La cogénération est un procédé qui permet la production simultanée d'énergie électrique et thermique à partir d'une même source d'énergie primaire. La chaleur générée peut être utilisée pour le chauffage, le refroidissement ou dans des processus industriels, améliorant ainsi considérablement l’efficacité énergétique par rapport à la production conventionnelle.
Centrale thermique cogénération
Les centrales de cogénération présentent un certain nombre de caractéristiques qui les rendent efficaces et attractives pour la production simultanée d’électricité et de chaleur. Certaines des principales caractéristiques de ces installations sont les suivantes :
Haute efficacité énergétique
Le principal avantage des centrales de cogénération est leur capacité à valoriser l’énergie contenue dans les combustibles en produisant simultanément de l’électricité et de la chaleur utile. Cela améliore l'efficacité globale du système, atteignant des valeurs supérieures à 80%, contre 40 à 50% des centrales de production d'énergie traditionnelles.
Utilisation de la chaleur perdue
L’une des caractéristiques clés des centrales de cogénération est la récupération et l’utilisation de la chaleur perdue, qui est utilisée pour chauffer l’eau ou l’air, ou pour des processus industriels qui nécessitent de la chaleur. Cela réduit la nécessité d’utiliser des ressources supplémentaires pour générer de la chaleur.
Polyvalence en matière de carburant
Les centrales de cogénération peuvent fonctionner avec différents types de combustibles, notamment le gaz naturel, le charbon, la biomasse, le biogaz et les déchets industriels. Cela leur donne la flexibilité nécessaire pour s’adapter aux conditions économiques et environnementales changeantes.
Réduire les émissions
En utilisant mieux le combustible, les centrales de cogénération génèrent moins d’émissions de gaz polluants par unité d’énergie produite, ce qui contribue à réduire l’empreinte carbone. Toutefois, l’intensité des émissions dépend du type de carburant utilisé.
Génération décentralisée
Les centrales de cogénération peuvent être installées de manière décentralisée, permettant une production d’énergie plus proche du lieu de consommation (par exemple, dans des installations industrielles ou de grands bâtiments). Cela réduit les pertes liées au transport de l’électricité sur de longues distances.
Flexibilité opérationnelle
Les centrales de cogénération peuvent facilement s’adapter aux différentes demandes d’électricité et de chaleur. Cette adaptabilité les rend particulièrement utiles dans les installations qui nécessitent les deux types d’énergie simultanément.
Réduction des coûts
La cogénération permet de réaliser des économies sur les coûts énergétiques, puisque l’utilisation du combustible est optimisée. Les entreprises qui ont besoin à la fois d’électricité et de chaleur (comme dans les processus industriels ou les grandes installations de chauffage) peuvent réduire considérablement leurs factures d’énergie.
Impact environnemental réduit
Comme l’efficacité de ces centrales est plus élevée, la consommation de ressources et les émissions de gaz polluants sont inférieures à celles des centrales classiques. Cela les rend plus durables par rapport aux autres formes de production d’énergie.
Capacité à s'intégrer à d'autres sources renouvelables
Les centrales de cogénération peuvent également être intégrées à des sources d’énergie renouvelables, telles que la biomasse, ce qui leur permet d’accroître encore la durabilité de l’exploitation.
Performance à petite ou grande échelle
Ces installations peuvent être conçues pour des opérations de différentes échelles, depuis de petites installations à usage industriel ou résidentiel jusqu’à de grandes installations qui fournissent de l’énergie aux réseaux électriques ou aux systèmes de chauffage urbain.
Composants d'une centrale de cogénération
Les principaux composants d’une centrale de cogénération comprennent :
- Moteur ou turbine : Il peut s'agir de gaz, de vapeur ou de biomasse. Ce composant convertit l'énergie de la combustion ou de la vapeur en énergie mécanique, qui est ensuite convertie en électricité par un générateur électrique.
- Générateur de chaleur (chaudière) : utilise la chaleur résiduelle du processus de production d'électricité ou de combustion directe de combustibles pour produire de la vapeur ou de l'eau chaude.
- Générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) : dans les centrales à cycle combiné, la chaleur perdue des gaz d'échappement de la turbine est utilisée pour chauffer l'eau et générer de la vapeur qui peut être utilisée pour la production de chaleur ou pour entraîner une turbine à vapeur supplémentaire.
- Système de distribution de chaleur : Système de tuyaux et de pompes pour transporter la chaleur produite vers les zones d'utilisation, telles que le chauffage industriel, résidentiel ou de processus industriel.
- Générateur électrique : Générateur qui convertit l’énergie mécanique des turbines (à gaz et à vapeur) en électricité.
- Contrôle des émissions : Filtres et systèmes de traitement des gaz pour contrôler le rejet de polluants dans l'atmosphère, tels que les oxydes d'azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2) et les particules.
- Systèmes de refroidissement : Dans certaines installations, des tours de refroidissement ou des échangeurs de chaleur sont utilisés pour réduire la température de la vapeur utilisée et garantir l'efficacité du processus.
Exemples de cogénération
Voici quelques exemples pertinents de cogénération dans différents secteurs :
- Industrie du papier : L'entreprise espagnole Saica utilise la cogénération pour alimenter ses usines de papier recyclé, obtenant ainsi une meilleure efficacité énergétique et réduisant les émissions.
- Hôpitaux : De nombreux hôpitaux en Europe et aux États-Unis, comme l'Hospital Clínic de Barcelone, ont mis en place des systèmes de cogénération pour assurer un approvisionnement énergétique stable et réduire les coûts.
- Secteur automobile : En 2009, Volkswagen a lancé un projet visant à installer 100 000 mini-centrales de cogénération dans les foyers et les petites entreprises en Allemagne, d'une capacité totale de 2 GW.
- Stations de traitement des eaux usées : Dans plusieurs villes, comme Madrid et Chicago, des systèmes de cogénération sont utilisés qui convertissent le biogaz produit en électricité et en chaleur pour leur propre fonctionnement.
- Bâtiments et hôtels : Certains hôtels, comme le Ritz-Carlton de San Francisco, ont mis en place la cogénération pour optimiser leur consommation énergétique et réduire leurs coûts d'exploitation.
Applications de la cogénération
L'énergie thermique produite dans les systèmes de cogénération peut être utilisée pour :
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Applications industrielles.
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Systèmes de chauffage et de refroidissement environnementaux.
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Réseaux de chauffage urbain.
Les centrales de cogénération peuvent fonctionner avec des combustibles fossiles (gaz naturel, fioul) ou avec des combustibles renouvelables (biomasse, biogaz, gaz de synthèse), permettant des économies d'énergie considérables par rapport à la production séparée d'électricité et de chaleur.
Efficacité énergétique en cogénération
L'efficacité d'un système de cogénération est mesurée en prenant en compte à la fois l'énergie électrique et l'énergie thermique produites. Par exemple, une centrale qui consomme 100 MWh de gaz méthane pour produire 40 MWh d’électricité et 40 MWh de chaleur a un rendement global de 80 %, bien supérieur à celui d’une centrale classique.
D’autres indicateurs clés permettant d’évaluer l’efficacité comprennent :
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Efficacité énergétique : rapport entre l’électricité nette produite et la consommation de carburant.
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Indice d'économie d'énergie (ESI) : Mesure les économies d'énergie par rapport à la production séparée.
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Coefficient d'utilisation : Somme des rendements électrique et thermique.
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Indice d’économies économiques : Évalue la rentabilité de la cogénération en fonction des coûts énergétiques évités.
Types de centrales de cogénération
1. Centrales de cogénération à cycle combiné (Gaz-Vapeur)
Les centrales de cogénération à cycle combiné sont l’une des options les plus efficaces pour la production simultanée d’électricité et de chaleur. Ce système combine une turbine à gaz et une turbine à vapeur.
Le processus commence par la combustion de gaz naturel ou d’un autre combustible dans la turbine à gaz, générant de l’électricité. Les gaz d’échappement de cette turbine, qui contiennent encore une quantité importante d’énergie thermique, sont acheminés vers un générateur de vapeur, où ils sont utilisés pour chauffer de l’eau et produire de la vapeur. Cette vapeur est dirigée vers une turbine à vapeur qui génère de l’électricité supplémentaire, exploitant ainsi au mieux l’énergie contenue dans le combustible.
L’un des principaux avantages de ce type de cogénération est son rendement élevé, qui peut dépasser 80 %, puisque l’électricité et la chaleur résiduelle sont utilisées. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour les grandes industries ou installations qui nécessitent à la fois de l'électricité et de la chaleur en continu, comme dans les processus industriels, le chauffage urbain ou les centrales de production d'électricité.
La flexibilité dans le type de combustible pouvant être utilisé fait également de ces centrales une option attrayante pour une variété d’applications, y compris celles cherchant à réduire leur empreinte carbone et à améliorer la durabilité énergétique.
2. Centrales de cogénération au gaz naturel (turbine à gaz)
Les centrales de cogénération utilisant des turbines à gaz sont appréciées pour leur capacité à produire efficacement de l’électricité et de la chaleur. Ces centrales fonctionnent en brûlant du gaz naturel dans une turbine, qui génère de l’électricité grâce au mouvement des pales de la turbine.
La chaleur perdue du processus de combustion est utilisée pour chauffer de l’eau ou produire de la vapeur, qui peut ensuite être utilisée pour des processus industriels, le chauffage ou dans d’autres systèmes nécessitant de la chaleur. Cette configuration est courante dans les installations fonctionnant à proximité de zones résidentielles ou industrielles, où la chaleur peut être utilisée directement.
Le gaz naturel est un combustible relativement propre par rapport aux autres combustibles fossiles, ce qui rend ces centrales plus durables et produisent des émissions de CO₂ plus faibles. Bien que l’efficacité de ces centrales puisse varier, la combinaison de l’électricité et de la chaleur produites ensemble permet de réduire l’utilisation des ressources et d’améliorer les performances de la centrale.
Ces installations sont particulièrement utiles dans les zones où la demande de chauffage et d’électricité est constante, comme les hôpitaux, les complexes résidentiels ou les grandes installations commerciales.
3. Centrales de cogénération à biomasse
Les centrales de cogénération à biomasse utilisent des ressources renouvelables, telles que les déchets agricoles, forestiers ou alimentaires, pour produire de l’électricité et de la chaleur.
Le processus implique la combustion de biomasse, qui libère de l’énergie thermique, utilisée pour chauffer de l’eau ou produire de la vapeur. Cette vapeur, à son tour, entraîne une turbine à vapeur pour produire de l’électricité. La cogénération dans ce type d’installation est particulièrement bénéfique pour les régions rurales ou lorsque les ressources organiques sont abondantes, car elle permet d’utiliser les déchets de manière productive, en générant de l’énergie et en réduisant les déchets.
L’un des grands avantages des centrales de cogénération à biomasse est leur caractère renouvelable et durable. En utilisant des matières organiques, ces plantes contribuent à réduire la dépendance aux combustibles fossiles et à atténuer le changement climatique. De plus, dans de nombreuses applications industrielles, la production de chaleur est aussi importante que l’électricité, et ce type de système offre une solution efficace.
Les centrales à biomasse contribuent également à la gestion des déchets agricoles et forestiers, contribuant ainsi au développement d’économies circulaires et à la gestion responsable des ressources naturelles.
4. Installations de cogénération au biogaz
Les installations de cogénération au biogaz exploitent le méthane produit par la décomposition anaérobie de matières organiques, telles que les résidus agricoles, le fumier ou les déchets alimentaires.
Le biogaz généré est brûlé dans un moteur à combustion ou une turbine pour produire de l’électricité. La chaleur résiduelle de ce processus est utilisée pour le chauffage ou les processus industriels, augmentant ainsi l'efficacité globale du système.
Ce type de cogénération est particulièrement intéressant dans les zones rurales ou dans les installations où de grandes quantités de déchets organiques sont générées, comme les fermes ou les stations d’épuration des eaux usées.
Le biogaz est une source d’énergie renouvelable qui, lorsqu’elle est exploitée, réduit la libération de méthane dans l’atmosphère, un gaz à effet de serre extrêmement puissant. De plus, les installations de biogaz peuvent être une solution efficace pour gérer les déchets organiques et produire de l’énergie propre, contribuant ainsi à une économie plus circulaire.
Sa mise en œuvre est idéale dans les secteurs où la production de chaleur et d’électricité est nécessaire simultanément, comme dans les processus alimentaires industriels ou dans les systèmes de chauffage urbain.
5. Centrales de cogénération à moteur à combustion interne
Les centrales de cogénération qui utilisent des moteurs à combustion interne, généralement alimentés au gaz, produisent de l’électricité de manière efficace. Ces moteurs sont parfaitement adaptés aux applications de petite et moyenne envergure telles que les installations industrielles, les hôpitaux ou les bâtiments commerciaux.
Le fonctionnement est similaire à celui d’un moteur conventionnel, où le gaz est brûlé pour déplacer les pistons du moteur, générant ainsi de l’électricité. Dans le même temps, la chaleur produite par le moteur est collectée et utilisée dans des processus industriels ou pour le chauffage.
L’un des principaux avantages de ce type de cogénération est sa capacité à s’adapter à différentes échelles et types de consommation d’énergie. Ils sont faciles à installer et à entretenir, ce qui en fait une option viable pour les petites installations qui nécessitent à la fois de l’électricité et du chauffage.
De plus, l’utilisation de moteurs à combustion interne permet un fonctionnement flexible en fonction des carburants disponibles, du gaz naturel au biogaz ou même aux carburants liquides dans certains cas.
6. Centrales de cogénération ORC (cycle organique de Rankine)
Les centrales de cogénération basées sur l’ORC utilisent un fluide organique (au lieu de l’eau) pour produire de la vapeur et de l’électricité. Ces installations sont idéales pour tirer parti des sources de chaleur à basse température, telles que la chaleur résiduelle des processus industriels ou des sources géothermiques.
Le fluide organique du cycle ORC est vaporisé en étant chauffé par la chaleur perdue, ce qui entraîne une turbine génératrice d'électricité. Ce système est particulièrement utile lorsque les températures des gaz d’échappement ne sont pas suffisamment élevées pour faire fonctionner une turbine à vapeur conventionnelle.
L’un des principaux avantages du cycle ORC est qu’il peut être utilisé efficacement avec des sources de chaleur à basse température, ce qui ouvre de nouvelles possibilités de cogénération dans les processus industriels avec de la chaleur résiduelle à des températures modérées. De plus, les installations ORC sont compactes et nécessitent moins d’espace que les installations traditionnelles, ce qui en fait une option intéressante pour les petites installations ou celles ayant des contraintes d’espace.
Ce type de cogénération est de plus en plus populaire dans des secteurs tels que la géothermie, la récupération de chaleur industrielle et les projets d’efficacité énergétique.
7. Centrales de cogénération à moteur Stirling
Les centrales électriques utilisant des moteurs Stirling sont basées sur un principe thermodynamique à cycle fermé qui convertit la chaleur en travail mécanique.
Ce type de moteur est particulièrement efficace dans les applications à basse température, car il fonctionne par la dilatation et la contraction d'un gaz scellé dans les cylindres du moteur. La chaleur, généralement produite par la combustion de biomasse, de gaz ou d’énergie solaire, est utilisée pour chauffer le fluide dans le moteur Stirling, permettant de produire de l’électricité tout en utilisant la chaleur perdue à d’autres fins.
Le principal avantage des centrales électriques Stirling est leur rendement élevé dans les applications de chauffage à basse température. Leur conception simple et le fait qu’ils ne nécessitent pas de systèmes de refroidissement complexes en font une option intéressante pour les petits systèmes de cogénération.
De plus, comme ils ne comportent aucune pièce mobile entrant en contact direct, ils nécessitent relativement peu d’entretien. Ces centrales peuvent constituer une excellente option pour les installations rurales ou à petite échelle, telles que les maisons ou les communautés à la recherche de solutions énergétiques durables.
8. Centrales de cogénération à microturbines
Les microturbines sont une technologie de production d’énergie qui utilise une petite turbine à gaz pour produire de l’électricité et de la chaleur. Ces turbines sont particulièrement efficaces dans les applications de petite et moyenne taille telles que les bâtiments commerciaux, les hôpitaux ou les usines.
La microturbine utilise du gaz naturel ou du biogaz pour produire de l’électricité, et la chaleur perdue peut être utilisée pour le chauffage ou dans des processus industriels. Ces installations présentent l’avantage d’être compactes, modulaires et faciles à installer, ce qui les rend idéales pour les installations où l’espace est limité ou lorsque des solutions énergétiques flexibles sont nécessaires.
Le principal avantage des microturbines est qu’elles peuvent fonctionner efficacement avec des carburants alternatifs, ce qui en fait une option intéressante pour les communautés ou les installations qui cherchent à devenir plus autonomes en énergie. De plus, leur grande fiabilité et leur faible maintenance les rendent intéressants pour les applications à long terme.
Elles sont idéales pour les petites installations industrielles ou commerciales qui nécessitent à la fois de l’électricité et du chauffage de manière continue et économique.
9. Centrales de cogénération photovoltaïque (avec stockage thermique)
Les centrales de cogénération photovoltaïque combinent l’énergie solaire avec le stockage thermique pour produire à la fois de l’électricité et de la chaleur.
Dans ce type d'installation, les panneaux solaires photovoltaïques captent l'énergie solaire pour produire de l'électricité, tandis que la chaleur collectée pendant la journée est stockée dans des systèmes de stockage thermique, tels que des sels fondus. Cette chaleur stockée peut être utilisée pour produire de la vapeur ou pour chauffer la nuit ou lorsque la demande solaire est faible. Cette combinaison permet un approvisionnement constant en énergie électrique et thermique, même lorsque le soleil n’est pas disponible.
Ce système offre plusieurs avantages, notamment son caractère renouvelable et durable, et est particulièrement utile dans les zones à fort rayonnement solaire. L’intégration du stockage thermique permet à ces centrales de produire de la chaleur efficacement tout au long de l’année, même lorsque les conditions météorologiques ne sont pas idéales.
Les centrales de cogénération gagnent en popularité en tant que solution complète pour les collectivités, les usines et les grandes installations commerciales qui ont besoin en permanence d’électricité et de chaleur.
Petite et micro cogénération
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Petite cogénération : Capacité inférieure à 1 MW.
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Microcogénération : Puissance inférieure à 50 kW, utilisée dans les maisons et les petites entreprises.
La principale différence entre les deux est que dans la petite cogénération, l’énergie thermique est un sous-produit de la production d’électricité, tandis que dans la micro cogénération, la chaleur est généralement le besoin principal, l’électricité étant un avantage supplémentaire.