Définitions : cogénération

COGENERATION DEFINITION

 

La cogénération est la production simultanée d’électricité et de chaleur à partir d’un combustible. L’énergie utilisée pour faire fonctionner des installations de cogénération peut être le gaz naturel, le fioul, ou toute forme d’énergie locale (géothermie, biomasse)ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures).

L’énergie thermique est récupérée sur les gaz d’échappement et les circuits de refroidissement des moteurs ou turbines à gaz ou sur la vapeur détendue dans les turbines à vapeur. L’énergie mécanique est transformée en électricité grâce à un alternateur.

L’utilisation de l’énergie primaire est ainsi considérablement améliorée, ce qui permet d’atteindre un rendement global élevé dépassant les 80 % dans le cas d’une bonne valorisation de la chaleur. L’électricité est ensuite revendue au distributeur local (EDF ou ELD) au travers d'un tarif d'obligation d'achat (ou COA). La chaleur peut être valorisée via un réseaux de chaleur ou des usages locaux, pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire à l’aide d’un échangeur. D’autres usages sont envisageables comme la production de froid, le procédé prend le nom de trigénération.

 

Différentes techniques sont disponibles selon la biomasse utilisée :

-       Moteurs (stirling, ou combustion interne)

-       Turbine à gaz

-       Turbine à vapeur

-       Cycle organique de Rankine (ORC)

 

 

COGENERATION MOTEUR STIRLING

Le moteur Stirling est un moteur à air chaud dans lequel le mouvement du piston est obtenu par échauffement et refroidissement d’un gaz captif sous pression. En pratique, ce gaz est de l’air, de l’hydrogène ou de l’hélium. Le principe du moteur Stirling est très ancien mais la mise en œuvre industrielle, notamment en cogénération biomasse, est beaucoup plus récente.

moteur alpha ((c) Richard Wheeler)

 

 

Dans sa version la plus simple, le moteur Stirling comprend un cylindre renfermant un fluide de travail et un piston récupérant l’énergie mécanique. Le cycle thermodynamique du moteur comprend 4 phases élémentaires :

  • Phase 1 : Chauffage isochore (à volume constant). La pression et la température augmentent pendant cette phase.
  • Phase 2 : Détente isotherme (à température constante). Le volume du fluide augmente, tandis que la pression diminue. C’est pendant cette phase que le travail est produit.
  • Phase 3 : Refroidissement isochore. La température et la pression diminuent pendant cette phase.
  • Phase 4 : Compression isotherme au cours de laquelle la pression augmente. Cette phase est consommatrice d’énergie.

Exposer alternativement le cylindre dans lequel se trouve le fluide de travail à une source chaude, puis à une source froide, est impossible à réaliser en pratique. Pour s’affranchir de cette difficulté, on fait appel à un dispositif qui oblige le fluide de travail à se trouver alternativement en contact avec une source chaude, puis avec une source froide.

 

La figure ci-dessus est un exemple de moteur Stirling du type alpha. Ses principaux éléments constitutifs sont :

  • Une chambre de compression,
  • Une chambre de détente,
  • Un régénérateur,
  • Un échangeur pour l’apport de chaleur,
  • Un échangeur pour l’extraction de chaleur.

source : ECOREN

COGENERATION MOTEUR A GAZ

 

Les moteurs de cogénération sont disponibles dans une gamme de puissance allant de quelques dizaines de kW à environ 3 MW (voir liste). Ce sont donc surtout les petites installations et les applications domestiques qui sont concernées par ce type de technologie (en rapport aux autres procédés industriels). Leurs rendements électriques se situent généralement entre 30 et 43 %.

Un moteur produit en part à peu près égales 2 types d'énergie thermique :

· une énergie "basse température" (environ 95 °C), récupérée sur les huiles et les eaux de refroidissement

· une énergie "haute température" (environ 450 °C), sur les gaz d'échappement

L'utilisation de cette chaleur peut être complexe, en particulier dû aux différents niveaux de température. Le fait que la température soit basse et sous forme d'eau chaude peut pénaliser sa valorisation. La production de vapeur peut être privilégiée. La forte proportion d'énergie basse température implique, pour meilleure efficience, d'avoir à proximité une utilisation sous forme d'air ou d'eau chaude, tels que par exemple des réseaux de chauffage urbain ou industriel.