Cogénération

Unité de cogénération d'une usine de sucre de canne valorisant un déchet (la bagasse) comme combustible[N 2].

Cycle d'une machine thermique parfaite dans un diagramme entropie-température. TI, TII : Températures absolues des sources respectivement chaude et froide. La courbe 1-2-3-4-1 représente le cycle de la machine, parcouru dans le sens horaire pour un moteur. L'aire verte représente alors le travail fourni au cours d'un cycle ; l'aire bleue la chaleur nécessairement cédée à la source froide et généralement perdue. Le principe de la cogénération est de trouver un usage simultané à cette chaleur. L'énergie thermique totale dépensée à la source chaude, somme des deux précédentes, est représentée par l'aire hachurée.

L'idée de cogénération repose sur le fait que la production électrique dégage une grande énergie thermique à température moyenne, habituellement dissipée dans l'environnement. En réponse à une demande thermique (chauffage, eau chaude sanitaire, processus industriel, etc.), elle propose de valoriser la chaleur du cycle de génération électrique comme source thermique.

Pour l'illustrer dans la pratique, dans un cas de besoin simultané d'électricité et de chaleur :

• une configuration classique pourrait être une turbine à gaz (productions d'électricité) et une chaudière à gaz naturel (production de chaleur) séparées ;
• une configuration de cogénération serait une turbine à gaz couplée à un récupérateur de chaleur alimenté par les gaz d'échappement (productions d'électricité et de chaleur cogénérées).

Alors que dans une centrale électrique, c'est le rendement électrique maximum qui est recherché (rendement électrique de l'ordre de 40 % avec un cycle simple et atteignant 58 % avec un cycle combiné), dans la cogénération, on vise un rendement global accru par l'utilisation prioritaire de l'énergie thermique, soit dans un processus industriel, soit dans une chaufferie ; la cogénération d'électricité (ou de force) n'est plus dans ce cas le but mais une conséquence, améliorant le bilan économique de l'équipement dont le rendement global peut alors atteindre en moyenne 85-90 %, voire plus de 95 % (du pouvoir calorifique inférieur du gaz), avec une micro-cogénération gaz utilisant un moteur Stirling couplé à un récupérateur de chaleur à condensation^{[réf. nécessaire]}.

Dans un équipement de cogénération, l'énergie électrique est soit auto-consommée, soit réinjectée sur le réseau électrique public de transport (haute tension) ou de distribution (moyenne ou basse tensions) (en France, RTE, Enedis ou les entreprises locales de distribution d'électricité), suivant des conditions économiques fixées par les pouvoirs publics (dans le cadre des tarifs d'achat) ou suivant les conditions de marché de l'électricité (prix spots).

L'énergie thermique sert le plus souvent au chauffage de bâtiments, à la production d'eau chaude sanitaire et/ou à des procédés industriels (vapeur moyenne ou haute pressions, mettant en œuvre dans ce cas des turbines à vapeur).

La cogénération fonctionne au plus près de l’utilisateur de chaleur pour valoriser l’ensemble de la production d'énergie en limitant les pertes. Le stockage de chaleur permet un suivi de la charge électrique qui produit l’électricité au moment précis des besoins. L’appoint de pompes à chaleur, généralisé en trigénération voire en quadri-génération, permet en cogénération normale d’augmenter la production de chaleur tout en amenant le fluide caloporteur aux températures voulues. L’appoint de pompes à chaleur améliore le rendement comme celles qu’on intègre aux sèche-linges domestiques modernes beaucoup plus économes. On valorise les températures résiduelles issues de la combustion, la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées, les pertes par rayonnement du système thermique, et, en mode trigénération, un appoint en chaleur venant du milieu, typiquement géothermique, qu’on combine à la cogénération pour produire plus de chaleur utile. Le total de l’énergie utile produite avec la même quantité de gaz brûlé représente le double de celle d’une chaudière à condensation. On valorise ainsi d'un facteur 1,8 à 2,3 fois l’énergie correspondant au pouvoir calorifique inférieur (PCI) du combustible brûlé, suivant la disponibilité de l’appoint géothermique ou du milieu, parfois nul (site urbain) et parfois illimité (cours d’eau à gros débit). Cette efficience énergétique est très similaire à celle des piles à combustibles en développement^{[réf. souhaitée]} mais avec un rapport électricité / chaleur inférieur pour la cogénération.

Les hauts rendements affichés par les unités de cogénération sont calculés de la façon suivante :

${\displaystyle \eta _{cogen}={\frac {P_{elec}+{\dot {Q}}_{chaleur.utile}}{{\dot {Q}}_{combustible}}}}$

où :

• ${\displaystyle P_{elec}}$ est la puissance électrique produite.
• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{chaleur.utile}}$ est la puissance thermique extraite des gaz d'échappement.
• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{combustible}}$ est la puissance thermique fournie par le combustible : pouvoir calorifique supérieur.

Physiquement, l'addition d'une grandeur électrique et thermique est licite car ce sont deux formes d'énergie, mesurées en joules.

Avec l'inéquation : ( ${\displaystyle P_{elec}}$ + ${\displaystyle {\dot {Q}}_{chaleur.utile}}$ ) < ${\displaystyle {\dot {Q}}_{combustible}}$

Une approche consiste à considérer deux rendements, respectivement électrique et thermique. Cela permet également de garder l'information concernant le ratio d'électricité et de chaleur.

${\displaystyle \eta _{elec}={\frac {P_{elec}}{{\dot {Q}}_{combustible}}}}$ et ${\displaystyle \eta _{therm}={\frac {{\dot {Q}}_{chaleur.utile}}{{\dot {Q}}_{combustible}}}}$

Comme on ne peut pas obtenir plus d'énergie que l'énergie consommée, une chaudière de cogénération fournissant 3 kWh électrique et 18 kWh thermique, consomme 21 kWh d'énergie en négligeant les pertes.

Dans le cas d'une pompe à chaleur, l'énergie électrique consommée, ou l'énergie thermique consommée dans le cas d'un système à absorption, représente l'énergie nécessaire pour déplacer la chaleur de la source froide vers la source chaude. Ce qui n'est en rien comparable à la fabrication de chaleur par une réaction chimique de combustion.

Dans la cogénération il n'y a pas de pompe à chaleur^{[réf. nécessaire]} ; la cogénération consiste à produire dans une chaudière de l'électricité et de la chaleur. Ce qui peut être intéressant dans certains cas, par exemple en Suède pour les maisons isolées.

Le rendement d’une centrale de production électrique, qu'elle fonctionne au combustible nucléaire, au fioul ou au charbon, dépasse rarement 33 %[15]^{[source insuffisante]}, le reste de l'énergie produite étant dispersé dans l'environnement (cours d'eau, atmosphère) sous forme de chaleur. La cogénération permet d’améliorer le rendement global de l'installation et donc une meilleure utilisation de l'énergie primaire contenue dans le combustible[15]. Les facteurs d'énergie primaire pour la chaleur et l'électricité cogénérées sont plus petits que la production séparée en chaudière et centrale thermique.

La cogénération présente des avantages non seulement en matière de rendement énergétique, mais aussi de flexibilité d'utilisation et de performances environnementales. Les coûts de transmission et de distribution de l'électricité sont souvent plus élevés que le coût de la cogénération[16]. C'est notamment le cas en France pour l'électricité dans son ensemble, quel que soit son mode de production : selon la CRE, le coût d'acheminement réseau représente en moyenne 28 % des tarifs réglementés de vente contre 29 % pour les coûts d'approvisionnement en énergie[17].^{[non pertinent]}

Les réserves de combustibles fossiles étant limitées, la cogénération amène des économies d'énergie fossile grâce à une meilleure utilisation de l'énergie primaire du combustible. D'autre part, la cogénération, lorsqu'elle se substitue à une production d'énergie à partir de pétrole ou de gaz, limite l’émission des polluants et des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Cependant, la cogénération n'apporte un gain réel en matière d'économie d'énergie et de réduction des gaz à effet de serre qu'à la condition de fonctionner de façon aussi constante que possible, en maintenant un équilibre optimal entre production de chaleur et production d'électricité, car les équipements de cogénération ne permettent généralement pas la modulation d’une production par rapport à l’autre[18].

Ces conditions sont souvent réunies dans le cas de cogénération insérée dans une usine, qui produit de la vapeur à destination du processus industriel de l'usine et de l'électricité pour les besoins de l'usine ; dans ce cas, le régime de fonctionnement est optimisé et les pertes de transport sont négligeables. En revanche, la cogénération alimentant un réseau de chaleur urbain souffre de pertes de transport importantes, et surtout de pertes de rendement dues aux fluctuations des besoins de chauffage causées par les variations de température^{[réf. nécessaire]}.

Selon le physicien David J. C. MacKay, la cogénération, qui a perdu une grande part de son attrait pour le chauffage individuel depuis l'apparition des chaudières à condensation et des centrales à cycle combiné pour la production électrique, est de toute façon largement distancée par les pompes à chaleur comme moyen de chauffage économe en énergie primaire et en émissions de gaz à effet de serre[19].

Une turbine à gaz équipée d'une chaudière de récupération peut produire environ 33 mégajoules d'électricité et 50 mégajoules de chaleur à partir de 100 MJ de combustible[20]. Si les mêmes quantités de chaleur et d'électricité étaient produites séparément, il faudrait consommer environ 80 MJ de carburant pour le groupe électrogène, (moteur diesel et alternateur, rendement typique de 40 %), plus 55 MJ pour la chaudière (avec un rendement typique de 90 %), soit 135 MJ au total[20].

Dans cet exemple simplifié, la cogénération permet d'économiser plus de 25 % de combustibles par rapport à des productions séparées[20].

La directive 2004/8/CE[21] du Parlement européen et du Conseil du 11 février 2004 concernant la promotion de la cogénération sur la base de la demande de chaleur utile dans le marché intérieur de l'énergie, et l'envolée du coût des énergies fossiles, permettaient de supposer que la cogénération prendrait plus d'importance.

La Commission européenne a publié le 13 novembre 2008 une communication sur la mauvaise transposition de la directive sur la cogénération[22]. Tous les États étaient en retard et seuls huit[N 3] sur 22 avaient envoyé leurs rapports complets à la commission, qui, à cette occasion, a adopté des lignes directrices pour le calcul de l'électricité produite à partir de la production combinée de chaleur et d'électricité.

Aux Pays-Bas, la cogénération, après avoir connu une croissance rapide dans les années 1990, représente 51,8 % de la production d'électricité en 2011. Elle y a stagné sur la période 2008-2013 et même reculé en 2013[23].

En France, en 2007, un « rapport sur les installations de cogénération sous obligation d'achat » rédigé par l'Inspection Générale des Finances et le Conseil général des mines a été publié[18]. Il montre que « les conditions pour tirer le meilleur parti de l'intérêt écologique et économique de la cogénération au gaz naturel ne sont actuellement pas réunies en France », conclut que le dispositif actuel est inadapté et recommande « le remplacement du régime d'obligation d'achat par un système d'aide aux investissements dans les modes de production électrique écologiques, au-delà de la seule cogénération au gaz naturel, ce qui pourrait permettre de mettre en concurrence cette technologie avec d’autres modes de production « propres » et notamment les technologies (chaudières et turbines à vapeur) utilisant la biomasse comme combustible ».

l'incinérateur et les serres de Bessières en cogénération.

Un autre exemple de cogénération est installé en 2013 à Bessières en Haute-Garonne, où des serres horticoles dédiées à la production de tomate hors-sol fonctionne en cogénération avec l'incinérateur Econotre (combustion des déchets de la région toulousaine)[24]

En septembre 2009, Le constructeur automobile Volkswagen et le fournisseur d'électricité Lichtblick ont signé avec la société Salzgitter AG un partenariat pour construire 100 000 mini-centrales de cogénération électricité-chauffage domestique^[Où ?][N 4] d'une puissance électrique de 20 kW par unité, soit une puissance totale prévue de 2 GW[25].

De fortes disparités demeurent en Europe : en 2010, la part de la cogénération dans la production d'électricité de l'Union européenne atteignait 11,7 % contre 10,5 % en 2004 ; les taux les plus élevés étaient ceux de la Lettonie : 42,6 %, du Danemark : 40,7 %, de la Finlande : 34,9 % et des Pays-Bas : 29,9 % ; la cogénération atteignait 12,5 % en Allemagne, et seulement 3,2 % en France[26].

Au Danemark, en 2011, 63,2 % de l'électricité thermique (soit près de 45 % de l'électricité totale) était produite conjointement avec de la chaleur ; le chauffage urbain était approvisionné à 76,3 % par ces centrales de cogénération ; ces dernières sont alimentées à hauteur de 38,2 % par des sources d'énergie renouvelables, surtout de la biomasse[27].

En Suède, les réseaux de chaleur fournissent plus de 50 % du chauffage[28]; en 2010, 40 % de cette énergie (ainsi que 10 % de l'électricité) était produite dans des centrales à cogénération, dont l'alimentation en 2011 provient à 83 % des énergies renouvelables : biomasse 47 % , déchets 20 %, pompes à chaleur 9 %, récupération de chaleur 6 %[29].

Le Royaume-Uni a construit une importante unité de cogénération à Tilbury.