Microcogénération

La micro-cogénération, aussi appelée micro CHP (pour micro combined heat and power), désigne un système de cogénération de très petite puissance électrique (inférieure 36 kilowatt).

Le niveau de puissance thermique de tels systèmes est adapté au niveau des besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire d'un seul bâtiment. Il s'agit donc d'un système de production d'énergie décentralisé. Le bâtiment qui en est équipé peut se passer de tout autre moyen de chauffage ou de connexion à un réseau de chaleur. L'électricité produite peut être consommée localement ("auto-consommée"), être délivrée partiellement ("vente en surplus") ou totalement ("vente en totalité") sur un réseau public d'électricité.

Utilisation de la chaleur fatale

Dans la majorité des applications de conversion d'énergie, de la chaleur est produite, on parle de "chaleur fatale" ou "chaleur secondaire". En particulier, dans un procédé de production d'électricité utilisant un combustible (fioul, gaz naturel, nucléaire, bois, charbon etc.) avec un cycle moteur (turbine à vapeur, turbine à gaz, moteur combustion interne, moteur combustion externe, cycle combiné etc.), la conversion est limitée par un rendement de cycle. De la chaleur "basse température" est inexorablement produite. Cette chaleur peut être utilisée pour le chauffage de locaux ou de production d'eau chaude sanitaire, à condition de ne pas devoir être transportée sur de longues distances. En effet, la chaleur, contrairement à l'électricité, se stocke bien mais se transporte assez mal (pertes thermiques, énergie de pompage). C'est pour cette raison que la chaleur produite par la plupart des centrales en France, souvent situées sur des sites éloignés des villes pour des questions de sécurité et de nuisance, n'est presque jamais valorisée. Cela représente une perte d'énergie considérable, près de deux fois la quantité d'électricité produite chaque année (554,4 TWh en 2007). Cette chaleur est généralement dissipée dans une tour de refroidissement, voire la mer ou une rivière...

Une façon de mieux utiliser ou valoriser cette chaleur est de produire de l'électricité plus proche du lieu de consommation, voire à l'intérieur du lieu de consommation (dans un logement ou une entreprise). Cela implique d'utiliser des systèmes de production plus petits. On parle aussi de production répartie d'énergie ou production décentralisée d'énergie.

C'est le principe de la « cogénération domestique » ou micro-cogénération qui gagne en popularité dans tous les secteurs de l'économie de l'énergie, en raison de l'augmentation des coûts des carburants, en particulier les carburants à base de pétrole, et en raison de préoccupations environnementales, notamment le réchauffement climatique.

La cogénération, et en particulier la micro-cogénération, est donc un moyen simple et efficace d'augmenter la performance énergétique d'un pays, d'une région, d'un quartier ou tout simplement d'un logement. En effet, elle permet de produire de la chaleur et de l'électricité quasiment sans pertes. En comparaison, une centrale thermique (nucléaire, charbon, gaz etc) a un rendement de 20 % (très vieille centrale) à 55 % (cycle combiné construit dans les années 1990-2000), en passant par 30 % pour les centrales nucléaires françaises. En comparaison, la cogénération a un rendement de 80 % (cogénération moteur avec valorisation) à quasiment 100 % (pour les micro-cogénérations à moteur Stirling).

Notions de rendements, d'efficacité et de ratio Électricité / Chaleur

Les définitions des rendements utilisés (rendement énergétique, rendement électrique et rendement thermiques) sont précisées dans l'article cogénération. Les notions de rendement électrique et de rendement thermique sont des rendements partiels, c'est-à-dire que pris séparément, ils ne donnent pas d'indication sur la performance de la micro-cogénération. Ces deux rendements s'additionnent (au même titre que les pressions partielles) pour donner le rendement énergétique ou rendement global, dont la valeur est généralement comprise entre 80 et 95 % pour une micro-cogénération. On parle aussi de composante électrique et de composante thermique du rendement.

Pour traduire la valeur de la production d'électricité d'une micro-cogénération, on utilise aussi la notion d'efficacité sur énergie primaire. En France, le coefficient de conversion d'électricité en énergie primaire de l'électricité est pris conventionnement à 2,58. Il traduit l'efficacité globale des moyens de production et d'acheminement d'électricité jusque chez l'utilisateur. Compte tenu du rendement moyen des centrales en France (33 %) et des pertes de transport/distribution (92,5%), ce coefficient vaut en réalité près de 3,3. Une étude de l'association NegaWatt, prenant en compte les pertes d'extraction, de transport (voire d'enrichissement pour le nucléaire) avance même le chiffre de 4. L'efficacité en énergie primaire d'une micro-cogénération se définit comme la somme du rendement électrique et du rendement thermique pondéré du coefficient de conversion : Eff Ep = (Rendement thermique) + 2.58 * (Rendement électrique). Le lot chauffage de la Directive Écoconception utilise une notion très proche.

Une notion souvent rencontrée est le ratio Électricité / Chaleur (E/C), qui traduit le rapport entre l'électricité et la chaleur utile produite.

Type de systèmes de microcogénération

Les principaux systèmes de microcogénération commercialisés ou en développement, s'appuient sur les technologies de conversion thermo-mécanique suivantes :

• Moteur à combustion interne

Cette technologie est utilisée pour des puissances de 5 kW à plus de 1000 kW. Il s'agit d'une technologie mature, bien maitrisée et fonctionnant avec de nombreux combustibles gazeux ou liquide. Pour un besoin de chaleur donnée, le moteur CI permet de produire une quantité d'électricité relativement importante puisque son ratio E/C est plutôt élevé 1/4 à 1/2. Le rendement global d'un moteur CI est de l'ordre de 75-80 % et peut atteindre 90 % s'il est munie d'un dispositif de condensation, qui équipe par exemple le moteur Dachs produit par Senertech. Le principal défaut du moteur CI est le bruit ainsi que les émissions de NOx, CO et autres imbrûlés. Comme pour une automobile, ce défaut peut être traité par des pots catalytiques et autres filtres à particules.

• Microturbine à gaz

Le principal intérêt de la micro-turbine à gaz réside dans sa robustesse et son faible besoin de maintenance. Bien qu'il existe quelques turbines en micro-cogénération, commercialisées ou en cours de développement (Capston 30 kW ou MTT 3 kW) On trouve plutôt ces équipements pour des puissances supérieures, de l'ordre de 60 à 200 kW (Capston, Turbec). En Europe, la micro-turbine est surtout utilisée pour la valorisation du biogaz de décharge.

• Moteur à combustion externe (moteur Stirling, Ericsson)

Cette technologie est très pertinente pour micro-cogénération de 1 kW électrique. Grâce à un fonctionnent silencieux et non polluant, elle peut être intégrée dans une chaudière. On parle donc de chaudière à micro-cogénération ou d'écogénérateur. Le rendement énergétique d'une micro-cogénération utilisant un moteur à combustion externe est très élevé, il atteint presque 100 % (97 % pour une utilisation basse température du type plancher chauffant). En revanche la composante électrique de son rendement est relativement faible, de l'ordre de 15 %, soit un ratio E/C de 1/6.

• Turbine à cycle de Rankine organique (analogue à la turbine à vapeur, mais où le fluide n'est pas de l'eau)

• Pile à combustible

Évolution

Les systèmes de cogénération sont développés depuis la crise énergétique des années 1970. Pendant trois décennies, les grands systèmes de cogénération étaient économiquement plus justifiables que les systèmes de microcogénération, en raison de l'économie d'échelle. Après l'an 2000, la microcogénération est devenue rentable dans de nombreux marchés à travers le monde, en raison de la hausse des coûts de l'énergie. Le développement de la microcogénération a également été facilité par les progrès technologiques récents sur de petits moteurs thermiques comme le moteur Stirling, le moteur à vapeur ou la turbine à gaz. Aujourd'hui, on voit apparaître en Europe de plus en plus de chaudières à micro-cogénération à moteur Stirling, en particulier au Royaume-Uni, en Allemagne et aux Pays-Bas, pays qui sont attentifs à ne pas gaspiller d'énergie. En France, des opérations de démonstration ont débuté il y a 2 ans et se poursuivent aujourd'hui avec des écogénérateurs de marque De Dietrich et Chappée.

Annexes

Notes et références

Blibliographie

La cogénération. Efficacité énergétique. Micro-cogénération Auteur: Méziane Boudellal - Éditions Dunod - 2010 - Lien: http://www.dunod.com/livre-dunod-9782100528813-la-cogeneration.html

Articles connexes

• Cogénération
• Trigénération
• Centrale électrique virtuelle
• Production décentralisée

Liens externes

• Site sur la cogénération (élaboré par une société commerciale)
• [PDF] Brochure sur la micro-génération (projet Green Lodges)

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