La cogénération et ses techniques
On peut distinguer trois grandes
familles d'installations :
· Les turbines
à vapeur, utilisant n'importe quel type de combustible en chaudière;
· Les
turbines à gaz, dont les progrès récents ont vu
les rendements électriques dépasser 30% en versions aérodérivatives
et industrielles et atteindre 40% avec injection d'eau ou de vapeur;
· Les
moteurs à combustion interne, fonctionnant soit au gaz ou au
fuel domestique et plus récemment au fuel lourd.
Le choix de la technique adaptée
dépend principalement de la puissance électrique à
mettre en oeuvre, de la nature des besoins thermiques (eau chaude, vapeur…),
du rapport des puissances thermiques et électriques fournies par
l'installation. En fonctionnement, ce rapport doit être le plus fréquemment
possible à son nominal pour assurer une bonne rentabilité.
· Les sites consommateurs d'énergie
thermique où il est recherché un secours électrique
partiel ou total;
· Les industries
dont le process nécessite des besoins thermiques sous forme d'eau
chaude, de vapeur, d'air chaud;
· Le secteur hospitalier,
les centres administratifs ou commerciaux;
· Les réseaux
de chaleur, les usines d'incinération…
La cogénération permet de :
· Réduire
de façon importante sa facture énergétique.
· Diminuer
grâce à l'efficience du système, sa sensibilité
aux évolutions des coûts énergétiques;
· Disposer
d'une puissance électrique de base pour ses usages prioritaires
lors d'incidents sur le réseau public de distribution.
· Assurer
une fourniture électrique de base de haute qualité.
· Contribuer,
grâce au rendement global, à limiter l'utilisation de combustibles
primaires.
· Préserver
ainsi la qualité de l'environnement (pollution de l'air réduite).
Principe
Un moteur à pistons et
à combustion interne fournit de l'énergie mécanique.
Ce moteur fonctionne généralement au fuel domestique ou au
gaz. L'énergie mécanique disponible sur l'arbre de sortie
est soit utilisée directement en entraînement de machine tournante
(compresseurs, soufflantes,…), soit convertie en énergie électrique
par un alternateur couplé au réseau. Le maintien en température
du bloc moteur et de l'huile nécessite un ou plusieurs circuits
de refroidissement sur lesquels s'effectue une première récupération
à environ 90°C. Un complément d'énergie thermique
est obtenu sur les gaz d'échappement.
Les domaines d'applications
Le niveau de température
de la chaleur récupérée favorise les applications
thermiques à eau chaude (chauffage, réseau d'eau surchauffée…)
au détriment de la vapeur. Le moteur thermique conserve des performances
intéressantes sur une plage variant de 50 à 100 % de sa charge
électrique et reste très peu sensible aux conditions climatiques
extérieures. Son utilisation comme secours électrique partiel
ou total peut être raisonnablement envisagé.
Le produit est généralement
bien adapté aux secteurs tertiaires (hôpitaux, centres administratifs,
centres commerciaux,…) et industriels (électronique, laboratoires,
alimentaire,…).
Références
w CIAL
à Strasbourg (67) (Banque).
Pompe à chaleur à
moteur gaz (70 kW) avec récupération sur carter et gaz d'échappement
associée à un stockage de froid.
w FORGEVAL
à Valenciennes (59) (Forge)
Cogénération de
chaleur et d'air comprimé au gaz naturel (moteur thermique de 58
kW couplé à un compresseur produisant 540 m3/h à 7
bar) avec récupération sur circuit d'huile compresseur, refroidissement
et gaz d'échappement.
Coûts indicatifs incluant : moteur, alternateur, couplage aux réseaux, système de récupération de chaleur, génie civil et montage.
Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 3 et 7 ans. Le secours électrique total allonge le temps de retour.
· Bien adapté
au secours électrique
· Souplesse de
fonctionnement.
· Disponibles
pour de petites puissances.
· Accepte des
mises en route fréquentes
· Réduction
des émissions polluantes possible par contrôle de la combustion
et catalyseur.
Les domaines d'applications
La température des produits
de combustion permet la production de vapeur éventuellement surchauffée,
ou d'eau chaude, via une chaudière spécialisée. L'usage
des gaz en direct (étuve, séchoir…) est possible d'autant
que ceux-ci sont propres. Leur teneur élevée en oxygène
permet techniquement une post-combustion, la validité économique
est à vérifier cas par cas.
L'usure est en partie liée
au nombre de mises en route de ces matériels légèrement
plus sensibles aux variations de charges et aux caractéristiques
de l'air de combustion (climat). Les turbines trouvent volontiers leur
place dans le secteur industriel (chimie, papier, carton, sidérurgie,
agro-alimentaire…), les réseaux de chaleur et des applications tertiaires
(hôpitaux…).
Références
w
Papeteries GREGOIRE à REMIREMONT (88)
T.A.G. de 1 MW avec ensemble de récupération
post-combustion.
w
Usine d'Electricité de Metz (57)
T.A.G. de 38 MW avec ensemble de récupération
post-combustion.
Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 3 et 6 ans.
· Fiabilité
et longévité.
· Utilisation
directe des gaz d'échappement possible.
· Faibles contraintes
de mise en oeuvre.
· Production
de vapeur Haute Pression possible.
· Haute qualité
du courant produit.
· Réduction
des NOx par injection d'eau ou de vapeur.
Principe
La combustion sous chaudière
d'une énergie primaire (bois, charbon, fuel lourd ou domestique,
gaz, déchets) fournit de la vapeur surchauffée moyenne ou
haute pression. Celle-ci est détendue dans une turbine qui entraîne
un arbre de transmission ou un alternateur. La vapeur détendue est
valorisée thermiquement.
Les domaines d'applications
L'utilisation de la vapeur en
haute pression prédispose une taille d'installation relativement
importante (minimum 1.500 kW électriques et 5.000 kW thermiques).
Il est possible d'effectuer des soutirages de vapeur à divers stades
de détente dans la turbine et disposer ainsi de différents
niveaux de pression pour les usages thermiques.
Les domaines d'applications privilégiés
sont le secteur industriel (chimie, papier, carton agro-alimentaire, sidérurgie,…)
et les réseaux de chaleur, notamment lors de l'incinération
de déchets.
Références
w
Papeteries SIBILLE à STENAY (55).
Chaudière charbon de 40 T/h et turbo-alternateur
à contrepression et soutirage de 3.400 kW.
wUsine
d'Electricité de METZ (57).
Centrale de production combinée chaleur
force composée :
- de chaudière charbon et fuel lourd, haute et moyenne pression,
pour la production thermique;
- de deux groupes turbo-alternateur à contrepression et soutirage
(5 et 14 MW), de deux groupes turbo-altrnateur à condensation (12
MW et 16 MW) et de deux groupes Diesel (1 MW chacun) pour la production
électrique;
- elle récupère également de la vapeur moyenne
pression provenant de l'incinération d'ordures ménagères
(20 MW thermiques).
Les temps de retour des installations optimisées évoluent entre 2 et 6 ans.
· Fiabilité
et longévité
· Utilisation
directe des gaz d'échappements possible
· Faibles contraintes
de mise en oeuvre
· Production de
vapeur Haute Pression possible
· Haute qualité
du courant produit
· Réduction
des NOx par injection d'eau ou de vapeur.
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