Les sources d’énergie pour alimenter le SEC

Plusieurs études ont déjà été réalisées en Europe et en Amérique du Nord afin de mieux appréhender les potentiels offerts par les différentes sources d’énergie mobilisables sur un territoire donné. D’un point de vue environnemental, il ressort souvent que l’optimum consiste à marier plusieurs sources d’énergie (ex. la biomasse ou le biogaz en association avec l’énergie solaire thermique).

La géothermie, par pompes à chaleur (lorsque le retour sur l’investissement permet que l’utilisation de ce type d’équipement soit économiquement viable), ressort également comme une source intéressante, surtout lorsqu’il est également question de rafraîchissement en période estivale. Dans certains cas de figure, la géothermie peut aussi être associée à un dispositif de stockage/déstockage intersaisonnier de la chaleur produite. Cela aura pour avantage d’optimiser le dimensionnement des installations tout en améliorant le rendement global de l’installation et les performances environnementales du système.

Figure 4 : Exemple d’un réservoir de stockage extérieur capable de stocker/déstocker de la chaleur en fonction des besoins des différents utilisateurs du réseau (Source : Borås Energi AB)

Hélas, au plan économique, la combinaison de plusieurs solutions techniques constitue souvent un frein important à court et moyen terme, tant pour la collectivité que pour les usagers potentiels compte tenu de l’importance des coûts fixes (amortissement, entretien, réparation, etc.). Un constat d’autant plus vrai que le prix des autres options disponibles (gaz et électricité notamment) est bas, comme c’est actuellement le cas au Québec ainsi que dans beaucoup d’autres états et provinces d’Amérique du Nord.

Au plan technique enfin, plus la conception sera complexe, plus le risque de panne ira en augmentant. Ce point mérite la plus grande vigilance, que ce soit pour les bénéficiaires potentiels ou la durabilité de l’installation.

Quelles sources d’énergie pour les systèmes d’énergie communautaires?

• La géothermie par pompe à chaleur (PAC) :

Une des particularités offertes par les pompes à chaleur (ou thermopompes) est de pouvoir produire aussi bien du chaud que du froid selon le cycle de fonctionnement choisi.

Dans le contexte actuel de réchauffement planétaire, la technologie des pompes à chaleur constitue une option prometteuse dans les régions du sud du Québec. Ceci d’autant plus que l’électricité consommée est issue de sources renouvelables comme cela est majoritairement le cas au Québec.

Bien qu’elles présentent de nombreux avantages, les PAC ne sont néanmoins pas la solution parfaite. En effet, du fait des puissances appelées en période de grand froid, l’appel de puissance d’Hydro-Québec est réduit sans toutefois être éliminé. Toutefois, bien que les PAC requièrent un recours à l’électricité, elles sont une amélioration par rapport au système conventionnel qui appelle de trois à cinq fois plus d’énergie électrique. Un autre point à surveiller : l’étanchéité du circuit contenant le fluide frigorigène (tel que R134a, R152a et HFO1234) afin de prévenir les risques de fuite. S’il ne présente pas de danger pour la santé (fluide très volatil), il est en revanche un puissant gaz à effet de serre s’il parvient à s’échapper dans l’atmosphère. Ces risques sont toutefois connus et contrôlés par l’industrie grâce à des vérifications régulières des installations effectuées par des organisations spécialisées.

Pour offrir des performances élevées, les PAC doivent idéalement opérer à basse température (température de l’eau chaude pour le chauffage < 30 °C)[1]. Pour que cette condition soit respectée, il faut que les bâtiments alimentés par des PAC soient très éconergétiques. Il existe des PAC qui, lorsque raccordées à la géothermie ou à des capteurs solaires, peuvent donner des coefficients de performance (COP) de plus de 3 en toutes saisons.

L’utilisation de PAC couplée à un système d’énergie communautaire sera d’autant plus pertinente que les différents bâtiments ou équipements raccordés auront des profils de consommation complémentaires entre eux. Dans les faits, cette complémentarité des profils de consommation permet d’optimiser le dimensionnement des installations : la puissance maximale requise se limite dans le meilleur des cas à une valeur très inférieure à la somme des puissances requises si les profils étaient traités séparément.

Par exemple, si une piscine, un aréna, un hôpital, une salle polyvalente et un condominium étaient traités indépendamment les uns des autres, leurs équipements conduiraient à une puissance totale installée de 15 GW. Raccordés entre eux par le biais d’un SEC, la puissance totale nécessaire pour couvrir les mêmes besoins en énergie pourrait être réduite à 10 GW compte tenu des synergies et complémentarités potentielles existantes entre ces différents équipements tout au long de l’année.

• La biomasse :

Dans les régions forestières du Québec, la biomasse offre de nombreux atouts. Outre la valorisation de la ressource qui peut contribuer à structurer une filière d’approvisionnement locale, la biomasse dispose d’un avantage de taille comparativement à beaucoup d’autres sources renouvelables : elle est facilement stockable et potentiellement à même de couvrir 100 % des besoins en chaleur d’un SEC. Dans la pratique, il est néanmoins fréquent d’y associer une petite chaufferie utilisant un combustible fossile (gaz naturel, mazout, etc.). Celle-ci joue un rôle d’appoint les jours de grand froid (car l’inertie thermique d’une chaudière à la biomasse étant importante, son temps de réaction est très élevé lorsqu’il y a une demande énergétique d’envergure) ou en cas de bris. Cela permet d’optimiser le dimensionnement de la chaufferie au bois pour les 85 % du temps restant. Cette chaufferie à combustible fossile joue également le rôle de chaufferie de secours en cas d’intervention technique prolongée sur la chaufferie principale ou autres avaries (rupture d’approvisionnement en bois par exemple).

Dans une chaufferie moderne équipée d’un système de filtration des fumées performant, les rejets atmosphériques sont comparables à ceux d’une chaufferie au gaz naturel. Mais contrairement au gaz naturel majoritairement issu de réserves fossiles, la biomasse offre un bilan carbone bien meilleur dès lors qu’elle est issue de ressources forestières locales durablement gérées.

Sa principale contrainte est celle de ne pas être une énergie dite de réseau dans le sens où l’approvisionnement reste principalement assuré par camion. Pour cette raison, il faudra s’assurer d’une bonne disponibilité de la ressource dans un rayon de 100 km maximum depuis la chaufferie, sans quoi les émissions de GES et les coûts d’approvisionnement deviennent trop élevés en raison du transport de la biomasse. Cela oblige bien souvent les municipalités intéressées par la biomasse à s’intéresser à la création d’une filière d’approvisionnement locale. En milieu rural, le regroupement de plusieurs municipalités est souvent un préalable indispensable afin d’atteindre un volume de consommation minimum, garant d’un meilleur coût de production de la biomasse transformée (copeaux de bois, granulés, etc.).

Figure 5 : Couverture des besoins en énergie dans le cas d’une chaufferie mixte « biomasse – gaz naturel (ou huile) » (Source : adapté de CETE, 2012)

Il est à noter qu’afin de garantir des rejets atmosphériques les plus faibles possible, les chaudières à la biomasse doivent répondre à des normes environnementales strictes. Les normes en vigueur dans les régions d’Europe les plus avancées sur le sujet (Autriche, Allemagne, Suisse, Suède, etc.) peuvent être considérées comme de très bonnes références applicables en l’état.

• Le solaire thermique :

En général, le solaire thermique ne permet pas à lui seul de couvrir les besoins en chaleur d’un SEC compte tenu du décalage dans le temps entre les besoins et les apports solaires. C’est néanmoins une source d’énergie intéressante à étudier, notamment pour la production d’eau chaude domestique (ECD). À noter que la production d’ECD sera plutôt à imaginer de manière décentralisée, c’est-à-dire au plus près des lieux de consommation plutôt que par le biais d’un système centralisé surtout si les besoins en énergie se limitent à la production d’ECD seule (pas de chauffage).

Toutefois, si le réseau permet d’utiliser des équipements permettant l’accumulation de chaleur (ex. réservoirs d’eau chaude), il est possible de subvenir au besoin de chauffage presque en tout temps, à l’exception des hyper pointes de consommation. Ceci est le cas du réseau d’Okotoks en Alberta.

Au Québec, pour être économiquement viable relativement aux autres options disponibles, l’énergie solaire thermique devra d’abord être étudiée pour les établissements très consommateurs d’ECD : hôpitaux, CHSLD, équipements sportifs municipaux (aréna, piscine), etc.

L’énergie d’appoint, c’est-à-dire celle qui viendra compléter le solaire les jours de faible ensoleillement, pourra éventuellement provenir d’un système d’énergie communautaire utilisant la biomasse comme énergie principale.

Il est à noter que dans le cas des bâtiments à très faibles besoins énergétiques, le solaire thermique pourra aussi être envisagé comme énergie de chauffage (partielle) des bâtiments. Pour répondre à la problématique du décalage dans le temps entre la production et les besoins, le système solaire de base pourra être complété d’un stockage thermique (souterrain) de grande capacité[2].

[1] Le coefficient de performance d’une PAC sera d’autant plus élevé que la différence de température entre la source froide (environnement dans lequel sont prélevées les calories) et la source chaude (lieu de restitution des calories, tel qu’un logement) sera faible.

[2] Un réservoir enterré de très grande dimension qui implique généralement une complémentarité dans les besoins en ECD ou chauffage afin d’optimiser le dimensionnement des installations.