COMMENT INTEGRER LA COGENERATION DANS LES PROJETS RESIDENTIELS?

Partie 1: principes et technologies de base

Les maisons et bâtiments modernes sont chauffés de diverses façons. Notamment grâce à la cogénération (dans les projets résidentiels: microcogénération), une technologie qui contribue non seulement à la durabilité de notre chauffage, mais qui optimise aussi l'efficacité de la production électrique. Pourtant, la cogénération n'est connue que par quelques rares installateurs. Dans cette série d'articles, nous vous proposons d'étudier en détail cette technologie et les aspects à prendre en compte lors du choix, de la conception et de l'installation d'un système de cogéné­ration pour des projets résidentiels (ou à petite échelle).

LA COGENERATION, C'EST QUOI?

Production combinée de chaleur et d'électricité

Les besoins énergétiques d'une entreprise ou d'un bâtiment se résument en général à de la chaleur et de l'électricité. Habituellement, ces énergies sont produites séparément, ce qui entraîne des pertes importantes. Toutefois, dans le cas d'une cogénération, la chaleur et l'électricité sont pro­duites simultanément et dans la même instal­lation. La production d'électricité génère toujours de la chaleur et, dans une centrale de cogénération, elle est utilisée pour un certain nombre d'applications, notamment l'eau chaude sanitaire, la chaleur industrielle, le chauffage, l'injection dans les réseaux de chauffage, ...

Economie d'énergie primaire

Grâce à la production combinée de chaleur et d'électricité, une cogénération bien dimensionnée, exploitée correctement, permettra de réaliser des économies d'énergie primaire. Par exemple, un bâtiment a besoin de 30 unités d'électricité et de 60 unités de chaleur (voir Figure 1). Nous supposons qu'avec une production séparée, la production d'électricité a un rendement de 50% et la production de chaleur (chaudière) a un rendement de 90%. Cette configuration conduit alors à une consommation de carburant de 127 unités.

Si l'on veut couvrir les besoins énergétiques du bâtiment avec une unité de cogénération d'un rendement électrique de 30% et d'un rendement thermique de 60%, alors 100 unités de combustible sont nécessaires. C'est 27 unités de moins qu'avec une production séparée, ce qui correspond à une économie relative d'énergie primaire (EREP) de 21% ({2/127}*100). Une meilleure utilisation de l'énergie disponible permet également de réduire considérablement les émissions de CO2.

Veuillez noter que la taille réelle de l'économie d'énergie primaire dépend des rendements utilisés à la fois pour la production séparée et pour l'installation de cogénération. Le scénario ci-dessus est un cas idéal dans lequel le système de production combinée de chaleur et d'électricité permet de toujours couvrir précisément les besoins en chaleur et en électricité. Dans la pratique, ce n'est cependant pas toujours le cas, ce qui signifie qu'il faut toujours prévoir un appoint d'énergie par le biais d'un système traditionnel.

QUAND L'UTILISER?

La cogénération est utilisée avec succès depuis des décennies dans de nombreux secteurs (industrie, horticulture sous serre, hôpitaux, ...), mais les possibilités ne cessent de croître. Aujourd'hui, la cogénération peut être utilisée dans de nombreuses situations, bien qu'il existe bien sûr différents critères qui justifient le choix d'une technologie plutôt qu'une autre: durabilité, consommation locale, budget, ... Au final, la décision est vraiment propre à chaque projet.

Plus ou moins puissante

Si, à l'origine, la technologie de cogénération était appliquée dans le cas de grandes instal­lations, l'émergence de la microcogénération (d'une capacité < 50 kWe) a permis de répondre à presque toutes les demandes de chaleur avec un système de cogénération. Grâce à l'introduction de la pile à combustible micro­cogénération, ce ne sont pas juste les PME, les hôtels, les piscines, les centres de soins résidentiels, les maisons d'étudiants et les centres de bien-être qui en profitent, mais aussi les maisons unifamiliales.

Système de chauffage

Une unité de cogénération convient à tous les types de systèmes de chauffage, tant à haute qu'à basse température.

Technologies complémentaires

Dans une zone fortement urbanisée où il n'est pas toujours possible d'opter pour l'énergie photovoltaïque ou géothermique, la cogénération offre une alternative durable, mais présente également des avantages importants en complément de ces technologies énergétiques durables. En effet, la centrale de cogénération fonctionne aux moments où il y a une demande de chaleur, et produit également de l'électricité aux moments où il y a une demande de chaleur. Ainsi, une cogénération est parfaitement complémentaire des pompes à chaleur qui alimentent un quartier ou une rue, par exemple, qui à ce moment ont besoin d'électricité. Cette complémentarité permettrait aussi de réduire les investissements dans le réseau électrique nécessaires pour répondre à l'électrification croissante pour la production de chaleur par pompes à chaleur et à l'augmentation du nombre de véhicules électriques.

QUEL TYPE DE COGENERATION?

Le principe de la cogénération est possible avec différentes technologies, chacune ayant ses propres caractéristiques et domaines d'application. Pour les grandes capacités industrielles – que nous n'aborderons pas plus en détail dans cet article – les turbines à gaz et/ou à vapeur sont généralement utilisées; pour les microco­générations, il existe trois technologies possibles.

Moteur à combustion interne

Le moteur à combustion interne est en fait la technologie de cogénération la plus utilisée. Le moteur est utilisé pour générer l'activité, ensuite utilisée pour entraîner une génératrice qui produit de l'électricité.

Plusieurs échangeurs de chaleur récupèrent également la chaleur des circuits thermiques qui refroidissent le moteur (et éventuellement le générateur). Dans le cas de moteurs plus gros, il s'agit de l'huile moteur, de l'eau de refroidissement et du refroidissement du ou des turbo(s); dans le cas de moteurs plus petits, il s'agit généralement de la chaleur du circuit de refroidissement. Enfin, il y a aussi de la chaleur dans les gaz d'échappement du moteur, qui est récupérée par un échangeur de chaleur d'échappement.

Les moteurs à combustion interne ont un rendement électrique de 30 à 45% et un rendement thermique de 40 à 65%. Ces unités de cogénération sont disponibles dans une large gamme de capacités allant de quelques kWe à des dizaines de MWe. Elles conviennent donc à de nombreuses applications avec des besoins thermiques variables et présentent les avantages d'une disponibilité et d'une flexibilité élevées, d'un coût d'investissement relativement faible et d'un large choix de combustibles. Par rapport à d'autres technologies, elles ont un coût d'entretien relativement plus élevée et des émissions de NOx plus élevées.

Dans le contexte (semi-)résidentiel, les centrales de cogénération équipées de moteurs à combustion interne sont principalement utilisées pour des consommateurs de chaleur relativement importants, tels que les immeubles d'habitation, les hôtels ou les centres de soins résidentiels. Pour les maisons unifamiliales ou les petits projets d'habitation communautaire, par exemple, on se tournera plutôt vers l'une des technologies suivantes:

Moteur Stirling

Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe. Il fonctionne selon le principe d'un ou plusieurs cylindres avec un volume de gaz fixe qui est chauffé d'un côté et refroidi de l'autre. Le gaz se dilate et se contracte, provoquant le déplacement d'un piston dans le cylindre. Un plongeur assure que le gaz est déplacé de l'autre côté à chaque fois, de sorte que le mouvement puisse se répéter. Pendant que le gaz est déplacé du côté chaud vers le côté froid et vice versa, la chaleur est respectivement libérée et absorbée dans un régénérateur. Comme le rendement du régénérateur détermine la quantité de chaleur à ajouter ou à extraire au cours du cycle suivant, il déterminera en grande partie le rendement du moteur Stirling. Le mouvement du piston entraîne un générateur électrique. Comme la combustion a lieu à l'extérieur, la technologie peut, en principe, utiliser presque tous les combustibles. Elle nécessite peu d'entretien, produit peu d'émissions, limite les vibrations et la pollution sonore, et offre de bonnes performances à charge partielle.

Les moteurs Stirling ne sont actuellement disponibles en Belgique que pour de petites capacités de quelques kWe et utilisent des pellets de bois comme combustible.

Pile à combustible

Une pile à combustible est un système qui convertit l'hydrogène et l'oxygène en électricité par un processus électrochimique, sans aucune étape intermédiaire de combustion et d'action mécanique. Grâce à cette conversion directe, la technologie atteint un rendement électrique très élevé. La réaction dégage aussi de la chaleur.

La figure 2 illustre le fonctionnement de la pile à combustible. L'oxygène est introduit dans la cellule d'un côté et l'hydrogène gazeux de l'autre. L'hydrogène gazeux se déplace vers l'anode où il est divisé en électrodes et protons. Les protons se déplacent à travers l'électrolyte jusqu'à la cathode. Les électrodes se déplacent par le biais d'un conducteur et forment ainsi un courant électrique (tension continue). Dans la cathode arrivent les électrodes, avec les protons et l'oxygène. Par une réaction chimique, de l'eau est formée à partir des électrodes. La tension continue est convertie en tension alternative par un convertisseur DC/AC. Les piles à combustible peuvent fonctionner selon différents principes:

• Membrane d'échange de protons: la plus connue est la pile à combustible PEM (Polymer Electrolyte Membrane), dont l'électrolyte est constitué d'une membrane fixe en polymère tendue entre deux électrodes poreuses, le platine servant de catalyseur. La pile à combustible PEM fonctionne à basse température, avec l'avantage de permettre des démarrages-arrêts (par exemple, jour-nuit).
• Piles à combustible à oxyde solide: la pile à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) utilise un matériau céramique comme couche électrolytique. Cette pile à combustible fonctionne à une température élevée, ce qui entraîne une vitesse de démarrage lente. Des démarrages-arrêts ne sont donc pas possibles. Les SOFC ont un rendement électrique très élevé et fournissent une quantité relativement importante d'électricité par rapport à la chaleur.

La pile à combustible elle-même est très modulaire, les installations qui en utilisent, peuvent en principe être produites dans une très large gamme de capacités. Comme l'hydrogène n'est pas encore directement disponible en Belgique, il est généralement produit dans le module de cogénération lui-même, par réaction de la vapeur avec le gaz naturel dans le reformeur.

DURABILITE DE LA COGENERATION?

La plupart des centrales de cogénération sont raccordées au réseau gazier et fonctionnent au gaz naturel. Cela devrait rester de même dans les décennies à venir, même si la composition du gaz deviendra de plus en plus verte grâce à l'injection de gaz vert. Il peut s'agir de biométhane (issu des flux résiduels de déchets organiques) d'une part et de gaz de synthèse comme l'hydrogène d'autre part (voir aussi Sanilec 2019-06). Une étude sur le potentiel de l'hydrogène en Flandre, réalisée pour le compte de VEA, montre qu'une part d'hydrogène allant jusqu'à 20% est possible et ne nécessite pas d'investissements trop importants dans le réseau gazier. Les unités de cogénération classiques supporteraient ce mélange.

Ainsi, les centrales de cogénération raccordées au réseau gazier pourront également fonctionner (en partie) au gaz vert et produire ainsi de l'électricité et de la chaleur vertes selon une technologie peu énergivore.

ET LE PRIX?

Lorsque la capacité de la cogénération est dimensionnée en fonction de la demande de chaleur (de base), elle permet en principe d'obtenir un nombre d'heures de fonctionnement plus que suffisant et, en plus d'une courte période de retour sur investissement, génère également un gain environnemental important. La cogénération est dans ce sens intéressante, sur les plans économique et écologique, puisqu'elle s'amortit d'elle-même, ou peut fonctionner par le biais d'un tiers qui récupère l'investissement grâce aux économies réalisées.

Mesures de soutien

Cependant, il n'est pas toujours simple en termes de budget de réaliser des projets rentables. Les différentes autorités ont donc mis en place un certain nombre de mécanismes de soutien dans le but de permettre la concrétisation de projets qui mènent à des économies d'énergie par rapport à la production séparée classique d'électricité et de chaleur, mais qui, sans soutien, ne sont pas économiquement viables.

Au niveau fédéral, on propose d'augmenter de la déduction fiscale pour investissement (uniquement pour les entreprises). Les microcogénérations d'une capacité maximale de 10 kWe peuvent bénéficier d'une aide à l'investissement en Flandre; pour les centrales de cogénération d'une capacité supérieure, il existe des aides sous la forme de certificats de cogénération. A Bruxelles et en Wallonie, les autorités accordent également des subsides, appelées 'Certificats verts', grâce auxquelles Bruxelles utilise également un multiplicateur pour rentabiliser la cogénération dans les immeubles d'appartements.

Dimensionnement

Néanmoins, la première étape vers un projet rentable, comme nous l'avons déjà dit, est et reste un bon dimensionnement. Cet aspect crucial sera discuté en détail dans cet article.

LA COGÉNÉRATION EN BELGIQUE: CHIFFRES-CLÉS

• La capacité actuelle de cogénération représente en Belgique 2.700 MWe. Presque autant que la capacité nucléaire totale de Doel (centrales Doel 1, 2, 3 et 4).

• 18% de la demande totale d'électricité belge est couverte par ces installations. En Flandre, ce chiffre atteint même 21%.

• Par rapport à la production séparée, 11,4 TWh de combustible ou d'énergie primaire sont économisés, soit l'équivalent de la consommation de gaz de 800.000 foyers, ou 28% de l'ensemble des foyers raccordés au réseau gazier.

• Sur l'ensemble des unités de cogénération en Belgique, environ 14% fonctionnent au biocarburant. Cette part continue d'augmenter chaque année.

Merci à COGEN Vlaanderen, Elugie, E. Van Wingen en Viessmann

Lisez la deuxième partie ici