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Centrale de cogénération : comment ça marche et quels avantages offre-t-elle

Une centrale de cogénération produit simultanément de l’électricité et de la chaleur. Applications, avantages et limites


La cogénération est un système efficace et durable permettant de produire simultanément deux formes d’énergie, l’électricité et la chaleur. Ce processus est rendu possible grâce à l’utilisation d’une centrale de cogénération, conçue pour maximiser l’utilisation de l’énergie contenue dans le combustible, réduisant ainsi les pertes au minimum.

Le choix d’une centrale de cogénération pour être techniquement et économiquement viable doit être soigneusement évalué, avec une analyse approfondie des besoins en énergie électrique et thermique (évolution temporelle des charges) et des systèmes moteurs disponibles (chaque utilisation peut mieux correspondre à une technologie plutôt qu’à une autre).

La cogénération peut également considérablement augmenter l’efficacité dans l’utilisation des combustibles fossiles, permettant à la fois de réduire les coûts de la facture énergétique et de réduire les émissions de polluants et de gaz à effet de serre.

Pour identifier le cogénérateur adapté aux charges du bâtiment et augmenter son efficacité énergétique, un logiciel thermotechnique de pointe, tant du point de vue de la mise à jour réglementaire que technologique, pourrait vous être utile.

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Cogénération: signification

Avant d’analyser en détail ce qu’est une centrale de cogénération, nous devons comprendre la signification de la cogénération. La cogénération est un processus qui permet de produire simultanément de l’énergie thermique (chaleur) et de l’énergie électrique à partir d’une seule source d’énergie.
Cette approche permet de maximiser l’efficacité énergétique, en exploitant au mieux la chaleur résiduelle qui serait autrement dissipée dans d’autres formes de production d’énergie.

Qu’est-ce qu’une centrale de cogénération

La centrale de cogénération, également appelée CCHP pour Combined Heat and Power, est un système qui exploite pleinement le potentiel énergétique d’une seule source, réduisant les pertes et contribuant à l’optimisation des coûts. Cette installation est née dans le but de valoriser la chaleur rejetée par une centrale de production d’électricité.
Dans une centrale électrique, la chaleur, à travers un cycle thermodynamique, est d’abord convertie en énergie mécanique, puis ensuite en énergie électrique. Au cours de ce processus, une part significative de la chaleur (30 à 45 %) est dissipée dans l’environnement.

Avec une centrale de cogénération, en revanche, la chaleur résiduelle produite est récupérée et utilisée à des fins de chauffage ou d’alimentation.

Il est important de rappeler que toute la chaleur dissipée ne peut pas être récupérée efficacement. Une partie reste inévitablement dispersée même dans le contexte du cycle de cogénération.

Comment fonctionne une centrale de cogénération

Pour comprendre le fonctionnement d’une centrale de cogénération, il est nécessaire de connaître d’abord le fonctionnement traditionnel de la production d’électricité. Le fonctionnement d’une centrale thermique conventionnelle comprend 4 phases : 

  • approvisionnement en combustible ;
  • utilisation à l’intérieur de l’installation ;
  • génération d’électricité;
  • élimination de la chaleur dissipée.

La chaleur dissipée est rejetée dans l’atmosphère, entraînant une grave nuisance environnementale lorsqu’elle provient de sources fossiles telles que le pétrole ou le gaz, contribuant à l’augmentation de l’effet de serre. Dans la cogénération, en revanche, la chaleur dissipée est récupérée.
Le fonctionnement d’une centrale de cogénération repose sur les éléments suivants : 

  • moteur primaire qui peut être alimenté de différentes manières ;
  • générateur électrique qui, entraîné par le moteur, est capable de produire de l’électricité ;
  • échangeurs de chaleur qui permettent de récupérer la chaleur produite.

En ce qui concerne les moteurs primaires, les principales variantes des centrales de cogénération se distinguent précisément par le type de moteur primaire utilisé. Les technologies de base actuellement les plus utilisées sont : 

  • turbines à gaz (utilisées en cycle simple avec récupération de chaleur pour la cogénération directement à partir des gaz d’échappement, ou en cycle combiné, récupération de chaleur pour la cogénération après utilisation des gaz d’échappement également pour la production de vapeur d’alimentation pour une turbine à vapeur) ;
  • turbines à vapeur (peuvent être à contre-pression, si la chaleur est récupérée à partir de la vapeur rejetée par la turbine, ou à décharge, si la chaleur est obtenue à partir de la vapeur extraite à un stade intermédiaire de la turbine) ;
  • moteurs à combustion interne (cycle Diesel ou cycle Otto ; dans les deux cas, la chaleur provient principalement des gaz d’échappement et du liquide de refroidissement du moteur) ;
  • installations en cycle combiné turbine à gaz/turbine à vapeur.

Les turbines à vapeur et les installations en cycle combiné turbine à gaz/turbine à vapeur sont principalement utilisées pour des applications industrielles de grande puissance. Alors que les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz sont utilisés à la fois dans les installations de grande puissance et dans les systèmes de cogénération mini et micro.
À ces technologies de base, il est possible d’ajouter des technologies innovantes, ou du moins actuellement encore non pleinement établies sur le plan commercial, telles que : 

  • micro turbines ;
  • moteurs Stirling ;
  • piles à combustible.

Ainsi, le processus de cogénération se divise en 4 phases principales : 

  • génération d’énergie : une turbine produit de la force mécanique en utilisant un combustible ;
  • production d’électricité : l’énergie mécanique est transformée en électricité via un générateur. Le produit final est prêt à être utilisé dans les réseaux domestiques ;
  • récupération de la chaleur résiduelle : la turbine produit une quantité importante de chaleur résiduelle. Celle-ci peut être récupérée en utilisant un échangeur de chaleur, qui transfère la chaleur du système de génération à l’usage désiré ;
  • utilisation de l’énergie thermique récupérée : la chaleur récupérée est utilisée pour répondre aux besoins thermiques du bâtiment. Par exemple, elle peut être utilisée pour chauffer l’eau des installations sanitaires.

Diagramme d’une centrale de cogénération

Voici le schéma d’une centrale de cogénération.

Schéma d'une centrale de cogénération

Schéma d’une centrale de cogénération

Centrale de cogénération : comment est-elle alimentée

Dans les systèmes de cogénération, une variété de types de combustibles, appelés énergie primaire, peuvent être utilisés. Ces installations peuvent être alimentées à la fois par des combustibles traditionnels d’origine fossile, tels que le charbon, le gaz naturel, le diesel et le fioul, et par des sources renouvelables telles que les biomasses : 

  • cogénération au gaz naturel : c’est le type d’installation de cogénération le plus courant. Elle utilise le gaz naturel comme source d’énergie primaire pour alimenter un moteur à combustion interne ou une turbine à gaz qui produit de l’électricité. La chaleur résiduelle produite est capturée et utilisée pour chauffer les bâtiments, produire de l’eau chaude ou d’autres utilisations thermiques ;
  • cogénération à biomasse : dans ce cas, la biomasse, telle que le bois, les déchets agricoles ou les déchets organiques, est brûlée pour produire de la chaleur, qui est ensuite utilisée pour alimenter une turbine à vapeur ou un moteur à combustion interne pour produire de l’électricité ;
  • cogénération à haut rendement : ce type d’installation de cogénération utilise des technologies avancées, telles que les piles à combustible ou les moteurs à cycle combiné, pour atteindre des niveaux d’efficacité élevés. Ces installations sont capables d’utiliser de manière plus efficace l’énergie primaire et de produire à la fois de la chaleur et de l’électricité avec peu de pertes.

Centrale de cogénération à haut rendement

Les centrales de cogénération à haut rendement (CAR) sont conçues pour optimiser l’utilisation des ressources énergétiques primaires, garantissant une conversion nettement plus efficace en énergie utile par rapport aux systèmes traditionnels. En général, le rendement de ces installations dépasse 90 %, en contraste marqué avec les 30-40 % des systèmes conventionnels.

Les installations à haut rendement intègrent souvent des technologies avancées, telles que les turbines à gaz haute efficacité, les moteurs à combustion interne de dernière génération ou les piles à combustible. Ces solutions technologiques permettent de maximiser la conversion de l’énergie primaire en électricité et en chaleur.

Ce type d’installations gagne en popularité non seulement dans le secteur industriel, mais aussi dans d’autres secteurs tels que le commercial, l’hôtelier, le médical et, en général, dans toutes les structures nécessitant de l’électricité et de la chaleur.

Quand la cogénération est-elle rentable : les avantages

Les installations de cogénération, comme mentionné précédemment, sont développées pour optimiser l’efficacité des processus de production d’électricité.

Une amélioration de l’efficacité énergétique se traduit par des économies significatives sur les coûts énergétiques pour les entreprises. En utilisant l’énergie thermique produite par la cogénération pour le chauffage des bâtiments ou pour alimenter les processus industriels, les entreprises peuvent réduire de manière substantielle leurs factures énergétiques. Ces entreprises pourraient même devenir partiellement ou totalement autonomes par rapport au réseau électrique public.

L’approche de la cogénération peut être personnalisée pour répondre aux besoins spécifiques de chaque entreprise, assurant ainsi une flexibilité d’utilisation qui la rend adaptée à un large éventail d’applications.

Sur le plan de la durabilité environnementale, la cogénération est considérée comme une source d’énergie propre, car elle utilise de manière plus efficace la source d’énergie primaire. Par conséquent, on observe une réduction des émissions de gaz à effet de serre et de l’empreinte carbone globale de l’entreprise.

Enfin, des consommations d’énergie primaire plus faibles représentent un avantage économique significatif. Cet avantage peut être renforcé par les incitations auxquelles on peut avoir droit en investissant dans un système de cogénération.

En fin de compte, les avantages sont de trois types : énergétiques, environnementaux et économiques.

Quels sont les limites d’une centrale de cogénération

Il est également important de souligner les principaux limites à prendre en compte lors de l’évaluation d’une installation de cogénération. Le principe de la cogénération, bien que valable en général, ne peut parfois pas être appliqué de manière énergétique et économique, sauf si les conditions suivantes sont remplies : 

  • présence et proximité des utilisateurs thermiques : pour qu’une installation de cogénération puisse être réalisée, il est nécessaire qu’à proximité se trouve un utilisateur thermique, industriel ou civil. Cette nécessité entre en conflit avec la tendance à placer les centrales thermiques de production d’énergie loin des centres urbains ou de travail, afin de limiter l’exposition de la population aux émissions atmosphériques ;
  • simultanéité des utilisateurs : une autre condition pour qu’une installation de cogénération puisse être utilisée de manière appropriée est que la demande d’énergie thermique et électrique soit simultanée. Une installation de cogénération est typiquement capable de fournir simultanément de la chaleur et de l’électricité, il est donc nécessaire que les utilisateurs absorbent simultanément cette énergie. C’est pourquoi les installations de cogénération sont souvent raccordées au réseau électrique national, cédant à ce dernier l’électricité produite en excès, et l’installation fonctionne en répondant aux demandes d’énergie thermique des utilisateurs ;
  • compatibilité des températures : tous les systèmes de cogénération ne rendent pas la chaleur disponible à la même température. Il peut donc arriver qu’un système de cogénération ne soit pas adapté à un utilisateur thermique car celui-ci nécessite de la chaleur à des températures trop élevées ;
  • flexibilité de l’installation : bien que la demande d’énergie thermique et électrique par un utilisateur soit simultanée, il arrive parfois que la relation entre l’énergie demandée dans les deux formes puisse varier. Il peut donc arriver que, à certains moments, la demande d’électricité soit proportionnellement supérieure à celle de la chaleur, ou vice versa.

Centrales de cogénération : dans quels secteurs peuvent-elles être appliquées

Les centrales de cogénération conviennent aussi bien aux applications résidentielles qu’aux applications industrielles. La cogénération est très avantageuse surtout dans les contextes caractérisés par un besoin élevé et constant d’électricité ou de chaleur, comme :

  • les hôpitaux et cliniques ;
  • les piscines et centres sportifs ;
  • les centres commerciaux ;
  • les usines de papier ;
  • les industries agroalimentaires ;
  • les industries de raffinage du pétrole ;
  • les industries chimiques et pharmaceutiques ;
  • les industries de la céramique ;
  • l’industrie textile ;
  • l’industrie de la production de matériaux plastiques.

Cogénération, micro-cogénération, cogénération domestique

Les installations de cogénération se distinguent à la fois par leur taille (puissance) et par les caractéristiques du moteur primaire à combustion.
En ce qui concerne la taille, on parle de : 

  • micro-cogénération : puissance électrique < 50 kW ;
  • cogénération : puissance électrique < 1 MW;
  • cogénération de taille industrielle : puissance électrique > 1 MW.

Le concept de micro cogénération (ou petite cogénération) fait référence à des systèmes dont la puissance électrique varie de kilowatts à mégawattsd, avec des installations conçues pour un usage domestique/résidentiel (également connu sous le nom de cogénération domestique) et pour les petites/moyennes entreprises.

La principale distinction entre la cogénération et la micro-cogénération réside donc précisément dans l’utilisation prévue : dans le cas de la cogénération domestique, l’objectif principal est la production de chaleur, tandis que la composante électrique tend à dépasser les besoins immédiats et peut être vendue à la compagnie d’électricité.

Difference entre cogénération et trigénération

La distinction entre cogénération et tri génération repose sur les fonctions des systèmes respectifs. La tri génération peut être définie comme une extension de la cogénération et permet son utilisation même pendant les périodes les plus chaudes.

En effet, tandis que la cogénération se concentre sur la production combinée de chaleur et d’électricité à partir d’une seule source d’énergie (comme le gaz naturel), la tri génération va au-delà et permet de produire non seulement de la chaleur et de l’électricité, mais aussi de l’air ou de l’eau froide pour les systèmes de climatisation, exploitant ainsi au maximum l’énergie thermique disponible.

Il suffit de connecter au système de cogénération un groupe frigorifique à absorption, qui peut ajouter à la production d’électricité et de chaleur également celle d’eau froide. Cette eau froide peut être utilisée à la fois pour les activités de processus et pour le refroidissement des espaces.

Coût d’une installation de cogénération

Le coût d’une installation de cogénération peut varier en fonction d’une série de variables, telles que : 

  • la taille de l’installation ;
  • la technologie utilisée ;
  • la puissance installée ;
  • la configuration de l’installation ;
  • la disponibilité du combustible ;
  • les prix du marché.
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