Les réseaux de chaleur et de froid au Japon

Les informations présentées dans cet article proviennent essentiellement des 2 sources suivantes :

Plus que dans tout autre pays du monde, les réseaux de chaleur au Japon sont également des réseaux de froid : depuis le milieu des années 1990, ils distribuent davantage de froid que de chaleur. Aujourd’hui, les réseaux de chaleur et de froid sont intégrés dans la stratégie japonaise pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre, qui s’appuie sur une amélioration de l’efficacité énergétique, le développement de réseaux multi-énergie interconnectés, et la mobilisation de sources d’énergies renouvelables et de récupération encore sous-exploitées.

Historique de la chaleur et du froid urbains au Japon

Exposition universelle d'Osaka - 1970Le premier réseau de chaleur et de froid japonais a été mis en place en 1970 sur le site de l’exposition universelle d’Osaka. Ce dispositif était vu à l’époque comme un moyen de contribuer à la préservation de la qualité de l’air, dans un contexte de forte croissance économique du pays. Les gouvernements locaux ont alors accéléré l’adoption des réseaux, en particulier dans les métropoles comme Tokyo.

A partir de 1972, les installations de production de chaleur et de froid d’une puissance de 21GJ/h (soit environ 5,8 MW) sont considérées comme des infrastructures de service public. Cette puissance correspond approximativement à la capacité nécessaire pour climatiser 2500 logements ou 50000m² de bureaux. Les exploitants de telles installations doivent en conséquence obtenir une licence délivrée par le ministère sous conditions de tarifs et avec l’engagement de couvrir de façon permanente les besoins de chaleur et de froid dans la zone définie.

En 1975, le Japon compte 21 réseaux en service. De nombreux projets de développement sont prévus dans de nombreuses villes, mais les crises pétrolières entraînent un ralentissement de la croissance du marché du chauffage et du froid urbains. Ainsi, seuls 15 nouveaux réseaux apparaissent entre 1975 et 1980.

Les années 80 sont économiquement plus fastes pour le Japon, ce qui a des répercussions positives sur le développement des réseaux. En 1986, 42 réseaux de chaleur et de froid sont en fonctionnement. En 2002, ils sont 147, exploités par 90 opérateurs. Depuis, ces nombres ont peu évolué ; selon l’association japonaise du chauffage urbain, cette stagnation est largement liée au fait que le développement urbain à grande échelle est en déclin.

Situation actuelle

En 2008, il y a 148 réseaux au Japon, exploités par 86 opérateurs. Ils sont concentrés dans les zones urbaines les plus denses et desservent en tout 48674000 m² de surface construite, avec une quantité totale d’énergie (chaleur + froid) livrée de 25 millions de GJ (soit environ 0,6 Mtep). En volume, le froid est plus important que le chauffage : en 2007, les réseaux ont distribué 15400 TJ de froid (0,37 Mtep), contre 9600 TJ de chaleur (0,23 Mtep). La consommation de froid est supérieure à la consommation de chaleur depuis 1994 ; depuis le début des années 2000, la consommation de chaleur est stable, tandis que la consommation de froid continue d’augmenter régulièrement.

Evolution de la demande de chauffage et de froid urbains au Japon entre 1985 et 2007 (source JHSUA)

Les énergies fossiles sont les principales sources des réseaux. Les équipements utilisés aujourd’hui exploitent la cogénération. L’utilisation de pompes à chaleur et la récupération de chaleur de l’incinération des déchets, des réseaux d’eaux usées et des métros se développent.

L’association japonaise du chauffage et du froid urbains évalue entre 30% à 60% les gains en matière d’émission de CO2 permis par les réseaux actuels, comparativement aux autres solutions de production de chauffage et de climatisation.

Une étude conduite par le ministère de l’économie, du commerce et de l’industrie a quant à elle montré que le chauffage et le froid urbains permettent d’économiser en moyenne 15% d’énergie.

Principaux avantages des réseaux de chaleur et de froid dans le contexte actuel au Japon

  • économies d’échelle grâce à la taille des réseaux et au système de contrôle centralisé, permettant d’utiliser des sources d’énergie à haute efficacité énergétique et des sources non exploitables dans des systèmes individuels
  • réduction de la consommation énergétique mais aussi réduction des nuisances, telles que la pollution de l’air, la pollution sonore, les vibrations engendrées par les systèmes individuels de chaleur et de climatisation
  • sécurité : pas d’équipements ni de produits dangereux dans les immeubles ;
  • économie d’espace dans les immeubles ; pas de cheminées et tours de refroidissement sur les toitures, intérêt esthétique et architectural

Perspectives

Afin d’atteindre ses objectifs en matière de réduction des émissions de gaz à effet de serre, le gouvernement japonais souhaite passer d’une logique de systèmes énergétiques en « patchwork » (systèmes à l’échelle d’un bâtiment ou d’un lieu) à une approche intégrée, autour du concept de « Aera Energy Network » (systèmes à l’échelle de plusieurs bâtiments ou d’une zone). Ceci afin d’atteindre plusieurs objectifs :

  • permettre à plusieurs bâtiments de bénéficier de l’efficacité énergétique accrue des systèmes de production centralisée
  • permettre des interconnexions entre les installations et les bâtiments
  • utilisation de sources actuellement sous-exploitées

Le chauffage et le froid urbain sont ainsi vus par le gouvernement japonais comme un moyen important de contribuer à la réduction des émissions nationales de GES.

le quartier de Tokyo Sky Tree actuellement en construction sera alimenté par le premier réseau de chaleur géothermique japonais (photo: TOBU RAILWAY CO. & TOBU TOWER SKY TREE CO)

Une des pistes pour l’évolution des réseaux au Japon est la « trigénération », qui permet de produire sur un même site de la chaleur, du froid et de l’électricité. Ils bénéficieront par ailleurs plus facilement (comparativement à des systèmes individuels) des avancées techniques en matière de production d’énergie à haute efficacité. Les réseaux de chaleur et de froid seront par ailleurs une maille des futurs réseaux d’énergie intelligents (« smart grids »), qui s’appuieront sur les technologies de l’information et de la communication pour optimiser la gestion des multiples sources d’énergie disponibles, en fonction des fluctuations de la demande et de la production.

Les réseaux permettront dans les années à venir de développer l’utilisation de sources d’énergies aujourd’hui sous-exploitées, telles que la chaleur des rivières et de la mer, la géothermie, la chaleur des égouts, le froid de la neige et de la glace, la chaleur de récupération de l’incinération des déchets et des réseaux ferroviaires souterrains. Projet emblématique, le quartier de Tokyo Sky Tree actuellement en construction sera alimenté par le premier réseau de chaleur géothermique japonais.

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4 réflexions sur “ Les réseaux de chaleur et de froid au Japon ”

  1. Copie de l’article original (Creative Commons BY-NC-SA) – Source : Japan For Sustainability – juin 2009

    A Key to Urban Comfort and Efficiency
    Japan’s District Heating and Cooling Systems
    JFS Newsletter No.82 (June 2009)

    Introduction

    Most Japanese use air conditioners to live indoors comfortably throughout the year. Some cities have district-wide heating and cooling systems, which distribute cold water, hot water, and steam produced at one or more heat generation plants, to buildings in a limited area to be used for cooling, heating, and hot-water supply. This month’s newsletter introduces the current state of Japan’s district heating and cooling systems.

    Shinjuku is a major shopping, entertainment and business district within Tokyo, and the home of many tall skyscrapers, including two office towers of the Tokyo Metropolitan Government. This business district is where one of Japan’s district-wide heating and cooling systems is in operation. Cold water and steam generated with natural gas at the Shinjuku District Heating and Cooling Center are supplied to buildings in the system’s service area for use by air conditioners. This center has freezing capacity of 207,680kW and heat capacity of 173,139kW in the total service floor area of 2,200,000 square meters, which is the largest capacity in Japan and is one of the largest in the world.

    A district heating and cooling system requires an extensive plumbing network, but it also has a number of advantages compared to heating and cooling systems installed in individual buildings. District heating has economies of scale due to its large size and centralized control system, making it possible to employ highly efficient thermal sources and even untapped low-temperature thermal sources. Thus, this type of system can contribute not only to energy conservation but also to reduction in public nuisances, such as air and noise pollution and unpleasant vibrations, due to more effective facility management. In addition, safety concerns can be mitigated, since buildings do not need to be equipped with potentially dangerous facilities or materials, such as their own air-conditioning plants or fuel supply. As well, the space that would otherwise be used for air-conditioning equipment in buildings can be used for other purposes. Chimneys and cooling towers are not necessary, either, so the aesthetic aspects of buildings and cityscapes are improved.

    According to a survey on energy conservation by Japan’s Ministry of Economy, Trade and Industry, district heating is more efficient than individual systems installed in individual buildings, in terms of energy conservation, by 12 percent when a general district heating method is employed, 15 percent when a cogeneration system using exhaust heat is employed, and 22 percent when otherwise untapped energy is used. As a whole, an average energy saving of about 15 percent can be realized by using a district heating system.

    History of Japan’s District Heating and Cooling Systems

    The first district heating and cooling system in Japan was introduced at the site of Osaka EXPO in 1970. In those days, environmental pollution was becoming a serious issue as it grew with Japan’s rapidly growing economy, and thus, the regulation of air pollution, in particular, was becoming more stringent. Many local governments were accelerating the adoption of district heating and cooling systems as an effective measure to mitigate air pollution, and this approach was rapidly introduced, particularly in metropolitan areas such as Tokyo.

    Against this backdrop, district heating and cooling systems became subject to government control under the Heat Supply Business Act, established in 1972, under which a heat supply facility with a capacity of 21 gigajoules (GJ) or more per hour was regarded as a public utility. (The thermal capacity of 21 gigajoules corresponds to the capacity needed to operate 2,500 air conditioners for general household use, or to air-condition an area of 50,000 square meters of office floor space.) A heat supplier operating such a facility must obtain a license from the Minister of Economy, Trade and Industry, obtain approval for rates and other supply conditions, and always satisfy the needs for heating and cooling in its service area. These requirements are defined by the Act to secure the protection and safety of consumers.

    During a period of three years from fiscal year 1972, 16 heat supply operators obtained new licenses, bringing to 21 the total number of service districts that had begun operations. In various areas throughout Japan, new heat supply projects were planned, but the heavy impact of the steep rise in oil prices caused by two oil crises from the end of 1973 forced the growth of the heating and cooling business to be scaled back. The number of newly licensed heat supply operators and the service districts starting operations was 4 and 11, respectively, for the six-year period from FY1975 to FY1980.

    Due to a fall in raw material and fuel prices because of a decline in oil prices, plus appreciation of the yen after the oil crises, the management of heat supply operators gradually became more stable, and a new development phase began in 1981 with an increase in the number of newly licensed operators. From around 1986, in particular, district heating and cooling systems were introduced in various areas, mainly in Tokyo, as urban redevelopment progressed.

    In FY1986, there were 32 heat suppliers operating in 42 service districts, and their sales totaled 37.2 billion yen (about U.S.$380 million), while in FY2002, the number of operators reached 90, the number of service districts grew to 147, and total heat sales reached 151.4 billion yen (about U.S.$1.55 billion), but these figures have hardly grown since then. According to the Japan Heat Service Utilities Association, it is largely because large-scale urban development has been on the decline.

    The Japan Heat Service Utilities Association
    http://www.jdhc.or.jp/en/

    At the end of FY2007, the numbers of heat supply operators and service districts were 86 and 148, respectively. There were 12 service districts in Hokkaido; 89 in the Tohoku and Kanto regions; 12 in the Chubu region; 27 in the Kinki, Chugoku, and Shikoku regions; and eight in the Kyushu region. The total service district area was 44,248,000 square meters and the total service floor area in buildings was 48,674,000 square meters. The quantity of heat sales was 25,071,818 GJ and total sales were 153,148 million yen (about U.S.$1.56 billion).

    By FY2007, the technology used by heat supply facilities had dramatically improved. The equipment, including chillers, had an increased capacity, employed higher-efficiency technology, and the use of cogeneration systems, in which heat is created simultaneously with electricity generation, became widespread. Also, heat pump systems, which recover heat from urban exhaust heat and untapped low-temperature heat reservoirs, such as river water and air, were adopted. The types of urban exhaust heat used include heat from waste incineration, wastewater heat, and waste heat from subways, among other sources.
    (Reference: Heat Supply Business Guide, FY2008 edition, published by the Japan Heat Service Utilities Association.)

    Recent Developments

    As an example of the latest type of district heating and cooling system in operation, we took a look at the state-of-the-art technology at the Makuhari District Heating & Cooling Center, operated by Energy Advance Co. This center supplies cold water at a temperature of 6.5 degrees Celsius and steam at a temperature of 170 degrees Celsius for air conditioning for the international business area in Makuhari New City (located in Chiba City, Chiba Prefecture) with an area of 61.6 hectares. Nine facilities in the area, including Makuhari Messe, an international convention complex, hotels, and office buildings, are currently supplied with cold water and steam. In total, a floor area of 660,000 square meters is covered by the center’s service.

    It has employed a steam boiler, a steam absorption chiller, plus a steam turbine-driven turbo chiller system that uses the burning of natural gas as a heat source since 1989. In March 2007, a high-efficiency gas-engine cogeneration system was added by introducing two gas-engine generator systems produced by the Wartsila Corporation in Finland. The electricity generated by these two systems — a 20-cylinder V-configuration engine, the 20V34SG, with an electric generating capacity of 8,730 kilowatts, and a 16-cylinder V-configuration engine, the 16V34SG, with an electric generating capacity of 6,970 kilowatts — is mainly used for the electric turbo chillers to produce cold water. Furthermore, water warmed when the engines are cooled is used as a heat source for the hot water absorption chillers.

    The heat of hot exhaust air from the engine systems is recovered in the form of steam by the exhaust heat recovery boilers. Together with steam from other boilers, the steam from the engine systems is supplied directly to heating and cooling systems and used to power chillers. These new gas-engine generator systems make it possible to respond to fluctuations in heat demand by the optimal combination of different systems.

    The power generation efficiency (lower heating value standard, or LHV standard) of these gas-engine systems is about 45 percent, which is beyond the demand-end efficiency of general thermal power plants. The system’s total efficiency, which is the efficiency of hot water plus that of exhaust heat recovery combined, is about 77 percent. The target for total energy efficiency (coefficient of performance, or COP) is set at 1.2, up from the current level of 0.7. (A COP of 0.7 means that output energy is 0.7 when input energy is 1.) Meanwhile, the system has already achieved a 24-percent reduction in fuel consumption and a 24,000-ton reduction of annual carbon dioxide emissions.

    One feature of the modifications in 2007 is that when more electricity is generated than the amount needed for the district’s own use, the surplus electricity can be sold to external entities. This became possible due to the change brought by deregulation aimed at electricity liberalization after the year 2000. As a result, power can be generated at a maximum output level without being constrained by the actual amount of use, and exhaust heat from power generation can be optimized, so that total efficiency can be improved.

    A visit to the Makuhari District Heating & Cooling Center gave the author a much better understanding of the potential future of district heating and cooling systems; the systems will likely grow out of conventional ones that supply only heat and be geared toward « district energy centers » that achieve significant energy saving by supplying both heat and electricity. The company Energy Advance regards the Makuhari District Heating & Cooling Center as a model case for a « district energy center, » and is aiming to introduce the same kind of system developed there in other districts after evaluating its performance.

    Makuhari District Heating & Cooling Center
    http://www.energy-advance.co.jp/area/makuhari_district.html (in Japanese)

    System flow of the center
    http://www.energy-advance.co.jp/area/makuhari_virtual.html

    Future Outlook

    These days, something called a « microgrid » system has started to attract attention in Japan. This is a system where various types of distributed power sources are linked together by a network in a region, and power generation and transmission within the region are controlled optimally. Distributed power sources include solar, wind, biomass, and power generated by cogeneration systems. As natural energy sources are not constant producers for use as power sources, and regional power demand fluctuates, it is essential to utilize information technology to control the entire network and secure a stable energy supply. An advanced district heating and cooling center will likely be a key facility in any microgrid system.

    Toward the creation of a working microgrid system, Tokyo Gas, a parent company of Energy Advance, is carrying out a study on something called a holonic energy system. The word « holonic » refers to « organic harmony between individuals and the whole. » In October 2006, the company built a holonic energy system (utilizing a gas engine, solar power, wind power, and a battery) in its Yokohama Research Institute and is conducting demonstration tests.
    http://www.tokyo-gas.co.jp/env/challenge/category01.html (Japanese only)
    http://www.tokyo-gas.co.jp/Press/20080331-01.html (Japanese only)

    Holonic energy systems are now attracting much attention for their potential in district heating and cooling centers and the greater use of renewable energy.

    Written by Kiyoshi Koshiba

  2. Bonjour,

    Cet article est très intéressant, je me suis penché sur le sujet et il semble que peu de statistiques à propos des réseaux de froid soient disponibles au niveau européen (même sur le site de Euroheat) et encore moins au niveau mondial…

    Auriez-vous quelques chiffres sur ces réseaux de froid aux USA par exemple ou aux Émirats arabes unis ?

    1. Bonjour

      Le sujet des réseaux de froid est encore moins bien documenté que celui des réseaux de chaleur, je confirme donc votre constat sur le manque de statistiques. A vrai dire, en dehors du site Euroheat que vous mentionnez et qui ne présente, pour les réseaux de froid, que quelques très maigres chiffres pour à peine 15 pays, je n’ai pas connaissance d’autres données.

      Ceci étant dit, je n’ai pas eu l’occasion d’approfondir les recherches en cherchant pays par pays, ayant privilégie jusqu’à présent une recherche d’informations multi-pays (du type du tableau Euroheat).

      Peut-être certains pays publient-ils des données nationales, à l’image de ce qui est produit en France chaque année par le SNCU pour le compte du ministère (et qui contient bien un volet « réseaux de froid »).

      Une autre piste pourrait être l’agence internationale de l’énergie, mais si elle dispose de données, elles ne sont visiblement pas publiées…

      (note: si vous poursuivez vos investigations et trouvez quelque chose, n’hésitez pas à le faire savoir en ajoutant un nouveau commentaire ici!)

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