fiche de lecture - Bienvenue sur Catalogue des mémoires de projets

Institut National des Sciences
Appliquées de Strasbourg
GÉNIE CLIMATIQUE ET ÉNERGÉTIQUE
FICHE DE LECTURE
Étude du projet de réalisation d’une centrale énergétique « Géothermie eaux
d’exhaures et Biomasse » à FONTOY (57)
Projet de Fin d’Études réalisé dans le bureau d’études ASSIST,
par Thomas LAHAXE
Tuteur entreprise : Matthieu ROGER
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Août 2014
Le Projet de Fin d’Etudes réalisé dans le cadre de ma dernière année de formation à l’INSA
de Strasbourg s’est inscrit dans la réalisation de deux projets similaires. En effet, durant la
période du 27 janvier au 25 juillet 2014, le bureau d’études ASSIST s’est vu confier deux
missions différentes. La première concernait une étude de faisabilité pour l’implantation
d’une pompe à chaleur dans une maison de retraite. La deuxième s’intéressait à un projet
qui a vu le jour en 2010 dans la ville de Fontoy. La ville avait effectivement envisagé
l’amélioration des systèmes énergétiques de ces bâtiments communaux au travers la
création d’un réseau de chaleur et d’une centrale multi-énergie. Les premières études ont
été réalisées en amont de ce PFE. Début février, la phase « Dossier de Consultation des
Entreprises » commençait. Il s’agissait ainsi de réaliser l’intégralité des documents
techniques et administratifs du projet avec pour objectif la réception du chantier courant
octobre 2014.
L’étude de ces deux projets a permis la découverte de l’intégralité d’un projet, de sa
conception à sa réalisation.
BITCHE
FONTOY
Plannification
de la
construction
Faisabilité et
autorisation
Conception
détaillée
Chantier
Sélection
des
entreprises
Livraison
du
bâtiment
Figure 1 : Projet d'études - De la conception à la réalisation
 Étude de faisabilité – Maison de retraite de Bitche
La première étape de l’étude de faisabilité est l’étude des installations existantes. La
connaissance du système existant permet de déterminer les besoins nécessaires au
chauffage du bâtiment. Cela assure également la pertinence de la solution envisagée, à
savoir la mise en place d’une pompe à chaleur.
Mais la mise en place d’une pompe à chaleur sur un bâtiment existant soulève une
interrogation majeure, celle des régimes de températures des circuits. En effet, afin de
fonctionner dans des conditions optimales (garantissant un coefficient de performance
supérieur à 4), les PAC travaillent dans un régime de température maximal de 45°C/40°C
(températures d’eau de 45°C au départ et de 40°C sur le retour). Or les circuits de chauffage
existants ont été dimensionnés pour travailler sur les régimes de températures plus
importants, pouvant aller jusque 90°C de température du circuit aller. Cette problématique a
conduit à l’étude de trois scénarios. La première solution étudiée consiste tout de même à ne
réaliser aucun changement sur l’installation et à en observer les conclusions. La deuxième
solution est d’utiliser une pompe à chaleur susceptible de travailler à des régimes de
températures plus élevés. Enfin, la dernière solution est de réaliser les travaux de rénovation
Étudiant : Thomas LAHAXE
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Tuteur ASSIST : Matthieu ROGER
Projet de réalisation d’une centrale énergétique
Géothermie/Eaux d’exhaures
Août 2014
1
et d’adaptation du réseau existant pour le dimensionner sur des régimes de températures
plus faibles. Pour chaque solution, les études techniques, économiques et
environnementales sont réalisées afin de déterminer la solution la plus adéquate.
La détermination des besoins théoriques des bâtiments (280kW pour une température
extérieure de -15°C et 464 MWh PCI environ pour une température de chauffage de 20°C)
permet de dimensionner les générateurs de chaleurs. Ces générateurs sont dimensionnés
de façon optimale pour les faire fonctionner un maximum de temps. Les appels de
puissances pour le chauffage varient selon les périodes de l’année en fonction de la
différence entre la température extérieure et la température de consigne des bâtiments
chauffés. La détermination des puissances à installer est réalisée à l’aide de courbes
appelées « courbes monotones de chauffage ». Ces monotones permettent de visualiser les
besoins thermiques et le fonctionnement des installations pluri-énergies. Elles sont établies
en comptabilisant, pour un appel de consommation donné, le nombre de jours où cette
consommation est appelée. Les calculs montrent que le principe de fonctionnent optimal est
l’utilisation de deux pompes à chaleur de 125kW unitaire couplées à une chaudière gaz
d’appoint/secours comme décrit sur la figure 2 ci-dessous.
Figure 2 : Principe de fonctionnement de l'installation
Chacune des trois solutions envisagées est étudiée avec ce mode de fonctionnement. Les
monotones permettent ainsi de calculer les taux de couvertures de chaque énergies. Grâce
à ces taux de couvertures, une première étude économique est réalisée en prenant en
compte le prix de chaque énergie ainsi que son évolution. Une comparaison avec l’état
actuel est faite afin de déterminer les gains ou les pertes liés aux changements de
l’installation. La réalisation d’un « Business Plan » permet l’étude économique de chaque
solution sur une durée plus ou moins longue correspondant en général à la durée de vie des
installations.
Étudiant : Thomas LAHAXE
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Tuteur ASSIST : Matthieu ROGER
Projet de réalisation d’une centrale énergétique
Géothermie/Eaux d’exhaures
Août 2014
2
Pour finaliser la comparaison des différentes solutions, le dernier paramètre à analyser reste
l’étude environnementale du projet. Dans le contexte environnemental actuel, ce dernier
critère prend une place de plus en plus importante dans les études énergétiques en cours et
à venir. Les émissions de CO2 en sont un bon indicateur. La mise en place de pompes à
chaleur permet de diminuer considérablement l’impact environnemental des moyens de
production de chauffage de la maison de retraite. Un bilan multicritère peut ensuite être
dressé afin de conclure sur la solution la plus pertinente d’un point de vue technique,
économique et environnemental. La démarche permettant d’aboutir à ce bilan est reprise sur
la figure 3 ci-dessous.
Figure 3 : Élaboration du bilan multicritère
Étudiant : Thomas LAHAXE
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Tuteur ASSIST : Matthieu ROGER
Projet de réalisation d’une centrale énergétique
Géothermie/Eaux d’exhaures
Août 2014
3
 Réalisation d’une centrale multi-énergie à Fontoy (57)
Ce projet a vu le jour en 2010 à la suite d’audits énergétiques réalisés sur plusieurs
bâtiments communaux de la ville de Fontoy. Les premières phases de ce projet, menées
avant la période du projet de fin d’études ont permis de tirer de premières conclusions. Suite
aux préconisations du bureau d’études ASSIST, la ville de Fontoy a en effet décidé
d’implanter un réseau de chaleur desservant des bâtiments communaux ainsi qu’une maison
de retraite. Ce réseau sera alimenté par une centrale multi-énergie couplant une pompe à
chaleur géothermique sur eaux d’exhaures et une chaudière biomasse, faisant de ce projet
une première française. L’installation obtenue est représentée sur la figure 3 ci-dessous.
Figure 4 : Réseau de chaleur de la ville de Fontoy
Le réseau de chaleur a été implanté lors de l’été 2013. La suite du projet fût donc la mise en
place de la nouvelle centrale ainsi que l’adaptation des différentes sous-stations des
bâtiments raccordés. Le dimensionnement de la pompe à chaleur, de la chaudière biomasse
et de la chaudière gaz de secours/appoint est réalisé selon le principe décrit dans l’étude de
faisabilité de Bitche. L’étape suivante consiste à réaliser le schéma de principe complet de
l’installation. Pour se faire, le dimensionnement précis de chaque organe indispensable au
fonctionnement de l’installation est fait (échangeurs, compteurs, sondes, pompes, vannes,
vases d’expansions, …). Ce schéma de principe sert ensuite de base pour l’élaboration du
Cahier des Clauses Techniques Particulières (CCTP). Ce CCTP (et éventuellement des
annexes) fait partie des pièces techniques du dossier de consultation des entreprises. Le
DCE est complété par les pièces administratives relatives au marché, à savoir le Cahier des
Étudiant : Thomas LAHAXE
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Tuteur ASSIST : Matthieu ROGER
Projet de réalisation d’une centrale énergétique
Géothermie/Eaux d’exhaures
Août 2014
4
Clauses Administratives Particulières (CCAP), l’Acte d’Engagement (AE), le Règlement de
Consultation (RC) et le Cahier de Décomposition du Prix Global et Forfaitaire (CDPGF).
L’ensemble de ces documents permettent le lancement de l’appel d’offres pour la réalisation
des travaux. Les entreprises souhaitant répondre au marché doivent impérativement
transmettre les éléments du dossier complétés et signés. S’en suit l’analyse des
candidatures des entreprises selon des critères définis dans le Règlement de Consultation.
Dans le cas du projet de Fontoy, la note est attribuée comme suit : 40% de la note sur
l’analyse du mémoire technique, 60% de la note sur le prix des prestations proposées. A la
suite de cette étude, un mémoire d’analyse est rédigé et transmis à la maîtrise d’ouvrage. Ce
mémoire reprend les analyses faites et conclue en proposant la meilleure entreprise
susceptible de réaliser les travaux, avec les différents motifs ayant orienté vers ce choix. La
décision finale est alors laissée au maître d’ouvrage, qui se charge également de prévenir
les entreprises de ce choix. Le démarrage de la phase « Travaux » peut alors commencer.
La première étape de cette phase est une période de préparation, définissant clairement les
objectifs du projet. Durant cette période, un dialogue continu entre les différents acteurs du
chantier (entreprise de travaux, bureau d’études, ville de Fontoy) est mis en place. Ce
dialogue permet notamment de définir les délais de réalisation, les mises au point techniques
et administratives et la sélection du matériel. Une fois l’ensemble des éléments préparant le
chantier définis, les travaux peuvent commencés avec pour objectif de finir dans les délais
prévus par la maîtrise d’ouvrage.
Étudiant : Thomas LAHAXE
Tuteur INSA : Gérard HERMAL
Tuteur ASSIST : Matthieu ROGER
Projet de réalisation d’une centrale énergétique
Géothermie/Eaux d’exhaures
Août 2014
5