Genève-Lac-Nation Retour d’expérience interdisciplinaire ... · Les déversements d’eaux à évacuer ne doivent pas entraîner dans les eaux: a. (…)formation de boues;

Recherche

Groupe Energie – Université de Genève PA Viquerat – 15/10/09

«

Genève-Lac-Nation

»

Retour d’expérience interdisciplinaire sur l’implémentation d’un réseau de froid par pompage d’eau lacustre

profonde

Cycle de Formation Energie-Environnement, hiver 2009-2010

Pierre-Alain Viquerat Groupe Energie

Université de Genève –Institut des Sciences de l’Environnement [email protected]

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE

- SYSTÈME ENERGETIQUE

- CONCEPT de MONITORING:

- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


Promotion de systèmes énergétiques en zone urbaineEnergies Renouvelables & Economies d’Energie

Soutien financierDiffusion des résultats

Démonstration: efficience énergétique, environnementale et économique

Recherche: monitoring et adaptation de bâtiments existants

Dissémination:

concerto+, conférences, visite,…

Consortium Tetraener

e i gEcole d’ingénieursde Genève

Genève, Bilbao & FrancfortSubvention ~ 2 M€

CONCERTO, PROGRAMME UE

Directives Européennes

Recherche


ENERGIE à GENEVE

Sources: Office Cantonal de la Statistique, Genève

Répartition par agent

de la consommation d’énergie finale à

Genève

Electricité à Genève, production locale et consommation

0

500'000

1'000'000

1'500'000

2'000'000

2'500'000

3'000'000

1985

1990

1995

2000

2000

2001

2002

2003

2004

MW

h TotalCanton

Froid « frivole »

Recherche


Source: Le Strat P. (2004). « Analyse de la demande d’électricité du canton de Genève », étude réalisée pour les SIG

~ 12*105

MWh

~ 45 %

~ 15*105

MWh~ 50 %

~ 105

MWh~ 43 %

ELECTRICITE à GENEVE

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


SYSTEME GLN-SERONO-MERCK

GLN

SERONO-Merck

Sous-réseau GLNPotentiels

16.2 MW rafraîchissement 3 MW chauffage

Températures pompage 5°C (hiver), 8°C (été)Débits GLN / Serono-Merck

2'700 / 1’300 m3/h Longueur réseau

~

6 kmInvestissement 35 Millions CHF

SYSTEME ENERGETIQUE

1

2

3 4 56

Recherche


Station de pompage 1POMPAGE

2 Réseau « aquatique »

Recherche


3STATION de POMPAGE

Recherche


Station de pompage 4RESEAU TERRESTREAv. Appia DN500

Av. de France DN700

Recherche


5SOUS-STATION(S)

Recherche


Station de pompage6REJET

Recherche


2009

(~30 %)2 bâtiments

Rafraîchissement directVia les échangeurs de chaleur

Chauffage de bâtiments neufsVia des PAC à

haute

performance

ArrosageEau de retour

PRESTATIONS du GLN … et OBJECTIFS

2010

(~

50 %)~ 300’000 m2

~ 12’000

MWh~ 500 MWh↓

20 % conso. Efinale

↓

6’900 ToCO2

équ/an

2015

(100%)~ 900’000 m2

(10 existant, 11 eco)

~

25’000 MWh1’500 MWh↓

30 % conso. Efinale

↓

12’900 ToCO2

équ/an100 % Electricité

certifiée

↓

75’000 m3/an (arrosage)

Recherche


Réseau primaire: circuit d'eau lac Réseau secondaire: circuit d'eau bâtimentDomaine de l'exploitant (SIG) Domaine du client

Auxiliaire

Tentrée1

bâtiment

Tsortie

bâtiment

Tour refroidissementCondenseur

Bâtiment

Tentrée2

bâtiment

Machine de froid

Lac

Evaporateur


Auxiliaire

Lac

Evaporateur

Débimètre & Compteur de chaleur

Tour refroidissementCondenseur

BâtimentEchangeur primaire

Tentrée2

bâtiment

Machine de froid

Tsortie

lac

Tentrée

lacTentrée1

bâtiment

Tsortie

bâtiment

Contraintes

-

Tlac

variable -

Débit limité


Auxiliaire

Tentrée1

bâtiment

Tsortie

bâtiment

Condenseur

Tsortie Machine froid

BâtimentEchangeur primaire

Echangeur secondaire

Tentrée2

bâtiment

Machine de froid

Tsortie

lac

Tentrée

lac

Lac

Evaporateur

Débimètre & Compteur de chaleur

Tentrée Machine froid

Avantages

-

↑

COP-système: maximisation de la substitution + ↑

efficience Machine Froid -

Approvisionnement local -

↓

émissions de CO2

, suppression des tours de refroidissement -

Création d’emplois, développement de compétences, …

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


3. Comparaison avec des systèmes similaires- Systèmes classiques- Systèmes similaires (Cornell, Toronto)

RETOUR D’EXPERIENCE: QUELQUES OBJECTIFS…

2. Analyse du système GLN- Aspects énergétiques et environnementaux

-

Lac

(ressource, puits): potentiels

et limites-

Bâtiments: demande et utilisation

de l’énergie

-

Réseau: bilan

des flux énergétiques

typiques- Aspects socio-économiques

-

Système non-dédié-

Planification, investissements, construction

-

Robustesse et durabilité-

Tarification

/prestation

1. Implémentation-

Système complexe

-

Obstacles et facteurs limitants-

Avantages / Désavantages

CONNAISSANCES INDUITES

CONFRONTATION OBJECTIFS – REALITE

CONFORMITES ???DECALAGES ??? POURQUOI ???

5. Généralisation : Léman et/ou plan d’eau- Inventaire / Projets de rejets thermiques- Potentiels et limites

RECOMMANDATIONS & PROJECTIONS

Recherche


Etat actuel Suivi annuel (5 ans)

Lac ♦ ♦Réseau hydraulique ♦ ♦Bâtiments existants ♦ ♦Nouveaux bâtiments ♦

2. AspectsEnergétiques, Environnementaux, Socio-

économiques

CONCEPT

CONCEPT de MONITORING (2006-2011)

1/ NiveauxEurope vs Académique vs Concession

3. Sous-systèmes

Recherche


GLN 16.2 MW

Rhône urbain total 49 MW

CERN

Firmenich12 MW

Givaudan17 MW

STEP 5 MWCheneviers

59 MW

CONCESSION: PUISSANCE

Centrale nucléaire Verbois (étude de 1975) 2000 MW

Recherche


CONCESSION: DEBIT

Art. 7 al.1 RUESS

«

Toute utilisation de l’eau à des fins hydrothermiques d’une capacité égale ou supérieure à 10’000 l/min (600 m3/h ou 0.167 m3/s) est soumise à une concession délivrée par le Conseil d’Etat quelle que soit sa durée. »

[m3/s] RhôneGLN +

Merck-Serono Rhône urbain Cheneviers Concessionétiage (été) 50

1.11 (0.75 GLN) 1.16 2.83 > 0.167

étiage (hiver) 100moyen 251

maximum 550

Source: Faessler J. (2008). « Evaluation des impacts des rejets thermiques des climatisations», projet VIRAGE, Université de Genève

Recherche


11 Exigences générales

1 La qualité des eaux (..):a. (…) ni se produire de proliférations (…) d’algues (…);b. (…) eaux propices au frai des poissons (…);c. (…) satisfasse (…) aux exigences fixées (…) sur les denrées alimentaires;(…)e. (…) conditions d’hygiène requises pour la baignade soient remplies (…).

2 Les déversements d’eaux à évacuer ne doivent pas entraîner dans les eaux:a. (…)formation de boues;b. (…) turbidité, coloration (…);c. (…) altération de l’odeur naturelle de l’eau;d. (…) manque d’oxygène ni altération du pH.

CONCESSION: QUALITE DES EAUX

LEaux

(1991), OEaux

(1998)But : protection de l’intégrité de l’habitat aquatique (…) besoins et exigences de la faune et de la flore aquatique

Recherche


CONCESSION: QUALITE DES EAUX

LEaux

(1991), OEaux

(1998)But : protection de l’intégrité de l’habitat aquatique (…) besoins et exigences de la faune et de la flore aquatique

13 Exigences supplémentaires pour les étendues d’eau

3 Pour les lacs, il faut également que:a.

« (…) l’utilisation de l’eau pour le refroidissement et pour le prélèvement de chaleur n’altèrent pas, dans le plan d’eau,

le régime naturel des températures, la répartition des nutriments,Les conditions de vie et de reproduction des organismes, en particulier dans la zone

littorale; »

Recherche


Système hydrothermique (pompage, rejet)En continu- Débit- Température

Mensuel- Cl2

actif résiduel, pH

Evaluation de l’impact sur le lacEn continu- Température (proximité

du rejet, référence)

Mensuel- Température (25 et 50 m du rejet)-

Phosphore (pompage, rejet)

Annuel - Macrophytes, macrofaune benthique (proximité

du rejet, référence)

CONCESSION: EXIGENCES DU SUIVI

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


Température-

Pompage (10, 15, 20, 25, 30 et 35 m), rejet, lac (surface, 0.5,

1, 2,

3, 3.5, 4 et 4.5 m, référence et zone du rejet)

- Dispersion thermique: maillage / cercles autour du rejet au rejet

Courant-

Benne et zone de rejet + modélisation

Chimiques-

Phosphore, chlore, pH

Physiques- Température, turbidité, transparence, courant de surface

LAC: MESURES PERMANENTES/MENSUELLES/PONCTUELLES

Recherche


EMPLACEMENTS

Recherche


INSTALLATIONS PERMANENTES

Recherche


BOUEES

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


BATIMENT - CONNECTABILITE

Ressource énergétiqueUtilisation d’une ressource renouvelable : Tlac

> 6°C, variable

Transformation énergétique & prestation1/ Système innovant : absence de méthode d’audit «

connectabilité

»

spécifique (rafraîchissement)2/ Détermination du profil de charge de froid et du pic de charge réels

(réalité

vs. Puissance installée)3/ Débit de distribution limité (concession)4/

Système non-dédié : difficultés provenant de conflits d’intérêts entre acteurs (niveaux variables de compréhension du système)

5/ Modèle de tarification (énergie vs volume)

Optimisation du système

ESCOorientée

« système »

Bâtimentorientée

« prestation »

Recherche


Cette feuille propose le bilan énergétique et économique de l'utilisation du lac pour la climatisation des bâtiments connectés à GLN.

Demande puissance froidQ froid 1702 MWh/an Energie de froid totale sur l'année

Fonct. P variable 2716 heures/an Temps de fonctionnement au dessus de P fixeEquiv. P nominale 896 heures/an Temps de fonctionnement équivalent à P nominale

LacQ lac 1632 MWh/an Energie de froid issue du lac% lac 96% Taux de couverture des besoins du bâtiment en froid par le lacV lac 284 103m3/an Volume d'eau du lac nécessaire

% Débit souscrit 29% Débit moyen utilisé par rapport au débit souscrit (au dessus de P fixe)Equiv. P souscrite 859 heures/an Temps de fonctionnement équivalent à P souscrite

Coûts indicatifs du froid GLNCoût total 227'912 CHF/an Coût total pour la fourniture de l'énergie du lac

76'000 CHF/an Coût de l'abonnement (part fixe) en considérant un abonnement à 40 CHF/kW151'912 CHF/an Coût de la consommation d'énergie GLN (part variable) avec un prix de base de l'énergie de 10.5 ct/kWh

dégressif de -0.5 ct/kWh/KCoût/kWh 14.0 ct/kWh Coût du kWh fourni par le lac au dessus d'une température de retour de 14 °C

4.7 ct/kWh Part fixe par kWh9.3 ct/kWh Part variable par kWh

Résultats: Bilan de l'utilisation du lac pour la climatisation des bâtiments

dont :

dont :

Energie tirée du lac

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Puissance froid [kW]

Puis

sanc

e tr

ansf

érée

[kW

]

Energie de froid nécessaire et fourniture par le lac

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Puissance froid [kW]

Ener

gie

/ tra

nche

124

kW

[MW

h] Q froid

Q Lac

BATIMENT – OUTIL « CONNECTABILITE »

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


Température, Débit, Energie, Régulation- Lac

- Réseau côté

lac / Réseau côté

bâtiment

- Distribution bâtiment

- Transferts thermiques réseau-sol

RESEAU: MESURES PERMANENTES

OBJECTIFS

Retour d’expérience -

Etude du système (global), aspects déterminants, points

durs, …

-

Connectabilité

& implémentation (installations, opérations)

-

Performances (efficience, benchmarking)

-

Potentialités, limites

Recherche


RESEAU BATIMENT RESEAU LAC

Sous-station

Station de pompage

Rejet

Pompage

Echangeur GLN

Hydro-

condenseurPAC / frigo

Réseau de climatisation du bâtiment

GLN

SERONOE

Chaleur

Débit

Température

E Vanne (état)

Recherche



Sous-station

Station de pompage

Rejet

Pompage

Echangeur GLN

Hydro-



Sous-station

Compresseur frigo

Circulateur

hydro-condenseur

Station de pompage

Pompage

Turbinage eaux de retour

Energie

GLN

SERONO

Distribution bâtiment

Recherche


ECHANGES THERMIQUES SOL-RESEAU

Recherche



Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


QUARTIER SECHERON-NATIONS

Bilans de consommation- Catégories d’usage

- Electricité, Gaz, Eau

-

Fct. surface, utilisateurs

Catégories-

Evolution (5 ans)

-Evolution du quartier

- Efficience du système

-

Indicateurs (CO2

, NOx

, …)

Recherche


ASPECTS ABORDES

- CADRE



- LAC & RESSOURCE

- BATIMENTS

- RESEAU

- QUARTIER

- RESULTATS

- ET LA SUITE…

Recherche


Ressource naturelle

Rivière, lac, aquifère

Caractéristiques naturellesMétéo

Dynamiques saisonnières (débit, températures, …)

Bâtiments

ENERGIE RENOUVELABLE – SYSTÈME COMPLEXE ?

Usages/valeursLoisirs

Voie de communication

Ressource matière/énergétique

Valeurs paysagère/patrimoniale

Ecosystème

Acteurs multiplesIntérêts divergents

Compréhension du système

RégulationLégislation (LEaux)

Taxes (éco.)

Concessions (adm.)

Recherche


Pompage GLN (vert)Longueur aquatique: env. 2’600 m

- 2’061 m, ∅

= 1’600 mm, acier

-

517 m, ∅

=

900 mm, fibre

Profondeur: 37 m (beine lacustre)

SYSTEME GLN, PARTIE LACUSTRE

Rejet (rouge)Longueur aquatique: env. 150 m de la rive droite

∅

=

900 mm, fibre

Profondeur: 4.5 m (zone riveraine)

zone riveraine (0-7.5m)

beine lacustre (7.5-50m)

Recherche


TEMPERATURES: RESSOURCE & AIR

Recherche


Tendance météorologique

Nbre évé.

Nbre

évé. > 10 h (saison

de clim.)

Nbre

évé. > 10 h (juin, juillet, août)

2006 stable, relativement

chaud

18 5 2

2007 instable, relativement

froid

39 20 15

2008 Cas

intermédiaire 26 10 4

TRessource

= 9 °C

Ressource: évolution temporelleSTABILITE de la RESSOURCE THERMIQUE

Lorsque TRessource

> 9 °C…

Recherche


25 m

5 m

COURANT: FORCAGE par le VENT (1er PHENOMENE)

Prieuré

Pendant un événement de « Bise »…(froid, Nord-Est)

GLN

Lemmin, 1995

Recherche


7.5 m___________

15 m_________________

37 m___________________________________Pompage GLN

Profondeur de la thermocline

27 m

t3

37 m

t4

22 m

t2t1

18 m15 m

t0

Après un événement de «

Bise

»…Bise

Genève

COURANT: SEICHE INTERNE (2ème PHENOMENE)

Recherche


TEMPERATURERESSOURCE

vs TEMPERATUREAIRTAIR

correspondant aux heures durant lesquelles la ressource est:SatisfaisanteCritiqueInsatisfaisante

Cumul des heures de ressource thermique,1er avril- 1er octobre, Prieuré

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

nom

bre

d'he

ures

0

5

10

15

20

25

T A

ir [°

C],

quan

d la

ress

ourc

e es

t sa

tisfa

isan

te

heures insatisfaisantesheures critiquesheures satisfaisantesT air satisfaisante

Recherche


A. MESURE ET ANALYSE

1. Etat de référence- Dynamique naturelle ?

-

tendances saisonnières-

changements brusques

2. Effets mesurés- Perceptibles ?-

Dynamique lacustre ou effet du système ?

-

Proportionnalités ?

3. Cas typiques- Printemps ≠

Eté

(période chaude) ≠

Fin été–automne

(transition)

EFFETS DU REJET & IMPACTS

Recherche


B. INTERPRETATION(s)

ET DISCUSSION

(S)1. Impact- Ordre(s) de grandeur ?- Positif, Négatif ?- Biologique: espèces, nombre d’individus, durée, …

?

- Courantologie / régimes naturels / sédimentologie ?

2. Discussions / Questions- Acceptable ? Pour qui ?-

Seuil(s); Extrapolation / Généralisation ?

-

Caractérisation du type d’étendue d’eau ?-

Enjeux énergétiques vs écologie ? Pesée des intérêts; subjectivités; intérêt(s) du plus grand nombre ?

- Législation(s) adéquate(s) ?

EFFETS DU REJET & IMPACTS

Recherche


ETAT de REFERENCE: TAIR

MAI

AOUT

Recherche


ETAT de REFERENCE: VENT

Recherche


14 - 08 - 2007, 11h15-11h30

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Water Temperature, °C

Dep

th, m

Reférence (Bam)Ref. minRef. max Perturbed (Bav)Pert.minPert. MaxDischarge

2.25 m

18 - 08 - 2007, 17h45-18h00

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Water Temperature, °C

Dep

th, m Reférence (Bam)

Ref. minRef. max Perturbed (Bav)Pert.minPert. MaxDischarge

2.25 m

Référence (non-perturbé) Zone du rejet (perturbé)

THERMIQUE de la ZONE du REJET

Recherche


EFFETS DU REJET

Recherche


Périodes critiques = printemps et fin de l’été – automne-

Dynamique lacustre importante (thermique)

- Période biologiquement active (sensibilité)- Trejet

proche de Tlac

naturelle-

Demande peut être importante: printemps chaud et/ou conférences

Effets du rejet

Recherche


MODELISATION THERMIQUE 2DConditions:Vcourant

= 0.10 cm/s

Vrejet

= 0.18 m/s

Trejet

= 11 °C

Tmilieu

= 20-21 °C

Recherche


5.0087

5.0088

5.0089

5.009

5.0091

5.0092

5.0093

x 105

1.1987

1.1988

1.1989

1.199

1.1991

1.1992

1.1993

x 105

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

15.6

15.8

16

16.2

16.4

16.6

16.8

17

17.2

17.4

RAYONS 25 m (et 50 m)Rejet GLN

Isobathe

Recherche



Sous-station

Station de pompage

Rejet

Pompage

Echangeur GLN

Hydro-



GLN

SERONOE

Chaleur

Débit

Température

E Vanne (état)

Recherche


MONITORING RESEAU

Recherche



Recherche


QUARTIER SECHERON-NATIONS: PROSPECTS

Annual consumption of considered buildings

0

5'000

10'000

15'000

20'000

25'000

30'000

35'000

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13

[MW

h]

0

20'000

40'000

60'000

80'000

100'000

120'000

140'000

160'000

180'000

200'000

[m3 ]

ElectricityGasOilWater

Recherche


QUARTIER SECHERON-NATIONS: CATEGORIES

Annual consumptions

0

10'000

20'000

30'000

40'000

50'000

60'000

70'000

80'000

90'000

100'000

Prospected Residential ORG INT Commercial City-State District

[MW

h]

0

200'000

400'000

600'000

800'000

1'000'000

1'200'000

[m3 ]

ElectricityGasWater

Recherche


Perspectives à 10 ans …- Reproductibilité

de GLN: station de pompage du Prieuré

(?)

-

Faisabilité

d’un Genève-Rhône-Urbain-Environnement (GRUE)

CONCLUSIONS

??????? partielles

Perspectives 2011 …- Achèvement du retour d’expérience

- Analyse énergétique: mise en route GLN, année typique

-

Thermique lacustre / impacts

→ Rapport final Union Européenne (déc 2010)→ Thèse de Doctorat (2011)

Recherche


Merci de votre attention….

Documents

Genève-Lac-Nation Retour d’expérience interdisciplinaire ... · Les déversements d’eaux à évacuer ne doivent pas entraîner dans les eaux: a. (…)formation de boues;