Cogénération

La cogénération c’est quoi ? La cogénération c’est produire une partie de la chaleur nécessaire tout en couvrant une part des consommations électriques.

En théorie : la cogénération est la production thermodynamique simultanée de 2 (ou plusieurs) formes d’énergie à partir d’une même énergie primaire.

En pratique : la cogénération est la production combinée d’électricité et de chaleur valorisée à partir d’une même énergie primaire.

Au sens de la Directive EU 2004/8/CE :

• Cogénération : puissance électrique > 1000 kW_é
• Mini-cognération : puissance électrique <ou= 1000 kW_é
• Micro-génération : puissance électrique < ou = 50 kW_é

En Wallonie, si puissance électrique < 10 kW_é P –> principe compensation OK (on peut garder son compteur tournant à l’envers jusqu’en 2030)

Ou trouve-t-on de la cogénération ?

Dans des endroits gros consommateur de chaleur et d’électricité.

Micro-cogénération :

• logement
• bureaux
• appartements
• complexe sportif
• wellness

Cogénération de taille réduite :

• hôpitaux
• piscines
• horticulture en serre

Cogénération majeure :

• réseaux de chaleur industrie

La cogénération est définie par 2 puissances :

• Puissance électrique (kW électriques) : Puissance aux bornes de l’alternateur par le moteur à régime nominal. Typiquement pour les moteurs à combustion interne : E/ 5kWé et 1000 kWé.
  • Puissance électrique brute : sans déduction de la consommation des auxiliaires
  • Puissance électrique nette : puissance réellement valorisante.
• Puissance thermique (kW thermiques) : Flux total de chaleur récupérée à différents niveaux possibles (circuit d’eau de refroidissement du moteur, gaz d’échappement, huile moteur, alternateur). Typiquement pour les moteurs à combustion interne : E/ 10 et 1000 kWth
  • Puissance thermique nominale (brute) : fiche technique de la machine
  • Puissance thermique valorisée (nette) : flux de chaleur utilisé pour des besoins réels de chauffage ou ECS (en “bon père de famille”)

Une cogénération de qualité réduit les consommations d’énergie et les émissions de CO₂.

Notre cogénération doit être comparée au 2 meilleurs solutions séparées :

• électricité = la TGV
• chaleur = chaudière avec un rendement saisonnier de 90%

Quelle quantité de gaz je dois rentrer dans ma centrale TGV (meilleur type de centrale actuellement) pour produite 1MWh d’électricité avec un rendement de 55%? Il faut entrer 1,81 MWh de gaz (qui produira 454,31 kg de CO2 (251 kgCO₂/MWh).

Il y a aussi des économies niveau financier. La cogénération permet, en gros, de produire de l’électricité au prix du gaz.

Limites de la cogénération :

• simultanéité des besoins d’électricité et chaleur (mais possibilité de revendre l’électricité et/ou de stocker la chaleur)
• ne remplace généralement pas une chaudière classique (mais la complète utilement)
• nécessite un investissement supplémentaire par rapport à une chaudière (mais qui peut être récupéré plus ou moins rapidement)
• nécessite un suivi plus régulier et plus coûteux par rapport à une chaudière (mais possibilité de sous-traiter)

C’est l’accès ou non au réseau de distribution de gaz naturel qui dictera le choix de l’installation de référence et non le choix du combustible. Si on a une cogénération diesel dans une zone desservie par un réseau de gaz naturel : c’est la chaudière au gaz naturel qui servira de référence.

Combustible	Coefficient d’émission de CO2
Mazout	CMazout = 306 kg CO2 / MWHp
Gaz naturel	CGN = 251 kg CO2 / MWHp
Bois cultivé	CBois cultivé = 45 kg CO2 / MWHp
Déchets de bois	CBois déchets = 23 kg CO2 / MWHp
Matières organiques biodégradables	CMatières organique = 0 kg CO2 / MWHp

Economie financière et en CO₂

La cogénération s’inscrit dans le développement durable car :

• elle permet de réduire la facture d’électricité (Ssi le prix de revient par cogénération < prix d’achat au réseau). On a environ un cout de revient de 6 à 3,1 (avec CV) centimes par kWh_é. Le prix d’achat sur le réseau est d’environ 8 centimes en heure pleine et 6 centimes en heure creuse. En région Wallonne pour bénéficier des CV il faut valoriser la chaleur produite.
• Elle permet aussi la réduction de la facture d’électricité par vente au réseau (Ssi le prix de revient (par cogénération) < prix de revente au réseau). Mais il vaut mieux valoriser l’électricité en interne (auto-consommation) car le prix de rachat en heure pleines est de 6,1 centimes et en heures creuses 2,6.

Il est indispensable de valoriser la chaleur produite par cogénération (solution : stockage de chaleur dans ballon tampon par exemple), car le prix de revient de l’électricité est > prix d’achat/vente au réseau.

• Il y a également des réduction de la facture d’électricité (en terme de puissance) Si la cogénération n’est pas à l’arrêt lors de la point 1/4 horaire (Rappel réseau haute tension.). Par exemple si pendant le 1/4 horaire on a réussit a produire 225 kW_é on peut économiser 2250 euro.

La cogénération (dont on a valorisé la chaleur) pourra bénéficier de certificat vert (CV) même si elle utiliser des combustibles fossiles. Car le bilan de CO₂ est inférieur avec la cogénération est inférieur au production séparée. Mais une cogénération produite avec des énergies renouvelables sera mieux récompensée.

La cogénération réduit également les émission de CO₂. Les économies faite en CO₂ sont indiquée avec les kCO₂.

Calcul du nombre de CV : méthode wallonne

L’octroi des CV (certificat vert) est une aide à la production. Basé sur l’économie de CO₂ réelle des installations.

Nouveautés depuis juillet 2014 – Certificats verts et comptage :

• réservation des CV préalable
• Enveloppes fermées CV par filières
• Coefficient K_éco : Il sert à ajuster le nombre de CV en fonction de la rentabilité de la filière et du soutien jugé nécessaire par le régulateur. Pour la cogénération classique, il est généralement fixé à 1, ce qui signifie qu’il n’y a pas de correction économique particulière appliquée au kCO₂.
• La garantie de rachat des certificats verts auprès d’ELIA est automatique à 65euro/CV.
• Certification de l’installation (par organisme de contrôle)
• Octroi des certificats verts (ouverture compte et relevés index)
• Plafond à 2,5 CV/MWhélec

1. Calculer le gain CO₂ G.

Sachant que le coefficient d’émission de CO₂ : 251 kg CO₂/MWh de gaz naturel

G = E_ref + Q_ref – F

• G = Gain CO₂
• E_ref = production de référence en kg de CO₂ par l’électricité avec centrale TGV. Une turbine gaz vapeur (TGV) fonctionnant au gaz naturel avec un rendement de production de 55%. E_ref = 251/0,55=456 kg CO₂ /MWh_é
• Q_ref = production en kg de CO₂ par chaudière de référence.
  • Si vous avez accès au réseau de gaz naturel, l’installation de référence est une chaudière au gaz avec un rendement de 90%. Q_ref = 251/0,90=279 kg CO₂ /MWh_q
  • Si vous n’avez pas accès au réseau de gaz naturel, l’installation de référence est une chaudière au mazout avec un rendement de 90%. Q_ref = 306/0,90=340 kg CO₂ /MWh_q
  • Pour exprimer la quantité de CO₂ émise par une chaudière de référence par MWh_é produit par cogénération, il suffit d’utiliser la formule ci-dessous :
    • Q = Q_ref = P_{Q cogen} / P_{E cogen} en kg CO₂/MWh_é où
      • P_{Q cogen} = puissance thermique de l’unité de cogénération (kW_q)
      • P_{E cogen} = puissance électrique de l’unité de cogénération (kW_é)
• F = production en kg de CO₂ par la cogénération. Pour la cogénération la quantité de CO₂ émise par l’unité de cogénération par MWhé d’électricité produite dépend du combustible économisé :
  • F = C_x /𝛼_E (kg CO₂/MWh_é) où
    • C_x = coefficient d’émission de CO₂ de la source d’énergie primaire X utilisée par l’unité de cogénération (kg CO₂/MWh_p)
    • 𝛼_E = rendement électrique de l’unité de cogénération

2. Calculer le taux économie CO₂ kCO₂ ou τ

Avec cela on peut calculer le kCO₂. En Wallonie, le kCO₂ (coefficient CO₂) est un facteur utilisé pour déterminer le nombre de certificats verts accordés à une installation de cogénération. Il représente le niveau d’économie de CO₂ réellement réalisé par l’unité par rapport à une production séparée de référence (électricité produite dans une centrale classique et chaleur produite par une chaudière standard).

Concrètement, on compare :

• les émissions de CO₂ de la cogénération (en tenant compte du combustible utilisé et du rendement global),
• aux émissions qu’il aurait fallu produire pour générer séparément la même quantité d’électricité et de chaleur.

Plus l’installation permet d’éviter des émissions de CO₂, plus le kCO₂ est élevé.

kCO₂ = τ = G/E_ref

• G = Gain CO₂
• E = E_ref = production de référence en kg de CO₂ par l’électricité avec centrale TGV
• τ plafonné à 2 mais généralement proche 0,3 pour gaz naturel

3. Calcul du nombre de CV octroyés

N_CV = kCO₂ x K_éco x Eenp produit

ou

N_CV = plafond x K_éco x Eenp produit

• Eenp : l’électricité nette produite (MWh), limitée à la première tranche de 20 MW pour les filières biomasse, cogénération et hydraulique
• Plafond : le plafond est de 3 CV/MWh pour les demandes de réservation introduites jusqu’au 31/12/2014 et de 2,5 CV/MWh pour les demandes de réservations introduites à partir du 1er janvier 2015.
• K_CO2 : le taux d’économie de CO2, plafonné à 2 pour la tranche inférieure à 5 MW et plafonné (sauf dérogation prévue par le décret) à 1 pour la tranche au-delà de 5 MW, appliqué de la première à la dernière année d’octroi en fonction des performances réelles de l’installation.
• K_ECO : le coefficient économique tel que prévu à l’article 38, appliqué de la première à la dernière année d’octroi pour ne filière donnée. Cet indicateur a été mis en place après la première crise des CV.

Exemples :

Exercice 21.

Technologie disponible

Récupération de la chaleur sur des technologies existantes de production d’électricité :

• groupe électrogènes (moteur à combustion interne)
• turbines à gaz
• turbines à vapeur

• combustible fossile ou renouvelable

–> Moteur à combustion interne

Un moteur à combustion interne est un moteur dans lequel la combustion du carburant se fait directement à l’intérieur du moteur (dans les cylindres), comme dans un moteur essence ou diesel. Les gaz brûlés exercent une pression qui produit directement le mouvement mécanique.

Un moteur à combustion externe est un moteur où la combustion a lieu à l’extérieur du mécanisme moteur, et la chaleur produite chauffe un fluide (souvent de la vapeur) qui actionne ensuite le moteur. Un exemple classique est la machine à vapeur.

La cogénération par moteur à combustion interne consiste à utiliser un moteur (généralement au gaz naturel, biogaz ou biométhane) pour produire simultanément de l’électricité et de la chaleur. Le moteur entraîne un alternateur qui génère l’électricité, tandis que la chaleur issue des gaz d’échappement et du circuit de refroidissement est récupérée via des échangeurs thermiques.

Au lieu de perdre cette chaleur comme dans une production électrique classique, elle est valorisée pour le chauffage, l’eau chaude sanitaire ou des procédés industriels. Cela permet d’atteindre des rendements globaux élevés, souvent supérieurs à 80–90 %.

Avantages d’un moteur à gaz ou diesel :

• à partir de 30 kW_é
• bien adapté à la préparation d’eau chaude
• bien adapté pour des besoins électriques du même ordre de grandeur que les besoins de chaleur
• coût d’achat abordable
• bien adapté pour suivre une demande variable
• peut jouer le rôle de groupe de secours en cas de panne

Inconvénients d’un moteur à gaz ou diesel :

• coût de maintenant élevé
• peu propice à la production de vapeur
• durée de vie limitée
• entretiens programmés indispensables en vue d’atteindre une durée de fonctionnement de 100 000 heures avant le remplacement complet du moteur

–> Turbine à gaz

La cogénération via turbine à gaz consiste à produire simultanément de l’électricité et de la chaleur à partir d’une turbine alimentée généralement au gaz naturel, biogaz ou autres combustibles gazeux. La combustion se fait dans une chambre de combustion, les gaz chauds sous pression entraînent la turbine, qui actionne un alternateur pour produire de l’électricité.

Les gaz d’échappement, encore très chauds (souvent 400–550 °C), sont ensuite dirigés vers une chaudière de récupération afin de produire de la vapeur ou de l’eau chaude pour des usages industriels ou du chauffage. Ce principe permet d’atteindre des rendements globaux élevés, particulièrement adaptés aux sites ayant des besoins importants et continus en chaleur.

Avantages de la turbine à gaz :

• à partir de 500 kWé
• production aisée de vapeur
• bon rendement global

Inconvénients de la turbine à gaz :

• faible rendement électrique pour les petites puissances
• nécessite en général du gaz naturel

–> Turbine Gaz Vapeur – TGV

La cogénération via turbine gaz-vapeur, aussi appelée cycle combiné, associe une turbine à gaz et une turbine à vapeur pour valoriser au maximum l’énergie du combustible. D’abord, le gaz brûlé entraîne une turbine à gaz qui produit de l’électricité. Les gaz d’échappement, encore très chauds, alimentent ensuite une chaudière de récupération qui génère de la vapeur.

Cette vapeur entraîne à son tour une turbine à vapeur couplée à un second alternateur, produisant davantage d’électricité. La chaleur résiduelle peut aussi être récupérée pour des besoins thermiques. Ce système permet d’atteindre des rendements électriques très élevés (souvent >55–60 %) et des rendements globaux encore supérieurs en cogénération.

–> Turbine vapeur

La cogénération par turbine à vapeur consiste à utiliser la vapeur haute pression produite par une chaudière pour faire tourner une turbine reliée à un alternateur, générant ainsi de l’électricité. Plutôt que de condenser la vapeur en pure perte à la sortie, on récupère sa chaleur résiduelle pour alimenter un réseau de chauffage ou un procédé industriel, permettant ainsi de valoriser jusqu’à 90% de l’énergie initiale du combustible.

Avantages de la turbines vapeur :

• convient à tous types de combustibles
• très bon rendement global
• coût d’entretien modique
• durée de vie élevée
• convient bien lorsque les besoins de vapeur sont nettement plus importants que les besoins électriques

Inconvénients de la turbine vapeur :

• peu intéressant pour les faibles besoins de chaleur
• investissement élevé
• fonctionnement quasi-continu

Dimensionnement

Le dimensionnement de la cogénération se fait à partir des besoins en chaleur. Car pour être rentable la cogénération a besoin des certificats verts qui ont pour condition la valorisation de la production de chaleur.

Pour le dimensionnement on va placer des détecteurs de consommation sur la production de chaleur et faire un graphique avec en ordonnée la puissance et en abscisse le nombre d’heure. C’est ce qu’on appelle la monotone des besoins en chaleurs.

Pour les conseillers en énergie il existe des logiciels qui permettent de voir si la cogénération est rentable ou pas (cogencalc.xlsx)