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N°171/172
LA COGENERATION

Ademe
(Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie)
Dossier de 1993
(cliquer sur les photos pour taille MAXI)
Définition
    La cogénération (ou production combinée chaleur/force) recouvre un ensemble de techniques de production délivrant de façon simultanée de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique, cette dernière étant le plus souvent utilisée pour produire de l'électricité par couplage à un alternateur.
    La taille de ces systèmes est extrêmement variable : de quelques dizaines de kW à plusieurs centaines de MW de puissance.

La cogénération et ses techniques
    On peut distinguer trois grandes familles d'installations :
· Les turbines à vapeur, utilisant n'importe quel type de combustible en chaudière;
·  Les turbines à gaz, dont les progrès récents ont vu les rendements électriques dépasser 30% en versions aérodérivatives et industrielles et atteindre 40% avec injection d'eau ou de vapeur;
·  Les moteurs à combustion interne, fonctionnant soit au gaz ou au fuel domestique et plus récemment au fuel lourd.
    Le choix de la technique adaptée dépend principalement de la puissance électrique à mettre en oeuvre, de la nature des besoins thermiques (eau chaude, vapeur…), du rapport des puissances thermiques et électriques fournies par l'installation. En fonctionnement, ce rapport doit être le plus fréquemment possible à son nominal pour assurer une bonne rentabilité.

TAILLES D'APPLICATION PRIVILEGIEES
tailles d'applications privilégiées
Applications
    La cogénération concerne les sites où une consommation d'électricité, de chaleur ou de froid est nécessaire conjointement, tels que :

· Les sites consommateurs d'énergie thermique où il est recherché un secours électrique partiel ou total;
· Les industries dont le process nécessite des besoins thermiques sous forme d'eau chaude, de vapeur, d'air chaud;
· Le secteur hospitalier, les centres administratifs ou commerciaux;
· Les réseaux de chaleur, les usines d'incinération…

LES AVANTAGES

La cogénération permet de :
· Réduire de façon importante sa facture énergétique.
· Diminuer grâce à l'efficience du système, sa sensibilité aux évolutions des coûts énergétiques;
· Disposer d'une puissance électrique de base pour ses usages prioritaires lors d'incidents sur le réseau public de distribution.
·  Assurer une fourniture électrique de base de haute qualité.
·  Contribuer, grâce au rendement global, à limiter l'utilisation de combustibles primaires.
·  Préserver ainsi la qualité de l'environnement (pollution de l'air réduite).

suite:
LE MOTEUR THERMIQUE
le moteur thermique

Principe
    Un moteur à pistons et à combustion interne fournit de l'énergie mécanique. Ce moteur fonctionne généralement au fuel domestique ou au gaz. L'énergie mécanique disponible sur l'arbre de sortie est soit utilisée directement en entraînement de machine tournante (compresseurs, soufflantes,…), soit convertie en énergie électrique par un alternateur couplé au réseau. Le maintien en température du bloc moteur et de l'huile nécessite un ou plusieurs circuits de refroidissement sur lesquels s'effectue une première récupération à environ 90°C. Un complément d'énergie thermique est obtenu sur les gaz d'échappement.

Les domaines d'applications
    Le niveau de température de la chaleur récupérée favorise les applications thermiques à eau chaude (chauffage, réseau d'eau surchauffée…) au détriment de la vapeur. Le moteur thermique conserve des performances intéressantes sur une plage variant de 50 à 100 % de sa charge électrique et reste très peu sensible aux conditions climatiques extérieures. Son utilisation comme secours électrique partiel ou total peut être raisonnablement envisagé.
    Le produit est généralement bien adapté aux secteurs tertiaires (hôpitaux, centres administratifs, centres commerciaux,…) et industriels (électronique, laboratoires, alimentaire,…).

Références
w CIAL à Strasbourg (67) (Banque).
    Pompe à chaleur à moteur gaz (70 kW) avec récupération sur carter et gaz d'échappement associée à un stockage de froid.
w FORGEVAL à Valenciennes (59) (Forge)
    Cogénération de chaleur et d'air comprimé au gaz naturel (moteur thermique de 58 kW couplé à un compresseur produisant 540 m3/h à 7 bar) avec récupération sur circuit d'huile compresseur, refroidissement et gaz d'échappement.

coût d'une installation

Coûts indicatifs incluant : moteur, alternateur, couplage aux réseaux, système de récupération de chaleur, génie civil et montage.

coût de production du kWh électrique
Coûts définis en fonction du prix du combustible et du rendement électrique (moteur plus alternateur), maintenance incluse, hors amortissement et frais financiers.

Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 3 et 7 ans. Le secours électrique total allonge le temps de retour.

LES AVANTAGES

· Bien adapté au secours électrique
· Souplesse de fonctionnement.
· Disponibles pour de petites puissances.
· Accepte des mises en route fréquentes
· Réduction des émissions polluantes possible par contrôle de la combustion et catalyseur.

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LA TURBINE A GAZ
turbine à gaz
Principe
    Une importante quantité d'air est aspirée et comprimée jusqu'à une chambre de combustion où a lieu une injection de combustible en continu. Les produits de combustion, lors de leur détente entraînent le compresseur et l'arbre de sortie. La turbine fonctionne au gaz ou au fuel domestique. L'énergie mécanique est soit utilisée directement en entraînement de machine tournante, soit convertie en énergie électrique par un alternateur. Les gaz d'échappement dont la température est voisine de 500°C sont valorisés thermiquement.

Les domaines d'applications
    La température des produits de combustion permet la production de vapeur éventuellement surchauffée, ou d'eau chaude, via une chaudière spécialisée. L'usage des gaz en direct (étuve, séchoir…) est possible d'autant que ceux-ci sont propres. Leur teneur élevée en oxygène permet techniquement une post-combustion, la validité économique est à vérifier cas par cas.
    L'usure est en partie liée au nombre de mises en route de ces matériels légèrement plus sensibles aux variations de charges et aux caractéristiques de l'air de combustion (climat). Les turbines trouvent volontiers leur place dans le secteur industriel (chimie, papier, carton, sidérurgie, agro-alimentaire…), les réseaux de chaleur et des applications tertiaires (hôpitaux…).

Références
     - Papeteries GREGOIRE à REMIREMONT (88)
    T.A.G. de 1 MW avec ensemble de récupération post-combustion.
     - Usine d'Electricité de Metz (57)
    T.A.G. de 38 MW avec ensemble de récupération post-combustion.

COÛT D'UNE INSTALLATION
coût d'une installation
     Coûts indicatifs incluant le groupe tubulaire, l'alternateur, le couplage électrique, les échangeurs ou chaudières de récupération, le génie civil et le montage.
COÛT DE PRODUCTION DU kWh ÉLECTRIQUE
coût de production du kWh électrique
     Coûts définis en fonction du prix du combustible et du rendement électrique (turbine plus alternateur), maintenance incluse, hors amortissement et frais financiers.

Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 3 et 6 ans.

LES AVANTAGES

· Fiabilité et longévité.
· Utilisation directe des gaz d'échappement possible.
· Faibles contraintes de mise en oeuvre.
· Production de vapeur Haute Pression possible.
· Haute qualité du courant produit.
· Réduction des NOx par injection d'eau ou de vapeur.

suite:
LA TURBINE A VAPEUR

Principe
    La combustion sous chaudière d'une énergie primaire (bois, charbon, fuel lourd ou domestique, gaz, déchets) fournit de la vapeur surchauffée moyenne ou haute pression. Celle-ci est détendue dans une turbine qui entraîne un arbre de transmission ou un alternateur. La vapeur détendue est valorisée thermiquement.

Les domaines d'applications
    L'utilisation de la vapeur en haute pression prédispose une taille d'installation relativement importante (minimum 1.500 kW électriques et 5.000 kW thermiques). Il est possible d'effectuer des soutirages de vapeur à divers stades de détente dans la turbine et disposer ainsi de différents niveaux de pression pour les usages thermiques.
    Les domaines d'applications privilégiés sont le secteur industriel (chimie, papier, carton agro-alimentaire, sidérurgie,…) et les réseaux de chaleur, notamment lors de l'incinération de déchets.

Références
w Papeteries SIBILLE à STENAY (55).
    Chaudière charbon de 40 T/h et turbo-alternateur à contrepression et soutirage de 3.400 kW.
wUsine d'Electricité de METZ (57).
    Centrale de production combinée chaleur force composée:
     - de chaudière charbon et fuel lourd, haute et moyenne pression, pour la production thermique;
     - de deux groupes turbo-alternateur à contrepression et soutirage (5 et 14 MW), de deux groupes turbo-altrnateur à condensation (12 MW et 16 MW) et de deux groupes Diesel (1 MW chacun) pour la production électrique;
     - elle récupère également de la vapeur moyenne pression provenant de l'incinération d'ordures ménagères (20 MW thermiques).

COÛT D'UNE INSTALLATION
coût d'une installation
     Coûts indicatifs incluant la production et la distribution de vapeur haute pression, la turbine et son alternateur, le couplage électrique, le génie civil et le montage, (variation importante en fonctions des niveaux de pression vapeur, soutirage, injection de vapeur, condensation partielle).
COÛT DE PRODUCTION DU kWh ELECTRIQUE
coût de production du kWh électrique
     Coûts définis en fonction du prix du combustible, du rendement mécanique de l'ensemble turbine-alternateur et du rendement chaudière (85%). Maintenance incluse, hors amortissement et frais financiers.

Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 2 et 6 ans.

LES AVANTAGES

· Fiabilité et longévité
· Utilisation directe des gaz d'échappements possible
· Faibles contraintes de mise en oeuvre
· Production de vapeur Haute Pression possible
· Haute qualité du courant produit
· Réduction des NOx par injection d'eau ou de vapeur.

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