Centrale de cogénération : de quoi parle-t-on ?
Définition cogénération
Une centrale de cogénération est une installation où il est possible de produire en même temps deux types d’énergies.
Cette installation permet de produire une énergie thermique à flamme et une énergie mécanique. Le tout se fait à partir d'un seul combustible qui peut être de nature variée : charbon, fioul, gaz naturel, biomasse, etc.
Les centrales de cogénération servent à chauffer et à apporter de l’eau chaude dans :
- des bâtiments administratifs ou commerciaux;
- des bureaux;
- des établissements publics comme des écoles;
- des sites industriels de chimie, de papier, du secteur automobile ou encore de l’agroalimentaire;
- des serres agricoles ou d’horticulture;
- des scieries…
Désormais, les particuliers peuvent aussi avoir recours à ce type de chauffage, on parle alors de micro-cogénération.
Par définition, les centrales de cogénération sont des installations écologiques qui reposent sur le principe suivant : au lieu de gaspiller une chaleur produite pour produire de l’électricité, on la réutilise.
Principe de fonctionnement
Une centrale de cogénération fonctionne à partir de plusieurs éléments. Les voici :
- Une source d’énergie : soit fossile (fioul, gaz, etc), soit renouvelable (biogaz issu de la fermentation de matières organiques, ordures ménagères etc);
- Un moteur ou une turbine électrique qui se met en mouvement grâce à l’alimentation en énergie. Le moteur peut être par exemple une turbine à vapeur, une pile à combustible ou encore un moteur à combustion interne;
- Sous l’impulsion du moteur ou de la turbine, un alternateur est mis en route et son fonctionnement produit de l’électricité;
- De la chaleur est aussi produite par l’alternateur : on utilise donc un liquide de refroidissement pour éviter une surchauffe;
- Un échangeur thermique sert à récupérer la chaleur produite par l’alternateur : le but est alors la production d’une eau chaude qui va servir à alimenter des chauffages ou des installations sanitaires;
- Un système de canalisations permet de distribuer l’eau chaude.
Les différents types d’installations de cogénération
La cogénération par turbine à combustion
En fonction de l’utilisation d’une turbine ou d’un moteur, il y aura quelques nuances sur le fonctionnement d’une centrale de cogénération.
Dans le cas d’une centrale par turbine à combustion, cela repose sur le principe thermodynamique d’une turbine à gaz. Ainsi, un compresseur agit pour aspirer et comprimer l’air qui est ensuite transféré dans ce qu’on appelle une chambre à combustion.
La turbine opère ensuite pour détendre les gaz de combustion chauds et à haute pression. Puis, l’alternateur permet de changer le gaz en énergie électrique.
La chaleur qui naît de la combustion des gaz est ensuite récupérée par une chaudière pour, le plus souvent, être transformée en eau.
Les centrales par turbine à combustion sont habituellement installées dans les industries.
La cogénération par cycle combiné
Dans une centrale de cogénération par cycle combiné, deux éléments moteurs travaillent ensemble : une turbine à combustion et une turbine à vapeur.
Pour faire fonctionner la turbine à combustion, des fumées issues d’une combustion de gaz à haute température sont nécessaires.
Les échangeurs de chaleur permettent ensuite de récolter les fumées générées par cette combustion à très haute température. Ces fumées créent dans une chaudière une vapeur qui active ensuite la turbine à vapeur.
Ce type de centrale cogénération est principalement utilisée pour alimenter des systèmes de chauffage ou de production d’eau chaude.
La cogénération par turbine à vapeur
La cogénération par turbine à vapeur se met en marche grâce à la combustion d’une source d’énergie primaire comme le pétrole, le gaz ou encore le bois. Cette combustion crée une vapeur à haute pression qui est stockée dans une chaudière.
Ensuite, la vapeur est envoyée vers la turbine, puis elle repart vers la chaudière et le cycle fonctionne ainsi.
La cogénération par turbine à vapeur est la solution technique retenue lorsqu’il s’agit d’utiliser la biomasse pour chauffer des bâtiments ou des établissements publics.
Ainsi, on récolte des résidus de bois, des déchets agricoles, végétaux ou encore des ordures ménagères et c’est leur combustion qui engendre la vapeur qui fera tourner la turbine.
H3. La pile à combustible
Les centrales de cogénération peuvent aussi fonctionner à partir d’une pile à combustible.
Précisément, avec cette technique, on utilise le gaz naturel pour créer de l’hydrogène. En mêlant les deux, l’hydrogène produit une réaction qui génère de l’électricité et de la chaleur.
Ces installations qui travaillent à partir d’une pile à combustible sont intéressantes car il y a une réduction des émissions de CO2 émises par rapport à une installation classique.
On parle alors d’une centrale à haute performance énergétique. Ces modèles se destinent plus à un usage pour les particuliers : ce sont des centrales de micro-génération.
La cogénération nucléaire
Une autre possibilité pour les centrales de cogénération est de tourner grâce à la fission de l’uranium. En effet, dans une centrale nucléaire, de la chaleur est produite et cette dernière peut être utilisée. Or, à ce jour, en France, les deux tiers de la chaleur produite par les centrales nucléaires sont perdus.
Avec la méthode de la cogénération nucléaire, il s’agit de récupérer la chaleur des turbines à vapeur des réacteurs. Une fois captée par un échangeur thermique, la chaleur peut être redistribuée grâce à des réseaux de canalisation.
La contrainte actuelle de ce type d’installation est l’éloignement des centrales nucléaires des lieux de vie ou de consommation d’eau chaude. Il faut donc transformer les installations pour imaginer une centrale de cogénération nucléaire qui puisse alimenter un jour un chauffage urbain.
Avantages et inconvénients d’une centrale de cogénération
Avantages du système de cogénération
La centrale de cogénération permet tout d’abord d’effectuer des économies au regard de l’utilisation d’une centrale thermique classique.
Par exemple, on estime que l’on réalise 20% d’économie de combustibles fossiles par rapport à une utilisation qui n’est pas en cogénération. Dans un contexte de raréfaction des ressources, c’est un avantage de taille.
Pour autant, les centrales de cogénération ont un très bon rendement : jusqu’à 90% quand une centrale nucléaire ne dépasse pas 30%.
De plus, la cogénération constitue un atout pour la lutte contre le réchauffement climatique.
Les centrales émettent moins de CO2, d’oxydes d’azote ou de monoxyde de carbone. Pour chauffer les villes de demain, les centrales de cogénération pourraient aussi permettre de réduire la pollution de l’air.
Les contraintes de la cogénération
Le portrait des centrales de cogénération ne serait pas complet sans présenter les quelques limites qui pourraient freiner leur développement.
La première chose est la complexité des installations. En effet, la chaleur est une source d’énergie qu’il est difficile de déplacer sur une longue distance. Les centrales de cogénération ont donc plutôt intérêt à être proches des habitations et des établissements à chauffer. Il faut que les canalisations installées soient bien isolées pour ne pas perdre la chaleur.
Le deuxième inconvénient des centrales de cogénération est leur prix qui est assez conséquent. Il en est de même actuellement pour l’installation de micro-cogénération.
Enfin, dans le cas des centrales qui fonctionnent à partir des énergies fossiles, leur mise en marche dépend des prix et de l’approvisionnement des matières premières. On imagine donc bien, pour des raisons écologiques et économiques, que les centrales de cogénération qui utilisent les énergies renouvelables ou la biomasse seront les plus intéressantes dans le futur.
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