Chaussées à surface chauffante, autonomes en énergie

Responsables

Jean-Michel Piau Ifsttar/MAST/LAMES et Mario Marchetti (LR Nancy)

Cette action s’inscrit dans le cadre du projet fédérateur « Routes de 5ème génération ». Elle porte sur la conception de chaussées à surface chauffante, permettant d’assurer un état de service hors gel, tout temps.

On s’intéressera en synergie avec les opérations de recherche MATEOPT et GEOTHERMIE aux solutions à énergie renouvelable, exploitant l’énergie thermique naturellement disponible en surface de chaussée ou en abords, pendant les périodes chaudes ou de fort ensoleillement de l’année et du jour.

L’accent sera mis sur la recherche de couples « chaussées-dispositifs » robustes à toute étape: construction, exploitation, maintenance.
Le programme de recherches devra comporter la réalisation de démonstrateurs physiques identifiés comme démonstrateurs R5G.
La proposition couvre d’emblée les secteurs routiers et aéronautiques, mais son champ d’application est susceptible d’extension (voies de tramway, plates formes industrielles, rues et trottoirs,…). Le cas des ouvrages d’art ou tunnels n’est pas inclus dans le projet et pourra faire l’objet d’actions de recherche parallèles à celle-ci.

Enjeux

La proposition est motivée par les enjeux généraux de résilience des infrastructures aux changements climatiques, d’économie de ressources naturelles (sels de déverglaçage) et de diminution des impacts du transport sur l’environnement.

Elle concerne en premier lieu la viabilité hivernale des réseaux routiers ou des surfaces aéroportuaires. Le déploiement coordonné de telles chaussées permettra de favoriser le maintien de la mobilité en périodes hivernales sévères tout en diminuant les besoins d’intervention sur site et les servitudes associées (temps d’intervention, astreintes de personnel, consommation de produits de déverglaçage, coûts,…).
Mais d’autres bénéfices sont également envisageables. En milieu urbain, on peut imaginer que les dispositifs utilisés pour chauffer les chaussées l’hiver, permettent de réduire en été la température de surface des rues – ou du bâti environnant – et par là même des villes, pour un plus grand confort des habitants.

Plus largement, dans les perspectives actuelles de recherche de ressources en énergie renouvelable, il pourrait être tiré parti des surplus d’énergie générés, entre l’énergie récupérable par ce type de chaussées et celle nécessaire à leur maintien hors gel.

Etat de l'art

La France s’est peu intéressée au sujet jusqu’à présent et n’a donc pas d’expérience dans le domaine, à l’exception d’une tentative menée dans les années 80, mais abandonnée et laissée sans suite, car jugée de coût d’exploitation et de maintenance trop élevé. Il faut donc se tourner pour un état de l’art vers la bibliographie internationale (USA, Japon, Pays-Bas, GB, Allemagne, Suisse, Islande,…), déjà relativement fournie, qui relate divers cas d’études expérimentales et de réalisations opérationnelles, effectuées notamment dans le domaine des chaussées aéroportuaires. L’un des objectifs de la R2I sera de passer en revue cette bibliographie et d’identifier les avantages et inconvénients des solutions techniques mises en oeuvre, à la fois des points de vue technique, économique et environnemental.

Avancées scientifiques attendues

Les recherches à envisager dans le cadre de cette proposition concernent à la fois des questions d‘ordre général et des points de conception spécifiques.

Au niveau général, on s’interrogera ainsi sur :

  • les contextes de déploiement potentiels de telles chaussées (ex : sections autoroutières en pente, routes de montagne, villes, aéroports,…) et en fonction de ceux-ci sur :
  • l’évaluation à l’échelle annuelle des énergies récupérable et nécessaire à leur viabilité hivernale
  • la conception d’ensemble de dispositifs de régulation thermique des chaussées et leur couplage éventuel avec l’ « extérieur » (ex : abords de chaussée, bâti environnant)
  • les coûts d’installation et de fonctionnement.

Sur un plan plus technologique, on s’intéressera aux différentes fonctions à mobiliser :

  • capture d’énergie
  • stockage/déstockage à court ou long terme, avec recours éventuel à un fluide caloriporteur et échangeurs de chaleur pour le transport d’énergie (ex : stockage géothermique en abord de chaussée)
  • restitution d’énergie thermique en surface de chaussée
  • gestion par temps de gel de l’eau liquide évacuée en surface de chaussée (ex : acheminement jusqu’à une aire de stockage de glace située en contrebas des chaussées)
  • contrôle/commande d’ensemble du dispositif, en fonction des conditions météorologiques (température, précipitations).

Vis-à-vis de ces différentes fonctions, les recherches pourront porter sur l’évaluation des techniques existantes, sur le développement par «brique » de solutions innovantes et sur leur intégration au sein de structures de chaussée et de dispositifs de régulation thermique complets.
Les solutions envisagées devront ainsi tenir compte des impératifs portant sur la résistance structurelle et les propriétés d’usage des chaussées, face aux sollicitations environnementales et de trafic. Elles devront
permettre la réfection sans entrave des couches de roulement. On devra aussi rechercher des solutions à faible impact environnemental, de la construction des chaussées à leur déconstruction.

Enfin l’action de recherche devra inclure la réalisation d’un ou plusieurs démonstrateurs physiques, permettant de tester à échelle annuelle et sous conditions climatiques rigoureuses le fonctionnement thermo-dynamique d’ensemble des solutions proposées, ainsi que leur résistance mécanique aux charges de trafic et environnementales.

La piste ou le manège routier de Nantes (avec ou sans adjonction de système de génération de froid) pourront être utilisés pour tester la résistance au trafic de démonstrateur(s) à échelle réduite.

Participants

  • IFSTTAR
    • MAST/LAMES Emmanuel Chailleux, Pierre Hornych, Jean-Pierre Kerzrého, Thierry Sedran
    • MAST/NAVIER Jean Dumoulin, Michael Peigney
  • RST : Mario Marchetti (LR Nancy ERA 31), Frédéric Bernardin (LR Clermont Ferrand), Charles Kreziak (LR Trappes, PCI géotechnique urbaine), Louisette Wendling (LR Autun)
  • STAC : Sandrine Fauchet

Partenaires industriels

  • la société TOTAL souhaite développer conjointement avec l’IFSTTAR un liant routier innovant spécifique pour l’application
  • il sera sans doute souhaitable également de rechercher la participation d’une entreprise routière, permettant de contribuer à la conception des démonstrateurs et à leur réalisation.

Partenaires étrangers

Le sujet intéresse nos homologues européens à travers le projet FOR et plus spécialement la BAST, à travers son projet « Routes pour le 21ème siècle ».

Résultats attendus en 2013

  • Notes de calcul : thermique, hydraulique, mécanique
  • Maquette de laboratoire pour test du dispositif de régulation thermique, en chambre climatique
  • Rapport d’essai sur matériau drainant spécifique avec circulation de fluide caloporteur
Type de dispositif existant : Planche expérimentale de la BAST avec fluide caloporteur circulant dans un réseau de serpentins
Schéma de principe de chaussée chauffante avec matériau parcouru par un fluide caloporteur et stockage géothermique