Figure 1: Un cycle de cogénération utilise la chaleur résiduelle générée par un processus thermodynamique afin de chauffer les maisons, les voitures et d'autres appareils.

La cogénération ou la production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE) est la production sur place d'électricité à partir de chaleur résiduelle. Lors de la production d'électricité à partir de charbon, gaz naturel ou énergie nucléaire, seule une fraction du contenu réel en énergie libéré lors de la combustion est convertie en électricité. Le reste de l'énergie est perdue sous forme de chaleur résiduelle. Dans une centrale de cogénération, cette chaleur perdue est récupérée pour d'autres applications telles que le chauffage des locaux ou d'autres processus industriels nécessitant de la chaleur. La PCCE est donc un processus efficace pour récupérer l'énergie qui aurait été perdue autrement.[1]Grâce à cette augmentation du rendement, la cogénération présente de nombreux avantages environnementaux et peut être un facteur clé dans la réduction du changement climatique.[2]

Les centrales de cogénération permettent de réaliser d'importantes économies, ce qui renforce la compétitivité des utilisations industrielles et commerciales en offrant une chaleur abordable aux utilisateurs domestiques.[1] Elles présentent des avantages évidents pour l'environnement en raison de leur meilleure conversion de l'énergie et de l'utilisation de la chaleur résiduelle. Cependant, la construction de telles usines rencontre de nombreux obstacles.[3] L'un des facteurs est le coût relativement élevé du capital associé à ces centrales, ce qui les rend peu attrayantes pour les développeurs potentiels. Les centrales de cogénération constituent une menace pour ces entreprises et le développement de ces centrales a fait l'objet de nombreuses querelles juridiques.[4] En outre, les sources d'électricité de production distribuée peuvent créer des risques de choc pour la compagnie d'électricité en électrifiant une partie du réseau électrique qui serait autrement hors tension lorsque la compagnie doit travailler sur cette partie du réseau.

Les combustibles fossiles étant principalement utilisés comme source d'énergie, la cogénération ne peut être considérée comme une solution durable à long terme. Cependant, elle peut contribuer à ralentir le rythme des émissions de carbone en permettant des économies d'énergie substantielles grâce à des rendements plus élevés dans des situations où des options plus durables ne sont pas disponibles ou abordables.[5]

Une discussion sur les avantages et les inconvénients de la PCCE peut être consultée sur le blog TriplePundit ici.

Rendement

Les centrales électriques produisent environ deux fois plus d'énergie sous forme de chaleur résiduelle que d'électricité. Les maisons sont généralement chauffées à l'aide de chaudières et ont également besoin de combustible pour produire leur chaleur. Le détournement d'une partie de la chaleur résiduelle de la production d'électricité permet de réaliser des économies substantielles d'argent et d'énergie.

La production d'une quantité équivalente de chaleur et d'électricité à l'aide d'un système de PCCE est beaucoup plus efficace car la chaleur issue de la production d'électricité peut être utilisée utilement. L'efficacité totale d'un système de cogénération est donnée par l'énergie totale utilisée, tant électrique que thermique, divisée par l'énergie entrante. Une partie beaucoup plus faible de la chaleur n'est pas récupérable, et est toujours perdue sous forme de chaleur résiduelle.

Figure 2: Diagramme de flux énergétique comparant l'efficacité de la production séparée et de la cogénération. Les données relatives à l'efficacité, à la chaleur et à la demande d'énergie sont données à titre d'exemple.[6] Les flèches vertes sont associées à l'énergie utile, les noires aux pertes.

Calculs de rendement

Un ménage a une demande spécifique d'énergie thermique [math]\displaystyle{ Q_{th} }[/math], et une demande de puissance [math]\displaystyle{ W_{el} }[/math]. La cogénération a un rendement thermique.[math]\displaystyle{ \eta_{th} }[/math], et un rendement électrique [math]\displaystyle{ \eta_{el} }[/math]. En raison de la production combinée, le rendement de la PCCE est la somme de ces rendements [math]\displaystyle{ \eta_{PCCE}=\eta_{th} + \eta_{el} }[/math], où le combustible total nécessaire pour répondre aux besoins de la maison est [math]\displaystyle{ Q_{fuel,PCCE}= \frac{Q_{th} + W_{el}}{\eta_{PCCE}} }[/math]. En raison de l'efficacité beaucoup plus élevée de [math]\displaystyle{ \eta_{PCCE} }[/math] par rapport à un ménage n'utilisant pas la cogénération, la quantité de combustible nécessaire pour répondre à ses besoins énergétiques est beaucoup moins importante. Par exemple, si une maison utilisant la PCCE a un rendement de 90 %, elle n'utilisera comparativement qu'un tiers du combustible qu'utiliserait une maison fonctionnant avec un rendement de 30 % ![7]

Types

Vue schématique d'une unité de production de cogénération résidentielle connectée au réseau[8]

La puissance électrique nécessaire contribuera à la taille du système de l'unité de cogénération. En général, la micro-cogénération produit moins de 5 kilowatts (kW), tandis que la mini-cogénération produit plus de 5 kW et moins de 500 kW. Les systèmes de micro-cogénération sont généralement installés dans les maisons et sont contrôlés par la demande de chaleur. Cela signifie qu'ils se mettent en marche lorsqu'il y a un besoin de chaleur pour produire la chaleur dérivée tout en générant de l'électricité.

Les différents types de systèmes Micro-PCCE comprennent par exemple :

Intégration de PCCE dans le réseau électrique

Pour intégrer un système de cogénération au réseau, il faut d'abord le connecter à un onduleur pour convertir l'électricité en courant continu en courant alternatif. Cela permet à l'électricité produite d'être utilisée par d'autres personnes sur le réseau. Un taux de pénétration élevé des systèmes de micro-cogénération dans les foyers peut provoquer des instabilités dans le réseau électrique. Cela est dû à la difficulté de prévoir quand ces systèmes produiront de l'électricité, car ils doivent produire de la chaleur dans la maison afin d'obtenir l'électricité nécessaire à la charge. Aux heures de pointe, lorsque la consommation d'électricité est élevée, le besoin d'électricité supplémentaire sur le réseau électrique est plus important que pendant les heures creuses. Les domaines d'intérêt qui traitent de cette question comprennent le stockage de la chaleur qui peut effectivement faire en sorte que la cogénération soit contrôlée par la demande d'électricité plutôt que par la demande de chaleur. Le système produirait de l'électricité selon les besoins du réseau et stockerait la chaleur excédentaire pour l'utiliser à un autre moment.

En savoir plus

Pour plus d'informations, veuillez consulter les pages connexes ci-dessous :

Références

  1. 1,0 et 1,1 COGEN, What is cogeneration? [Online], Available: http://www.cogeneurope.eu/what-is-cogeneration_19.html
  2. Code Project, Cogeneration Case Studies Handbook [Online], Available: http://www.code-project.eu/wp-content/uploads/2011/04/CODE_CS_Handbook_Final.pdf
  3. IEA. (2014). Linking Heat and Electricity Systems [Online]. Available: https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/LinkingHeatandElectricitySystems.pdf
  4. Forbes, The Most Efficient Power Plants [Online], Available: http://www.forbes.com/2008/07/03/energy-efficiency-cogeneration-biz-energy_cx_jz_0707efficiency_horror.html
  5. Triple Pundit, Combined Heat and Power: Pros and Cons [Online], Available: http://www.triplepundit.com/special/energy-options-pros-and-cons/combined-heat-power-pros-cons/
  6. Agert, Prof. Dr. Carsten, Energy Storage Lecture 4, Storing heat instead of electricity, unpublished.
  7. [math]\displaystyle{ \frac{Q_{fuel,PCCE}}{Q_{fuel,non-PCCE}}=\frac{30\%}{90\%}=\frac{1}{3} }[/math]
  8. Oakland University. (2013) Energy System Applications & Integration Lab (ESAIL). [Online]. Available: http://www.oakland.edu/ESAIL.