La cogénération est le processus de production simultanée d'énergie mécanique (généralement transformée en énergie électrique) et de chaleur. La chaleur peut être utilisée pour chauffer des bâtiments et/ou pour des processus de production industrielle.
Le spectre des performances électriques et thermiques des centrales de cogénération varie de quelques à plusieurs centaines de kilowatts. Depuis l'an 2000 environ, des mini et micro centrales électriques avec production combinée de maisons individuelles, de petites entreprises et d'hôtels sont de plus en plus disponibles sur le marché de la centrale de la taille d'une machine à laver. En 2009, VW a lancé un projet qui prévoit l'installation de 100 000 petites centrales de cogénération, d'une puissance totale d'environ 2 GW.
Généralement, une centrale de cogénération comprend :
- Premier moteur ;
- Générateur électrique;
- Système de moteur ;
- Unités de récupération de chaleur;
S'ils étaient divisés par moteurs principaux, on pourrait distinguer :
- Usines de turbogaz;
- Centrales à vapeur turbo ;
- Moteurs à combustion interne alternatifs.
Exemple de cogénération
Le fonctionnement d'une voiture en donne un exemple : la puissance prélevée sur le vilebrequin est utilisée pour la traction et la production d'électricité, la chaleur qui est extraite des cylindres pour chauffer l'habitacle et la pression des gaz d'échappement pour déplacer le vilebrequin. turbine du turbocompresseur. L'exploitation de la chaleur et de la pression n'implique pas une augmentation de la consommation, car ce sont des vestiges du processus de conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique appliquée par le moteur.
Son exploitation permet de transformer l'énergie primaire introduite (le combustible fournit de l'énergie chimique) en différentes formes d'énergie secondaire produite (mouvement, chaleur). Un système qui fonctionne à partir de la cogénération s'appelle un co-générateur.
CHP utilise
L'énergie thermique peut être utilisée pour le conditionnement industriel ou environnemental (chauffage, refroidissement).
La cogénération est réalisée dans des centrales thermoélectriques privées, où sont récupérées de l'eau chaude ou de la vapeur et/ou des fumées de procédé, produites par un moteur primaire alimenté par des combustibles fossiles (gaz naturel, fioul, etc.) ou des combustibles non organiques. fossiles (biomasse, biogaz, gaz de synthèse ou autre) : cela génère d'importantes économies d'énergie par rapport à la production séparée d'électricité (via la génération dans la centrale) et d'énergie thermique (via la centrale thermique traditionnelle).
Un domaine particulier des systèmes de cogénération est celui de la trigénération.
Définition de l'efficacité
L'efficacité peut être exprimée de différentes manières, qui ne conduisent pas toujours à une comparaison correcte entre les différentes installations. Les définitions adoptées par l'Environmental Protection Agency (EPA) sont illustrées ci-dessous.
L'efficacité d'un processus simple est la relation entre l'énergie conservée, à la fin du processus, et l'énergie d'entrée.
Étant donné que les systèmes de cogénération produisent de l'électricité et de la chaleur, leur efficacité totale est donnée par la somme de l'efficacité électrique et de l'efficacité thermique. Par exemple, une usine qui utilise 100 MWh de méthane pour produire 40 MWh électrique et 40 MWh thermique a un rendement électrique et thermique de 40 % et un rendement global de 80 %.
L'EPA utilise de préférence une autre définition de l'efficacité connue sous le nom de « efficacité énergétique », le rapport entre la production électrique nette et la consommation nette de combustible (qui ne prend pas en compte le combustible utilisé pour produire de l'énergie thermique utilisable, calculé en supposant un rendement spécifique de la chaudière de 80 %). L'inverse de cette relation est la quantité nette de chaleur.
Il existe également d'autres indices pour évaluer les performances d'une centrale de cogénération : le premier est ce que l'on appelle l'IRE, l'indice d'économie d'énergie. Cet indice est défini comme le rapport entre la différence de puissance absorbée par les installations individuelles pour la production d'électricité et d'énergie thermique séparément, moins la puissance absorbée par l'installation de cogénération, compte tenu de la puissance absorbée par les installations distinctes, cette puissance étant évaluée en termes de combustible en puissance électrique et thermique égale produite par les centrales respectives. Cet indice donne une idée de la quantité d'énergie pouvant être économisée avec ces systèmes ; Il est possible, par de simples calculs analytiques,
D'autres indices importants sont l'indice électrique défini comme la relation entre l'énergie électrique fournie et l'énergie thermique produite par la même centrale de cogénération, le coefficient d'utilisation attendu comme la somme des relations entre l'énergie électrique et l'énergie absorbée et l'énergie thermique et qui est entré.
Cependant, tous ces coefficients sont liés à un moment précis d'intervention dans leurs pouvoirs, et pour cette raison, ces indices sont utiles pour déterminer les valeurs de la carte système, c'est-à-dire les valeurs maximales des performances du système.
Très souvent il est commode de se référer à une période de temps finie et d'évaluer les indices sur cette période : cela revient à évaluer les indices en termes de rapports énergétiques plutôt que de puissances, ces évaluations sont importantes car elles permettent d'établir où il se trouve plus pratique réaliser un projet spécifique Centrale de cogénération, en fonction de la consommation d'énergie obtenue dans ces domaines.
Enfin, l'indice d'économies économiques qui est défini comme le rapport entre les coûts qui seraient obtenus lors de l'achat d'énergie à l'étranger moins les coûts que vous avez lors de l'achat de combustible pour alimenter la centrale de cogénération que vous souhaitez construire et qui produit une quantité égale de l'énergie que vous souhaitez acheter, fraction du coût de l'énergie que vous souhaitez acheter. Cet indice permet d'évaluer la commodité économique qu'implique un tel projet, bien sûr, une évaluation économique correcte et complète implique un calcul des dépenses pour l'entretien de l'usine et les investissements associés.
L'efficacité énergétique de la cogénération
La cogénération est une technologie qui permet d'augmenter l'efficacité énergétique globale d'un système de conversion d'énergie. Mais pour expliquer pourquoi, nous devons analyser les rendements.
Le coefficient d'efficacité est caractéristique de chaque type de moteur et représente le rapport entre l'efficacité énergétique résultante et le carburant introduit. Dans un moteur de voiture, il indique le rapport entre les kilomètres parcourus et la quantité d'hydrocarbures introduits ; Dans les gros moteurs pour la production d'électricité, le coefficient indique le rapport entre les kilowattheures produits et le carburant consommé.
Ces relations sont caractéristiques de chaque type de moteur. Par exemple, les moteurs à essence des voitures ont des rendements allant de 20 à 30 % ; voitures avec des moteurs diesel entre 25 et 35 pour cent, le reste est converti en chaleur résiduelle.
Les gros moteurs ont un rendement plus élevé, et bien qu'ils soient largement généralisés, on peut dire que pour les moteurs thermoélectriques, le coefficient de rendement est assez élevé et peut atteindre 55%. Mais le même moteur lorsqu'il est produit en cogénération a des coefficients qui atteignent 85 %, car le pouvoir calorifique du carburant est mieux utilisé, avec une optimisation efficace du procédé.
Certes, les investissements pour adapter les moteurs d'une centrale thermoélectrique à la cogénération sont considérables, mais s'il est possible de créer un réseau de chauffage urbain, les résultats sont toujours avantageux. En fait, la durée d'utilisation de ces machines doit être prise en compte, qui atteint même 30 à 40 ans.
Types de centrales de cogénération
La centrale de cogénération thermoélectrique de Ferrera Erbognone (PV)
L'exemple le plus courant d'une centrale de cogénération est celle construite avec une turbine à gaz / un moteur alternatif et une chaudière de récupération. Les fumées de la turbine à gaz ou du moteur alternatif sont transportées par un conduit de fumée jusqu'à la chaudière de récupération. La récupération peut être simple, s'il n'y a pas de postcombustion, ou la récupération de postcombustion dans le cas contraire. Les fumées dans la chaudière permettent de produire de l'eau chaude, de la vapeur saturée ou de la vapeur surchauffée. Généralement, l'eau chaude est utilisée pour le chauffage, la vapeur saturée pour les utilisateurs industriels et la vapeur surchauffée pour les turbines à vapeur et les utilisateurs.
Enfin, l'électricité est obtenue grâce à l'alternateur couplé à la turbine à gaz et éventuellement à travers l'alternateur couplé à la turbo vapeur, et la production d'énergie thermique sous forme de vapeur, qui est ensuite exploitée par les utilisateurs connectés.
En présence de vapeur turbo, on obtient un cycle combiné dans lequel la dispersion énergétique est minimale et est constituée principalement de la chaleur introduite dans l'atmosphère par les fumées sortant de la chaudière de récupération.
Quant au fluide qui se dégage, c'est généralement l'eau qui, dans de nombreux cas, atteint l'état de vapeur surchauffée, mais dans d'autres elle peut atteindre des températures qui ne sont pas assez élevées. Pour cette raison, vous aurez besoin d'échangeurs de chaleur intermédiaires pour augmenter la température.
Plus rarement, le fluide dégagé est de l'air, qui a cependant le défaut d'avoir un coefficient de transfert thermique convectif trop faible et donc des surfaces d'échange thermique beaucoup plus élevées sont nécessaires.
En ce qui concerne les moteurs à combustion interne, généralement seulement 33% de l'énergie totale disponible est transformée en énergie mécanique, le reste est perdu en partie en raison de l'irréversibilité présente dans le moteur égale à 33% de l'énergie totale et enfin les 33% restants sont émise dans l'environnement extérieur sous forme d'énergie thermique qui est finalement perdue.
Pour récupérer cette chaleur perdue, différents échangeurs de chaleur sont utilisés : un premier échangeur qui permet le refroidissement de l'huile de graissage, est disponible à basse température (pas plus de 80°C), un autre échangeur pour refroidir l'eau destiné à refroidir le moteur en oui, et enfin un dernier échangeur situé dans l'échappement du moteur qui permet d'élever considérablement la température du fluide caloporteur, généralement, comme on l'a dit, de l'eau, qui pour cet échange thermique supplémentaire peut atteindre l'état de vapeur surchauffée. Grâce à ces installations, il est possible de produire de l'électricité et de la chaleur. Sauf pour le coût des échangeurs. cela ne constitue pas une complication excessive du système car de tels moteurs doivent de toute façon fonctionner avec un système de refroidissement,
Enfin, les fluides évolutifs particulièrement utilisés sont les huiles diathermiques dérivées du pétrole, qui ont la particularité de rester liquides à pression atmosphérique jusqu'à des températures de 300°C, et ont un point de solidification bien inférieur à celui de l'eau, ce qui les empêche de geler. dans les tuyaux
Petite cogénération (et microcogénération)
La cogénération avec moins de 1 MW d'énergie électrique est définie comme une cogénération à petite échelle, une micro-cogénération d'une puissance inférieure à 50 kW, et est réalisée par des moteurs alternatifs, à combustion interne, des microturbines à gaz ou des moteurs à cycle Stirling. La principale différence entre la petite cogénération et la micro cogénération réside dans le fait que dans la petite cogénération l'énergie thermique est un produit secondaire, tandis que la micro cogénération est principalement destinée à la production de chaleur et secondairement d'électricité.
Les avantages de la petite cogénération
En bref, les avantages de la petite cogénération sont :
- Utilisation d'énergie thermique inutilisée, avec des économies de carburant conséquentes.
- Moins de pollution atmosphérique.
- Chaîne de distribution électrique considérablement plus courte, avec une nette réduction des pertes en ligne
- Réduction des infrastructures (centrales et lignes électriques)
La trigénération
La trigénération implique la production simultanée d'énergie mécanique (électricité), de chaleur et de froid à l'aide d'un seul combustible, en effet, une centrale de trigénération est "capable de produire de l'électricité, de la chaleur et du froid en combinaison... garantissant une réduction significative de la consommation d'énergie fossile. carburants et émissions d'équivalent CO2 ». Ceci est possible parce que les centrales thermiques traditionnelles ne convertissent qu'un tiers de l'énergie du combustible en électricité, tandis que le reste est perdu sous forme de chaleur.Il est encore nécessaire d'augmenter l'efficacité de la production d'électricité. Une méthode qui va dans ce sens est la production combinée de chaleur et d'électricité (également connue sous l'acronyme anglais CHP,
Systèmes de trigénération
Les systèmes de co-trigénération peuvent être étudiés et réalisés pour fonctionner avec n'importe quelle source de chaleur primaire. Ces systèmes sont techniquement matures et économiquement aptes aujourd'hui à être largement adoptés, parmi les nombreuses configurations possibles que nous avons évoquées :
- systèmes de cogénération avec des combustibles fossiles;
- systèmes de trigénération avec des combustibles fossiles;
- cogénération avec des systèmes solaires thermiques ;
- cogénération au biogaz ;
- systèmes hybrides de cogénération et de trigénération.
Chaleur combinée aux piles à combustible
Actuellement il est possible de produire de l'hydrogène gazeux à partir du méthane vers le réseau public ou biogaz (après désulfuration, car l'H 2 « empoisonne » S les membranes échangeuses de protons) avec un procédé de reformage qui utilise de la vapeur. L'hydrogène réagit avec l'oxygène atmosphérique sur une membrane échangeuse de protons pour produire un courant électrique continu. La chaleur peut être récupérée pour le chauffage des locaux, l'eau du robinet, la désinfection au jet de vapeur, etc.