Le principe de base de la cogénération est de récupérer et d’utiliser la chaleur produite lors de la production d’électricité à partir d’un combustible (voir note 1). On rejette souvent cette quantité de chaleur, gaspillant ainsi une importante partie du contenu énergétique de la source d’énergie primaire, au lieu de l’utiliser pour combler les besoins de chaleur ou de froid de bâtiments ou de procédés situés à proximité du site de production d’électricité. En récupérant la chaleur du combustible en plus de l’électricité produite, on augmente le rendement global de la centrale énergétique, le faisant passer typiquement d’une plage de 25 à 55% à une plage de 60 à 90%, selon les applications et les technologies utilisées.

Les centrales à cogénération peuvent combler des besoins de puissance très variables. L’essentiel est de pouvoir compter sur une charge thermique suffisante pour rentabiliser l’installation. Un important réseau urbain de chaleur et de froid ou de grands sites industriels pourront, par exemple, être couplés à des centrales électriques utilisant des génératrices à moteur à pistons ou des turbines à gaz (Figure 1) ou à vapeur atteignant des capacités électriques de l’ordre de 500 MW. Des réseaux indépendants comme les hôpitaux, un campus universitaire ou des communautés éloignées, pourront s’équiper de centrales de l’ordre de 10 MW. Les bâtiments ayant besoin de plus faibles charges thermiques seront couplés à de plus faibles capacités électriques, typiquement des génératrices à moteur à pistons. Il existe même sur le marché des systèmes de cogénération de moins de 1 kW de capacité électrique pour combler des besoins hors-réseau, par exemple sur un voilier. Il est aussi possible de combler des besoins de froid à partir d’un système de cogénération (voir note 2), lorsque ces besoins sont assez importants et à proximité, par exemple une usine agroalimentaire ou un complexe immobilier ayant besoin de déshumidification et de climatisation.

L’électricité produite peut aussi bien combler des charges à proximité de la centrale électrique qu’alimenter un réseau électrique. En revanche, il est plus difficile de transporter de la chaleur sur de longues distances. C’est pourquoi on localise souvent un projet de cogénération à proximité des charges thermiques à combler, par exemple dans le même bâtiment ayant besoin de chaleur ou au cœur d’un réseau de chaleur desservant un complexe immobilier ou industriel. L’électricité est donc aussi produite localement plutôt que de provenir d’une grande centrale électrique. On parle alors de « production décentralisée » d’électricité. Cette approche offre plusieurs avantages, notamment de réduire les pertes de transport et de distribution attribuées à un réseau électrique, en plus de combler des besoins locaux de chaleur et de froid de complexes immobiliers (Figure 2).

Une installation de cogénération comprend des systèmes ayant les 4 fonctions suivantes : la production d’électricité, la récupération et la distribution de chaleur, le contrôle et éventuellement la production indépendante de chaleur (voir note 3) ou de froid (voir note 4). Toutes sortes de systèmes peuvent être utilisés pour produire l’électricité (voir note 5) pourvu que le niveau de température des rejets thermiques soit assez élevé pour satisfaire les besoins thermiques. Ainsi, selon les systèmes, on pourra produire et fournir la chaleur sous forme de vapeur (offrant les niveaux de température nécessaires à certains procédés par exemple) ou d’eau chaude (transportée dans des tuyaux pour combler des besoins de chauffage de locaux ou de production d’eau chaude sanitaire à plus basse température).

L’ensemble des systèmes de cogénération installés actuellement dans le monde ont une capacité totale électrique de 240 GW. Cela représente une proportion significative des besoins énergétiques mondiaux si l’on considère que ces installations produisent beaucoup plus de chaleur que d’électricité. Sachant que la majeure partie de l’électricité produite dans le monde l’est à partir de machines thermodynamiques alimentées en combustibles, on comprend que les installations de cogénération offrent un énorme potentiel de croissance. Cette croissance pourrait aussi être assurée non plus par les conversions de grosses installations industrielles, mais plutôt par un plus grand nombre d’installations décentralisées de moindre puissance, surtout si des produits visant ce marché deviennent de plus en plus disponibles.