Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'AMI FONGEOSEC, porté par FONROCHE GEOTHERMIE, dont l'objectif, pour répondre aux enjeux énergétiques posés par le réchauffement climatique, est de réaliser un démonstrateur de centrale géothermique haute enthalpie innovante où la source géothermale servira à la cogénération de chaleur et d'électricité (par le biais d'un cycle organique de Rankine).

En ce qui concerne les activités de surface, outre l'optimisation économique du cycle de Rankine et de la répartition de la source géothermale, le LaTEP (Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés) a pour objectif de développer un outil de simulation dynamique d'un réseau de chaleur « moderne » à débits variables dans les différentes branches. En effet, classiquement, les réseaux de chaleur utilisent des débits constants avec des systèmes de by-pass et/ou de stockage pour gérer les variations de demande des consommateurs.

Le modèle proposé ici est un modèle quasi-dynamique dans lequel la propagation dynamique de la température de l'eau dans les canalisations est décrite, tandis que les caractéristiques hydrauliques sont recalculées à chaque instant pour répondre aux appels de puissance thermique demandés par les consommateurs. Le système est constitué d'une unité de production de chaleur, d'un réseau de canalisations d'eau enterrées, qui distribuent la chaleur, et de consommateurs représentés par des échangeurs thermiques auxquels la chaleur est délivrée. Les canalisations peuvent être divisées en deux parties : la partie d'alimentation (1) dans laquelle l'eau « chaude » circule de la centrale géothermique vers les consommateurs ; une fois que les consommateurs ont été alimentés, l'eau « froide » circule dans la partie retour (2) vers la centrale géothermique pour former une boucle d'écoulement fermée. Les canalisations d'eau sont constituées de trois couches : le matériau des tuyaux même, l'isolation, et le casing. L'écoulement, à l'intérieur de ces canalisations, est considéré comme unidirectionnel.

A chaque instant, les débits massiques des canalisations alimentant directement les consommateurs sont recalculés, de manière à satisfaire l'appel de puissance, en négligeant l'inertie et l'accumulation des échangeurs thermiques. Les débits de toutes les autres canalisations du réseau peuvent être calculés en résolvant l'ensemble des bilans de matière sur les noeuds connectant les canalisations. Les inerties de l'isolation et du casing étant négligées, les équations des bilans d'énergie sont écrites pour l'eau et pour le tuyau. Une méthode de volumes finis est utilisée pour discrétiser les canalisations afin de transformer les équations aux dérivées partielles en systèmes d'équations différentielles ordinaires où l'unique variable d'intégration est le temps.

Pour l'intégration en temps, une méthode de Runge-Kutta-Merson, d'ordre 4 à pas de temps adaptatif, est employée. Pour un cas d'étude comprenant différents types de consommateurs, les résultats obtenus pour les variations des puissances délivrées et des débits massiques seront analysés afin de démontrer le bon contrôle des débits permettant de respecter les appels de puissance des consommateurs.

Ces travaux s'inscrivent dans une démarche globale qui vise à proposer une gestion dynamique optimale des réseaux de chaleur et ouvrent la perspective à l'intégration des éléments de stockage.