thumb|Quatre générations de réseaux de chaleur. Un réseau de chaleur, également appelé réseau de chauffage urbain ou réseau de chauffage à distance (souvent abrégé en CAD), est une installation distribuant à plusieurs utilisateurs clients de la chaleur produite par une ou plusieurs chaufferies, via un ensemble de canalisations de transport de chaleur (en polyéthylène ou en acier). La chaleur ainsi distribuée est principalement utilisée pour le chauffage des bâtiments et de l'eau chaude sanitaire ; certains réseaux fournissent également de la chaleur à usage industriel.
Le réseau de chaleur est un système de chauffage à l'échelle urbaine (par opposition au chauffage à l'échelle des bâtiments, dans lequel la chaleur est produite in situ, au niveau du bâtiment utilisateur ou à proximité immédiate).
Au niveau mondial en 2023, les réseaux de chaleur couvraient 6,6 % de la consommation finale d'énergie du secteur industriel, 6,4 % dans le secteur résidentiel et 4,9 % dans le secteur tertiaire. La production de chaleur pour l'alimentation de ces réseaux était tirée à 87,9 % des combustibles fossiles : charbon 50,8 %, pétrole 3,1 %, gaz naturel 34,0 % ; les énergies renouvelables couvraient 7,2 %, dont 3,6 % de biomasse, 2,3 % de géothermie et 1,2 % de déchets renouvelables. La Chine et la Russie assuraient, à elles deux, 77,5 % de la production mondiale de chaleur pour le chauffage urbain : 47,7 % et 29,8 % respectivement.
Principe technique Description d'ensemble thumb|Schéma de principe du réseau de chaleur|alt= Schéma de principe du réseau de chaleur Un réseau de chaleur classique se compose de trois éléments : la chaufferie (il peut y en avoir plusieurs sur un même réseau, mais elles restent en nombre limité) : c'est le lieu où est produite la chaleur qui circule dans le réseau ; les canalisations de transport et distribution : ce sont des conduites qui transportent la chaleur à l'aide d'un fluide caloporteur, très généralement de l'eau sous forme liquide, parfois sous forme de vapeur ; les sous-stations : il s'agit des points de livraison de la chaleur. Elles matérialisent l'interface entre le réseau de chaleur et le bâtiment. En aval des sous-stations peuvent exister des réseaux de distribution dits « secondaires » ; ils font généralement partie des installations des bâtiments, et non des installations du réseau de chaleur.
Chaufferies
De nombreux types de chaufferies sont en fonctionnement, qui peuvent varier par leur puissance et par les énergies qu'elles exploitent.
Certaines chaufferies de réseaux de chaleur produisent de la chaleur et de l'électricité par cogénération, permettant d'améliorer le rendement global du système par rapport à des productions séparées. Par exemple, le rendement de cogénération du réseau de chaleur de Bellevue, à Nantes, était de 70,6 % à 74,5 % en 2009-2010. Elle permet par ailleurs de contribuer au renforcement et à la décentralisation des capacités de production électrique.
Énergies utilisées La chaleur peut être produite à partir de nombreuses sources. Les énergies suivantes sont les plus fréquemment utilisées par les réseaux de chaleur : combustion d'hydrocarbures : gaz naturel, fioul, charbon ; combustion de biomasse, généralement sous forme de bois-énergie ; géothermie ; électricité ; chaleur de récupération, qui est (définition retenue, en France, par la Programmation pluriannuelle de l'énergie, ou PPE)Ministère de l'environnement (2016), volet 1 : Synthèse de la PPE , 25 pages, volet 2 : « Volet relatif à l'offre d'énergie » , 83 pages ; et volet 3 : « Stratégie de développement de la mobilité propre », , 125 pages.. La PPE repose sur plusieurs scénarios de besoins énergétiques et ; c'est par exemple la forme d'énergie fatale de procédés d'incinération des déchets, de centres de données, des eaux usées., voire du métro dans des installations expérimentales... ; nucléaire : chaleur produite par des centrales nucléaires conventionnelles en Russie, Suisse, Suède et Chine China starts building long-distance nuclear heating pipeline, World Nuclear News, 17 février 2023. et dans l'avenir, petits réacteurs modulaire à basse température et basse pression de type piscine.;
La part des sources d'origine fossile a tendance à diminuer, au profit des énergies renouvelables et de récupération. Le mix énergétique dépend toutefois de chaque réseau, et les situations peuvent également être très différentes d'un pays à un autre.
Description vignette|alt=|Une chaufferie au bois. Une chaufferie se présente généralement sous la forme d'un bâtiment (mais il existe des chaufferies intégrées à des bâtiments dont la fonction principale est différente, par exemple dans les centrales électriques). À l'intérieur de ce bâtiment, dont les caractéristiques techniques et architecturales (cheminées, stockage de combustible, accessibilité par les réseaux de gaz ou la voirie…) peuvent varier selon les énergies utilisées, se trouvent une ou plusieurs chaudières.
La chaudière est l'unité technique qui produit la chaleur. Il peut s'agir d'une chaudière à combustible (gaz, charbon, fioul, bois…). Par abus de langage, on désigne également parfois par « chaudière » les unités de production de chaleur par captation/récupération, soit depuis un forage géothermique, soit via un échangeur pour la valorisation de chaleur fatale.
Les installations produisant des fumées sont équipées de systèmes de traitement perfectionnés et contrôlés, ce qui permet de réduire fortement leur impact sur la qualité de l’air par rapport à des systèmes individuels pour lesquels ce genre de traitement est trop coûteux.
Généralement, un réseau comporte une chaudière principale qui fonctionne en continu et une chaudière d’appoint utilisée en renfort pendant les heures de pointe, ou en remplacement lorsque cela est nécessaire. D'autres combinaisons sont possibles, selon les énergies utilisées, les caractéristiques des besoins
Réseau de distribution
Canalisations thumb|Canalisations en cours de pose dans une tranchée. Les canalisations transportent et distribuent la chaleur par un fluide caloporteur (eau chaude ou vapeur). Il s'agit de conduites le plus souvent en polyéthylène réticulé ou en acier entouré d'une couche d'isolant (mousse en polyéthylène réticulé ou en polyuréthane), elle-même revêtue d'une gaine en polyéthylène haute densité (annelée ou non). Il existe également des conduites en plastique, moins isolées mais d'installation plus aisée grâce à leur flexibilité et à l'absence de soudures à réaliser sur les chantiers.
Dans le cas général, un circuit aller transporte le fluide chaud issu de la chaufferie, et un circuit retour ramène le fluide, qui s’est délesté de ses calories au niveau de la sous-station d’échange. Le fluide est alors à nouveau chauffé par la chaufferie, puis renvoyé dans le circuit. Des tuyaux parallèles sont donc installés dans les tranchées.
Certains réseaux ont des organisations différentes : circuit ouvert (pas de sens retour), boucles multiples permettant de desservir plusieurs types de quartiers avec des régimes de température différents
thumb|Tunnel de chauffage urbain, sous le Rhin à Cologne. La pose des canalisations peut se faire en caniveau enterré, ce qui permet une protection mécanique et minimise les par ventilation de ces caniveaux. Dans certaines villes, les canalisations sont placées dans des galeries souterraines multi-réseaux. Mais dans le cas général, la pose se fait en tranchée, solution nécessitant que les gaines soient entourées d’un film protecteur contre l’humidité et quelles soient installées à une profondeur suffisante afin d’absorber les efforts de la surface. Plus rarement, les canalisations sont fixées en extérieur, sur des bâtiments ou des ouvrages (technique utilisée notamment pour le franchissement de cours d'eau). Le coût de pose d’un mètre de réseau est de l’ordre de . Il dépend de nombreux facteurs liés au projet.
On distingue différents régimes de température pour le fluide qui circule dans les canalisations ; les principaux sont : le réseau eau chaude, à une température comprise de (ordre de grandeur). Il est généralement prévu pour les groupes d’immeubles d’habitation ou de bureaux, ou encore les hôpitaux et établissements industriels qui ne consomment pas de vapeur ; le réseau eau surchauffée, à une température comprise de (ordre de grandeur). Il est principalement utilisé dans les réseaux de grande envergure qui alimentent des bâtiments nécessitant des températures élevées (laveries, abattoirs, industries textiles…) ; le réseau vapeur, à une température autour de . Son utilisation est de plus en plus limitée. Il est présent essentiellement pour la fourniture de chaleur industrielle.
Sous-stations thumb|alt=|Sous-station de réseau de chaleur.
Situées en pied d’immeuble, les sous-stations permettent le transfert de chaleur par le biais d’un échangeur entre le réseau de chaleur et le réseau de distribution interne de l'immeuble ou du petit groupe d’immeubles. Elles n'accueillent généralement pas de combustion (sauf sous-station servant également d'unité d'appoint pour la production de chaleur), ce qui élimine toutes les nuisances liées (bruit, impact sur la qualité de l'air, risques explosifs…). Elles sont en général équipées d'un compteur de chaleur, permettant de connaître la consommation d'énergie du bâtiment qui lui est rattaché, donnée nécessaire à la facturation.
Histoire et innovations
Les réseaux de chaleur existent depuis l'Antiquité, mais les réseaux modernes, correspondant au fonctionnement actuel, datent du vingtième siècle.
Historique des réseaux de chaleur
Époque antique et médiévale Dans l'Antiquité, on pouvait utiliser des sources d'eau chaude pour alimenter des thermes ou apporter de la chaleur dans un ensemble de logements. Le principe technique du réseau de chaleur, assez rudimentaire, existait donc déjà.
En France, on considère que le premier réseau de chaleur date du : dans le village de Chaudes-Aigues, un ensemble de maisons était chauffé à l'aide d'un réseau de chaleur géothermique.
Époque moderne Les réseaux de chaleur de grande ampleur tels qu'on les connaît aujourd'hui se sont développés à la fin du et au début du . Le premier réseau de chaleur moderne, encore en service aujourd'hui, est celui de la ville de New York, mis en service en 1882 par la , depuis intégrée à .
Le développement des réseaux de chaleur en Europe a suivi les développements aux États-Unis. Dans la plupart des pays européen où les réseaux se sont développés, on retrouve quatre grandes périodes : au début du , des réseaux de chaleur sont mis en place dans les villes les plus importantes, à la fois par leur population et leurs besoins de chauffage. Après la deuxième guerre mondiale, la reconstruction s'accompagne de grands programmes urbains, qui intègrent parfois des réseaux de chaleur. La troisième période est une réponse aux chocs pétroliers, dans les années 1980, avec la volonté de réduire la dépendance aux énergies fossiles pour des raisons économiques. Et enfin la période actuelle, qui a commencé plus ou moins tôt selon les pays, s'inscrit dans les politiques de lutte contre le changement climatique et développement des énergies renouvelables.
Les réseaux de chaleur se sont également fortement développés sous le régime soviétique en URSS. Ainsi, les pays de l'ex-URSS rassemblent aujourd'hui à eux seuls plus de la moitié de la puissance installée au niveau mondial. Les installations sont toutefois souvent vétustes, avec d'importants problèmes d'efficacité énergétique.
Innovations, évolutions attendues Une place plus importante dans le paysage énergétique Les réseaux de chaleur sont considérés par plusieurs pays comme un outil permettant de développer l'utilisation des énergies renouvelables et de récupération dans le chauffage des bâtiments. À titre d'illustration, l'Europe leur confie un rôle important dans sa politique énergétique et climatique.