Contexte du projet et défis

Un campus du sud des États-Unis, fondé il y a 150 ans et accueillant 10 700 étudiants, fait face à des défis croissants : des frais de pointe en hausse et des besoins accrus en capacité énergétique en raison de l’expansion du campus. En 2023, les frais de demande de pointe représentaient 25 % des coûts de services publics, et pourraient atteindre 35 % d’ici 2030. Les solutions traditionnelles, comme l’ajout de refroidisseurs conventionnels ou de refroidisseurs à récupération de chaleur, se sont révélées inadéquates, ce qui a mené à la recherche d’alternatives innovantes.

Évaluation des solutions traditionnelles

L’université a d’abord évalué plusieurs approches conventionnelles, chacune présentant des limites importantes. L’ajout de refroidisseurs conventionnels aurait augmenté les frais de pointe et nécessité des mises à niveau coûteuses de l’infrastructure électrique. Les refroidisseurs à récupération de chaleur étaient limités par une température de sortie d’eau chaude de 170 °F (77 °C) et une température source minimale de 41 °F (5 °C). La conversion du réseau de vapeur pour accueillir des systèmes d’eau chaude à plus basse température aurait exigé des modifications coûteuses aux bâtiments patrimoniaux. Quant aux chaudières électriques, elles auraient encore accru les frais de pointe, exigé d’importantes mises à niveau d’infrastructure, et offert une efficacité limitée avec un coefficient de performance (COP) de 1.

L’université a donc conclu que les approches conventionnelles ne permettraient pas d’atteindre les résultats souhaités, et qu’une solution alternative était nécessaire.

Exigences et objectifs initiaux

L’université s’est tournée vers CIMCO avec quatre objectifs principaux : Mettre en place un système de stockage thermique pour répondre à la demande croissante en climatisation. Réduire les dépenses d’exploitation en diminuant la demande de pointe. Améliorer la résilience du système énergétique. Optimiser le financement grâce au soutien de l’Infrastructure Reduction Act (IRA). Le projet devait également s’aligner avec les objectifs de carboneutralité de l’université pour 2050.

Solution de stockage innovante

Given ice thermal storage's mature technology status, CIMCO conducted a thorough evaluation of five proven, commercially available thermal energy storage (TES) options.

Étant donné la maturité technologique du stockage thermique par glace, CIMCO a procédé à une évaluation approfondie de cinq options commerciales éprouvées de stockage d’énergie thermique (TES). L’université a identifié un bâtiment existant de 50 pi x 50 pi x 60 pi pour accueillir le système de stockage thermique. Après avoir évalué plusieurs options, elle a choisi le stockage par glace comme étant le mieux adapté à l’espace disponible. La solution retenue – un réservoir en béton construit sur place, équipé de multiples serpentins de glycol – offre une capacité de stockage de 37 000 tonnes-heures. Ce choix s’est imposé comme celui offrant la plus grande capacité de stockage dans l’espace disponible, ainsi que les coûts de cycle de vie les plus bas. Ce design offre également une redondance supérieure : une défaillance d’un seul serpentin entraîne une perte de capacité de seulement 1 %.

Évolution et intégration des systèmes

Le projet a évolué au-delà du simple stockage thermique grâce à des révisions de conception itératives. Le système de refroidissement à base de glycol a permis l’intégration d’un module d’eau glacée, offrant une double fonctionnalité. Cette adaptation permet au refroidisseur de produire de la glace tout en alimentant directement la boucle de refroidissement du quartier en eau glacée, augmentant ainsi la fiabilité du système.

Une analyse plus poussée a révélé des possibilités d’intégration accrue avec le vaste réseau de vapeur du campus, qui doit relever le défi de la transition vers des systèmes à eau chaude tout en maintenant le service de vapeur pour les opérations hospitalières.

La deuxième révision de conception a introduit un module de thermopompe capable d’élever la chaleur résiduelle du système de 90 °F à 180 °F pour des applications d’eau chaude domestique. La conception conserve une configuration secondaire de condenseur à faible charge pour gérer les variations saisonnières, permettant un rejet de chaleur flexible tout en priorisant la production de glace durant les mois d’été.

Cette solution intégrée soutient les objectifs environnementaux, notamment la réduction de l’empreinte carbone, la minimisation des déchets et le développement d’infrastructures durables, tout en répondant aux besoins croissants en chauffage du campus. Le coefficient de performance (COP) supérieur de la thermopompe, comparé aux chaudières électriques, réduit les besoins en infrastructure et les coûts d’exploitation grâce à une diminution de l’utilisation du gaz naturel, contribuant ainsi à la réduction des émissions de carbone de portée 1 par une électrification efficace du chauffage.

Mise en œuvre technique

La solution technique repose sur un système personnalisé à deux étages utilisant l’ammoniac, offrant une efficacité opérationnelle exceptionnelle dans plusieurs modes de production simultanés. Elle s’aligne parfaitement avec les objectifs de durabilité du campus grâce à l’impact environnemental négligeable du réfrigérant et à sa performance éprouvée – répondant aux émissions de portée 1 et 2.

Avantages financiers

La modélisation initiale démontre des avantages financiers notables : une réduction annuelle de 16 % des frais liés à la demande de pointe et une diminution de 6 % des coûts globaux en électricité. Le module de thermopompe ajoute une valeur supplémentaire grâce aux économies de gaz naturel, représentant une réduction additionnelle de 3 % des dépenses énergétiques totales.

L’intégration du refroidissement urbain comme source complémentaire à la production de glace a déjà permis de doubler l’utilisation annuelle du système, notamment en exploitant cette source pour les opérations de chauffage hivernal.

Comprendre le concept de pôle thermique

Le pôle thermique est un système avancé et flexible de gestion thermique qui coordonne plusieurs sources et puits de température au niveau du réfrigérant, éliminant ainsi le besoin de contrôles ou d’échangeurs de chaleur supplémentaires.

Intégration au réseau et stratégie d’électrification

Le couplage sectoriel entre les réseaux thermiques et électriques sera un élément clé pour assurer une électrification réussie et favoriser l’adoption des énergies renouvelables. Un système de pôle thermique flexible constitue le lien idéal pour soutenir cette synergie : lorsque l’énergie renouvelable est abondante et peu coûteuse, le pôle thermique peut l’utiliser et emmagasiner de l’énergie thermique tout en allégeant la charge du réseau. À l’inverse, lorsque l’offre d’énergie renouvelable diminue et que les prix augmentent, le pôle thermique peut se découpler et utiliser l’énergie stockée pour réduire la demande sur le réseau. Ce fonctionnement permet également de générer des économies substantielles pour le propriétaire du système de chauffage et de refroidissement urbain (DHC).

Développement futur

Le développement actuel du projet vise à raffiner une approche de type « Énergie en tant que service » (Energy-as-a-Service), incluant des projections détaillées des dépenses d’exploitation sur divers scénarios de 30 ans. Bien que la viabilité du projet dépende de la disponibilité du financement via l’IRA (Inflation Reduction Act), le concept de pôle thermique démontre comment des solutions d’ingénierie innovantes peuvent simultanément répondre à la croissance des campus, aux objectifs environnementaux et à la stabilité du réseau, tout en offrant un modèle pour la décarbonation institutionnelle à grande échelle.