriels à température moyenne (<70°C)
Capteurs plans
Processus industriels à température moyenne (<70°C)
Tubes sous vide
Climatisation
Tubes sous vide
Les panneaux solaires thermiques sont intéressants lorsque les besoins en eau chaude sont
relativement constants et assez signifiants, ce qui peut être le cas dans certaines activités
artisanales ou pour des entreprises ayant des obligations sanitaires pour le personnel.
Le logiciel SOLO2000 (développé par l’entreprise TECSOL) permet pour un cas de
référence de déterminer la couverture énergétique possible pour une eau chauffée à 55°C.
Le logiciel indique qu’une pose de 21 m² de capteurs solaires avec un ballon de 500 l en
intérieur permet de couvrir en moyenne environ la moitié des besoins, ce qui confirme les
tendances des retours d’expériences cités précédemment. La fourchette de 300 à 400 kWh
par m² de panneaux et par an est réaliste quand on se projette sur plusieurs hypothèses (en
fonction de l’emplacement du ballon, des marques du système, du calorifugeage, de
l’orientation des panneaux…)
Il faudrait en toute logique prendre en compte le creux des week-ends qui feront baisser la
productivité de l’installation. Il est également intéressant de noter que plus la surface de
capteurs installée est importante, plus la couverture solaire augmente (qui représente le
pourcentage d’énergie fournie par l’installation par rapport à la consommation totale). En
revanche, plus la surface augmente, et plus la productivité au m² diminue. On perd donc en
efficacité lorsque l’on veut atteindre une trop forte couverture solaire. Au-delà de 60 %, la
productivité chute très rapidement.
18
Enfin, si l’on souhaite optimiser la production d’énergie thermique lorsque l’on en a le plus
besoin, c’est-à-dire en hiver, il peut être judicieux d’appliquer une inclinaison optimale
correspondant à la latitude du lieu, soit une inclinaison de 51°.
Les systèmes sélectionnés permettent de produire en moyenne 500 kWh/m² pour un taux de
couverture moyen allant de 40 % à 60 %, voire 75 % pour les CES individuels.
Le solaire thermique peut permettre de répondre aux besoins d’eau chaude des bâtiments
de la ZAC de la route d’Etain, mais également de répondre à une partie des besoins en
chauffage.
Bien calculée, une installation de chauffage solaire permet de couvrir en moyenne au moins
un quart et jusqu’à deux tiers des besoins de chauffage classique. Ces pourcentages varient
significativement en fonction du mode de chauffage de l’entreprise, de l’organisation des
réseaux de chaleur dans le bâtiment, et des équipements qui sont installés.
Les performances varient considérablement en fonction de nombreux paramètres,
néanmoins les données sont les suivantes en Lorraine pour des locaux artisanaux :
Surface des locaux
artisanaux à chauffer
500 m²
Volume des locaux
artisanaux à chauffer
2500 m²
Surface de capteurs
72 m²
Coût d’investissement :
• Solaire photovoltaïque :
Une centrale solaire indique un investissement important de départ mais des coûts
marginaux en maintenance et en entretien. Le prix d’une installation photovoltaïque est
conditionné principalement à la technologie employée, à la taille du projet, et à la capacité de
négociation d’un porteur de projet, selon la quantité globale qu’il est en mesure de
commander à son fournisseur.
Il est toutefois préférable de parler en investissement pose incluse, qui comprend également
le matériel annexe (onduleurs, câblages). Les tarifs dans la moitié nord de la France pour
une centrale photovoltaïque en 2012 varient en fonction de la taille et de la technologie du
système et s’il est ou non intégré au bâtiment. En ordre d’idée, les coûts pour le silicium
intégré au bâti reviennent à :
- Environ 5 €/Wc pour des systèmes de petite puissance (< 36 kWc) en polycristallin ;
- Environ 6 €/Wc pour des systèmes de petite puissance (< 36 kWc) en monocristallin ;
- Environ 4 €/Wc pour des systèmes de petite puissance (< 36 kWc) en amorphe ;
Il existe également des produits fabriqués en Asie globalement moins onéreux (-20c€/Wc en
moyenne).
Les coûts de raccordements sont quant à eux extrêmement variables en fonction de la taille
du projet et surtout de la distance au point de raccordement envisagé.
Enfin, les coûts d’exploitation sont quant à eux très faibles et regroupent :
- les frais d’assurance : négociation à avoir avec l’assureur du bâtiment pour
déterminer s’il peut couvrir la centrale et à quel coût.
- La maintenance : il n’existe aujourd’hui pas de recommandations générales en
maintenance préventive, si ce n’est pour le nettoyage des modules et une visite
annuelle de l’installation. Les équipements sont garantis sur des longues durées et il
est recommandé de souscrire les extensions proposées à 20 ans, notamment pour
les onduleurs. Le suivi de l’installation peut être fait à distance et dans le cas où
l’installateur ait proposé une garantie de résultat solaire, c’est lui qui devra s’assurer
du bon fonctionnement de l’installation. Les systèmes photovoltaïques sont
extrêmement fiables : aucune pièce mécanique n’est en mouvement, les matériaux
employés (verre, aluminium) résistent aux pires conditions climatiques (notamment à
19
la grêle). La durée de vie d’un capteur photovoltaïque de l’ordre de 25 ans, et on
estime actuellement la garantie de production à 80 % après 20 ans pour la plupart
des panneaux solaires de bonne qualité.
• Solaire thermique :
Les coûts d’investissement les plus avantageux pour le solaire thermique concernent les
capteurs non vitrés. Toutefois, cette étude a posé comme hypothèse des capteurs plans qui
présente un rendement énergétique plus intéressant sur le site de la ZAC de la route d’Etain.
Le prix pour les systèmes de capteurs plan dépend de nombreux paramètres. Toutefois,
nous pouvons avancer les chiffres suivants :
- pour l’implantation de simples CESI (Chauffes Eaux Solaires Individuels) de quelques
mètres carrés, le coût varie entre 900 et 1500 €/m².
- dans le cas de systèmes d’eau chaude collective de 20 à 40 m² de capteurs solaires
installés, le prix varie en moyenne entre 800 et 1200 €/m².
- pour des systèmes de grande dimension de plus de 50 m², le coût peut descendre en
dessous de 700 €/m².
Le coût moyen est donc de 900 €/m² installé pour un système utilisant des capteurs plans
classiques.
Estimation du retour sur investissement :
Les coûts d’investissement ainsi que les performances des systèmes photovoltaïques et plus
encore les tarifs de rachats de l’électricité produite évoluent très rapidement. Se projeter à
moyen terme pour évaluer les perspectives de rentabilité d’un projet photovoltaïque s’avère
donc être un exercice hasardeux.
En revanche, le solaire thermique peut être intéressant dans la ZAC de la route d’Etain,
compte tenu de la tendance haussière des prix de l’énergie dans le futur, tant au niveau de
l’électricité que du chauffage.
4/ Conclusion du volet solaire :
Contraintes et
servitudes
Potentiel de
production
Retour sur
investissement
Conclusion
Tant les procédés solaires photovoltaïques que solaires thermiques
sont éligibles sur la ZAC de la route d’Etain.
Photovoltaïque : il existe des grandes variations suivant les
technologies et les inclinaisons employées.
Solaire thermique : il permet de chauffer de l’eau chaude sanitaire sur
site.
Photovoltaïque : le bilan est incertain, sur la ZAC de la route d’Etain, le
retour sur investissement dépasse 10 ans.
Solaire thermique : le bilan est favorable sur la ZAC de la route d’Etain,
le retour sur investissement est inférieur à 10 ans.
Investir dans les énergies solaires constitue une bonne opportunité
pour la ZAC de la route d’Etain, surtout en raison de la topographie et
de l’axe principal Est-Ouest de la zone donc d’un versant sud
utilisable.
20
Chapitre 4 - Etude de faisabilité en biomasse et
assimilés
Selon l’article 19 de la loi du 3 août 2009, cette partie doit aborder les énergies issues « de la
biomasse, du gaz de décharge, du gaz de station d’épuration d’eaux usées et du biogaz ».
Après une partie introductive, ce chapitre dresse l’inventaire des contraintes inhérentes à la
création d’unités énergétiques à base de biomasse avant d’en analyser le potentiel de
développement technique et de rentabilité économique.
1/ Préambule :
Le processus de photosynthèse permet de stocker dans les végétaux l’énergie émise par le
soleil, ce qui sert ensuite à l’ensemble des chaînes trophiques (matière animale et fongique).
Cette énergie est restituée en temps normal par la décomposition de la matière organique,
mais il est préférable de l’utiliser pour satisfaire les besoins humains. Pour cela, plusieurs
modes de valorisation sont possibles :
- la combustion.
- la pyrolyse.
- la gazéification.
- la fermentation.
Performances de la biomasse par rapport au développement durable :
Critères
Durée de vie du
gisement
Capacité du gisement
Temps de retour en
énergie grise
Recyclage des
composants
Impact sur cycle du
carbone
Remise en état du site
Continuité possible de
production
Biomasse/Biogaz
Infini à l’échelle humaine car dépend de l’activité du soleil.
Attention cependant à la gestion du gisement.
44 Gtep/an sans déséquilibrer l’équilibre écologique planétaire
(consommation énergétique mondiale en 2008 de 8,43 Gtep)
Très bon
Inconnu pour les chaudières, poêles à bois…
Neutre si gisement proche
Totale si reboisement
Large acceptation
Oui, mais recharge en matière première nécessaire
Procédés thermochimiques (biomasse sèche) :
Le bois est la matière première la plus couramment employée depuis l’aube de l’humanité.
Son recours est à nouveau en forte progression au cours des dernières années. Les
opérateurs de combustion varient des simples poêles à bois individuels aux chaudières de
grosse capacité (jusqu’à 20 MWth et plus), en passant par les chaudières de petite et
moyenne puissance (jusqu’à 1 MWth).
On peut précisément distinguer trois types de systèmes de chauffage par biomasse :
- les systèmes basiques de type poêles à bois individuels ou les foyers qui relèvent
d’une combustion conventionnelle avec simple diffusion de la chaleur à proximité de
la source.
- les systèmes plus sophistiqués qui contrôlent le mélange d’air et de biocombustible
pour maximiser le rendement et minimiser les émissions, et distribuent la chaleur
21
-
vers le lieu où elle est requise. Plusieurs systèmes de chauffage à la biomasse
comprennent un mécanisme d’alimentation automatique en biocombustible.
les systèmes de grande taille, destinées à l’industrie ou aux réseaux de chauffage
urbains, la chaleur est transmise par un fluide caloporteur, souvent de l’eau. Celle-ci
est envoyée vers un turbine ou un moteur à vapeur pour la production d’énergie
mécanique, thermique ou électrique. Le combustible est stocké dans un silo de
plusieurs mètres cube, généralement enterré pour une meilleure intégration dans le
paysage. L’autonomie du silo varie d’une semaine pour les grosses chaufferies
collectives à plusieurs mois pour les chaufferies individuelles. La chaudière est
alimentée via un tapis roulant pour le combustible grossier type écorces, ou par une
vis sans fin pour du combustibles homogène type plaquettes. Les cendres du foyer
sont récupérés et versées dans un conteneur à vider une fois par semaine en
général. Des filtres permettent un dépoussiérage efficace des fumées. La régulation
électronique permet de réguler la puissance, l’alimentation, la combustion, le
décendrage et l’extraction des fumées.
2/ Analyse des contraintes préalables :
Pour les installations de petites puissances comme cela sera le cas da la ZAC de la route
d’Etain, les contraintes sont relativement faibles et concernent davantage la conception des
bâtiments que l’aménagement parcellaire de la zone.
Dans tous les cas, il s’agit d’adapter la puissance des installations aux besoins du bâtiment.
Pour les chaudières à granulés, il convient de disposer d’un local pour une chaudière, d’un
silo de stockage et d’un système de chauffage central.
3/ Analyse du potentiel de production :
La détermination des gisements en biomasse s’avère complexe pour trois raisons :
- les types de gisements sont assez variés (produits sylvicoles, agricoles, ménagers,
industriels).
- le périmètre des recherches est relativement étendu puisqu’il reste possible
d’acheminer la biomasse bien que cela détériore le bilan énergétique et climatique
global.
- les connaissances restent parfois floues faute d’études par secteur ou faute d’une
bonne organisation des filières professionnelles.
La vision aérienne de la zone confirme que les gisements forestiers sont relativement
importants à proximité de la zone.
22
ZAC de la
route d’Etain
La filière est bien structurée dans la Meuse avec notamment des plateformes où
s’approvisionnement des grands fournisseurs locaux.
Développement d’unités de valorisation thermochimique :
Potentiel de productions par combustion (chaudière) :
Du simple poêle à granulés au réseau de chaleur, toutes les puissances peuvent être
générées grâce à la combustion de biomasse.
La difficulté concerne plutôt l’hétérogénéité des pouvoirs calorifiques des produits
énergétiques. En voici quelques uns pour information :
Type
Granulés (humidité 5 à 10 %)
Plaquettes forestières sèches (20 à 30 % d’humidité)
Plaquettes forestières vertes ou les plaquettes de bois d’élagage (40
à 50 % d’humidité)
Plaquettes de scierie type palette et bois d’emballage (15 à 20 %
d’humidité)
Broyats de bois de rebut (20 à 40 % d’humidité)
Sciures de scierie et les écorces broyées (40 à 60 % d’humidité)
Pouvoirs
calorifiques
4,4 à 4,7 MWh/t
3,3 à 3,9 MWh/t
2,8 à 3,3 MWh/t
2,2 à 3,3 MWh/t
2,2 à 3,3 MWh/t
1,6 à 2,8 MWh/t
4/ Analyse de rentabilité économique :
Coûts d’investissement :
Globalement, les coûts initiaux d’investissements des systèmes à biomasse sont plus élevés
que les coûts d’investissement des systèmes conventionnels à combustibles fossiles.
Toutefois, à long terme, ils peuvent être plus rentables, surtout si le prix des énergies
fossiles s’accroît rapidement. Or, cela ne manquera pas d’arriver au cours des prochaines
années compte tenu de leur raréfaction et de la hausse continue de la demande.
Rachat, aides et subventions disponibles :
Les projets des collectivités locales ou des entreprises et la mise en place de réseaux
d’approvisionnement biomasse peuvent être financés en partie par l’ADEME. Les réseaux de
chaleur d’origine renouvelable peuvent bénéficier d’une TVA à taux réduit. Il n’existe en
revanche pas d’aides spécifiques au fonctionnement concernant le bois énergie comme
moyen de chauffage. La région Lorraine apporte pour sa part des aides aux chaufferies bois
23
automatiques à plaquettes ou à granulés. Ces aides sont limitées aux installations
collectives.
Temps de retour sur investissement :
La plupart des projets utilisant la combustion ou la méthanisation à partir de ressources
renouvelables sont rentables et ont un temps de retour sur investissement positif par rapport
à la durée de vie de l’installation. L’enjeu se pose souvent sur l’importance du surcoût à
l’investissement, mais cette question entraîne des réponses au cas par cas.
5/ Conclusion du volet biomasse :
Contraintes et
servitudes
Potentiel de
production
Retour sur
investissement
Conclusion
Les procédés par combustion de bois sont éligibles sur la ZAC de la
route d’Etain.
Des dimensionnements et installations spécifiques dans les bâtiments
sont éventuellement à prévoir si le choix de recours à la biomasse est
retenu (stockage de matières première).
La disponibilité en BIBE (Bois Industrie / Bois Energie) et MB (Menu
Bois) est bonne tant pour la région Lorraine que le département de la
Meuse et tout particulièrement l’arrondissement de Verdun.
Ces derniers sont corrects, souvent inférieures à 10 ans.
Les systèmes de combustion bois énergie sont intéressants à
développer sur la ZAC de la route d’Etain.
24
Chapitre 5 - Etude de faisabilité des énergies
géo-/hydro-/aérothermiques
Certains procédés permettent de récupérer les calories contenues dans le sol, l’air ou l’eau,
puis de les restituer dans les bâtiments à chauffer ou à refroidir.
1/ Préambule :
Définition de la géothermie :
L’énergie géothermique désigne l’énergie stockée dans le sous-sol terrestre. Elle peut se
classer en trois catégories en fonction de la température de la source :
- la géothermie des basses énergies (source < 30°C).
- la géothermie des moyennes énergies (30°C < source < 150°C).
- la géothermie des hautes énergies (30°C < source).
Nous n’aborderons dans cette étude que la première catégorie de géothermie.
La géothermie des hautes et moyennes énergies est inenvisageable à l’échelle d’une ZAC
de 14 hectares.
Les échanges thermiques entre le sol et les pièces à chauffer /refroidir s’effectuent grâce à
des pompes à chaleur géothermiques (PACg). Elles se composent :
- en amont, d’un circuit de capteurs où s’opèrent les échanges thermodynamiques
avec le sol (source froide).
- de la pompe à chaleur en elle-même avec un couple évaporateur /condenseur et un
couple compresseur/détendeur.
- en aval, d’émetteurs de chaleur dans le bâtiment (source chaude).
Définition de l’aérothermie :
L’aérothermie repose sur le même principe de fonctionnement que la géothermie à la
différence près que les calories prélevées proviennent de l’air. Controversé pour son
efficacité, les directives européennes ont néanmoins réintroduit les PACa dans le champ des
énergies renouvelables.
Ce système est simple à mettre en œuvre, et peut être couplé à une ventilation mécanique
contrôlée. En revanche, l’aérothermie n’assure pas la totalité du chauffage et ne permet pas
de chauffer l’eau chaude sanitaire. Autre contrainte, il convient d’équiper le bâtiment de
gaines de soufflage.
Définition de hydrothermie :
Le milieu d’où l’on extrait les calories est cette fois l’eau (nappes phréatiques, cours d’eau).
Lorsque les échanges thermodynamiques s’opèrent avec l’aquifère, on recourt à de longs
tuyaux en circuit ouvert dans lesquels circule l’eau de l’aquifère, qui transmet ensuite la
chaleur à une autre boucle en circuit fermé via un échangeur intermédiaire. En sortie de
l’échangeur intermédiaire, l’eau est injectée dans le même aquifère grâce à un second puits
appelé puits d’injection.
Performance énergétique des pompes à chaleur :
Une pompe à chaleur a besoin pour fonctionner d’une consommation d’électricité auxiliaire.
On parle donc de coefficient de performance (COP) et non de rendement pour rendre
compte du rapport entre l’énergie calorifique restituée sur l’énergie électrique consommée.
Dans des conditions standards de fonctionnement, les PAC géothermiques présentent par
exemple des COP compris de 3 à 4. En instantané, le COP varie cependant constamment
25
selon les paramètres réels d’utilisation, selon le rapport entre température de la source froide
et température de la source chaude et enfin selon le mode de captage.
Les retours d’expérience prouvent qu’en moyenne les PAC permettent de réaliser des
économies de consommations de chauffage de 30 à 70 % et de climatisation de 20 à 50 %.
Performances de la Géo/hydro/aérothermie par rapport au développement durable :
Les pompes à chaleur peuvent être intéressantes si leur coefficient de performance est
élevé.
Critères
PAC géothermique et
hydrothermique
Indice
Commentaires
Indice
Commentaires
Infini
++
Infini
+
Elevé (dépend de la
régénération des solsnappes)
+/-
Moyen
+
Correct
+/-
Moyen
+/-
Globalement correct mais
fluide frigorigène néfaste
pour l’environnement (taux
de fuite de 3 à 10 % par an)
0
Avec la nécessité d’une
énergie d’appoint
électrique, les résultats
peuvent être médiocres
Totale
Durée de vie du
gisement
++
Capacité du
gisement
Temps de
retour en
énergie grise
Recyclage des
composants
PAS aérothermique
+/-
Globalement correct mais
fluide frigorigène néfaste
pour l’environnement
(taux de fuite de 3 à 10 %
par an)
Avec la nécessité d’une
énergie d’appoint
électrique, les résultats
peuvent être médiocres
Impact sur
cycle du
carbone
0
Remise en
l’état du site
++
Totale
++
Acceptabilité
sociale
++
Très bonne
+
Temporalité de
production
+
Continue
+/-
Bonne, possibilité
néanmoins de systèmes
bruyants
Continue, mais production
sensiblement basse l’hiver
26
2/ Analyse des contraintes préalables :
• Captage horizontal :
La pose de PAC horizontale nécessite de passer en revue certaines contraintes de pose
empiriques :
Typologie
Caractéristique du sol
Pose
Profondeur
d’enfouissement de la
boucle
Contraintes
Profondeur entre 1 et 1,5
mètre. boucles espacées
d’au moins 40 centimètres
entre elles.
Conclusion
Sans contraintes pour le
site à ce stade de
l’aménagement
site à ce stade de
l’aménagement
site à ce stade de
l’aménagement
Eloignement des réseaux
électriques
1,5 mètre minimum
Eloignement des arbres
2 mètres minimum
Eloignement des autres
ouvrages (puits,
fondations, fosses
septiques)
3 mètres
site à ce stade de
l’aménagement
Humidité des sols
Risque de gel
site à ce stade de
l’aménagement
Perméabilité du sol
Sol perméable au dessus
du capteur
Sans contraintes
Risque de desséchement
des sols et création
d’espaces entre le sol et
les tubes
Granulométrie suffisante
au profondeur
d’enfouissement
Surface disponible sans
construction ou
terrassement
Non identifié à ce stade
Pas de nécessité de
remblais.
A confirmer par un bureau
d’études spécialisé.
Maximiser les espaces
disponibles en espaces
sans construction et
terrassement autour des
bâtiments
• Captage vertical sur sol et aquifère :
Pose
Typologie
Contraintes
Conclusion
Inconnu
Inconnu
Socle rocheux
au-delà de 5 mètres au-delà de 5 mètres
Inconnu
Inconnu
Système karstique
au-delà de 5 mètres au-delà de 5 mètres
Risque de contamination des nappes
Non connue
Non connue
27
3/ Analyse du potentiel de production :
• Gisement exploitable par géothermie, hydrothermie et aérothermie :
Données d’entrées climatiques :
Les données climatiques sont définies dans la première partie de l’étude et sont rappelés ici
pour mémoire :
Température Chauffage Climatisation
du sol (°C)
(°C-j)
(°C-j)
Janvier
4,9
400
0
Février
4,8
358
0
Mars
6,5
329
0
Avril
9,0
258
0
Mai
12,8
164
84
Juin
16,0
78
162
Juillet
18,7
9
239
Août
19,6
0
254
Septembre
17,0
60
180
Octobre
13,4
167
81
Novembre
9,1
288
0
Décembre
6,2
369
0
Annuel
11,5
2480
1000
Données d’entrées géologiques :
La consultation de la carte géologique du secteur de la ZAC de la route d’Etain, indique que
la commune de Verdun repose sur un substrat calcaire du jurassique inférieur.
Potentiel de production par captage horizontal :
Les pompes à chaleur géothermiques peuvent présenter des coefficients de performance
intéressants sur certains types de sol. Pour le département de la Meuse, l’expérience montre
que les besoins en chaleur pour une construction neuve avec une bonne isolation thermique
sont compris entre 40 et 50 W/m².
La puissance d’une pompe à chaleur s’avère suffisante pour chauffer (ou refroidir pour une
APC réversible) un bâtiment artisanal ou un petit édifice commercial. Cependant, plusieurs
pompes à chaleur sont nécessaires pour chauffer de plus grands édifices.
A titre d’exemple, dans le cas de besoins de chauffage de 20 kW à profondeur de 60
centimètres, la typologie du sol sur l’aire de Verdun et plus précisément de la ZAC de la
route d’Etain, permet de tabler sur une extraction de l’ordre de 20 à 30 W/m². Pour une
pompe à chaleur de COP3, nous pouvons donc en déduire qu’il est nécessaire de disposer
d’une surface d’environ 750 m² et disposer de 1400 mètres linéaires de capteurs, ce qui
correspond aux données quantitatives des lots de la ZAC de la route d’Etain.
En terme de production, le rendement énergétique sur la zone est donc intéressant.
• Gisement exploitable par hydrothermie :
Seule une étude plus approfondie par un bureau d’études spécialisé pourra donner des
éléments permettant de se prononcer sur la faisabilité et la rentabilité de ce procédé
énergétique.
Le site ne se situe pas à proximité de cours d’eau.
• Gisement exploitable par aérothermie :
Les pompes à chaleur aérothermiques sont peu intéressantes lorsque la température de l’air
varie très fortement au cours de l’année. En dessous de 3 °C, leurs performances sont
nettement diminuées. C’est pourquoi ces systèmes sont généralement conseillés dans des
zones à climat doux.
Les conditions climatiques de la Meuse permettent en théorie une exploitation par
aérothermie. Néanmoins, compte tenu des retours d’expérience sujets à caution sur les COP
28
réels et sur les faibles gains énergétiques permis par l’aérothermie, cette solution – qui peut
être utilisée au cas par cas par les particuliers en habitation – s’avère peu intéressante dans
le cadre de la ZAC de la route d’Etain.
4/ Analyse de rentabilité économique :
Coûts d’investissement :
En matière de pompes à chaleur géothermique, l’investissement initial est onéreux. Les
capteurs au sol verticaux sont plus chers à installer que les capteurs horizontaux, mais
nécessitent relativement moins de tuyaux à cause de la stabilité des températures du sol, et
présentent des rendements meilleurs.
Si l’installation nécessite un forage (capteurs verticaux – utilisation d’un aquifère), il faut tenir
compte de son coût, qui peut être élevé. Ainsi, un forage de 100 m en terrain sédimentaire
représente un coût de 9000 €. (2012)
Aides, subventions :
En termes d’investissement, la région Lorraine finance 30 % du coût des travaux de
réalisation des capteurs verticaux (y compris la fourniture des sondes, piézomètres et
équipements des forages jusqu’au raccordement en chaufferie). L’aide est plafonnée à 300
mètres linéaires de forages)
En termes d’instruments de mesure, il est possible une subvention complémentaire de 80 %
du surcoût lié aux instruments de mesure avec un plafond de 2000 € par projet sous réserve
d’accord préalable sur la position des instruments et le suivi des performances de
l’installation.
Temps de retour sur investissement :
Pour les capteurs verticaux, le coût initial du forage influe grandement sur le temps de retour
sur investissement et il est préférable d’effectuer des calculs au cas par cas. En cas
d’installation correct et proche d’un gisement intéressant, les temps de retour sur
investissement sont néanmoins souvent intéressants, de l’ordre de 10 ans.
Le temps de retour sur investissement est d’environ 7 à 10 ans pour les capteurs
horizontaux sur le site d’étude de la ZAC de la route d’Etain.
5/ Conclusion du volet géo/hydro/aérothermie :
Contraintes et
servitudes
Gisement /
Potentiel de
production
Retour sur
investissement
Conclusion
Les procédés géo/hydro/aérothermiques sont éligibles sur la ZAC de la
route d’Etain. Certaines informations sont néanmoins nécessaires pour
se prononcer sur l’exploitation de gisement sur nappes.
La géothermie à captage horizontal peut permettre de participer à la
production énergétique de la zone. La géothermie à captage vertical
est plus intéressante encore mais les coûts du forage peuvent se
révéler rédhibitoires. L’aérothermie n’est pas assez performante.
L’hydrothermie peut être une solution intéressante.
Les temps de retour sur investissement sont globalement positifs
(inférieur à 10 ans), mais cela dépend grandement du coût des forages
ou des travaux de terrassement.
La géothermie à captage horizontal peut être installée bien qu’elle soit
moins intéressante que le solaire ou la biomasse. La géothermie à
captage vertical pourrait être plus intéressante mais les coûts de
forage pourraient être prohibitifs, mais éventuellement amortissables
pour des bâtiments d’au moins 750 m².
29
Chapitre 6 - Etude de faisabilité pour les énergies de
récupération et pour la mise en place d’un réseau de
chaleur ou de froid
1/ Préambule :
L’article L.128-4 du code de l’Urbanisme demande l’étude de l’opportunité de la création ou
du raccordement à un réseau de chaleur ou de froid ayant recours aux énergies
renouvelables et de récupération.
Définition d’un réseau de chaleur ou de froid :
Un réseau de chaleur ou de froid se compose de trois ensembles :
- une unité de production de chaleur à partir d’énergies fossiles (gaz, fioul…),
d’énergies renouvelables (biomasse, géothermie) ou d’énergies de récupération…
Pour le froid, on parle davantage d’unité d’évacuation et la technique dominante
passe par un compresseur.
- un réseau primaire de canalisations qui transporte la chaleur ou le froid.
- des postes de livraisons ou sous-stations qui recueillent la chaleur ou le froid avant
de le distribuer aux conditions adéquates de température et de pression aux usagers.
Avantages et inconvénients pour l’environnement :
La plupart des réseaux de chaleur anciens ont recours aux énergies fossiles, notamment le
gaz. Mais les nouveaux réseaux de chaleur proposent de plus en plus systématiquement
dans leur mix énergétique une part majoritaire en énergie renouvelable, notamment en
biomasse voire en géothermie. Une part minoritaire en énergie fossile reste souvent
néanmoins nécessaire pour l’appoint en cas de pic d’appel de puissance.
Les réseaux de froid restent en revanche à l’heure actuelle souvent alimentés par de
l’électricité, voire de façon plus marginale par du gaz et de l’énergie de récupération
(incinérateurs).
La mutualisation et la centralisation de la production d’énergie permettent de réaliser des
gains d’échelles importants, de diminuer les rejets atmosphériques (en gaz à effet de serre
notamment) et d’augmenter une part de risque par l’absence d’installations de combustion
dans les bâtiments desservis.
Sur le plan économique, les réseaux de chaleur/froid sont globalement compétitifs grâce aux
gains d’échelle qu’ils génèrent.
2/ Contexte réglementaire :
On se référera à l’étude CETE de l’Ouest et du CERTU de Février 2011 intitulée « Réseaux
de chaleur et outils de l’urbanisme » qui permet de cadrer les interactions entre les
documents réglementaires cadre et les réseaux de chaleur.
Evolution liées au Grenelle 2 :
L’article 85 de la loi dite du Grenelle 2 instaure une évolution en matière de réseaux de
chaleur et de froid par rapport à la loi n°80-531 du 15 juillet 1980 relative aux économies
d’énergie et à l’utilisation de la chaleur. Une collectivité territoriale peut classer un réseau de
distribution de chaleur et de froid existant ou à créer, situé sur son territoire, sous certaines
conditions :
- si le réseau est alimenté à plus de 50 % par une énergie renouvelable ou de
récupération.
- si un comptage des quantités d’énergie livrées par point de livraison est assuré.
30
-
si l’équilibre financier de l’opération pendant la période d’amortissement des
installations est assuré au vu des besoins à satisfaire, de la pérennité de la ressource
en énergie renouvelable ou de récupération, et compte tenu des conditions tarifaires
prévisibles.
Selon le CERTU, le classement est prononcé par délibération de la collectivité ou du
groupement de collectivités pour une durée déterminée qui ne peut excéder 30 ans. Le
classement est abrogé par délibération lorsque l’une des 2 premières conditions
précédemment énumérées n’est plus respectée. La décision de classement précise la zone
de desserte du réseau et définit sur tout ou partie de la zone de desserte du réseau un ou
plusieurs périmètres de développement prioritaire. Ces périmètres doivent être compatibles
avec les dispositions des documents d’urbanisme en vigueur. Les réseaux existants doivent
faire l’objet d’un audit énergétique examinant les possibilités d’amélioration de leur efficacité
énergétique.
Si le réseau énergétique n’est pas classé, l’aménageur peut préconiser le raccordement
dans le cadre d’un cahier des charges de cession de terrain ou d’une charte de qualité
environnementale.
3/ Faisabilité de création d’un réseau de chaleur ou de froid sur site :
Le déploiement d’un réseau de chaleur ou de froid sur site est conditionné par quatre
paramètres :
- l’existence de besoins énergétiques importants et connus.
- l’existence de gisements énergétiques suffisantes et pérennes.
- la faisabilité technique.
- l’existence de marges de manœuvre financières et d’une volonté politique nette étant
donné l’investissement initial majeur.
Existence de besoins énergétiques sur zone :
La zone est d’abord artisanale, les bâtiments seront neufs et intégreront de bonnes
techniques d’isolation. Aucun équipement municipal énergivore n’est prévu sur le site. Il est
donc préférable de diminuer les consommations énergétiques plutôt que d’investir dans une
unité de production avec réseau de chaleur.
Existence de gisements d’approvisionnement énergétiques suffisants et pérennes :
En matière de réseau de chaleur, les énergies renouvelables utilisées proviennent le plus
souvent de la biomasse, la géothermie et les énergies de récupération. Les chapitres
précédents tendent à montrer qu’il existe des gisements suffisants en biomasse pour
alimenter un réseau. En revanche, l’énergie géothermique n’est pas intéressante. Une
première prospection informelle des alentours du site n’a pas révélé de possibilité de
raccordement à une énergie de récupération.
4/ Faisabilité d’un raccordement à un réseau de chaleur ou de froid existant :
Dalkia exploite un réseau de chaleur sur Verdun. Le bâtiment raccordé le plus à l’est du
réseau est l’école située place du Commandant Galland, à environ 2 kilomètres de la ZAC
de la route d’Etain.
Par ailleurs, ce réseau de chaleur fonctionne au gaz et il n’est pas prévu à court terme de
faire évoluer cette production vers la biomasse.
Compte tenu de ces faits, il n’est pas intéressant de se connecter au réseau Dalkia existant.
31
Conclusion
1/ Hiérarchisation des énergies renouvelables à développer :
Le tableau ci-dessous récapitule par ordre d’intérêt les potentiels de développement des
différentes énergies renouvelables étudiées pour la ZAC de la route d’Etain.
SYNTHESE
Solaire thermique
Très bon
Combustion (bois)
Très bon
Géothermie verticale
Bon
Photovoltaïque Toiture
Moyen
Petit/Moyen éolien
Moyen
Géothermie horizontale
Moyen
Création d’un réseau de chaleur bois énergie
Moyen
Extension du réseau de chaleur Dalkia
Mauvais
Aérothermie
Mauvais
Grand éolien
Interdit
Hydrothermie aquifère
Inconnu
Méthanisation gazéification
Non pertinent
Photovoltaïque Sol
Non pertinent
2/ Préconisation pour la ZAC de la route d’Etain :
Sur la zone étudiée, la priorité passe par la sobriété et l’efficacité énergétique des bâtiments.
Néanmoins, nous pouvons émettre les préconisations suivantes pour l’optimisation de la
production énergétiques sur site.
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie éolienne :
Le meilleur emplacement pour les éoliennes se situe sur les hauteurs de la ZAC de la route
d’Etain vers le Sud –Est, que l’on se situe dans le cas d’éoliennes intégrées ou non au bâti, il
est préférable que les rotors émergent à la hauteur la plus élevée possible et restent peu
impactés par les obstacles périphériques.
En général, une éolienne sur toiture doit être placée au milieu du toit d’un bâtiment à une
hauteur supérieure à 35 % voir 50 % de la hauteur du bâtiment pour éviter les phénomènes
liés à la turbulence.
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie liée à la biomasse :
Les systèmes individuels utilisant le bois énergie n’ont pas d’impact sur le découpage
parcellaire. En revanche, des espaces de stockage à l’intérieur des bâtiments peuvent être
nécessaires si de tels procédés étaient retenus.
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie hydro-géothermique :
Les contraintes pour la géothermie concernent particulièrement le mode de captage
horizontal, puisqu’il est nécessaire de déployer entre 1,5 et 2 fois la surface à chauffer, tout
en évitant certains obstacles (éloignement des réseaux électriques, des arbres, des
ouvrages de type puits, fondations fosses septiques…).
La géothermie horizontale est donc liée à chaque bâtiment susceptible de s’implanter sur la
zone et elle nécessite une emprise qui peut être trop importante.
32
En revanche, la géothermie verticale peut être intéressante selon l’importance des
investissements en bâti, mais alors des études géotechniques plus poussées et menées par
un bureau d’études spécialisé devront être lancées.
• Aménagement pour l’optimisation de l’énergie solaire :
L’énergie solaire est particulièrement intéressante pour la ZAC de la route d’Etain en raison
de la topographie et de l’orientation Est-Ouest principale de la zone.
La position optimale pour l’implantation de panneaux solaires est une inclinaison de 34° en
azimut sud ; pour la direction, il est toutefois possible de rester dans des seuils de rentabilité
en conservant un azimut sud-est ou sud-ouest. Pour l’inclinaison, il est également possible
de rester rentable en choisissant une position horizontale, mais il est alors préférable de
choisir des technologies avec un bon comportement face au rayonnement diffus.
Il est donc souhaitable de prévoir des pans de toiture qui tiennent compte de ces
préconisations.
Des règles d’espacement permettant de limiter les ombres portées des bâtiments entre eux
seront à privilégier lors de la conception de la ZAC : il sera nécessaire de laisser les écarts
d’implantation les plus importants dans l’axe ouest-est de coucher et de lever de soleil.
33

Etude de faisabilité

Transcription

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