DIAPOSITIVE 1 : RETScreen Projets de production de chaleur et de froid
RETScreen permet d’évaluer rapidement la viabilité technique et financière d’une large gamme d’applications et de projets de production de chaleur et de froid. Par exemple, RETScreen permet d’analyser des projets de chauffage urbain qui distribuent, au moyen de tuyaux enfouis comme ceux que l’on voit à gauche, la chaleur produite par une usine vers des bâtiments dispersés aux environs. Il peut également analyser des installations utilisant des machines frigorifiques comme celle de la photo de droite. Cette présentation montre comment utiliser RETScreen pour analyser des projets de production de chaleur et de froid.

DIAPOSITIVE 2 : Aperçu de projets de production de chaleur et de froid
Les projets de production de chaleur et de froid peuvent être très diversifiés par leur taille et par les technologies qu’ils utilisent. Le schéma en bas à gauche illustre l’installation d’une pompe à chaleur géothermique pour une résidence, avec son échangeur de chaleur enfoui dans le sol. En été, la pompe à chaleur refroidit la maison en envoyant la chaleur extraite de la maison dans le sol. Ce procédé s’inverse pour chauffer la maison en hiver. Ce système a besoin d’électricité pour faire fonctionner la pompe à chaleur et les pompes nécessaires.

La photo en haut à gauche montre un chauffe-eau solaire installé sur le toit d'un immeuble résidentiel en Ouganda. Ces capteurs transforment directement l’énergie solaire en chaleur pour produire de l’eau chaude sanitaire pour les habitants de cet immeuble.

La photo en haut à droite est celle d’une machine frigorifique à absorption. Un tel appareil est utilisé dans des procédés industriels ou dans des bâtiments de type commercial ou institutionnel pour produire l’eau glacée nécessaire à leur climatisation. À la différence d’une pompe à chaleur à compresseur, une machine à absorption n’a pas besoin d’électricité pour produire du froid : elle se contente de chaleur, ce qui peut paraître a priori paradoxale. Souvent cette chaleur sera récupérée des rejets thermiques d’une centrale électrique ou d’un procédé industriel.

La photo en bas à droite montre une section du réseau de chauffage urbain qui dessert Copenhague au Danemark. C’est grâce à un réseau de 1 300 km de tuyaux, que la chaleur parvient jusqu’aux résidences et aux commerces de la ville pour combler 97 % de tous les besoins de chauffage de la ville. La chaleur est produite par les incinérateurs à ordures, les centrales thermiques d'électricité et des chaudières d’appoint. Sans ce réseau, la majeure partie de cette chaleur serait tout simplement rejetée et inutilisée.

Ce sont de telles applications de systèmes de production de chaleur et de froid que RETScreen permet d’étudier, que ce soit pour le chauffage ou la climatisation de locaux, le chauffage d’air de ventilation ou de procédés, et ce, aussi bien pour des maisons individuelles que des immeubles commerciaux, institutionnels ou industriels, en incluant les réseaux urbains de chauffage et d’eau refroidie.

DIAPOSITIVE 3 : Technologies de production de chaleur
Diverses technologies permettent de produire de la chaleur. Les chaudières et les générateurs de chaleur sont peut-être les plus connues. Une chaudière réchauffe un fluide dans une cuve habituellement fermée et sous pression. Le fluide est souvent de l'eau, et la chaudière produit de la vapeur ou de l'eau sous pression. L’eau chaude ou la vapeur peuvent être employées pour le chauffage de locaux, de procédés industriels ou pour faire tourner des turbines électriques. Des chauffe-eau non pressurisés sont parfois appelés chaudières, mais ils sont très différents de vraies chaudières. Les chaudières produisent souvent de la chaleur grâce à la consommation d'un combustible, mais elles emploient généralement l'électricité, la fission nucléaire et d'autres sources de chaleur. En faisant la moyenne sur une saison complète, une chaudière transforme généralement en chaleur utile de 55 à 95 % de l'énergie du combustible, selon sa conception et l’application.

Le terme de ‘’chaudière’’ s’applique également aux installations de production d’air chaud. En Amérique du Nord, on utilise alors plutôt le terme de ‘’fournaise’’. Dans de telles applications, il ne se produit aucune ébullition ni phase de transition de liquide à gaz. En outre, le fluide reste plus ou moins à la pression atmosphérique. C’est la configuration typique des systèmes de chauffage à air chaud au mazout ou au gaz naturel utilisés dans les maisons nord-américaines. L'expression « générateur de chaleur » est également employée pour désigner l'équipement qui fournit la chaleur à des procédés de métallurgie tels que la fusion et le traitement thermique, et pour des procédés industriels tels que l'activation de réactions chimiques. Quoiqu'il existe des générateurs de chaleur électriques, la plupart d'entre eux utilisent des combustibles. Le rendement des générateurs de chaleur à air chaud se compare à celui des chaudières à eau chaude.

Un grand nombre de chaudières et de générateurs de chaleur fonctionnent au gaz naturel. Puisque l'hydrogène est un composant important du gaz naturel, les gaz d'échappement produits par la combustion du gaz naturel contiennent un grand volume de vapeur d'eau. Un des moyens d'améliorer le rendement des systèmes de combustion de gaz naturel est d'extraire la chaleur de cette vapeur d'eau jusqu'à une température suffisamment basse pour qu'elle atteigne le point de condensation. La vapeur d'eau qui ne représente qu’une partie des gaz de combustions à pression atmosphérique se condensera à des températures inférieures à 100 °C, typiquement aux alentours de 55 °C. Une chaudière à condensation est donc applicable en pratique uniquement si on peut utiliser de la chaleur à basse température. C’est justement le cas du chauffage des locaux ; c’est pourquoi les chaudières à « condensation » sont de plus en plus utilisées à cette fin, avec des rendements atteignant jusqu'à 97 % en tenant compte du pouvoir calorifique supérieur du combustible. Les condensats produits sont particulièrement corrosifs et des aciers de qualité particulière doivent être utilisés pour la fabrication de ce type de chaudières. En revanche, un avantage de ces installations est que les gaz d’échappement sont refroidis à un niveau tel que des tuyaux de matière plastique peuvent suffire à les évacuer. Il existe également des chaudières à mazout à condensation. Cependant, le mazout contenant en proportion moins d’hydrogène que le gaz naturel, la pression partielle de vapeur d’eau est moindre dans les gaz d’échappement, et la température de condensation sera plus basse, typiquement autour de 45 °C, ce qui rend les applications moins intéressantes.

Un fluide caloporteur différent de l’eau ou de l’air peut être utilisé dans les installations industrielles. Ces fluides peuvent être formulés spécifiquement pour des applications permettant des échanges de chaleur entre un appareil ou un procédé industriel à basse pression, et un récupérateur ou un générateur de chaleur électrique ou à combustible, et ce à des températures pouvant atteindre de 100 à 400 °C. Ces huiles thermiques sont souvent employées dans des presses industrielles, par exemple dans la production de circuits imprimés, de stratifiés et de placages, ou dans le moulage de plastiques. Les huiles thermiques permettent d’obtenir des températures aussi élevées que celles de la vapeur à haute pression mais sans les inconvénients et les contraintes liées à la haute pression.

L'utilisation de combustibles issus de la biomasse est de plus en plus répandue en remplacement de celle des combustibles fossiles. Les biocombustibles d’origine végétale peuvent être plus économiques que les combustibles fossiles, surtout s’il s’agit de résidus du secteur forestier ou agricole qui peuvent être gratuits, en autant que l’on a les moyens d’en prendre livraison. Des équipements spécifiques à chaque forme de biomasse utilisée sont exigés pour sa manipulation et son entreposage. La biomasse, à condition qu’elle soit produite et récoltée selon des principes durables, représente une source d’énergie respectueuse de l'environnement, qui émet ou dégage peu ou pas de gaz à effet de serre.

Les pompes à chaleur fournissent à la fois de la chaleur et du froid grâce au même cycle à compression de vapeur que celui employé dans un réfrigérateur. La chaleur ne peut se transférer que d'une zone chaude vers une zone froide, mais avec une pompe à chaleur, on peut ‘’produire du chaud avec du froid’’ c’est dire qu’une pompe à chaleur est capable d’extraire de la chaleur à une température plus basse que la température ambiante d’un milieu (par exemple l’air extérieur ou l’air à l’intérieur d’un réfrigérateur) pour la rejeter à un niveau de température plus élevé que le milieu qui absorbera la chaleur (par exemple l’intérieur d’une maison que l’on veut chauffer). L'augmentation de la température n'est pas réalisée par l'ajout de chaleur, mais plutôt par l’augmentation de pression d’un gaz réfrigérant ou « fluide frigorigène » au moyen d’un compresseur électrique. Dans une pompe à chaleur utilisée en mode chauffage, la chaleur extraite de l’air extérieur ou du sol, dans le cas d’une installation géothermique, vient s’ajouter à l’énergie mécanique du compresseur électrique. On obtient donc des ratios de production de chaleur par rapport à l’électricité consommée nettement supérieurs à 100 %, typiquement de 130 à 350 %.

Les installations thermiques de production d'électricité comme des turbines à gaz, à vapeur ou certains procédés industriels exigent de la chaleur à une température minimale assez élevée. De la chaleur à plus basse température est difficilement utilisable, voir inutilisable et généralement rejetée dans l’air ambiant. En investissant dans des installations de récupération et de distribution de chaleur, il est souvent possible d'employer, au moins sur une base saisonnière, cette chaleur pour une application totalement différente, par exemple le chauffage de bâtiments et la production d’eau chaude, qui se contentent de températures moins élevées. Lorsque des gaz d'échappement sont très chauds, un type spécial de chaudière, nommé ‘’générateur de vapeur à récupération de chaleur’’, permet même de produire de la vapeur.

Il est aussi possible d'employer directement le rayonnement solaire comme source de chaleur. Dans les concepts dits « passifs », l'énergie solaire est admise dans le bâtiment à l'aide de fenêtres à haut rendement convenablement orientées, fournissant du chauffage l'hiver sans causer de surchauffe l'été. Dans des systèmes « actifs », on utilise des capteurs de couleur sombre qui s’échauffent quand ils sont exposés au rayonnement solaire incident et transfèrent cette chaleur à l'eau ou à l'air. Certains types de capteurs concentrent les rayons du soleil de manière à atteindre des températures élevées, mais la plupart des capteurs simples fonctionnent à des températures de 80 °C ou moins. Ils permettent de produire de l’eau chaude sanitaire ou pour des procédés de lavage. Des capteurs plus économiques et sans vitrage ne bénéficient pas de l’effet de serre qui réduit les pertes par rayonnement et par convection, mais fournissent très efficacement de la chaleur à des températures seulement 5 à 25 °C plus élevées que la température ambiante extérieure. Ces capteurs sont utilisés par exemple pour le préchauffage d’air neuf de ventilation, le séchage des récoltes ou pour le chauffage des piscines extérieures. En raison de l'absence d'ensoleillement la nuit, et de sa faiblesse possible en hiver, plusieurs systèmes solaires actifs ne sont pas en mesure de complètement remplacer les sources conventionnelles de chaleur, mais réduisent simplement la consommation d'électricité ou de combustibles.

DIAPOSITIVE 4 : Technologies de production de froid
Plusieurs technologies sont disponibles selon que l’on veut climatiser des bâtiments ou produire le froid pour des systèmes de réfrigération, de congélation ou des procédés industriels. Nous classifions ces équipements selon qu’ils produisent du froid à partir de chaleur ou à partir d’énergie mécanique, souvent fournie par un moteur électrique. Commençons par ces dernières technologies.

La plupart de ces équipements utilisent un cycle à compression de vapeur, le compresseur étant entraîné par une énergie mécanique comme un moteur électrique. Le compresseur fait passer un fluide frigorigène en phase gazeuse, d'un niveau de basse pression et basse température, à un niveau à haute pression et haute température. Le gaz chaud qui sort du compresseur passe dans un échangeur de chaleur appelé condenseur qui le refroidit jusqu’à le faire retourner à l’état liquide à haute pression ; la chaleur de condensation est évacuée à un niveau de température relativement peu élevée mais qui permet de combler des besoins de chauffage à basse température ou de l’évacuer dans l’air ambiant, même par temps chaud, au moyen d'une tour de réfrigération en toiture par exemple. Le fluide frigorigène sortant du condenseur passe ensuite dans une valve d'expansion, où sa pression chute brusquement. Cette chute de pression entraîne l'évaporation d'une toute petite portion de ce fluide, refroidissant le mélange restant, à une température inférieure à la température de refroidissement désirée. Un échangeur thermique nommé évaporateur, permet alors de refroidir de l'air, de l’eau ou un autre fluide devant être refroidi, le fluide frigorigène absorbant cette chaleur en s’évaporant à basse température. C’est le compresseur qui ‘’aspire’’ le gaz frigorigène ainsi produit à basse pression et le cycle peut alors recommencer.

Le gaz frigorigène étant échauffé par la simple action du compresseur sur sa pression, sans aucun ajout d’énergie thermique et comme on peut évacuer la chaleur extraite à basse température par la condensation du frigorigène à haute température, il est possible d’obtenir des ratios de production de froid par rapport à l’électricité consommée nettement supérieurs à 100 %. Le rendement frigorifique sera moins bon lorsque l'écart de température entre le condenseur et l'évaporateur sera plus élevé. Pour la plupart des technologies, un fonctionnement à charge partielle fait aussi baisser le rendement. Il existe différents types de compresseurs. En conditions idéales, les cycles à compression les plus efficaces permettre d’atteindre des rendements de 700 %.

Les pompes à chaleur ou thermopompes typiques emploient aussi le cycle à compression. La principale différence avec les systèmes de production de froid conventionnels est qu'elles doivent pouvoir produire de la chaleur ou du froid selon la saison. Les mêmes échangeurs de chaleur qui servent d'évaporateur et de condenseur en mode refroidissement vont respectivement servir de condenseur et d’évaporateur en mode chauffage. Des compromis sont donc nécessaires dans leur conception, ce qui engendre des rendements légèrement inférieurs à des systèmes optimisés uniquement pour la production de froid.

Il est également possible de produire du froid sans actionner le compresseur ni consommer d’énergie. Ce mode dit « refroidissement gratuit » est possible toutes les fois que l'air extérieur ou la source d'eau sont plus frais que la charge à refroidir. Par exemple, certains bâtiments ayant d’importants gains internes, peuvent être refroidis de cette manière lorsque les températures d'air extérieur sont relativement basses. Si la température ambiante extérieure se situe plusieurs degrés sous la température de refroidissement voulue, la chaleur est tout simplement évacuée directement dans le milieu ambiant. L'ouverture d'une fenêtre pour rafraîchir une pièce ou la ventiler à un taux maximum d’air frais est peut-être le meilleur exemple de refroidissement gratuit, mais cette expression est généralement réservée aux systèmes mécaniques assistés. Il existe de nombreuses approches différentes. Dans une de celles-ci, un fluide caloporteur circule simplement entre la charge à refroidir et une tour de réfrigération ou un autre échangeur de chaleur refroidi par une source naturelle de refroidissement comme l’eau d'un lac, d’une rivière ou de la mer. Une autre approche prévoit utiliser la circulation naturelle par différentiel de densité et de pression du fluide frigorigène du système à compression à l’arrêt. Le fluide frigorigène tend à migrer vers le point le plus frais du système, le condenseur, où il sera de nouveau transformé en liquide. Ce fluide s'achemine alors de nouveau vers l'évaporateur. Le refroidissement dit gratuit n’est pas toujours complètement gratuit, puisque les contrôles et les échangeurs thermiques supplémentaires haussent le coût des immobilisations, et que le fonctionnement des pompes, valves et contrôles auxiliaires engendre une consommation minimale d’électricité; mais il demeure néanmoins une option souvent valable.

DIAPOSITIVE 5 : Technologies de production de froid (suite)
Dans la diapositive précédente, nous avons traité des technologies de production de froid qui exigent soit une source extérieure plus froide, soit l'apport d'énergie mécanique ou électrique. Il peut être surprenant de découvrir que certaines technologies produisent du froid à partir d’une source de chaleur. Deux de celles-ci sont les machines commençant par une déshumidification de l'air grâce à des substances hydrophiles, appelées aussi ‘’matériau dessiccant’’ et les machines à absorption.

Une substance hydrophile est un matériau solide qui retient, par des forces physiques, les molécules d’eau à sa surface. Il n’y a généralement pas de transformation chimique ou de structure de ce matériau. Celui-ci permet donc de déshumidifier l’air intérieur mis à son contact. L’air sec ainsi produit, retourné dans le bâtiment, peut suffire à assurer des conditions confortables. Le système fonctionne alors en simple mode déshumidification. Mais l’air peut être suffisamment sec, après son contact avec le matériau dessiccant, qu’il peut absorber de l’eau en restant à l’intérieur des normes de qualité d’air intérieur. Il permet donc d’évaporer de l’eau qui y est pulvérisée. C’est la chaleur que doivent absorber les gouttelettes d’eau pour s’évaporer qui produit le froid et provoque l’abaissement de température de l’air intérieur.

Plus le matériau absorbe d'eau, moins il peut en absorber et il doit alors être ‘’régénéré’’ ou asséché. Cela s'effectue par simple chauffage en mettant le matériau en contact avec un flux d’air chaud. L'air chaud et humide est ensuite évacué à l’extérieur. Ce procédé est réalisé au moyen d’une roue qui fait passer le matériau alternativement du flux d’air intérieur à déshumidifier au flux d’air chaud qui le régénère. C’est ce qui est illustré dans le schéma en bas. D'autres conceptions techniques existent autour du même principe physique de base.

Un système à compresseur peut également déshumidifier l'air intérieur si la surface de son évaporateur, en contact avec l’air à climatiser, est à une température suffisamment basse pour condenser l’humidité qu’il contient. Pour éliminer de plus grandes quantités d’humidité avec le même système, il faut abaisser la température de son évaporateur souvent à un niveau bien inférieur à la température intérieure voulue. Ceci complique la régulation du confort et réduit le rendement du système de climatisation.

Utilisées uniquement en mode de déshumidification de l’air, les machines à matériau dessiccant peuvent être couplées à un système à compresseur dont la seule fonction est d’abaisser la température de l’air plus sec, pour l’amener à la température souhaitée sans en extraire d’humidité.

La production de froid à absorption ressemble beaucoup à la production de froid par compression de vapeur. Dans les deux cas, un fluide frigorigène à l’état liquide bout et s’évapore à basse pression ce qui produit le froid, l’évaporation absorbant de la chaleur à basse température. Au lieu que ce soit un compresseur qui ‘’aspire’’ à basse pression le gaz produit et entretienne l’évaporation du frigorigène, c’est un autre fluide, nommé absorbant qui va absorber le gaz frigorigène au fur et à mesure qu’il entre en contact avec lui. Le gaz frigorigène se combine à cet autre fluide selon un procédé physico-chimique d’absorption. Pour obtenir la fonction équivalente au compresseur et obtenir à nouveau le fluide frigorigène pur à l’état gazeux et sous haute pression, on pompe la solution liquide dans un autre compartiment de la machine. Dans ce compartiment, la solution est chauffée par une source de chaleur externe et le fluide frigorigène s’en échappe sous forme gazeuse à haute température et à haute pression. Un condenseur et une valve d’expansion jouent le même le même rôle que dans un système à compresseur. Les mélanges ammoniac-eau et eau – bromure de lithium sont deux combinaisons très répandues de fluide frigorigène et d’absorbant.

Prenons l’exemple d’une machine ammoniac-eau. L'ammoniac liquide pur s’évapore à basse pression dans l’évaporateur et produit du froid. Le gaz ammoniac est ensuite mis en contact avec de l’eau qui l’absorbe. Une pompe électrique fait passer la solution d'eau et d'ammoniac dans un compartiment à haute pression appelé générateur. Le pompage de la solution liquide incompressible d’un niveau de pression à l’autre exige beaucoup moins d’énergie qu’un compresseur comprimant un gaz. Dans le générateur, la solution est chauffée afin d'en extraire l'ammoniac pur et ainsi régénérer le fluide frigorigène à l’état gazeux. Afin d'assurer qu'il ne contient aucune gouttelette d'eau, le gaz frigorigène quitte le générateur en passant par un séparateur, un réseau de tubes partiellement obstrués qui captent l'eau liquide. Il ne nous reste plus que de l'ammoniac gazeux à température élevée et à haute pression. Dans le condenseur, le gaz ammoniac est transformé en ammoniac liquide et libère de la chaleur qui doit être rejetée à l’extérieur. Une valve d'expansion, située entre le condenseur et l'évaporateur, abaisse la pression du fluide frigorigène de manière à provoquer l’évaporation et la production de froid au niveau de température suffisamment bas souhaité.

La majeure partie de l'énergie consommée par ce cycle de production de froid est sous forme de chaleur fournie au niveau du générateur, et cette quantité de chaleur est typiquement 100 fois plus importante que la quantité d’électricité consommée par la pompe à solution.

Remarquez que les quantités de chaleur introduites dans le générateur viennent s’ajouter à la chaleur extraite au niveau de l’évaporateur et que le tout doit être évacué au niveau du condenseur. Par conséquent, la production de froid par une machine à absorption exige des tours d’eau ou d’autres équipements de refroidissement ayant des capacités beaucoup plus importantes que celles des systèmes à compresseur de même puissance frigorifique.

Les machines frigorifiques à absorption offrent des rendements typiques d'environ 50 à 70 %, des valeurs très largement inférieures à celles des cycles à compresseur. En revanche, ce rendement est basé non pas sur de l’électricité mais sur une source de chaleur. Quelques fois, cette source de chaleur peut être gratuite car elle récupérée d’un rejet thermique d’un procédé industriel ou directement à la sortie d’une turbine de production électrique. Des systèmes à absorption à deux étages, plus sophistiqués, sont de plus en plus courants et permettent d’obtenir des rendements frigorifiques de l’ordre de 100 à 120 %. Ils exigent cependant une source de chaleur à plus haute température, ce qui limite leurs possibilités d’utiliser des rejets thermiques et nécessite leur alimentation en vapeur et même la combustion directe d’un combustible.

RETScreen facilite la comparaison de différentes technologies de production de froid : les systèmes à dessiccant, les machines à absorption et les machines frigorifiques à compresseur, en incluant les pompes à chaleur.

DIAPOSITIVE 6 : Types de combustibles
RETScreen traite de tous les combustibles employés par les projets de production de chaleur. La cellule « type de combustible » de RETScreen présente à l'utilisateur une liste déroulante de différents combustibles. Ceux-ci comprennent, dans le cas de combustibles fossiles, le charbon, le diesel, l'essence, le kérosène, le mazout et le gaz propane. Le choix de biocombustibles est encore plus varié, se composant de biodiesel, biogaz, bio-huile, éthanol, méthanol, divers bois et écorces, tourbe, divers types de paille, bagasse, panic raide, chanvre et autres déchets agricoles, et bien d'autres. Les autres combustibles de la liste offrent une gamme surprenante de possibilités, pneus usés, biogaz, déchets alimentaires, résidus forestiers, déchets de jardin, déchets de café, compost, cuir, arbres de Noël, litière de volaille et déchets d'emballage. Pour compléter le tout, la liste comprend également les vecteurs énergétiques que sont l'hydrogène et l'électricité. Il y a également un combustible qui peut être défini par l'utilisateur.

Lorsqu'un « système de chauffage solaire de l'air » ou un « chauffe-eau solaire » sont choisis comme technologie, RETScreen utilise automatiquement sa base de données climatiques et son calculateur intégré de l’énergie solaire incidente pour que cette source d’énergie soit aussi simple à analyser qu’un combustible. De la même manière, lorsque l’on choisit une pompe à chaleur géothermique ou une thermopompe, l'air ambiant extérieur ou le sol sont implicitement considérés comme puits thermique du système.

La production de froid avec un compresseur se fait généralement avec un compresseur électrique, c’est pourquoi l'électricité est offerte comme un autre ‘’type de combustible’’ dans la liste déroulante de RETScreen. La production de froid par sorption exige de la chaleur, qui peut provenir de nombreux combustibles. Si l'utilisateur choisit « Production de froid » comme type de projet sur la feuille Démarrage, la liste de combustibles permis par RETScreen comprendra les combustibles fossiles les plus communs, l'électricité et les biocombustibles. Pour avoir accès à la liste plus complète de combustibles précédemment évoquée, l'utilisateur a simplement à choisir comme type de projet « Production de chaleur et de froid » ou « Production de chaleur, de froid et d'électricité ». Le système de production de froid à absorption emploiera automatiquement la chaleur du système de production de chaleur qui lui, peut employer l'un ou l'autre des combustibles mentionnés ci-dessus.

Les projets de type « Production de chaleur et d'électricité » ou « Production de froid, de chaleur et d'électricité » permettent d’employer la chaleur récupérée des rejets d’une centrale électrique pour combler les besoins de chauffage ou des besoins de froid par l’intermédiaire d’une machine à sorption (à absorption ou à dessiccant).

Avant de spécifier les valeurs des rendements, il est important de ne pas oublier que le contenu énergétique d'un carburant ou d’un combustible peut être défini en incluant ou non la chaleur de condensation de la vapeur d’eau dans les fumées. Pour inclure la chaleur latente de condensation, on utilise le Pouvoir calorifique supérieur ou PCS. C’est cette valeur qui est utilisée par convention en Amérique du Nord. Ailleurs dans le monde, on utilise plus souvent le Pouvoir calorifique inférieur ou PCI, qui exclut cette chaleur latente de condensation. Ainsi, les spécifications de chaudières au gaz naturel à condensation peuvent donner des rendements de plus de 100 % si on utilise le PCI comme référence. Il est donc très important de vérifier quel pouvoir calorifique est utilisé par un fabricant quand on utilise les valeurs de rendement qu’il fournit. L'utilisateur détermine lui-même dans RETScreen s’il veut utiliser le PCI ou le PCS.

DIAPOSITIVE 7 : Systèmes de base, intermédiaire et de pointe
Les charges de chauffage et de froid varient dans le temps. Ainsi, les charges de chauffage de locaux sont plus élevées en hiver qu'en été, en début de matinée qu’en après-midi. Les systèmes de production de chaleur et de froid doivent avoir une puissance suffisante ou capacité pour pouvoir répondre aux charges de pointe qui se produiront au cours de l'année. En revanche, la majeure partie de la capacité qui correspond aux charges de pointe est inutilisée la plupart du temps.

C’est cette situation qui conduit à la pratique de séparer les installations en plusieurs sous-systèmes de production qui répondront respectivement aux charges de base, intermédiaire et de pointe. Avec une capacité ne représentant qu’une portion relative de la charge totale de pointe, le système de base produira la plus grande partie de l'énergie thermique, c’est pourquoi on a intérêt à choisir des équipements de qualité ayant une haute efficacité énergétique pour avoir le moindre coût d'exploitation. C’est dans la même logique que l’on envisagera utiliser la chaleur récupérée d'un procédé industriel ou d'une centrale électrique pour combler d’abord la charge de base de chaleur. Le générateur de vapeur à récupération de chaleur de la photo en bas à gauche est un exemple d’une telle installation.

Le système intermédiaire de production de chaleur est mis en service lors des périodes où le système de base ne suffit plus à combler les besoins. La photo de gauche au centre montre une chaudière au mazout qui peut être utilisée comme système intermédiaire.

Le système de production de chaleur de pointe est quant à lui utilisé uniquement lorsque les systèmes de base et intermédiaire ne suffisent pas à alimenter la charge. On qualifie aussi ce système de ‘’système d’appoint’’. Un exemple de tel système est l’utilisation d’éléments chauffants à résistance électrique, comme ceux que l’on voit en haut à gauche.

Dans le même ordre d'idées, les systèmes de production de froid se composent souvent de plusieurs unités, un système de base qui produit la majeure partie des besoins annuels d’énergie frigorifique, et des appareils de pointe donnant une capacité suffisante pour alimenter la charge de pointe.

DIAPOSITIVE 8 : Dimensionnement des équipements
Le dimensionnement et le choix des équipements des systèmes de base, intermédiaire et de pointe est important afin d'assurer la conception d’une installation de production de chaleur et de froid qui assure à la fois la meilleure fiabilité de production et l’équilibre optimal entre les coûts d'immobilisation et les coûts d'exploitation.

Comme on le mentionnait précédemment, le système de base produit la plus importante part de la quantité annuelle d'énergie sous forme de chaleur ou de froid. De plus, cela peut se faire avec seulement une faible portion de la capacité totale exigée en période de pointe comme le montre le graphique Contribution des systèmes. C’est la raison pour laquelle on disait précédemment qu’il est généralement valable d'investir dans un équipement efficace qui peut consommer des combustibles à bas coût ou récupérer des rejets thermiques. En revanche, il se peut qu’un tel système fonctionne mal à charge partielle et qu’il soit préférable de l’utiliser de longues périodes proche de sa capacité nominale, pour en tirer son rendement optimal.

Par définition, un système de pointe n’est utilisé qu’un faible nombre d’heures par année, lorsque les systèmes de base et intermédiaire ne suffisent plus à répondre à la charge. Le système de pointe ne fournit qu’une faible portion des besoins énergétiques annuels. C’est la raison pour laquelle on peut choisir de ne pas investir dans des équipements à haute efficacité énergétique, ou accepter d’utiliser un combustible cher, par exemple de l’électricité. On peut aussi décider de conserver un équipement âgé que l’on n’utilise plus que pour répondre à la demande de pointe. Il peut aussi être avantageux de considérer l’équipement de pointe pour qu’il puisse servir d’installation de secours en cas de panne du système de base ou intermédiaire.

Les spécifications et fonctions d’un système intermédiaire, qui n’est pas toujours présent dans une installation de production de chaleur ou de froid, tendent à se situer entre celles des systèmes de base et de pointe.

RETScreen n'exige pas que l'utilisateur spécifie un système de base, un système intermédiaire et un système de pointe : s’il le désire, l'utilisateur peut spécifier uniquement un système de base ou seulement un système de base et un système de pointe. Dans le cas de la production de froid, il est plus rare de considérer un système intermédiaire. A ce propos, noter que RETScreen permet également l'inclusion des coûts d'immobilisation pour un système de secours, en plus de tous ces systèmes, aussi bien pour la production de chaleur que celle de froid.

Le graphique montre que la somme des capacités de base et de pointe correspond parfaitement à 100 % de la puissance maximale nécessaire pour passer la pointe annuelle. Mais cela peut de pas être toujours le cas. La capacité totale installée peut dépasser 100 % de la demande de pointe, soit à cause de la combinaison de capacité des équipements disponibles, en raison des marges de sécurité exigées ou de besoin de prévoir une croissance future des besoins. Remarquez toutefois que même si la capacité est choisie supérieure à 100 %, l'énergie produite, modélisée par RETScreen, ne dépassera pas 100 %. L'équipement produit uniquement selon les besoins de la charge.

DIAPOSITIVE 9 : Analyse de projets de production de chaleur et de froid avec RETScreen
RETScreen évalue la viabilité financière d'un projet de production de chaleur ou de froid en comparant un projet proposé à un projet dit « cas de référence ». Le projet proposé intègre généralement une technologie d'énergie propre, alors que le cas de référence repose normalement sur une technologie plus conventionnelle. RETScreen compare les différences de coûts à l’investissement et à l’exploitation entre le projet proposé et le cas de référence.

L'analyse RETScreen d'un projet de production de chaleur ou de froid se fait en plusieurs étapes.

Premièrement, l'utilisateur définit les charges de chaleur et de froid (il s’agit des puissances de pointe) pour lesquelles le système doit être conçu. Ces charges sont constituées d’une part de charges de chauffage ou de climatisation des locaux qui dépendent des conditions climatiques auxquelles, d’autre part, viennent s’ajouter des charges indépendantes ou peu dépendantes des conditions météorologiques, par exemple la fourniture d’eau chaude sanitaire ou l’alimentation d’un procédé. Les charges de chauffage ou de climatisation sont exprimées par unité de surface de plancher chauffé. Les charges indépendantes des conditions météorologiques peuvent être exprimées comme un pourcentage de la charge de chauffage ou de climatisation et vient s’ajouter à celles-ci. Cette charge indépendante des conditions météorologiques a comme effet d’augmenter la production de chaleur ou de froid pour chaque mois. On peut voir cet effet dans le graphique des caractéristiques de la charge La charge de conception est un estimé de la charge maximale. Afin de déterminer les charges mensuelles de chaleur et de froid, RETScreen utilise les données climatiques du lieu du projet, notamment les températures de calcul et les degrés-jours de chauffage et de climatisation de chaque mois de l’année. Si le projet de production de chaleur ou de froid est combiné à un projet de production d’électricité, l’utilisateur peut devoir caractériser la charge électrique.

L'utilisateur donne ensuite quelques paramètres clés qui décrivent les caractéristiques d'exploitation de l'équipement de production de chaleur ou de froid, à la fois pour le cas de référence et pour le projet proposé. Les coûts d’investissement, d’entretien et d’approvisionnement en énergie doivent également être donnés dans les deux cas.

Pour les projets qui combinent la production de chaleur ou de froid avec la production d'électricité, la stratégie d'exploitation de l'équipement de production d'électricité doit être choisie. Il s’agit de préciser si la production d’électricité est à pleine capacité en tout temps, ou si elle suit les besoins d’électricité de charges internes, ou si elle est asservie aux besoins thermiques c’est à dire si la production d’électricité varie de façon à ce que la chaleur produite en même temps que l’électricité correspond aux besoins que le système de production de chaleur doit combler.

Une fois ces paramètres précisés, l'utilisateur peut examiner les résultats du modèle énergétique RETScreen, qui sont regroupés dans une section de sommaire pour en faciliter l’analyse. S’il le désire, l’utilisateur peut compléter ces résultats sur les consommations annuelles d’énergie par une analyse de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Le modèle calcule alors la différence entre les émissions de GES du projet proposé et celles du cas de référence, selon une méthode normalisée développée en collaboration avec le Programme des Nations Unies pour l’environnement et le Fonds prototype pour le carbone de la Banque mondiale. Enfin, un sommaire financier fournit toutes les informations permettant de juger si le projet est financièrement viable ou non, compte-tenu des flux de trésorerie, des considérations fiscales, de subventions, de crédits pour production d’énergie renouvelable ou de réduction d’émissions de GES. L'analyse financière peut être complétée, sur une base facultative, par une analyse de sensibilité et de risques qui identifie comment les variations de certains paramètres peuvent affecter de façon différente la rentabilité du projet. Cette analyse se réalise en partie grâce à une simulation de type « Monte Carlo » qui choisit 500 combinaisons différentes des paramètres clés en les faisant varier de manière aléatoire à l’intérieur de plages d’incertitude respectives.

Dans le but de faciliter ces analyses, RETScreen a été conçu pour une utilisation conviviale. C’est ainsi que Microsoft Excel a été choisi pour l’accueillir et le présenter sous la forme d’un outil connu de tous. Les fonctions d’Excel ont été complétées de plus de 70 000 lignes de programmation permettant ainsi à RETScreen d’être aussi puissant et polyvalent.

RETScreen aide également l’utilisateur à choisir les paramètres nécessaires à l'analyse grâce à plusieurs bases de données intégrées. RETScreen contient une base de données climatique mondiale, provenant de 4 700 stations météorologiques au sol. En outre, grâce à une collaboration de longue date avec la NASA, RETScreen incorpore des données climatiques mondiales tirées de 20 ans d'observations par satellite. En plus de la base de données climatique de RETScreen, il existe une base de données de produits présentant les caractéristiques de plus de 7 000 produits d'énergie propre, allant des chaudières aux thermopompes.

Un manuel d'aide en ligne de 1 000 pages guide l'utilisateur et fournit des explications détaillées sur les différentes technologies d'énergie propre. De nombreux outils exécutent des calculs techniques précis directement applicables à RETScreen, comme, par exemple, le calcul du rendement d'un échangeur de chaleur géothermique, ou la conversion d'unités de mesure, les propriétés de la vapeur, les équivalences de GES et plus encore.

En plus du logiciel d’analyse, RETScreen est un outil de formation à distance offrant du matériel didactique dans plusieurs langues, un manuel détaillé présentant les algorithmes utilisés par RETScreen et fournissant de l'information de base sur les technologies d'énergie propre, des études de cas et des liens vers des cartes de ressources énergétiques.

DIAPOSITIVE 10 : Types d'analyses
En raison de la grande versatilité de RETScreen, l’utilisateur doit configurer le logiciel en fonction de l'analyse voulue. Cette configuration comprend le choix de plusieurs options dans une liste déroulante de la feuille de démarrage RETScreen.

La feuille de démarrage s'affiche lors de l'ouverture de RETScreen. L'utilisateur y spécifie le nom et le lieu du projet, le lieu des données climatiques et quelle convention utilisé pour caractériser le contenu énergétique des combustibles, à savoir, le Pouvoir calorifique inférieur ou le Pouvoir calorifique supérieur. L'utilisateur choisit entre la « Méthode 1 » pour une analyse simplifiée tenant sur une seule feuille de calcul Excel, ou la « Méthode 2 » pour une approche plus détaillée présentant des feuilles séparées pour les différentes étapes de l'analyse. Pour avoir accès aux options de langue, de devises et de système d'unités, l’utilisateur doit cocher la case « Afficher paramètres ».

Le choix du « type de projet » est une étape importante de la configuration. Une liste déroulante propose une gamme étendue d'options, dont plusieurs se rapportent à des projets de production de chaleur et de froid. Si l’utilisateur choisit ‘’Production de chaleur’’, le modèle considère que le projet comprend uniquement une charge de chauffage. La technologie employée pour alimenter la charge du projet proposé est choisie dans la feuille de démarrage, parmi les nombreux choix offerts dans la liste déroulante à droite de la cellule « Technologie ». La liste comprend : système à biomasse, chaudière, pompe à chaleur, générateur de chaleur, réchauffeur, chauffage solaire de l’air, chauffe-eau solaire et « autre », pour les projets qui n’arrivent pas à être décrits par une des catégories proposées. Si l’utilisateur choisit « Production de froid » comme type projet, la liste de technologies comprend alors : absorption, compresseur, dessiccant, refroidissement naturel et pompe à chaleur. La technologie choisie se rapporte au système de production de chaleur ou de froid de base. Il est possible de choisir d'autres technologies pour les systèmes intermédiaires et de pointe.

Puisque les systèmes de production de froid à absorption et à dessiccant exigent de la chaleur, il est logique de les évaluer conjointement avec un système de production de chaleur. RETScreen facilite cela en offrant un type de projet « Production de chaleur et de froid ». Pour les projets qui utilisent les rejets thermiques d'une installation de production électrique, l'utilisateur choisira le type de projet « Production de chaleur et d'électricité ». Si le système de production de froid représente la charge principale attachée à un projet de production électrique, l'utilisateur pourra trouver pratique d’utiliser le type de projet « Production de froid et d'électricité ». Enfin, ils peuvent tous deux être combinés dans un type de projet « Production de froid, de chaleur et d'électricité », qui permet même d'employer les rejets thermiques de la production d’électricité pour alimenter la machine frigorifique à sorption. Les présentations Analyse d'un projet de cogénération et Analyse d’un projet de production d’électricité du cours de formation RETScreen contiennent plus d'information sur ces technologies.

DIAPOSITIVE 11 : Caractéristiques de la charge
On a vu précédemment que les charges sont constituées d’une part de charges de chauffage ou de climatisation des locaux, qui dépendent des conditions climatiques auxquelles d’autre part viennent s’ajouter des charges indépendantes ou peu dépendantes de la météo, par exemple la fourniture d’eau chaude sanitaire ou l’alimentation d’un procédé. Dans l'analyse Méthode 1 simplifiée, la charge de chauffage indépendante des conditions climatiques est considérée comme une charge de production d’eau chaude ; pour le refroidissement, elle se nomme « Demande de froid indépendante des conditions météo ». Les deux graphiques sur cette page illustrent les charges de chauffage et de refroidissement mensuelles d’un projet particulier. Dans le cas de référence, en bas à gauche, la charge de chauffage atteint son maximum en janvier et chute à zéro durant l'été. La charge de refroidissement affiche une tendance contraire. Dans le projet proposé, à droite, une machine frigorifique à absorption alimente la charge de refroidissement, créant ainsi une charge de chaleur notable durant l'été.

L'analyse Méthode 2 ajoute une feuille Charge et réseau à l'analyse RETScreen, offrant à l'utilisateur plus de flexibilité pour décrire les charges. Afin de spécifier les charges de la même manière que dans l'analyse Méthode 1, on doit choisir « chauffage» ou « climatisation ». Si aucune charge dépendante de la météo n'est impliquée, l'utilisateur peut alors choisir « chaleur pour procédé » ou « froid pour procédé ». La charge de procédé peut être constante tous les mois de l’année, ou peut varier de mois en mois selon les spécifications de l'utilisateur. Il est également possible de spécifier la charge en tant que combinaison des charges « chaleur pour chauffage et procédé » ou « froid pour climatisation et procédé ».

En choisissant « Un seul bâtiment », toutes les charges d'un bâtiment ont été regroupées et spécifiées selon qu’il s’agit d’un procédé ou de chauffage et climatisation de bâtiments. La feuille Charge et réseau permet également de spécifier une distribution de charges entre les différentes zones d’un même bâtiment. Pour ce faire, il suffit de choisir « Un seul bâtiment – multizone ». Jusqu'à 14 zones différentes peuvent alors être spécifiées.

Cette approche de charges distribuées peut s'étendre aux réseaux urbains de distribution de chaleur et d’eau refroidie, comme celui de Copenhague précédemment illustré. Dans un réseau urbain, la chaleur et le froid d'une ou de plusieurs usines centralisées sont distribués à des charges géographiquement dispersées, telles que des bâtiments ou des ensembles de bâtiments, à l'aide d'un réseau de tuyaux isolés transportant de l'eau chaude ou de l’eau refroidie, ou un autre fluide (vapeur, huile thermique. Lorsque l'utilisateur choisit « Plusieurs bâtiments » dans la description du système de production de chaleur ou de froid, il peut spécifier les charges de chauffage et climatisation et de procédé de 14 bâtiments différents. De plus, RETScreen aide à évaluer de manière préliminaire la configuration et le coût du réseau de distribution qui relie les différents bâtiments ou groupes de bâtiments à une usine centrale de production de chaleur ou de froid.

DIAPOSITIVE 12 : Caractéristiques critiques
Afin de permettre à RETScreen de calculer les besoins d’énergie, et donc, les quantités de combustible qui devront être achetées pour produire annuellement la chaleur ou le froid, l'utilisateur doit spécifier le rendement des équipements. Le rendement saisonnier est un paramètre important pour déterminer l’efficacité des chaudières, des générateurs de chaleur, des récupérateurs de chaleur et des systèmes à biomasse. Le rendement saisonnier est le rapport entre l'énergie utile et utilisée produite par le système sous forme de chaleur ou de froid et la quantité totale d’énergie fournie sous la forme d’approvisionnement en combustible, le tout évalué sur une année complète. Ainsi, sur une base annuelle, si un système de production de chaleur consomme du carburant contenant 100 GJ d'énergie mais ne produit que 55 GJ de chaleur utile, son rendement saisonnier sera de 55 %. On doit tenir compte dans l’évaluation du rendement saisonnier du fait que les systèmes peuvent fonctionner à charge partielle, peuvent subir des cycles d’arrêt-départ plus ou moins nombreux ou d’autres conditions non idéales d'exploitation. Le rendement saisonnier est en pratique toujours inférieur au rendement « en régime permanent » figurant dans les documents du fabricant.

Dans le cas des technologies de production de froid, le rendement frigorifique est communément exprimé sous forme de coefficient de performance, ou COP saisonnier, le ratio entre la chaleur extraite (c’est à dire le froid produit) et l'énergie fournie à la machine frigorifique. Un COP de 1 correspond à un rendement de 100 %. Les lois de la thermodynamique expliquent que des coefficients de performance supérieurs à 1 soient courants, surtout dans le cas de machines à compresseur. Ainsi, un système de production de froid pourra fournir 300 MWh d’air froid pour la climatisation en ne consommant que 100 MWh d'électricité sur une année ; on dira alors qu’il a un COP de 3. L’utilisateur doit entrer dans RETScreen sa meilleure évaluation du COP saisonnier, et non pas le COP de catalogue qui est déterminé dans des conditions normalisées d’essai.

Lorsqu'une installation de production d’électricité produit de la chaleur utilisée pour la production de chaleur ou de froid, des paramètres supplémentaires sont nécessaires. Pour la plupart de ces installations, l'utilisateur de RETScreen doit spécifier la consommation spécifique du système de production d’électricité. La consommation spécifique est la quantité d'énergie primaire fournie sous forme de chaleur ou de contenu énergétique en combustible, que consomme le projet afin de produire une unité d'électricité. Les unités courantes de consommation spécifique sont les kJ/kWh ou les BTU/kWh. Par exemple, sur le graphique en bas à droite, on voit que cette centrale à cogénération consomme 100 kWh d'énergie en combustible pour produire 30 kWh d'électricité. Au lieu de dire qu’elle a un rendement électrique de 30 %, on écrit qu’elle a une consommation spécifique de 12 000 kJ/kWh.

La différence entre les quantités d’énergie primaire consommée et d'énergie électrique produite est le maximum théorique d’énergie thermique qui peut être récupérée pour d'autres applications. Dans un projet de cogénération, seule une portion des rejets thermiques peut être valorisée, le reste qui ne peut être utilisé doit être dissipé dans l'environnement. La portion utilisable des rejets thermiques dépend essentiellement du niveau de température de ceux-ci et de leur facilité de récupération (par exemple sous forme de gaz d’échappement corrosifs ou dans un circuit de refroidissement). La portion effectivement utilisée des rejets thermiques dépend essentiellement de la coïncidence des besoins de chaleur avec le moment où les rejets thermiques sont produits. Dans RETScreen, la portion effectivement utilisée des rejets thermiques est appelée « taux de récupération de chaleur ». Dans notre exemple, une fois les 30 kWh d'électricité soustraits du 100 kWh de combustible, il demeure 70 kWh de chaleur théoriquement utilisable. Puisque la charge n'exige que 55 kWh de chaleur, le rendement de récupération de chaleur est de 55 sur 70, soit 79 % . La présentation sur la « Cogénération » du cours de formation RETScreen offre plus d'information à ce sujet.

DIAPOSITIVE 13 : Analyse des émissions de GES – Analyse financière
Le modèle RETScreen de projets de production de chaleur et de froid emploie les mêmes analyses d'émissions et financière RETScreen standard des autres modèles. Ces outils à la fois simples et puissants font l'objet d'un examen plus approfondi dans les présentations « Analyse des émissions de GES » et « Analyse financière et du risque » du cours de formation RETScreen. Pour des analyses simplifiées tenant sur une seule feuille de calcul, choisir la Méthode 1 de la page de démarrage. Pour des analyses plus approfondies comportant des analyses d'émissions et un sommaire financier séparés, choisir la Méthode 2.

DIAPOSITIVE 14 : Exemple 1 Production de chaleur ou de froid
À l'aide de quelques exemples, voyons comment RETScreen peut aider à déterminer la viabilité de projets de production de chaleur ou de froid. Commençons par l'examen d'un système à la fois simple et répandu : une chaudière consommant du gaz naturel. Nous allons comparer une chaudière à rendement moyen avec une chaudière à condensation, à rendement élevé. La base de données de projets contient une étude de cas nous permettant d'effectuer une telle comparaison.

Ouvrons la base de données de projets.

Sélectionnons l'onglet Études de cas.

Sélectionnons ensuite Projet de production de chaleur - Chaudière – Canada – Vancouver - Bureaux.

Notez que l’on peut obtenir une description plus précise de ce projet en cliquant sur le bouton d'aide (le point d’interrogation) en bas à droite de la fenêtre de la base de données de projets.

Récupérons donc l'analyse RETScreen du projet en cliquant sur la coche verte.

Une fois l'étude de cas ouverte, on constate que, tel que prévu, RETScreen est configuré dans la feuille de démarrage pour un projet de production de chaleur à l'aide d'une chaudière. Remarquez également le choix de la convention Pouvoir calorifique supérieur pour le contenu énergétique du combustible; cela est logique, puisque cette convention est généralement utilisée en Amérique du Nord. Les données climatiques pour l'aéroport international de Vancouver ont été choisies dans la base de données climatique. Lorsque l'on clique la case Afficher données, on constate que la température théorique de chauffage pour cet emplacement à climat doux est de – 4,5 °C. C'est-à-dire que la température extérieure sera supérieure à - 4,5 °C durant 99 % du temps. Nous constatons aussi que quoique les degrés-jours de chauffage atteignent leur maximum en janvier, les degrés-jours de chauffage pour juillet et août ne sont pas à zéro; ceci reflète le climat maritime de Vancouver.

Une analyse Méthode 1 simplifiée a été choisie sur la page de démarrage. Cela signifie que seul un petit nombre de données doivent être fournies dans la feuille Modèle énergétique. Passons à cette feuille en cliquant sur l'onglet Modèle énergétique.

Les paramètres des 4 premières lignes permettent de caractériser la charge. La surface de planchers chauffés du bâtiment a été entrée, et il a été indiqué qu'à la température théorique de chauffage, la charge de chauffage de locaux pour le bâtiment sera 55 W/m². Si nous désirons valider la valeur ce paramètre, nous pouvons consulter le manuel d'aide en ligne. Il suffit de cliquer sur l'icône Point d'interrogation de la barre flottante d'outils de RETScreen pour ouvrir la page d'aide et cliquer ensuite jusqu'à l'affichage du tableau de charge de chauffage du bâtiment.

En extrapolant à - 4,5 °C les courbes qui y figurent, nous constatons que la charge de chauffage spécifiée de 55 W/m² est raisonnable pour un bâtiment possédant un enveloppe de qualité moyenne au niveau de son isolation thermique. Sur une année, les besoins d'eau chaude sanitaire s'élèvent à 10 % de la charge de chauffage des locaux d'un immeuble de bureaux typique. Cette charge est donc ajoutée à la charge de chauffage des locaux. En se basant sur les degrés-jours de chauffage, RETScreen calcule la quantité totale annuelle d’énergie sous forme de chaleur qui devra être fournie à ce bâtiment, soit 1 072 MWh. C’est la même quantité de chaleur qui est employée pour le cas de référence et pour le projet proposé; si une valeur autre que zéro était entrée pour tenir compte de Mesures d’efficacité énergétique qui pourraient faire partie du projet proposé, les besoins de chaleur du projet proposé seraient réduits d’autant.

On caractérise ensuite le système de production de chaleur de base. Pour le cas de référence, l'équipement employé n'a réellement que peu d'importance : tout ce que nous devons savoir est combien de combustible il consomme pendant une année et combien coûte ce combustible.

Ce qu’il est ensuite important de savoir c’est le surcoût du système du projet proposé par rapport au système du cas de référence. Le système de base du cas de référence est une chaudière au gaz naturel avec un rendement de 80 %. Pour le projet proposé, nous avons choisi des chaudières à condensation offrant un rendement de 88 % et dont le total des capacités est de 4,0 millions BTU/h. Les chaudières du projet proposé coûtent 66 000 $ de plus que celles du cas de référence. Dans les deux cas, le prix du gaz naturel est de 9,00 $/GJ.

Sur la base de cette information, RETScreen calcule que le système consommera 4 800 GJ de gaz naturel par année dans le cas de référence, mais moins de 4 400 GJ dans le projet proposé. Le coût annuel de combustible passera de 43 400 $ à 39 500 $.

Après le groupe de données caractérisant le système de base, on trouve un autre ensemble de données concernant le système de pointe. Comme le système de base suffit déjà à combler la charge de pointe, RETScreen présume que tout système pour charge de pointe serait inutilisé et ne consommerait aucune quantité de combustible. Pour cette raison, et parce qu’aucun surcoût n'a été associé à un système de pointe, l’ensemble de ces données n’a aucun impact sur l'analyse et nous n’avons pas besoin d’y consacrer plus de temps.

La section Analyse des émissions calcule la réduction annuelle nette d'émissions de GES du cas proposé par rapport au cas de référence. Pour le cas de référence, la combustion de gaz naturel émet près de 240 tonnes d'équivalent CO₂. Dans le projet proposé, les émissions sont réduites proportionnellement aux économies de gaz naturel. L'économie annuelle est d'environ 20 tonnes d'équivalent CO₂. Le calculateur d'équivalences de RETScreen nous aide à évaluer concrètement cette valeur. Il nous indique que 22 tonnes d'équivalent CO₂ annuel est comparable au retrait de la circulation de quatre à cinq voitures et camionnettes, ou l’équivalent de 22 nord-américains moyens réduisant leur consommation énergétique de 20 %, ou encore à éviter la consommation de 45 barils de pétrole brut.

L'étude de cas présentée considère que l'exploitant du bâtiment ne retirera aucun bénéfice direct de ces réductions d'émissions de GES; c’est ce qui explique le 0 $ que l’on voit comme crédit de 0 $ par tonne d'équivalent CO₂. Pour des projets de bien plus grande envergure, ou en regroupant de nombreux projets de ce type, il serait alors possible d’envisager obtenir des revenus substantiels de la vente de crédits pour réductions d'émissions de GES à, disons, 20 $ la tonne. Mais pour un si petit projet, les émissions de GES représenteraient environ 400 $ par année. Une telle somme ne rembourserait jamais les frais d’accréditation de cette réduction et les frais de courtage pour leur mise en marché. En revanche, même si l’utilisateur ne peut pas tirer un bénéfice de cette réduction d’émissions, il peut être parfois utile de faire figurer cette valeur qui est une façon de quantifier concrètement la valeur environnementale du projet.

Pour procéder à l'analyse financière, nous voyons qu’un certain nombre de paramètres financiers, tels que le taux d'inflation, la durée de vie du projet et le ratio d'endettement doivent être fournis au modèle. Les coûts d'exploitation et d'entretien sont à zéro, ce qui ne signifie pas qu’il n’y en a pas mais que l’on suppose que ces frais sont les mêmes dans les deux projets : le cas de référence et le projet proposé. En effet, n’oublions pas que pour une telle analyse comparative, les coûts demandés sont en réalité le plus souvent les surcoûts d’une solution par rapport à l’autre.

Ainsi que l'indique le graphique des flux monétaires cumulatifs, il s'agit d'un projet à la limite de la rentabilité. RETScreen calcule que la période de récupération simple est supérieure à 15 ans, et que le projet présente un taux de rendement interne avant impôt de seulement 5 %.

Une analyse Méthode 1 de RETScreen n'exige rien de plus. Mais il existe bien des moyens de modifier cette analyse dans le but d'étudier différents scénarios et options. Par exemple, imaginez que le cas de référence est une chaudière à mazout et que le prix du mazout est de 0,60 $ le litre. Nous pouvons vérifier qu'un tel projet serait beaucoup plus intéressant que celui que nous venons d'examiner, avec un TRI avant impôts de 57 % et un retour simple de 1,9 années.

Examinons maintenant un projet de production de froid. Les systèmes de réfrigération de la glace des patinoires intérieures consomment des quantités importantes d'énergie. Une amélioration du COP de ces systèmes devrait donc en réduire notablement les coûts d’exploitation. Un des moyens d'améliorer le COP des systèmes à compresseur est de permettre à la pression de refoulement de ceci de varier, ou « flotter » selon les conditions d’exploitation, la température extérieure, notamment.

Dans la plupart des systèmes de production de froid, le compresseur produit toujours le gaz frigorigène à la même pression. Cette pression détermine automatiquement la température de condensation à laquelle la chaleur extraite de la charge de refroidissement est évacuée dans l'air ambiant. Afin que le condenseur puisse évacuer toute cette chaleur en tout temps, sa température doit donc être bien plus élevée que la température extérieure. Ainsi, la pression de refoulement du compresseur doit être réglée à un niveau assez élevé pour que l'évacuation de chaleur puisse se produire la journée la plus chaude de la saison d’utilisation de la patinoire.

Dans certains systèmes, la pression de refoulement du compresseur n'est pas fixe, mais plutôt réglée en fonction de la température de l'air extérieur. Lorsque la température extérieure est plus fraîche, la température de condensation peut également être plus basse, et le compresseur peut comprimer le gaz frigorigène à une pression plus faible. Puisque la compression d'un gaz exige beaucoup de travail, ce mode d’opération améliore le COP du système.

Examinons cela pour une patinoire de Madison, au Wisconsin; il existe une étude de cas pour cette comparaison dans la base de données de projets RETScreen.

La patinoire est ouverte de la mi-septembre à mai, soit environ 5 500 heures par année. La charge de réfrigération de pointe est de 80 kW, et l'électricité coûte 0,10 $ par kWh. Il est estimé que le passage de la pression de refoulement du compresseur de fixe à flottante haussera le COP saisonnier de 1,75 à environ 2,80. Un système de contrôle plus sophistiqué est nécessaire pour assurer que la pression ne chute pas trop bas, et ce système coûtera un peu moins de 1 000 $.

Lorsque nous ouvrons cette étude de cas, nous constatons immédiatement l'emploi d'une analyse type Méthode 2. Ce niveau plus détaillé d'analyse, nécessaire pour ce projet plus complexe, comprend des feuilles séparées pour le modèle énergétique, l'analyse des coûts, l'analyse des émissions et l'analyse financière. Elle comprend également une feuille Charge et réseau. Cliquons sur cet onglet.

La cellule du système de production de froid de base indique que nous modéliserons cette charge comme un procédé plutôt que comme une charge de climatisation. Nous présumons ainsi que la charge de froid typique sera relativement semblable à la charge de froid de pointe. Le COP de 1,75, la capacité de 80 kW et le coût d'électricité pour le système du cas de référence ont été entrés. Nous souhaitons pouvoir spécifier les mois d’opération de cette patinoire. C’est pourquoi les caractéristiques « détaillées » de la charge de froid pour procédé ont été choisies, de façon à ce RETScreen nous permette d’entrer pour chaque mois de l’année combien de temps la patinoire a été entretenue : 100 % pour les mois d'octobre à avril, 0 % pour les mois d'été et 50 % pour le mois de septembre. Le graphique représente la charge de froid; elle est la même pour le cas de référence et le projet proposé. RETScreen confirme que cela représente 5 500 heures de fonctionnement, et que la production totale de froid de 440 MWh exige 252 MWh d'électricité par année, soit 25 152 $ d'électricité.

La feuille Modèle énergétique contient les paramètres qui décrivent le système du projet proposé. La seule différence, relativement au système du cas de référence, est le COP de 2,83. Le sommaire montre que la consommation d'électricité n'est maintenant plus que de 156 MWh par année.

Sur la feuille séparée Analyse des coûts, une ligne intitulée « Mesures d’efficacité énergétique–condenseur » contient les coûts supplémentaires de 840 $ pour le système de contrôle. Les réductions d'émissions de GES découlant de la consommation réduite d'électricité sont basées sur les émissions moyennes associées aux différents modes de production d’électricité sur l’ensemble des États-Unis. RETScreen montre, avec cette hypothèse, que la réduction annuelle de GES atteint 56 tonnes d'équivalent CO₂.

La feuille Analyse financière nous démontre clairement qu'il s'agit d'un projet particulièrement rentable, ce qui n’est pas étonnant quand on réfléchit à l’importance notable de l’amélioration de COP pour un coût de modification aussi faible.

Comme dans l'exemple de production de chaleur, ce projet n’est qu’un autre exemple des nombreux types de projets que vous pouvez étudier à l'aide de RETScreen selon différents scénarios. Dans le dernier cas, par exemple, on pourrait comparer le système du cas de référence à une option peu courante, une machine à absorption ammoniac-eau, dont la source de chaleur provient de la combustion de gaz naturel. Supposons que le prix du gaz naturel soit de 9,00 $/GJ. Imaginons que nous voulons remplacer l'équipement existant et que l'appareil à absorption présente un COP de 0,6 et coûte 200 $ par kW de capacité frigorifique.

Sur la feuille Analyse des émissions, nous constatons maintenant que les émissions du projet proposé ne sont plus fondées sur le facteur d'émissions de la production d'électricité aux É.-U., mais plutôt sur celui de la combustion de gaz naturel. Les émissions sont tout de même réduites, mais moins qu'avant.

La feuille Analyse financière montre que ce projet n'est pas très intéressant. Nous pouvons alors nous faire la réflexion que le problème vient peut-être que nous remplaçons un équipement déjà existant et qu’il n’ya pas de coûts crédités à ceux de la machine à absorption. Quelle serait la rentabilité de l’option à absorption si nous la comparions à l'installation d'un nouveau système à compresseur ? Prenons comme hypothèse que le coût par unité de puissance frigorifique des deux systèmes soit le même, ce qui se traduit par un surcoût de 0 $ dans l'analyse des coûts. Supposons également que cette nouvelle installation profite de la plus récente technologie de compresseur et qu'il permette une pression de refoulement flottante. Nous modifierons alors le COP du cas de référence dans la feuille Charge et réseau.

En revenant à la page Analyse financière, nous constatons que ce projet à absorption semble encore moins intéressant. On pourrait alors se demander pourquoi quelqu'un songerait même à employer un système à absorption. La diapositive suivant montre un cas où son emploi est justifiable.

DIAPOSITIVE 15 : Exemple 2 : Production de chaleur et de froid
Jusqu'à maintenant, nous avons étudié les systèmes de production de froid à l'aide d'une analyse Méthode 2 détaillée. Voyons si nous pouvons simplifier les choses à l'aide d'une analyse Méthode 1. Nous constatons immédiatement un problème : la feuille Charge et réseau n'existe plus. Or, il s'agissait de la feuille qui nous avait permis de spécifier l'exigence de refroidissement en tant que charge de procédé.

Mais, dans le cas de notre analyse de système à absorption, ce n'est pas vraiment un problème. La chaleur pour le système à absorption doit provenir de quelque part, étudions donc le système de production de froid conjointement avec le système de production de chaleur. Dans la feuille Démarrage, nous choisissons « Production de chaleur et de froid » comme type de projet. Nous découvrons alors qu’une conséquence de ce choix d’une configuration plus complexe est de justifier l'emploi d'une feuille Charge et réseau, même pour une analyse de type Méthode 1. Le système de production de froid et la charge du cas de référence y figurent déjà.

Une autre fonctionnalité intéressante de RETScreen nous attend dans la feuille Modèle énergétique : comme nous avons choisi une machine à absorption et un projet de production de chaleur et de froid, le modèle considère automatiquement que la machine frigorifique sera alimentée par le système de production de chaleur. Cela nous donne accès à tous les choix du menu déroulant de types de combustible. Nous ne sommes donc plus limités à un seul combustible : nous pouvons en employer jusqu'à trois différents au cours d’une année, avec leur consommation spécifiée sur une base mensuelle ou sous forme de pourcentage. De plus, nous pouvons opter pour l'emploi d'un système intermédiaire en plus d'un système de base.

Considérons cette patinoire dans un autre endroit, non plus à Madison, mais dans une petite municipalité avoisinante, et qu’elle se situe près d'une école, d'un centre communautaire ou d'un autre bâtiment institutionnel. Ce serait peut-être valable de relier les deux systèmes de production de chaleur et de froid des deux bâtiments. Le système de production de chaleur fournirait le chauffage des locaux du bâtiment institutionnel ainsi que la chaleur nécessaire au système de production de froid à absorption, qui lui, alimenterait la charge de refroidissement de procédé de l'aréna et les besoins de climatisation du bâtiment institutionnel.

Ensuite, supposons qu'il existe une scierie aux environs et qu'il est possible de s'y procurer gratuitement ou à bas coût de la sciure de bois et des résidus d’écorce. Nous pouvons alors ajouter au projet un système de combustion à biomasse. Puisqu’une telle installation est coûteuse, il faut pouvoir l’exploiter le plus longtemps possible à sa pleine capacité ou presque. La logique veut donc que l’installation à biomasse soit considérée comme système de base. Pour les systèmes intermédiaires et de pointe, nous emploierons du gaz naturel.

En ce qui concerne le cas de référence, la production de chaleur sera assurée par une chaudière au gaz naturel et la production de froid par un compresseur électrique.

Commençons avec la feuille Charge et réseau dans laquelle nous définissons la charge et le système de production de chaleur et de froid du cas de référence. On a supposé que le bâtiment voisin de l’aréna possède une surface de planchers chauffés de 3 000 m². Pour le cas de référence, nous utilisons une chaudière avec un rendement de 80 %. Compte tenu de la température extérieure de calcul de chauffage de -20 °C et de la charge de chauffage du bâtiment figurant dans le menu d'aide RETScreen, on peut évaluer la charge de chauffage par unité de plancher chauffé à environ 60 W/m². La fourniture d’eau chaude sanitaire est estimée équivalente à 10 % des besoins annuels de chauffage des locaux.

Nous ajouterons la charge de climatisation du bâtiment voisin à la charge de refroidissement de procédé de l'aréna. Compte tenu de la température extérieure de calcul de climatisation de + 30 °C, la charge de climatisation est évaluée à 40 W/m². Nous pouvons vérifier que le graphique des caractéristiques de la charge du cas de référence contient bien la charge de climatisation de locaux; elle apparaît durant les mois de fermeture de l'aréna.

Ensuite, dans la feuille Modèle énergétique, nous définissons le système du projet proposé. L'appareil à absorption étant en mesure de fournir 97 % de la climatisation requise, nous ignorerons la suggestion de RETScreen de prévoir un système de pointe. La comparaison est équitable entre les deux options, puisque nous disposons d'une capacité de production de froid de 80 kW à la fois dans le cas de référence et dans le projet proposé. Jusqu'à maintenant, nous avons supposé que le coût de la capacité de refroidissement est â peu près le même pour les systèmes à absorption et pour les systèmes à compresseur. En réalité le système à absorption est beaucoup plus onéreux. Nous supposerons que le surcoût du système à absorption par rapport au système à compresseur est de 200 $ par kW de capacité frigorifique.

Pour le système de production de chaleur du cas proposé, nous utilisons des systèmes de base, intermédiaire et de pointe. Le système de base est à biomasse. Nous présumons que son combustible se compose à 50 % de sciure et à 50 % d'écorce de bois; nous pouvons entrer les deux en sélectionnant « pourcentage-combustibles multiples » pour la méthode de sélection de combustible. Pour maintenant, présumons que la sciure et l'écorce de bois sont disponibles gratuitement.

Nous devons maintenant spécifier la capacité de notre système à biomasse de base. Revenant à la feuille Charge et réseau, nous examinons le graphique des caractéristiques de la charge du système du projet proposé. Si la capacité de notre système à biomasse est de 120 kW, il fonctionnera au-dessus de 80 % de sa capacité nominale tous les mois de l’année sauf en mai. Nous indiquons 120 kW comme capacité dans la feuille Modèle énergétique, et supposons un rendement de 75 %. Nous estimons également que le surcoût de l’installation à la biomasse, est d’environ 500 $ par kW thermique de plus qu’une installation de même ampleur au gaz naturel.

Une chaudière au gaz naturel sera employée comme système intermédiaire de production de chaleur. Choisissons une capacité de 70 kW et un rendement saisonnier de 75 %, soit légèrement inférieur que ce que nous aurions dans le système de base. Puisque cette capacité est nécessaire à la fois dans le cas de référence et le projet proposé, son surcoût est de 0 $.

Un système de production de chaleur de pointe est nécessaire dans le projet proposé. RETScreen nous dit qu'il manque 123 kW au total de 190 kW des capacités de nos systèmes de base et intermédiaire. Nous entrons une capacité du système de pointe de 130 kW. Remarquez que cela n'est pas nécessaire pour le cas de référence, qui n'exige que 180 kW de capacité de production de chaleur. Cette capacité de pointe est donc intégralement un surcoût du projet proposé. Le graphique de conception du système montre que si le système de pointe représente plus de 40 % de la capacité totale de notre installation, il fournira moins de 8 % de l’énergie thermique requise par le projet. C’est pourquoi nous n’avons pas besoin d’investir dans un équipement performant de qualité. Un équipement économique, même s'il n'est pas très efficace pourra suffire : nous choisissons une chaudière au gaz naturel avec un rendement de 55 %, qui ne coûte que 50 $ par kW de capacité.

Passons à l'analyse financière : nous indiquons 2 % comme inflation, une durée de vie du projet de 25 ans, un ratio d'endettement de 50 %, un taux d'intérêt sur la dette de 7 % et une période de 15 ans pour le remboursement de la dette. Notre projet est très intéressant : il offre un taux de rendement interne avant impôt de presque 35 % sur les fonds propres investis avec un ratio d’endettement de 50 %. Malgré cela, sa période de récupération simple de 4 ans est relativement longue. Ceci démontre comment des projets très rentables peuvent être rejetés si on les regarde seulement du point de vue de la rapidité du retour sur investissement plutôt que du point de vue du rendement sur l’investissement.

Nous avons supposé que les déchets de bois étaient gratuits. Cette hypothèse est peu réaliste. Examinons ce que l’on pourrait accepter comme coût pour l'achat et le transport des déchets de bois pour maintenir un rendement du capital investi supérieur à 15 %. À l'aide d'une formule Excel, commençons par écrire que le prix du combustible pour l’écorce de bois sera égal à celui de la sciure. Nous allons ensuite la fonction ‘’Valeur cible’’ d'Excel, située sur la barre d'outils flottante de RETScreen, pour laisser Excel calculer pour nous le prix de la sciure qui permet à la cellule Taux de rendement interne TRI d’avoir une valeur de 15 %. Le résultat nous indique que l’on peut se permettre un coût d’approvisionnement en résidus de bois de 35 $ la tonne, pour que notre projet demeure rentable selon le critère d’un TRI supérieur à 15 %. Cela confirme qu'un projet de production de froid à absorption peut être intéressant lorsqu'il existe une source de combustible économique.

Le système que nous avons examiné ici n'est pas du tout commun, et peut-être même pas très réaliste. Notre objectif n’était pas de vous montrer comment concevoir une installation mais de vous montrer comment les nombreuses fonctionnalités de RETScreen peuvent vous aider à concrétiser vos idées créatives et innovantes pour la production de froid et de chaleur en différents scénarios de projets avec une évaluation financière comparative de leur viabilité.

DIAPOSITIVE 16 : Questions?
Ceci termine cette présentation sur l'analyse avec RETScreen de Projets de production de chaleur et de froid.