Micro cogénération et chaudière électrogène à écogénération

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Définition de la cogénération
Procédé consistant à produire en même temps et dans la même installation de l’énergie thermique (chaleur) et de l’énergie mécanique. L’énergie thermique est utilisée pour le chauffage et la production d’eau chaude à l’aide d’un dispositif (échangeur). L’énergie mécanique est transformée en énergie électrique grâce à un alternateur (dynamo). Elle est ensuite revendue à EDF ou consommée par l’installation. Cette source d’énergie faisant fonctionner une turbine ou un moteur.

L’énergie utilisée pour faire fonctionner des installations de cogénération peut être le gaz, le fioul ou toute forme d’énergie locale (géothermie, biomasse, bois, etc.) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères, etc.) en récupérant les pertes de chaleur dégagées par la production d'électricité. Elle permet donc de réaliser des économies sur le combustible primaire. La cogénération possède un rendement énergétique de 80 à 90 %, contrairement à un moteur thermique classique dont le rendement dépasse difficilement 40 % (le rendement énergétique est le rapport entre la consommation d’énergie primaire et la production d’énergie(s) secondaire(s). La cogénération assure une utilisation optimale des combustibles et des émissions de gaz à effet de serre faibles.

Pour profiter au maximum de la cogénération, quelle que soit la technologie employée, il faut un fort besoin de chaleur soit dans une ville ou des usines proches du lieu de production d'énergie, sinon le procédé perd tout intérêt énergétique.

Les centrales thermiques à charbon représentent le moyen de production le plus pénalisant en terme de rendement (rendement moyen de 37 %), d’émission de GES et assurent environ 20 % de la production d’électricité en Europe, la cogénération se substitue à ces centrales thermiques à charbon présentant un gain direct de 35 %. La Commission Européenne DG TREN chiffre les émissions de CO2 à 500 g/kWh.

La cogénération de par son caractère décentralisé, peut s’implanter dans les zones géographiques où coexistent des besoins d’électricité et de chaleur (hôpitaux-cliniques-centres urbains – zones industrielles –) tout en permettant d’éviter les pertes en ligne. L’économie supplémentaire d’énergie primaire (en plus des 35 % mentionnés ci-dessus) dépend de la tension de raccordement :

— 2,5 % en HTB (à partir de 63 Kvolts)
— 4% en HTA (20 Kvolts)
— 7 % en basse tension (400 Volts)

L'utilisation d'une unité de cogénération permet donc :

En récupérant l’énergie thermique perdue d’ordinaire lors de la production d’énergie électrique, la cogénération met à disposition les deux produits – chaleur et électricité – avec un rendement global nettement plus élevé que celui résultant de filières séparées.

Par exemple, à partir d’une énergie combustible (gaz naturel) de 100 kWh (PCI), une cogénération optimisée fournit :

Pour fournir les mêmes quantités d’énergies électrique et mécanique, un système de production conventionnel comportant une centrale thermique à charbon de 37 % de rendement et une chaudière de 90 % de rendement, consomme 150 kWh.

L’économie globale d’énergie primaire de la cogénération par rapport aux centrales thermiques classiques est donc voisine de 40 % tout en incluant les pertes réseau.
Quel que soit le mode contractuel d’approvisionnement d’un site (par EDF à partir de centrales nucléaires ou par des producteurs alimentant des clients éligibles à partir de moyens de production situés au-delà des frontières), le flux physique d’électrons se fait toujours entre la cogénération et les sites consommateurs situés dans son voisinage immédiat selon les lois électriques de KIRCHOFF.

En résumé, la cogénération permet :
Une réduction des pertes en ligne mentionnées ci-dessus
Des économies en matière de renforcement de réseau
Une diminution des congestions aux frontières ou dans des zones peu ou mal desservies
(ouest de la France, région niçoise, région parisienne, etc.).
Sécurisation de l’alimentation électrique
Les industriels qui exploitent des sites classés SEVESO sont particulièrement sensibles à la continuité absolue de leur alimentation électrique trouvent dans la cogénération la sécurisation de l’alimentation électrique de leur site.. Les coupures du réseau électrique géré par RTE et GRD bien que rares existent.
Gestion locale de l’énergie
Le nouveau système contractuel mis en place par les pouvoirs publics suite à la loi électricité de février 2000 encourage en effet tout particulièrement, par la prime « Ep » liée à l’efficacité énergétique, des économies importantes d’énergie primaire. La cogénération permet alors la gestion locale des différents vecteurs énergétiques (gaz, électricité, eau chaude et vapeur) dans un souci d’optimisation énergétique et environnementale. L’implantation de cogénération mobilise tous les acteurs énergétiques locaux (collectivités locales, ingénieries, industriels, etc.)

La biomasse en cogénération :

La France représentait la troisième surface forestière d'Europe avant les tempêtes et les incendies de 2022 . Le potentiel de la biomasse forestière faisait dire à certains lobbyings qu'il est possible d’y puiser sans mettre en péril ce patrimoine autant de biomasses qu’il est nécessaire en supplément.
L'exploitation des forêts permet d'entretenir ce patrimoine, de créer un emploi durable et local, et de diminuer les émissions de gaz à effet de serre.

Le potentiel total de la biomasse : les forêts, l'exploitation agricole, les résidus de récolte, et les déchets organiques pourraient fournir en théorie et à terme 20 % de la consommation totale d'énergie de la France, sans menacer les milieux naturels. Le bilan carbone des végétaux serait neutre étant donné que lors de leur combustion, ils relâchent le C02 qu'ils ont emmagasiné pendant leur croissance.

Les forêts recèlent un potentiel non exploité de 12 Mtep/an190 dont 7,3 Mtep de rémanents de l'exploitation forestière191 et 4,9 Mtep de prélèvements supplémentaires dans les forêts d'exploitation.
Source ADEME, étude de l'Inventaire Forestier National (IFN) et de l'association Solagro.
Étude de 2004, Bois-énergie : les forêts ont de la ressource, décembre 2005 ADEME-IFN-Solagro.

Les grandes familles de la cogénération :

La cogénération rassemble trois grandes familles qui se distinguent essentiellement en fonction de leurs puissances.

La cogénération : elle fonctionne sur de fortes puissances (au-delà de 500 à 600 MWe) et se destine aux hôpitaux ou aux réseaux de chaleur. Ces grosses machines sont parfaitement identifiées en France et rassemblent quelque 800 installations (soit 4 tranches nucléaires) (1).
La minicogénération : les puissances sont comprises entre 36 et 250 kWe
La microcogénération :

elle constitue le véritable marché émergent avec ce que l'on appelle les chaudières électrogènes. Les puissances de ces appareils s'échelonnent de 0,01 kW à 36 kW.

(1) Une tranche nucléaire est une partie d'une centrale nucléaire qui regroupe plusieurs tranches. Chacune d'entre elles correspond à un groupe d'installations conçues pour fournir une puissance électrique donnée (900 MWe, 1 300 MWe ou 1 450 MWe, par exemple). Une tranche comprend plusieurs éléments : le bâtiment réacteur, le bâtiment salle des machines, des bâtiments annexes (circuits auxiliaires, tableaux électriques, générateurs de secours, etc.), un bâtiment aéroréfrigérant atmosphérique (bâtiment caractéristique en béton en forme de pot évasé et resserré au centre), etc.

La cogénération :
Lors de la mise au point des nouveaux contrats découlant de la loi électricité de février 2000 le niveau de rémunération de l’électricité produite a été calé au plus juste pour assurer une juste viabilité des projets sans marge excessive des opérateurs dans le cadre de l’obligation d’achat jusqu’à 12 MW.

Exemple d'optimisation économique des contrats cogénération à gaz :

Les contrats cogénération sont optimisés en termes de rémunération et sont construits sur la base des coûts évités de production (cycles combinés de 650 MW). Leur rémunération comprend trois parties :

Amortissement des charges liées à l’investissement

Coût du gaz consommé (par un cycle combiné de 650 MW)

Prime à l’efficacité énergétique

Cette structure de rémunération présente deux avantages importants :
La rentabilité des projets est quasi indépendante du prix du gaz, en effet, les variations importantes du prix du gaz liées à la volatilité des cours du pétrole ont peu d’incidence sur la rentabilité économique de la cogénération. Si le prix du gaz augmente, le cogénérateur reçoit de façon quasi proportionnelle à la hausse du prix du gaz une rémunération complémentaire liée à l’indexation sur le prix du gaz de l’électricité vendue à EDF ou DNN.
Un encouragement à l’efficacité énergétique et environnementale

Les primes intégrées à la rémunération au titre du « rendement électrique équivalent » ou au titre de l’efficacité énergétique encouragent le cogénérateur à améliorer les économies d’énergie par la valorisation optimale de la chaleur produite.
La mini cogénération
La minicogénération : avec des puissances allant de 36 à 250 kWe(²), elle a, en France, un parc peu développé (moins d'une centaine d'installations). La réglementation française ne la rend pas suffisamment viable économiquement. (2)

(2) 1 kWe = 1 kilowatt électrique

La micro cogénération, pourquoi ?
Les ressources devenant rares et chères, l'objectif de vendre un maximum d'énergie n'est plus d'actualité : toutes les évolutions et les investissements réalisés par les fabricants et soutenus par les services de recherche des fournisseurs d'énergie tendent à alléger les charges des gestionnaires et des consommateurs en leur proposant des produits très économes en énergie.

Selon la Directive européenne,(directive 2004/8/CE) la microcogénération concerne les unités de cogénération dont la puissance électrique est inférieure à 50 kWh. L'Europe fixe en effet la limite supérieure de la « microcogénération » (notée MCHP) à 50 kWh mais en France, le seuil est plutôt de 36 kWh par rapport aux plages d'abonnement EDF. Il faut noter que le projet de norme Pr NF EN 50438 sur les « Prescriptions pour le raccordement de micro-générateurs en parallèle avec les réseaux publics de distribution basse-tension » concerne les équipements de puissance inférieure à 10 kWh. Les grands cogénérateurs sont dimensionnés pour fonctionner à pleine charge durant une certaine période de l'année, car il s'agit avant tout de produire de l'électricité. La chaleur doit être alors utilisée par les bâtiments environnants pour éviter les pertes de charge. À l'inverse, les microcogénérateurs de plus faible puissance (1 à 10 kWh) sont utilisés pour couvrir (en partie ou en totalité) les besoins thermiques d'un bâtiment unique : ce sont donc des chaudières qui produisent de l'électricité, « des chaudières électrogènes ». La quantité d'électricité produite n'est alors qu'une conséquence du fonctionnement de l'équipement pour couvrir les besoins thermiques.

Sur le schéma ci-dessus, lors de la production d'électricité dans une centrale électrique, une grande partie de l'énergie primaire (fioul, charbon, gaz naturel, uranium) est perdue :
Sous forme de chaleur dans l'atmosphère
Sous forme de perte de transport (entre la centrale de production et l'usager).

Afin d'économiser notre précieuse énergie primaire, il est donc plus efficace de produire l'électricité à proximité du lieu de consommation. C'est précisément l'objectif de la cogénération. De plus, la technique de cogénération permet de récupérer, grâce à des échangeurs thermiques, la chaleur dissipée lors de la transformation de l'énergie mécanique en électricité.
Sur le schéma ci-dessus, le combustible est du gaz naturel, la combinaison des avantages d'une cogénération permet d'atteindre un rendement global (électricité + chaleur) de 80 à 90 %. Schéma ACQUALYS ®
Les turbines à gaz en cogénération :
La cogénération repose sur plusieurs technologies, dont les moteurs à combustion interne(Moteur produisant directement de l'énergie mécanique, le moteur à explosion est un moteur à combustion interne), comme les turbines à gaz qui sont très utilisées. La turbine à contre-pression fonctionnant à la vapeur est également utilisée dans l'industrie et les installations de grande taille. Les moteurs à combustion interne ont une puissance de quelques kW à plusieurs MW et possèdent un rendement électrique de 37 % en moyenne. Ce type d'installation grâce à sa disponibilité très élevée (95 %) et à sa rapidité de mise en œuvre est une solution énergétique (électricité+chaleur) bien adaptée aux exigences multiples des secteurs industriel et tertiaire.
Les turbines à gaz en cogénération possèdent une puissance de quelques kWh à plusieurs centaines de MWh et un rendement électrique de 30 à 45 %. Cette technologie, grâce à son rendement énergétique global proche de 80 % en fait un des moyens les plus économes pour produire de l'électricité, car 20 % du combustible peut être économisé.

Avantage supplémentaire pour notre planète, ces turbines sont les installations qui permettent de réduire le plus fortement les émissions de C02 ( Dioxyde de carbone, principal gaz à effet de serre contributeur du changement climatique)et de Nox ( Les NOx sont le monoxyde et le dioxyde d'azote produits notamment par la combustion de fossiles, ils font partie des principaux polluants et des gaz à effet de serre) inhérentes à la production d'électricité avec les énergies fossiles.
Schéma ci-dessus : dans ce logement, un système abordable et suffisamment silencieux a été conçu pour un usage domestique c'est la microcogénération. C'est la cogénération de faible puissance adaptée aux secteurs de l'habitat et du tertiaire. Elle est en grande partie composée aujourd'hui par les moteurs à gaz. Schéma ACQUALYS ®

Principe de la micro cogénération avec chaudière CHP à gaz :
La combustion du gaz qui habituellement chauffe le logement et fournit l'eau chaude produit une partie de l'énergie qui est convertie en électricité, celle-ci est soit utilisée pour les besoins électroménagers de l'habitation, soit revendue au réseau de distribution public ou privé.

Les applications de la micro cogénération domestique :

La production d'électricité décentralisée grâce à la cogénération pourrait être développée en choisissant la biomasse (ensemble des produits organiques végétaux et animaux utilisés pour produire de l’énergie) comme combustible lorsque cela est possible, ou du gaz. La production combinée serait rentabilisée par la revente d'électricité par les acteurs eux-mêmes dans des installations délocalisées. Le bilan énergétique de la cogénération au plus près du consommateur est nettement plus favorable que celui de la production centralisée, l'énergie n'ayant plus à être transportée sur de longues distances. Les frais liés au dimensionnement du réseau électrique diminuant fortement. C'est la raison pour laquelle la cogénération décentralisée représente un moindre investissement que des centrales de production d'énergie de grandes dimensions.

La micro cogénération à gaz
Un marché de très petites turbines et de moteurs Stirling (le moteur Stirling est un moteur à combustion externe — la chaleur est transportée via un fluide à l'extérieur du moteur pour être transformée en énergie secondaire - au rendement élevé, qui peut produire à petite échelle de l'électricité et de la chaleur) apparaît actuellement pour les secteurs industriels, tertiaires et résidentiels. Leur puissance oscille entre 5 kW et 250 kW. Voir article sur la micro cogénération à gaz

Le prix de revient de la micro cogénération à gaz :
Micro cogénération
Malgré un coût initial de début de commercialisation égal à plus du double de celui d'une chaudière traditionnelle, les micro-CHP permettent aux utilisateurs d'épargner jusqu'à 450 € sur leur facture annuelle d'électricité, de plus, le haut rendement d'une telle installation aura un impact positif sur l’environnement.

Les avantages de la micro cogénération.
Avantages de la micro cogénération

Les rendements sont très bons. Les centrales de cogénération électricité-chaleur peuvent atteindre un rendement énergétique de l’ordre de 90 %. Environ 30 % à 40 % de l’énergie primaire sont transformés en énergie électrique, tandis que 50 à 60 % se retrouvent sous forme de chaleur, utilisable pour alimenter un industriel ou un réseau urbain de chauffage.
À titre d’exemple, le rendement d’une grande centrale de production fonctionnant au combustible nucléaire, au fioul ou au charbon ne dépasse guère les 40 %.
La cogénération, utilisée à la place des centrales au fioul ou au charbon, évite une partie de l’émission des polluants dans l’atmosphère et permet de limiter les émissions de gaz à effet de serre. Réduction d'environ 1 tonne de CO2 par an pour une maison moyenne.
La cogénération permet une production décentralisée d’énergie qui peut éviter des lignes électriques supplémentaires.
Unités compactes (voir photos) produisant chaleur et électricité pour le résidentiel tertiaire.
Économie d'énergie primaire d'environ 20 % par rapport à des filières séparées produisant les mêmes énergies. (Cas d'une chaudière électrogène à moteur Stirling).
Installation et maintenance identique à celle d'une chaudière à gaz à condensation.
Panel de produits en cours de finalisation chez les fabricants et constructeurs actuels de chaudières avec des puissances comprises entre 8 et 28 kWh (thermique) et entre 1 à 9.5 kWh d'énergie électrique.
Économie sur la facture énergétique globale du logement due à la réduction liée à l'autoconsommation d'électricité et éventuellement à la revente d'électricité au réseau.
Commercialisation de ces nouveaux produits à partir de 2009 pour les marques précurseurs puis 2010 pour les marques déjà présentes dans le domaine des générateurs de chauffage (fabricants de chaudières gaz).
Les inconvénients de la micro cogénération
Inconvénients de la micro cogénération
La vapeur, l’électricité ou la chaleur produite ne sont ni stockables ni transportables.
Le bruit généré demande encore des efforts de la part des constructeurs.
L’investissement élevé actuel la réserve à de grosses unités.
Le matériel est au stade de début de commercialisation.
Le choix technologique avancé de ces unités de micro cogénération ne doit pas faire oublier qu'avant d'utiliser un système de chauffe, il est primordial de bien s'assurer du respect de normes qualitatives du bâtiment (orientation cardinale, exposition, choix des matériaux de construction, isolation, etc.)
Sources
Cogénération et émissions de CO2, les cahiers du CLIP N.º 15, 2004.

Institut du développement durable et des relations internationales. (IDDRI).
Les prochaines étapes et l'avenir de la micro cogénération
Une prochaine révolution se fera dans le secteur de la pile à combustible. Au niveau du gaz : la micro-cogénération fonctionnera grâce à une pile à combustible. Le principe : les molécules de gaz sont scindées, ce qui produit de l'électricité. L'hydrogène du gaz est récupéré, produisant en association avec l'oxygène de l'air, de la vapeur d'eau dont la chaleur vient ensuite alimenter les réseaux d'eau chaude sanitaire et de chauffage. Une seule installation suffira pour alimenter tout le bâtiment en énergie. Ci-dessous, le schéma tiré du diaporama ACQUALYS énergies d'avenir indiquant l'évolution du matériel pour les années futures.