Introduction : les facteurs de variabilité temporelle dans un réseau de chauffage urbain
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Nous prenons le réseau de chauffage urbain comme un exemple typique de chaîne énergétique dynamique, c'est-à-dire dont l'état varie en fonction du temps. On parle aussi de fonctionnement en régime variable, par opposition au régime permanent où tout reste constant et notamment les puissances.
Parmi les technologies qui nous entourent au quotidien, rares sont celles qui fonctionnent en régime permanent. C'est le cas d'une lampe ou de certaines installations industrielles optimisées. Mais le régime dynamique est la règle, pas l'exception.
Pour un réseau de chauffage urbain (comme pour un réseau électrique), le premier facteur de variabilité temporelle est la demande. Le réseau a pour fonction de satisfaire une demande d'énergie extérieure, émanant de clients que le réseau ne contrôle pas.
L'usage principal, nous l'avons vu, est le chauffage des bâtiments en période hivernale et demi-saison. |  |
 | La préparation de l'eau chaude sanitaire est l'autre usage principal que peut satisfaire un RCU (de la même façon qu'une chaudière de chauffage central individuel assure également l'eau chaude la plupart du temps). |
Mais d'autres usages thermiques sont souvent satisfaits : chauffage de l'eau d'une piscine, préparation de vapeur basse pression (buanderie d'un hôpital), etc.
Sur ces différents usages, la variabilité temporelle est principalement liée
au comportement des usagers, résultant de la combinaison de rythmes sociaux (diurnes, hebdomadaires, saisonniers) et d'aléas individuels ;
à l'influence de variables climatiques, la température extérieure en premier lieu, déterminant important des besoins de chauffage.
Mais d'autres facteurs de variabilité temporelle, plus spécifiques au réseau et aux installations qui le composent, s'ajoutent aux variations de la demande auxquelles doit s'adapter le réseau, par exemple :
L'exploitation de sources d'énergie fluctuantes (la chaleur d'une usine d'incinération d'ordures ménagères fluctue au rythme du tonnage de déchets collectés et de leur composition), voire carrément intermittentes (solaire thermique) ;
Les aléas de l'exploitation conduisant à substituer brutalement une installation par une autre (panne sur un four d'UIOM[1] ou une chaudière bois, conduisant à démarrer en urgence une chaudière gaz d'appoint) ;
Les stratégies d'optimisation de l'exploitant, conduisant, par exemple, à choisir à chaque instant la source la moins chère, à planifier les périodes d'arrêt de maintenance ou à gérer au mieux un stock de chaleur ;
Les systèmes de régulation automatique qui génèrent des régimes transitoires sur l'installation (le fonctionnement en « tout ou rien » de certains équipements se traduit par une succession de marches-arrêts et non un régime stable correspondant à la puissance intermédiaire souhaitée).
Sur tous ces points de vue, un réseau de chauffage urbain n'est pas fondamentalement différent d'un réseau électrique.
 | Néanmoins, les constantes de temps sont plus longues que dans un réseau électrique. En effet, du fait de la quantité d'eau chaude stockée dans les canalisations et de la vitesse à laquelle elle se déplace, un réseau de chauffage urbain présente une inertie significative, bien plus forte qu'un réseau électrique. Les échelles de temps pertinentes sont supérieures à plusieurs minutes et typiquement de l'ordre de l'heure. |
Mais la dynamique temporelle complique évidemment l'établissement et l'analyse du bilan énergétique. Nous allons voir ici trois outils pour intégrer le temps dans le bilan.
Le profil temporel des puissances ;
Le bilan énergétique cumulé sur une période ;
La monotone de puissance.
