L'approvisionnement de quartier du futur est climatiquement neutre et peu coûteux. Bien que cela puisse sembler visionnaire, cela devient actuellement réalité dans le quartier "Neue Weststadt" (également connu sous le nom de LOK.West) à Esslingen sur la rivière Neckar, en Allemagne. Là, des urbanistes et des experts en énergie mettent en œuvre un concept qui servira de modèle pour un approvisionnement écologique et économique des quartiers de la ville. L'électricité et la chaleur du quartier proviennent de l'énergie verte et du stockage local, ce qui offre un degré élevé d'indépendance et de flexibilité.

Plus de 500 appartements, quelques magasins, un immeuble de bureaux de douze étages et un campus pour environ 1 800 étudiants seront situés sur le site du Neckar après l'achèvement. Les premiers immeubles de bureaux au sud du site ont déjà été construits et occupés, le reste sera achevé d'ici 2022.

Protection climatique abordable
Les éléments qui rendent le concept énergétique du quartier Neue Weststadt si spécial sont :

• l'accent mis sur un approvisionnement durable à faible coût,
• la planification simultanée des centrales de production et de consommation,
• la prise en compte globale des filières électricité et chaleur, intégrant la mobilité.

L'accent est mis sur la réduction significative de la consommation d'énergie et la couverture des besoins restants de manière climatiquement neutre. Il ne s'agit donc pas d'exploiter toutes les opportunités d'économie d'énergie - cela rend la protection du climat abordable. L'utilisation d'énergies renouvelables pour couvrir les besoins restants garantit l'approche climatiquement neutre et représente un meilleur rapport qualité-prix à long terme que la réduction de la consommation par des mesures d'économie d'énergie coûteuses.

Une combinaison de sources d'énergie ou d'usines et de réservoirs d'énergie est nécessaire pour la mise en œuvre. L'électricité provient de centrales photovoltaïques (PV) locales montées sur le toit ou est achetée sous forme d'électricité verte. La chaleur est produite avec du gaz écologique ou – indirectement, comme indiqué plus en détail ci-dessous – également à partir d'électricité verte.

Les batteries stockent le surplus d'électricité et les champs d'électricité et de chaleur sont connectés. Mais, alors que d'autres concepts réalisent ce lien grâce au Power-to-Heat avec des barres chauffantes électriques ou des pompes à chaleur, les secteurs sont fusionnés de manière différente avec la centrale énergétique pour le bloc résidentiel D avec 167 unités résidentielles, le bloc de bureaux et le bâtiment universitaire.

Couplage filière locale avec l'hydrogène vert
La nouvelle centrale énergétique produit de l'hydrogène vert à partir d'électricité renouvelable grâce à un électrolyseur installé sous terre. Cela forme un « stockage de gaz », qui dissocie la production d'électricité et la consommation d'électricité, car le gaz peut être « réinjecté » dans une centrale de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) avec un certain délai. La chaleur générée pendant le fonctionnement de la cogénération s'écoule dans le réseau de chauffage urbain. L'électrolyseur est une autre source de chaleur. Il produit tellement de chaleur résiduelle à env. 55 °C qu'il peut couvrir les besoins de base pour le chauffage et la production d'eau chaude.

Électricité, chaleur, mobilité – tout ne fait qu'un
La conversion d'énergie « Power-to-Greengas-to-Power&Heat » est plus complexe que l'utilisation de l'énergie électrique pour les pompes à chaleur ou les éléments chauffants, mais le concept est probablement aussi plus polyvalent et prometteur. Ce n'est pas pour rien que le projet du quartier Neue Weststadt est financé par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) et le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre de la priorité de financement « Bâtiment solaire/ville économe en énergie ».

L'hydrogène offre des avantages pour le système énergétique
Prof. Dr.-Ing. Manfred Norbert Fisch du Steinbeis-Innovationszentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik (EGS) a souligné les potentiels du couplage sectoriel avec l'hydrogène vert dans un communiqué de presse de la ville d'Esslingen. L'objectif est de « démontrer la fonction et l'adéquation à l'usage quotidien de la production d'hydrogène avec tous ses avantages pour le système énergétique, y compris à l'échelle du quartier ».

Le stockage d'hydrogène peut dissocier la production d'électricité locale de la consommation d'énergie, et il peut desservir le réseau, par exemple, en compensant l'offre excédentaire ou insuffisante d'électricité, ou en travaillant avec des batteries pour réduire la quantité d'électricité PV injectée dans le réseau lorsqu'il y a un menace de surcharge du réseau.

Commercialisation efficace de l'hydrogène vert
"Nous ne pouvons pas mettre en place un grand magasin saisonnier d'hydrogène pour des raisons d'espace", explique Manuel Thielmann, expert en approvisionnement énergétique décentralisé chez Polarstern GmbH à Munich. Son équipe a créé le concept énergétique innovant pour le quartier Neue Weststadt. "L'hydrogène excédentaire est donc injecté dans le réseau de gaz naturel ou vendu à l'industrie." À l'avenir, une partie sera également utilisée pour le transport. Une station de ravitaillement en hydrogène est déjà prévue.

La cogénération est plus économique qu'une pile à combustible
L'objectif principal, cependant, est d'utiliser l'hydrogène sur place. Pour que la reconversion se fasse à des prix abordables, les responsables ont préféré la cogénération motorisée à hydrogène. Thielmann explique pourquoi : « Bien qu'une pile à combustible convertisse une plus grande proportion de l'énergie contenue dans le gaz en électricité, les coûts par kilowatt installé sont beaucoup plus élevés qu'avec une cogénération motorisée. Et nous ne pouvions pas acheter une pile à combustible de cette classe de puissance en Europe. »

La chaleur CHP peut être bien utilisée sur site, ce qui signifie qu'un rendement total plus élevé peut être atteint, déclare Thielmann. "Nous ne regardons pas seulement l'efficacité de l'alimentation électrique, mais optimisons le système énergétique dans son ensemble."

Le froid de la chaleur augmente l'efficacité annuelle
L'utilisation efficace de la chaleur est également obtenue grâce au fait que le froid pour la climatisation du bâtiment universitaire et de l'immeuble de bureaux est également produit à l'aide de chaleur : un refroidisseur à absorption convertira efficacement la chaleur perdue du système de cogénération, qui est générée à un niveau de température, en énergie de refroidissement et complétera la centrale de production d'énergie inversée pour créer un système combiné attrayant de chaleur, d'électricité et de refroidissement.

La cogénération de 2G fonctionne avec 100 % d'hydrogène
Une fois la décision prise en faveur de la centrale de production combinée de chaleur et d'électricité plutôt que la pile à combustible, le choix du fournisseur a été facile. "Il n'y a qu'un seul fabricant en Europe qui propose des centrales de cogénération avec les bonnes puissances et qui peuvent fonctionner avec 100 % d'hydrogène", rapporte Thielmann, faisant référence à 2G Energy. Les cogénérateurs pourraient également fonctionner avec un mélange hydrogène-gaz écologique ou du gaz écologique pur, de sorte que le fonctionnement est également possible en cas de panne de l'électrolyseur. "Un autre argument en faveur de la 2G est que le fabricant peut déjà démontrer une expérience d'exploitation avec de l'hydrogène pur, par exemple dans un projet à Haßfurt", poursuit l'expert en énergie.

Mise en service du CHP au printemps 2021
La cogénération de 2G, un agenitor 406, doit être mise en service dans le quartier Neue Weststadt au printemps 2021. Une capsule d'insonorisation signifie que le bruit de fonctionnement du moteur ne sera pas entendu dans les propriétés résidentielles voisines. Avec l'hydrogène comme combustible, la cogénération fournit environ 150 kWel et 172 kWth de puissance ; en mode éco, elle est de 200 kWel et 206 kWth. Ce n'est que pendant l'hiver ou lors de travaux d'entretien sur la cogénération, par exemple, que la chaudière à gaz de pointe installée dans la centrale énergétique (1 200 kW) devra fonctionner.

La cogénération 2G devient ainsi un élément clé de l'alimentation du quartier, qui fera ses preuves dans les années à venir. Les énergéticiens superviseront donc le fonctionnement des centrales. "Polarstern, le Steinbeis-Innovationszentrum et la ville d'Esslingen ont fondé la société d'exploitation Green Hydrogen GmbH, qui est responsable de la centrale énergétique", explique Thielmann, également directeur de la nouvelle société. "Nous étudierons précisément l'interaction entre les composants et les options de compensation locale."