Cogénération?


Quand on parle de fourniture d’énergie, on songe en premier lieu à l’électricité.
Pourtant ce n’est pas l’électricité qui forme la majeure partie de la demande d’énergie, mais c’est la chaleur. Ainsi, pour la Flandre, la chaleur représente de l’ordre de 80% de la demande totale. La production d’électricité et de chaleur se fait d’habitude de manière séparée. La production simultanée de ces deux formes d’énergie par la cogénération, offre cependant des avantages considérables, entre autre pour l’environnement.

L’électricité et la chaleur sont deux formes d’énergie, mais loin d’être équivalentes. Pour pouvoir en faire l’évaluation, il faut tenir compte de la faculté de pouvoir convertir une forme d’énergie dans une autre. En effet, toutes les formes d’énergie ne sont pas entièrement transformables sous une autre forme. Il faut faire mention ici des concepts « exergies » et « anergie ». L’exergie est la part d’énergie que l’on peut complètement convertir en d’autres formes ; par contre l’anergie est la part qui n’est pas (plus) entièrement transformable en d’autres formes.

Il semble évident d’attacher plus de valeur à l’exergie qu’à l’anergie, et de ménager cette exergie. L’électricité est complètement transformable en d’autres formes, comme l’énergie mécanique ou la chaleur, et est donc entièrement composée d’exergie. La chaleur par contre est une forme d’énergie de moindre qualité, qui ne peut plus être converti entièrement en une autre forme. La chaleur contient donc à côté de sa part d’énergie, une part d’anergie. Cette part d’anergie augmente pour une température de cette chaleur plus faible.

En règle générale, la chaleur et l’électricité sont produites séparément, ce qui veut dire que chaque forme d’énergie est produite dans une installation distincte. L’électricité se transporte aisément, contrairement à la chaleur. Ainsi la production se fait souvent à distance, dans de grandes centrales. L’électricité est alors transportée à travers le réseau jusqu’au consommateur final. La chaleur est généralement produite sur place, auprès du consommateur, à l’aide d’une chaudière. La combustion, l’énergie chimique du combustible y est convertie en chaleur. La température demandée pour cette chaleur n’est généralement pas fort élevée, ce qui signifie que l’énergie du combustible est convertie en chaleur faisant la part belle à l’anergie. Ceci est dommage, en regard d’un emploi au plus efficace des combustibles parce qu’une précieuse exergie se perd.

La cogénération (cogen) peut solutionner ce problème. Ici l’électricité et la chaleur sont produites dans la même installation. Comme la chaleur est difficile à transporter, l’installation se situe auprès du consommateur de chaleur. La chaleur de haute qualité (1200°C) dégagée par la combustion du combustible est d’abord employée pour fabriquer de l’énergie mécanique et transformée, en passant par un alternateur, en électricité. Il en ressort une chaleur de basse qualité (p.c. 500°C) qui est alors usitée pour répondre aux besoins de chaleur d’une usine, d’un hôpital, etc.

On peut donc en conclure qu’une cogénération est une manière intelligente de produire de la chaleur, où on obtient un rendement énergétique supérieur. La chaleur en est la composante la plus importante donc il importe que la chaleur soit employée utilement. Il est donc préférable de dimensionner l’installation de cogénération sur base de la demande de chaleur. La production d’électricité est employée ici pour produire la chaleur à la température requise tant en réduisant la perte d’exergie et permettant un emploi de l’énergie plus rationnel.

Il y a différentes technologies pour réaliser le principe mentionné ci-dessus de production combinée d’électricité et de chaleur. Chaque technologie a ses domaines d’application particuliers. Les formes les plus courantes sont la turbine à vapeur, la turbine à gaz et le moteur à combustion interne qui peut marcher tant au diesel qu’au gaz naturel. À côté de ceux-ci, les microturbines sont sur le point de percer sur le marché et de nouvelle technologie, comme le moteur Stirling et les piles à combustible font l’objet de recherches.

Le principe de la cogénération peut être étendu à la trigénération. Pareille installation produit en plus de l’électricité et de la chaleur, aussi du froid. En simplifiant on peut dire que dans cette machine la chaleur sert à produire du froid. Quand la demande de chaleur diminue en saison d’été, la cogénération peut continuer à fonctionner, et faire utilement usage de sa chaleur pour répondre aux besoins de frigories

Les atouts de la cogénération

Le grand avantage de la cogénération est donc qu’en produisant simultanément de la chaleur et de l’électricité il est fait bien meilleur usage de l’énergie contenu dans le combustible. Nous savons que les réserves de combustibles fossiles sont limitées et nous devons donc en faire usage avec parcimonie Dans cette optique la cogénération est bien sûr une technique intéressante. La majorité des cogénérations fonctionnent au combustible fossile, mais on peut également employer des sources renouvelables comme combustible, comme la biomasse ou le biogaz. Cette option offre un double avantage non seulement un combustible écologique est employé mais son utilisation est optimisée.

Une consommation de combustible moindre permet en plus une forte réduction de l’émission de CO2 et d’autres matières nocives (Suies, NOx, SO2, CO, …).
Ces matières se manifestent dans des concentrations de plus en plus grandes dans l’air, l’eau et le sol. L’impact sur l’environnement, l’atmosphère et le climat est sensible. Songeons à l’effet de serre et le problème de l’ozone. Le protocole de Kyoto, stipule que l’émission des gaz à effet de serre, dont le CO2 est le principal doit être réduite de 5 % dans la période 2008 – 2012 par rapport à l’année de référence 1990. L’Europe va encore plus loin, ce qui oblige la Belgique de diminuer de 7,5 %. La cogénération peut y contribuer mais elle n’est pas seule.

Une augmentation du nombre d’installations de cogénération engendre aussi la mutation de la production fortement centralisée vers une production décentralisée qui crée moins de pertes de transport et rend le client moins dépendant d’une centrale, ce qui augmente la disponibilité de l’énergie électrique.

Utilisation rationnelle de l’énergie

L’utilisation rationnelle de l’énergie (URE) doit fournir une contribution du développement durable ce qui signifie : transmettre un monde viable aux générations après nous, et ne pas les charger des conséquences négatives de nos activités actuelles. URE doit cependant s’appliquer à tous les niveaux : autant les sources d’énergie que la conversion de l’énergie et la consommation de l’énergie doivent être pris en main avec circonspection. La Cogénération permet une conversion plus efficace de l’énergie et contribue ainsi à l’URE. Cependant cet effort ne sera récompensé que si l’utilisation finale use de cette énergie avec parcimonie.


Gain d’énergie primaire d’une cogénération comparée à une production séparée


Une entreprise a un certain besoin de chaleur et d’électricité, elle peut satisfaire ce besoin par une production séparée ou par une cogénération. Une cogénération bien dimensionnée permettra une forte réduction de la consommation de combustible. Un combustible étant une énergie primaire, on parle pour une cogénération de gain d’énergie primaire.

Prenons comme exemple une industrie qui a un besoin de 45 unités d’électricité et de 50 unités de chaleur.

Nous supposons qu’en cas de production séparée, la production d’électricité atteint un rendement de 50 % et la production de chaleur (chaudière) un rendement à 90 %. Cette configuration donne alors une consommation de combustible de 45/0,5 + 50/0,9 = 146 unités.



Une cogénération comme un moteur gaz avec un rendement électrique de 38 % et un rendement thermique de 42 % peut en théorie parfaitement répondre à cette demande et ne nécessite que 119 unités de combustible. Ce qui fait 27 unités de moins que pour une production séparée, ou un gain d’énergie primaire de 18,5 %



Le cas ci-dessus est bien sûr un cas idéal où la cogénération peut à tout moment répondre exactement aux besoins de chaleur et aux besoins d’électricité. En pratique, cela n’est pas toujours le cas, ce qui implique de prévoir une production supplémentaire classique. Ainsi, le gain d’énergie primaire sera un peu plus faible que ce qui a été calculé ci-dessus.


Unités d’énergie et de puissance


Unités d’énergie

L’unité standard de l’énergie est le Joule (J). Comme cette unité est fort petite, on emploi souvent des multiples :

• 1 J (1 Joule)
• 1KJ (1 Kilo Joule) = 103 J = 1000 J
• 1 MJ (1 Mega Joule) = 106 J = 1 million J
• 1 GJ (1 giga Joule) = 109 J = 1 milliard J
• 1 TJ (1 tera Joule) = 1012 J = 1000 milliard J

Généralement on exprime l’énergie en Kilowattheures (KWh) ou un multiple.
Le lien entre Kilowattheures et Joules est simple : 1KWh = 3600000 J = 3,6 x 106 J

• 1 KWh (1 Kilowattheure) = 3600 KJ
• 1 MWh (1 megawattheure) = 3600 MJ
• 1 GWh (1 gigawattheure) = 3600 GJ
• 1 TWh (1 terawattheure) = 3600 TJ

Unités de puissance

La puissance est exprimée en Watt (W) et ses multiples. La puissance est l’énergie par unité de temps, de la : 1 W = 1 J/s (Joule par seconde).

• 1 W (1 Watt)
• 1 KW (1 Kilo Watt)= 1000 W
• 1 MW (1 mega Watt)= 106 W
• 1 GW (1giga Watt) = 109 W
• 1 TW (1 tera Watt)= 1012 W

Des index peuvent indiquer les types d’énergie (électrique, thermique, chimique…)
Ainsi :
• 1 MWe = 1 MW de puissance électrique
• 1 MWth = 1 MW de puissance thermique

Convertir en énergie primaire

Généralement nous connaissons l’énergie électrique, thermique, … énergie qui est consommée. La quantité de combustible consommé est alors supérieure comme la conversion ne se fait jamais à 100 % du rendement.

Conventionnellement on prend comme facteur de conversion pour la production séparée 2,5 à 3, et pour la chaleur 1,11. Ceci signifie qu’1 KWh électrique de l’utilisateur correspond à 2,5 à 3 KWh d’énergie primaire, et 1 KWh thermique de l’utilisateur avec 1,11 KWh d’énergie primaire.




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