La plus ancienne centrale électrique de Copenhague convertie en réseau de froid urbain

Dans le centre de Copenhague, la cheminée en briques rouges de la rue Gothersgade envoyait autrefois de la fumée noire dans le ciel de cette partie ancienne et pittoresque de la ville, située à quelques pâtés de maisons seulement des bateaux en bois, des châteaux et des cafés de la place Kongens Nytorv.

Depuis sa fermeture dans les années 1970, la plus ancienne centrale électrique de Copenhague était inutilisée. Aujourd'hui, elle fonctionne à nouveau. Désormais, elle ne produit plus de fumée et ne génère plus d'électricité. En utilisant l'ancien réseau de chauffage urbain souterrain, l'usine de Gothersgade fournit désormais un système de refroidissement urbain, permettant à ses clients d'économiser 7 GWh d'électricité et 3 000 tonnes d'émissions de CO₂ par an.

L'installation de la compagnie d'électricité de Copenhague, Copenhagen Energy, fournit du refroidissement aux banques, grands magasins et bureaux voisins, permettant de maintenir leurs salles de serveurs informatiques et autres zones tempérées et confortables tout au long de l'année. L'usine fonctionne à l'aide de réfrigérants naturels et de ressources locales telles que l'eau de mer et la chaleur résiduelle, ce qui permet de réduire les coûts et d'augmenter les avantages environnementaux.

Réduire les coûts d'exploitation jusqu'à 45 % avec un réseau de refroidissement urbain

Le refroidissement urbain fonctionne selon le même principe de base que le chauffage urbain, mais avec de l'eau froide plutôt que de l'eau chaude : une centrale produit de l'eau réfrigérée et la distribue via un réseau souterrain de tuyaux isolés thermiquement.  Les clients raccordés au réseau de canalisations peuvent utiliser la quantité d'eau réfrigérée nécessaire à leurs propres besoins en matière de refroidissement.

Les calculs montrent que les clients qui passent au refroidissement urbain peuvent réduire leurs coûts d'exploitation jusqu'à 45 %, ce qui représente d'énormes économies d'électricité et de frais d'entretien et de réparation.

Les réseaux de froids, moins onéreux à installer

Les coûts d'installation du refroidissement urbain sont également bien inférieurs à ceux des systèmes de refroidissement individuels.

En effet, les réseaux de froid urbains ne nécessitent que des échangeurs de chaleur adaptés et de pompes pour refroidir l'eau de leur propre système de refroidissement central.

Les usagers peuvent abandonner leurs systèmes de refroidissement conventionnels, ce qui libère de l'espace et réduit la consommation d'électricité pour le refroidissement, explique Jan Don Høgh, directeur de département chez Copenhagen Energy. 
Cela dépend de l'efficacité du système de refroidissement du client, mais jusqu'à présent, nous avons constaté des économies de 10 à 55 %.

Un gain d'espace pour l'exploitant

En général, le système de refroidissement central individuel d'un bâtiment nécessite des moteurs, des pompes, des filtres, des condenseurs et des tours, et peut occuper jusqu'à 300 mètres carrés.
Une installation de refroidissement urbain ne comporte aucune pièce mobile, ce qui signifie qu'elle ne génère pas de bruit et qu'elle n'occupe que... 3 à 4 mètres carrés ! C'est important dans cette partie de la ville, où l'espace est extrêmement précieux, précise Jan Don Høgh. 

Un gain d'espace pour les usagers

Le groupe de presse danois Berlingske, l'un des premiers clients de Copenhagen Energy a pu réaménager ses locaux lorsqu'il a abandonné son système de climatisation traditionnel pour se raccorder au système de refroidissement urbain. Il a gagné de l'espace grâce à la suppression des équipements hébergés dans son garage et sur son toit.

Une fois les systèmes de climatisation démontés de son toit, in a pu construire une nouvelle cafétéria et des salles de conférence offrant une vue imprenable sur la ville, et ajouter des places de parking supplémentaires pour ses employés.

Réduire les émissions avec les réseaux de refroidissement urbain 

Selon les calculs de Copenhagen Energy, si l'on compare le refroidissement urbain aux chiffres de consommation d'énergie et d'émissions des installations de refroidissement individuelles des bâtiments du quartier de Kongens Nytorv, on constate une économie de 66 % des émissions de CO₂ par an.

Pour le dioxyde de soufre (SO2) et l'oxyde d'azote (NOx), les économies annuelles sont de 62 % et 69 % respectivement.

Un système de climatisation adaptable selon les saisons

L'installation de refroidissement urbain utilise 2 canalisations en ciment centenaires qui acheminent l'eau de mer sur une distance de 800 mètres, ce qui est un facteur essentiel dans le calcul économique et environnemental de l'installation.

Lorsque l'eau de mer est suffisamment froide, généralement entre novembre et avril, elle assure à elle seule le refroidissement dans une unité de refroidissement naturel. Le reste de l'année, l'eau de mer est utilisée comme agent de refroidissement dans les condenseurs des refroidisseurs à compresseur qui utilisent l'ammoniac comme réfrigérant naturel.

En été, lorsque la demande de refroidissement est la plus forte, l'usine utilise également un refroidisseur à absorption qui fonctionne à la vapeur résiduelle provenant d'une usine locale d'incinération des déchets, un processus appelé « refroidissement par absorption ».

Si l'on considère cette chaleur excédentaire comme un pur déchet, alors le refroidisseur à absorption est presque 100 % neutre en CO₂, explique M. Høgh lors d'une visite de l'installation. L'usine de 12 MW de Copenhagen Energy a commencé à produire en mars 2010. Alors qu'elle était en construction en décembre 2009, plusieurs délégations de la conférence des Nations unies sur le climat COP15 à Copenhague sont venues la visiter afin d'observer comment il serait possible de réduire la consommation d'énergie pour le refroidissement dans les bâtiments gourmands en énergie. Tout récemment, un autre groupe chinois parmi tant d'autres est venu la visiter. Ils sont très intéressés par le refroidissement urbain. Ils y voient une excellente alternative à ce qu'ils ont aujourd'hui dans leurs villes. 

La demande en refroidissement n'a cessé d'augmenter au cours des 10 dernières années, en partie en raison de l'utilisation croissante des technologies de l'information et du stockage de données.

Selon Copenhagen Energy, 40 à 50 % de la demande en refroidissement est utilisée par des data centers.

La technologie de refroidissement urbain fonctionne partout, mais elle n'est compétitive que si certaines conditions clés sont réunies, explique Keld Almegaard de COWI, le consultant en ingénierie qui a contribué à la réalisation de l'usine de Copenhague.  Elle doit avoir une puissance d'au moins 10 MW, et il est préférable d'avoir un port ou une source d'eau à proximité, ainsi qu'un accès à de la chaleur résiduelle.

Copenhagen Energy était prête depuis un certain temps à mettre en service l'usine de refroidissement urbain, mais ce n'est qu'en 2009 que le cadre législatif danois a rendu possible l'exploitation de systèmes de refroidissement urbain.

De plus en plus de villes se dotent de réseaux de froid

Une autre installation est en projet à Copenhague, et 6 autres sites sont à l'étude. Les systèmes de refroidissement urbain connaissent un succès depuis 15 ans dans quelques villes européennes, avec une capacité de 450 MW à Stockholm et de 550 MW à Paris, et, selon M. Høgh, de nouveaux projets sont en cours sur tout le continent.

Le refroidissement urbain offre également aux propriétaires d'immeubles un moyen simple et économique de supprimer progressivement leurs systèmes de refroidissement fonctionnant aux hydrofluorocarbures ou à d'autres gaz fluorés synthétiques. Il s'agit là de gaz à effet de serre dévastateurs qui font l'objet d'une surveillance étroite de la part des Nations unies, des défenseurs de l'environnement et des associations de consommateurs.

Des solutions avec des réfrigérants naturels facilement disponibles

Les solutions d'Alfa Laval permettent de passer des réfrigérants nocifs à 3 réfrigérants naturels courants et respectueux de l'environnement : le dioxyde de carbone, l'ammoniac et les hydrocarbures.

Dioxyde de carbone (CO₂)

Les systèmes de réfrigération des supermarchés utilisent de plus en plus le CO₂ comme réfrigérant, ainsi que pour la condensation ou le refroidissement des gaz à température ambiante. Cette solution fonctionne mieux dans les climats plus froids, explique Tommy Ångbäck, responsable Réfrigération et CVC Cheminement d'air chez Alfa Laval. Plusieurs chaînes de supermarchés scandinaves et britanniques utilisent désormais le CO₂ comme solution standard. Les propriétés physiques du CO₂ exigent que les systèmes de réfrigération fonctionnent à une pression plus de 5 fois supérieure à la pression normale d'un système de réfrigération classique.

Cela pose de nouveaux défis aux composants du système. Alfa Laval a développé une gamme complète d'échangeurs de chaleur pour faire face efficacement à ces systèmes à haute pression. La gamme d'échangeurs de chaleur pour les applications au CO₂ comprend des refroidisseurs d'air pour chambres froides et des refroidisseurs de gaz à air ambiant, ainsi que des échangeurs de chaleur à plaques brasées utilisés comme économiseurs de CO₂, évaporateurs ou refroidisseurs de gaz à récupération de chaleur.

Ammoniac

Selon M. Ångbäck, un système de réfrigération moderne à l'ammoniac offre un bon retour sur investissement à long terme. Les échangeurs de chaleur à plaques actuels peuvent réduire le volume d'ammoniac de 10 fois ou plus sur les grands systèmes de réfrigération indirecte par rapport aux anciens systèmes à calandre et tubes.

Nous avons fourni des milliers de solutions compactes et efficaces avec des échangeurs de chaleur à plaques semi-soudées et des cassettes soudées pour les grandes installations de réfrigération à l'ammoniac, explique M. Ångbäck. Ceux-ci peuvent désormais supporter des pressions plus élevées pour fonctionner avec des systèmes à cascade à deux étages ammoniac/CO₂, ce qui permet d'améliorer les performances énergétiques dans les applications à basse température. Les systèmes plus petits peuvent utiliser les échangeurs de chaleur à plaques brasées AlfaNova, fabriqués à 100 % en acier inoxydable. Il suffit d'une très faible charge d'ammoniac, ce qui rend le système moins coûteux et plus sûr.

Hydrocarbures

Les hydrocarbures sont désormais largement utilisés dans les appareils de réfrigération ménagers pour remplacer les réfrigérants nocifs. Les systèmes commerciaux plus importants peuvent également fonctionner avec du propane comme réfrigérant.

Les échangeurs de chaleur à plaques brasées au cuivre d'Alfa Laval sont alors très utiles pour maintenir le volume de gaz propane inflammable aussi bas que possible dans un système indirect, utilisant généralement une solution de glycol ou du CO₂ liquide comme réfrigérant secondaire, explique M. Ångbäck.

Un système intelligent pour un refroidissement efficace

L'usine de refroidissement urbain de Copenhagen Energy a une capacité d'environ 12 MW et repose sur 3 principes de refroidissement différents : le refroidissement naturel, le refroidissement par absorption et le refroidissement par compresseur. Cela en fait un système très flexible et très économe en énergie.

Alfa Laval a livré 7 échangeurs de chaleur à plaques à l'usine : un échangeur de chaleur à plaques en titane, trois évaporateurs et trois condenseurs.

Jan Don Høgh, de Copenhagen Energy, explique que les échangeurs de chaleur Alfa Laval ont été choisis pour leur haute efficacité et leurs faibles pertes de charge.

L'échangeur de chaleur à plaques en titane Alfa Laval est utilisé dans le système de refroidissement naturel, où l'eau de mer est pompée depuis le port de Copenhague et utilisée pour refroidir l'eau de refroidissement urbain.

Des plaques en titane doivent être utilisées pour éviter la corrosion due à l'eau salée. En hiver, lorsque la température de l'eau de mer est inférieure à 5,5 °C et que la demande de refroidissement est inférieure à 2 400 kW, Copenhagen Energy utilise uniquement le système de refroidissement naturel pour refroidir l'eau de refroidissement du quartier.

Lorsque la température de l'eau de mer est comprise entre 5,5 °C et 11,5 °C, l'échangeur de chaleur est utilisé pour prérefroidir l'eau refroidie, avant qu'elle ne soit refroidie par un système de refroidissement à compresseur à la température souhaitée. L'usine de Copenhague dispose de 3 systèmes de refroidissement de ce type. Chacun comprend un évaporateur Alfa Laval en acier inoxydable et un condenseur Alfa Laval en titane.

L'eau de mer est ensuite utilisée pour refroidir l'ammoniac, un réfrigérant naturel, dans les condenseurs. Lorsque la température de l'eau de mer est supérieure à 11,5 °C, celle-ci est trop chaude pour être utilisée pour le refroidissement naturel, et les refroidisseurs assurent tout le refroidissement.

Le système de refroidissement naturel est très économe en énergie, explique Alireza Rasti, directeur commercial d'Alfa Laval au Danemark. Lorsque l'eau de mer est suffisamment froide pour assurer seule le refroidissement, il n'est pas nécessaire de faire fonctionner les compresseurs. En faisant fonctionner uniquement les pompes à eau de mer, vous ne consommez qu'une fraction de l'électricité habituellement nécessaire.