Comment fonctionne une cogénération ?

SirEnergies revient aujourd’hui sur le fonctionnement des installations de cogénération, les principales technologies employées, et le renouveau de cette technologie avec l’utilisation de la biomasse et le développement de la micro-cogénération.

La cogénération, de quoi parle-t-on ?

Principe de fonctionnement d’une centrale de cogénération

La cogénération est la production et l’utilisation simultanée de deux formes d’énergie différentes à partir d’une seule source d’énergie au sein d’une seule et même installation. Son objectif est de valoriser la seconde énergie issue de la production de la première plutôt que de la gaspiller.

Les systèmes de cogénération utilisent des combustibles fossiles, principalement le pétrole (diesel ou fioul), le gaz naturel, et la biomasse-énergie, qui est considérée comme une énergie renouvelable.

La production d’énergie électrique génère une grande quantité de chaleur très souvent inutilisée. Grâce à un récupérateur de chaleur, on peut la valoriser en la transformant en gaz ou en eau chaude permettant ainsi d’alimenter des bâtiments collectifs, des hôpitaux et des industries.

Ce procédé permet donc de transformer des énergies fossiles en chaleur et en force motrice et de produire de l’électricité qui sera soit autoconsommée sur le site, soit injectée sur le réseau électrique. La chaleur produite est récupérée, au lieu d’être perdue, et directement utilisable pour la production d’eau chaude ou de vapeur, ou le chauffage.

Quels sont les avantages et inconvénients de la technologie cogénération ?

Le principal inconvénient est :

• des pertes inévitables d'énergie pendant le transport ; les lieux de production doivent donc être proches des lieux de consommation, au risque de rendre le rendement de l’installation moins optimal.

Les principaux avantages sont :

• réduction des gaz à effet de serre,
• coûts de production moins élevés vis-à-vis de systèmes de production séparés,
• possibilité de produire de l’énergie à partir de gaz ou de fioul mais aussi d’énergies locales : géothermie, biomasse ou incinération des ordures ménagères.

Rendement énergétique d’une centrale électrique avec cogénération

La différence essentielle entre une cogénération et une centrale thermique de production d’électricité tient à l’ajout d’un système de récupération de la chaleur produite par la combustion dans le cas de la cogénération, alors que dans le cas de la centrale thermique la chaleur produite est rejetée dans le milieu naturel.

La cogénération bénéficie donc d’un excellent rendement énergétique.

Centrale électrique classique :

• rendement énergétique : 35 %
• 65 % de pertes, principalement sous forme de chaleur

Cogénération :

• rendement électrique : 35 %
• rendement thermique : 55 %
• rendement énergétique global : 90 %
• 10 % de pertes

Les trois grands types d’installation de cogénération

Afin de répondre à la demande des différents secteurs et de couvrir une large gamme de puissance, de quelques centaines de kW à plusieurs dizaines de MW électriques, plusieurs technologies de cogénération ont été développées autour de 3 grandes familles de moteur :

• la turbine à vapeur,
• le moteur thermique,
• la turbine à combustion.

La cogénération par turbine à vapeur

La cogénération par turbine à vapeur est le système le plus utilisé pour la cogénération vapeur. La vapeur est produite par une chaudière qui alimente une turbine à vapeur ; celle-ci extrait l'énergie thermique de la vapeur sous pression et l'utilise pour produire un travail mécanique de rotation de l'arbre de sortie.

Ce système permet la production simultanée d’électricité, autoconsommée ou injectée sur le réseau électrique, et de vapeur pour fournir un réseau de chaleur urbain ou un processus industriel (papeterie, sucrerie, chimie, agroalimentaire, etc.).

La cogénération par moteur thermique

La cogénération par moteur thermique est un moteur alternatif diesel ou à gaz. L’énergie thermique est récupérée sur les gaz d’échappement et sur les liquides de refroidissement, l’énergie mécanique est récupérée sur l’arbre moteur qui entraîne un alternateur produisant de l’électricité. Ce système convient bien à de petites puissances pour chauffer des serres agricoles.

La micro-cogénération est un système de cogénération de très petite puissance électrique (inférieure à 36 kilowatts) utilisant un moteur thermique. De même, on parle de mini-cogénération pour des puissances comprises entre 36 et 250 kVA.

Ce type de machine, mini-cogénération ou micro-cogénération, est adapté pour répondre aux besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire d’un bâtiment en lieu et place d’une chaudière gaz classique. La micro-cogénération étant un système compact, elle s'intègre facilement dans une chaufferie classique.

La cogénération par turbine à combustion / turbine à gaz

La cogénération par turbine à combustion ou turbine à gaz est un réacteur d'avion qui fonctionne sur le principe de la détente d'un fluide gazeux dans une turbine issue de la combustion d'un mélange d'air comprimé au niveau du compresseur et de gaz dans une chambre dite « de combustion ».

L’énergie thermique est récupérée sur les gaz de combustion pour chauffer de l’eau chaude à travers un échangeur de chaleur ; l’énergie mécanique est récupérée sur l’arbre de rotation de la turbine qui entraîne un alternateur. Cette technique s’est développée essentiellement dans l’industrie et les réseaux de chaleur ou les hôpitaux ayant des besoins énergétiques importants.

Le développement de la cogénération en France

Les contrats d’obligation d’achat

À partir des années quatre-vingt-dix, en France, les pouvoirs publics ont pris des mesures pour la mise en place d’un cadre juridique, fiscal, économique et technique permettant de favoriser le développement de la cogénération.

Ces mesures ont permis d’inciter fortement à l’investissement dans un grand nombre d'installations de cogénération dans l’industrie, le tertiaire et les réseaux de chaleur.

Afin d’inciter l’installation de centrales de cogénération nécessitant un investissement plus important qu’une chaudière gaz, les pouvoirs publics ont mis en place ce qu’on appelle les contrats d’obligation d’achat. Ces contrats garantissent aux producteurs d’électricité cogénérée le rachat par EDF de l’électricité produite à un prix incitatif sur une période de 12 ans.

L’électricité de réseau étant à un prix relativement bas en France du fait de la rente nucléaire, il fallait créer une incitation financière sous la forme d’un tarif de rachat avantageux pour les cogénérateurs.

Ce tarif de rachat s’apparente à une subvention permettant de financer une partie de l’installation de cogénération. Ces tarifs sont accessibles sur le site institutionnel d’EDF. Plus de 80 % des cogénérations ont été installées entre 1997 et 2000 sous l’impulsion des contrats d’obligation d’achat.

Ces dispositifs de soutien à la cogénération ont été abrogés par le décret du 27 mai 2016. Un dispositif dit « complément de rémunération » a été mis en place pour pallier l’arrêt des contrats d’obligation d’achat.

La fin du soutien à la cogénération tient pour l’essentiel à l'abandon progressif des énergies fossiles au profit des énergies renouvelables ; de fait, seule la cogénération biomasse répond aux engagements de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Quelques chiffres et ordres de grandeur sur le parc de cogénération installée en France

Le choix de la technologie est dicté par la puissance et le niveau de valorisation de la chaleur :

• Plus de 90 % des équipements de puissance unitaire inférieure à 4,5 MW sont des moteurs thermiques. Ces moteurs sont concentrés autour des petites puissances électriques. Leur puissance moyenne est de 1,5 MW et les trois quarts des moteurs ont une puissance inférieure à 2 MW. Les moteurs représentent 80 % des installations de cogénération et 30 % de la puissance électrique.
• Plus de 90 % des équipements de plus de 4,5 MW sont des turbines à gaz. Ces turbines, en revanche, sont davantage réparties entre les puissances moyennes (deux tiers des turbines ont une puissance inférieure à 7 MW) et les grandes puissances (puissance moyenne d’environ 14 MW, avec quelques unités autour de 40 MW). Les turbines représentent moins de 20 % des installations de cogénération et 70 % de la puissance électrique.

Taille moyenne d’une unité de cogénération :

• 1,2 MWth dans le tertiaire,
• 4 MWth dans les réseaux de chaleur,
• 11 MWth dans l’industrie.

Ceci explique une répartition nationale inégale liée à l’activité économique et notamment industrielle : près de 60 % des cogénérations sont implantées dans 5 régions (Île-de-France, Provence-Alpes-Côte d’Azur, Rhône-Alpes, Haute-Normandie et Nord-Pas-de-Calais).

Conclusion et avenir de la cogénération en France

La cogénération biomasse, qui repose sur la turbine à vapeur et la production de vapeur par chaudière biomasse, permet d’économiser entre 15 et 20 % d’énergie primaire par rapport à la production séparée de ces mêmes quantités de chaleur et d’électricité.

Cette technologie, qui combine les avantages de la cogénération et de l’utilisation de la biomasse (considérée comme une énergie renouvelable par les pouvoirs publics), est soutenue par un mécanisme de soutien sous la forme d’appels d’offres avec complément de rémunération pendant 20 ans.

Du fait des 3 technologies évoquées, la cogénération par turbine à vapeur doit son salut à la biomasse énergie, et la cogénération thermique à la micro-cogénération. En effet, après avoir démontré son efficacité dans l'industrie ou les grands bâtiments tertiaires, la micro-cogénération se développe aujourd'hui dans l'habitat résidentiel, à plus petite échelle.

À l’inverse, la cogénération par turbine à gaz, qui s’était fortement développée dans l’industrie grâce aux contrats d’obligation d’achat dans les années quatre-vingt-dix (car nécessitant de lourds investissements), a périclité ces 10 dernières années.

Aujourd’hui, l’avenir de la cogénération passe donc par l’utilisation de la biomasse énergie et par le développement de la micro-cogénération.