RETScreen - Analyse de projets de cogénération - Notes du formateur
DIAPOSITIVE 1 : Analyse de projets de cogénération
Ceci est le module de formation Analyse de projets de cogénération du cours d'analyse de projets d'énergies propres RETScreen International. Dans cette présentation, nous discuterons de l'exploitation des systèmes qui permettent de produire à la fois de la chaleur et de l'électricité, comme l'usine qui est montré dans cette photo.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux des systèmes de cogénération de chaleur et d'électricité; le deuxième de vous présenter quels sont les éléments essentiels à prendre en compte dans une analyse de projet de cogénération; et le troisième de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de cogénération.
DIAPOSITIVE 3 : Que produisent les systèmes de cogénération?
Un système de cogénération est conçu pour produire à la fois de la chaleur et de l'électricité. L'électricité peut combler des charges électriques locales ou être envoyée sur le réseau électrique. Les équipements de production électrique sont habituellement activés par la combustion de pétrole, de gaz naturel ou de biomasse. Une partie de la chaleur de combustion qui n'a pu être convertie en électricité peut être récupérée pour répondre aux besoins
de charges thermiques locales : chauffage de bâtiments ou procédé industriel. Sinon, cette chaleur devrait être évacuée sans être utilisée.
La cogénération a bien des attraits autres que la simple fourniture d'électricité et de chaleur : il s'agit d'un des moyens les plus efficaces de produire de l'électricité tout en réduisant les émissions polluantes et la production de déchets. La production thermique d'électricité n'est pas très efficace si on ne récupère pas les rejets thermiques de la centrale électrique. En récupérant ceux-ci, on augmente le rendement global de la centrale, en obtenant plus d'énergie utile par unité de combustible brûlé. On comble donc plus de besoins en rejetant moins de chaleur, moins de gaz à effet de serre et moins de polluants.
Comme la chaleur se transporte mal sur de longues distances, les centrales de cogénération sont normalement situées proche des charges thermiques et donc géographiquement dispersées. Cela signifie donc que l'électricité produite est aussi souvent plus proche des utilisateurs finaux que celle produite par de grandes centrales, souvent éloignées des centres urbains.
La production « décentralisée » d'électricité par cogénération peut donc permettre de réduire les pertes de transport d'électricité.
Une centrale à cogénération peut alimenter un réseau de chauffage urbain en eau chaude ou en vapeur. De tels réseaux peuvent aussi servir à la distribution d'eau glacée à des immeubles d'un même quartier. Des installations de ce type permettent d'offrir de meilleurs rendements qu'un ensemble d'installations individuelles de chauffage et de climatisation situées dans chaque immeuble.
Certains systèmes de cogénération peuvent être conçus pour produire du froid. Soit par un compresseur utilisant une partie de l'électricité produite, soit en utilisant la vapeur produite dans une machine à absorption ou dans un procédé de régénération de dessicants permettant de désécher l'air avant de le refroidir par évaporation d'eau. De tels procédés de production de froid permettent donc d'utiliser la chaleur produite par la production d'électricité même pendant la saison où il n'y a plus de charges de chauffage.
DIAPOSITIVE 4 : Intérêt des systèmes de cogénération
À la base, la production d'électricité ne permet de convertir qu'une faible partie du contenu énergétique d'un combustible : la moitié, voire les 2/3 de l'énergie du combustible, est rejetée sous forme de chaleur et n'a pas pu être convertie en énergie mécanique. Le principal intérêt d'une centrale à cogénération est de pouvoir la localiser proche d'une charge thermique qui pourra bénéficier de ces rejets de chaleur. Au lieu de n'utiliser que de 25 à 55 % du contenu énergétique du combustible, on bénéficiera de 60 à 90 % de cette énergie primaire, selon les équipements et les applications. Les rejets thermiques peuvent servir à des procédés industriels, au chauffage de locaux, à la production d'eau chaude, de froid et à bien d'autres usages.
D'un point de vue financier, l'élément le plus souvent déterminant est la valeur de l'électricité produite. Cette forme d'énergie est celle qui a le plus de valeur car l'électricité se transporte plus facilement que la chaleur et permet de répondre à un plus grand nombre de besoins énergétiques. Cependant, lorsqu'on a besoin de construire une centrale pour combler un besoin thermique particulier, il peut valoir la peine d'investir un peu plus pour bénéficier en plus de la production d'électricité, quitte à l'exporter vers le réseau.
La figure ci-dessous illustre les quantités phénoménales d'énergie thermique qui sont rejetées par les centrales thermiques de production d'électricité dans le monde : en 2002, cette quantité était de 25 000 TWh. Cette figure montre également que la plupart des centrales électriques dans le monde utilisent des combustibles fossiles que ce soit sous forme de charbon, de pétrole ou de gaz naturel. Améliorer le rendement de conversion de ces formes d'énergie, permet donc de tirer d'importants bénéfices financiers et environnementaux.
DIAPOSITIVE 5 : Concept de la cogénération
La figure ci-dessous permet de répondre à cette question en montrant comment on peut utiliser les rejets thermiques d'une installation typique de production d'électricité. À partir de 100 unités d'énergie primaire, on est généralement capable de tirer 30 unités d'énergie électrique. Si la centrale électrique se résume aux seuls équipements de production électrique, son rendement est donc de 30 % et 70 % de l'énergie primaire est rejetée sous forme de chaleur dans les circuits de refroidissement et les gaz d'échappements ou les cheminées. L'ajout d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur permet de récupérer typiquement de 75 à 80 % de ces rejets thermiques, ce qui représente environ 55 unités d'énergie thermique récupérée sous forme de vapeur. Le rendement global de la centrale est donc porté à 85 % au lieu de 30 %.
DIAPOSITIVE 6 : Description de la cogénération : équipements et technologies
Comme le principe de base d'une centrale à cogénération est la valorisation énergétique des rejets thermiques des équipements de production d'électricité, il faut commencer par s'assurer que ceux-ci rejettent de la chaleur à une température assez élevée pour qu'elle puisse être utilisée. La plupart des génératrices électriques d'une centrale à cogénération utilisent une turbine à gaz, une turbine à vapeur ou un moteur à pistons. Des technologies émergentes comme les piles à combustible peuvent également être rencontrées.
Une turbine à gaz ressemble au moteur d'un avion à réaction : on comprime un certain flux d'air d'admission. Un apport de chaleur se réalise dans la chambre de combustion de gaz ou de pétrole, créant une forte augmentation de pression. Cette pression permet de faire tourner à haute vitesse les pales de la turbine à réaction, qui à son tour fait tourner une génératrice électrique.
Une turbine à vapeur utilise de la vapeur d'eau à haute pression, produite généralement par une chaudière qui transforme l'eau en vapeur à partir de la chaleur de combustion de n'importe quel combustible.
Il est possible de faire travailler en série une turbine à gaz et une turbine à vapeur dans une installation dite « à cycle combiné ». Les gaz de combustion de la turbine à gaz sont assez chauds pour produire de la vapeur qui alimente la turbine à vapeur. Une telle installation permet de convertir jusqu'à 55 % de l'énergie primaire en électricité et il s'agit d'un des moyens les plus efficaces de production thermique d'électricité.
Les moteurs à pistons sont mieux connus car il s'agit de la même technologie qui est utilisée dans les moteurs à quatre temps des véhicules à essence et diesel. Après compression de l'air admission, le combustible s'enflamme sous l'action de l'étincelle de la bougie d'un moteur à essence, ou de la température élevée qui résulte du fort taux de compression d'un moteur diesel. L'énergie thermique libérée augmente la pression des gaz qui repoussent donc le piston qui transforme cette énergie en travail mécanique.
En plus de ces équipements d'électricité, un autre élément essentiel dans une centrale à cogénération est le système de récupération de la chaleur dégagée par ces équipements. Cet équipement sera différent selon le type de centrale électrique, les températures désirées et les caractéristiques de la charge thermique.
La plupart des charges thermiques à haute température seront comblées au moyen de la vapeur qui peut être produite par un générateur récupérant l'énergie des gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou d'un moteur à pistons. On peut également bénéficier de vapeur à un niveau de pression moindre au niveau de la sortie d'une turbine à vapeur ou en déviant une partie du flux de vapeur de la turbine à un niveau de pression intermédiaire. Si on ne dispose que de chaleur à basse température, elle peut servir à préchauffer l'eau qui alimente la chaudière à vapeur.
La chaleur à basse température peut également peut également être récupérée par un échangeur de chaleur et être transportée dans un réseau d'eau chaude pour combler des besoins de chauffage ou d'eau chaude sanitaire, ou encore pour alimenter des pompes à chaleur si on veut une température plus élevée.
Dans une centrale à cogénération, on retrouve souvent des équipements dédiés uniquement à la production de chaleur et qui peuvent suppléer ou compléter l'énergie thermique disponible des équipements de production électrique. Il s'agit de chaudières ou de bouilloires supplémentaires.
Lorsqu'il faut combler des besoins de froid à proximité du site de la centrale à cogénération, on peut utiliser la chaleur produite par celle-ci pour alimenter une machine à absorption ou un procédé de régénération de dessicant permettant de désécher l'air avant de le refroidir par évaporation d'eau. On peut aussi utiliser une partie de l'électricité produite pour alimenter des compresseurs électriques.
DIAPOSITIVE 7 : Description de la cogénération : combustibles
Selon le type d'équipements utilises, une vaste gamme de combustibles peut servir d'énergie primaire à une centrale à cogénération. Les plus courants sont des combustibles fossiles : charbon, pétrole ou gaz naturel. Bien que l'utilisation de tels combustibles ait un impact environnemental négatif, les centrales à cogénération sont considérées comme des technologies d'énergies propres à cause de leurs rendements élevés de conversion énergétique.
Les centrales à cogénération peuvent également brûler de la biomasse, comme on le voit sur la photo de droite. La biomasse comprend aussi bien des résidus de l'industrie forestière ou de l'agriculture que le biogaz résultant de la décomposition du fumier ou du compostage. Certaines cultures peuvent être dédiées à la production de biomasse comme le peuplier ou le sorgho. Dans certains pays tropicaux comme le Brésil, un résidu de la canne à sucre, la bagasse, est une importante source de biomasse.
Les décharges, lors de la décomposition des déchets, émettent du biogaz, essentiellement du méthane, qui peut être captée pour alimenter une centrale à cogénération.
Certains sites géologiques permettait de bénéficier de l'immense réservoir de chaleur qui se trouve sous l'écorce terrestre et qui se manifeste sous forme de volcans et de geysers. La vapeur qui peut être produite sur de tels sites peut alimenter une centrale à cogénération.
L'hydrogène est une façon de stocker l'électricité produite par des énergies renouvelables comme l'hydraulique, ou l'éolien, ou de transformer des combustibles fossiles. Ce gaz peut être brûlé ou utilisé comme combustible de haute qualité pour alimenter directement certaines piles à combustible et peut être considérée comme source possible d'approvisionnement d'une centrale à cogénération.
DIAPOSITIVE 8 : Description de la cogénération : applications
La gamme de puissance des centrales à cogénération est très étendue. Cela commence par de petits systèmes alimentant un seul bâtiment, comme sur la photo de la serre agricole. Des installations plus importantes sont réalisées dans des complexes industriels ou immobiliers comme le complexe municipal de l'autre photo. De très grandes centrales à cogénération peuvent être implantées proches d'importants besoins d'énergie thermique, comme un site industriel, ou un réseau de chauffage urbain d'envergure. La photo en bas à droite en est une illustration.
DIAPOSITIVE 9 : Description de la cogénération : systèmes énergétiques collectifs
Un réseau de chauffage urbain permet de distribuer la chaleur produite par une centrale jusqu'aux utilisateurs finaux, qu'il s'agisse des différentes zones d'un seul bâtiment où se trouve la centrale, ou d'un groupe de bâtiments en périphérie d'une centrale. Les clients d'un réseau de chauffage situés à quelques centaines de mètres les uns des autres peuvent regrouper des bâtiments publics, commerciaux, des tours à bureaux et des complexes résidentiels. Le réseau de tuyauterie est enfoui de 60 à 80 cm dans le sol. Il transporte l'eau chaude produite à la centrale à une température pouvant atteindre 130 ºC puis la retourne à une température variant entre 40 et 80 ºC. Il n'est pas nécessaire d'enfouir ce réseau en-dessous de la ligne de gel puisqu'il contient de l'eau chaude en circulation et qu'il est isolé thermiquement.
Un réseau urbain peut également comprendre la distribution d'eau glacée pour combler les besoins de climatisation des immeubles. Le réseau de chauffage urbain devient alors un véritable « réseau de services énergétiques » complet.
Un tel réseau permet de mettre en valeur les rejets thermiques d'une centrale à cogénération qui remplacent les centrales de chauffe qui seraient autrement nécessaires dans chacun des bâtiments desservis par le réseau, et qui fonctionneraient avec un moins bon rendement énergétique que la centrale à cogénération.
De plus, en centralisant les équipements de production de chaleur et de froid, il est plus facile de contrôler les émissions de ceux-ci, d'en augmenter la fiabilité et la sécurité et d'offrir une flexibilité d'utilisation et un confort accrus.
Un réseau urbain représente un important investissement. Son implantation est plus facile dans des nouveaux quartiers ou en plein redéveloppement et exige beaucoup de planification et d'organisation.
DIAPOSITIVE 10 : Coûts des systèmes de cogénération
Ces coûts varient beaucoup d'une installation à l'autre. Dans le tableau suivant, on donne les coûts typiques de différentes technologies de production électrique que l'on peut retrouver dans une centrale à cogénération. Même si les coûts de ces équipements comprennent leur installation, l'implantation d'une centrale à cogénération entraîne d'autres investissements : les équipements de production de chaleur et de froid, les équipements de refroidissement, l'interconnexion au réseau électrique, les voies d'accès et le réseau urbain.
Il est important de noter que les coûts d'investissement ne donnent aucune indication des coûts d'exploitation de la centrale à cogénération qui dépendent essentiellement des coûts d'approvisionnement en énergie primaire mais aussi des frais d'entretien et de coûts périodiques de remplacement ou de réparation de certaines pièces d'équipements.
DIAPOSITIVE 11 : Paramètres clés des projets de cogénération
Plusieurs facteurs de risques peuvent affecter le succès d'un projet de cogénération. Si l'on fait le choix d'un équipement spécifique à une source d'énergie, il faut commencer par s'assurer de la disponibilité et de l'approvisionnement à long terme de cette source d'énergie. Ensuite, lors de la construction, le projet doit être bien géré pour que ses coûts restent dans les limites budgétaires.
Lors de l'exploitation, le défi est d'avoir une bonne corrélation positive entre les besoins d'électricité et ceux de chaleur. Si on veut valoriser efficacement les rejets thermiques de la centrale, il est nécessaire de pouvoir répondre à des besoins thermiques qui représentent une proportion élevée des rejets thermiques annuels de la centrale. Réciproquement, si la centrale doit combler des besoins thermiques et que toute l'électricité qu'elle produit ne peut être utilisée sur le site même, il est important de disposer de solides contrats de vente d'électricité à long terme. En général, on dimensionne la production d'électricité en fonction de la charge thermique de base à combler, sachant que la capacité thermique des équipements varie typiquement entre 100 et 200 % de leur capacité électrique. Les surplus de chaleur qui surviennent en été alors que disparaissent les charges de chauffages de locaux, peuvent servir à combler les besoins de climatisation par l'intermédiaire de machines à absorption, par exemple.
Finalement, la viabilité financière d'un projet de cogénération dépend considérablement des valeurs relatives de l'électricité produite et du combustible utilisé. Pour que l'exploitation d'une centrale à cogénération soit rentable, il est nécessaire au départ que la valeur de l'électricité qui est produite soit supérieure au prix payé pour le combustible, corrigé en fonction du rendement de conversion en électricité.
DIAPOSITIVE 12 : Bâtiments individuels - Exemple : Canada
Les édifices qui ont besoin de chaleur et d'une source fiable d'électricité peuvent être de très intéressants sites pour implanter la cogénération : hôpitaux, écoles, centres commerciaux, tours à bureau, bâtiments agricoles. La centrale de cogénération peut aussi inclure les besoins de réfrigération et de climatisation. Les photos de cette diapositive montrent différentes vues du moteur à pistons et du générateur de vapeur à récupération de chaleur de la centrale d'un hôpital de l'Ontario au Canada.
DIAPOSITIVE 13 : Groupe de bâtiments - Exemples : Suède et États-unis
Une seule centrale de production d'électricité, de chaleur et de froid peut alimenter plusieurs bâtiments. C'est souvent le cas pour des complexes immobiliers, hospitaliers, universitaires, commerciaux ou industriels. De tels regroupements peuvent alors former ce que l'on appelle un réseau urbain de services énergétiques. On montre deux exemples de telles installations : une centrale de chauffage urbain en Suède et une turbine à gaz de 25 MW utilisée dans la centrale à cogénération du MIT (Massachusetts Institute of Technology) près de Boston aux États-Unis.
DIAPOSITIVE 14 : Procédés industriels - Exemple : Brésil
Les usines qui ont des besoins constants de chaleur ou de froid sont des applications intéressantes de la cogénération. Cela est encore plus vrai dans le cas d'industries qui produisent des résidus qu'elles peuvent utiliser comme combustible. C'est le cas de la raffinerie de sucre de canne de cette photo, qui utilise la bagasse comme source d'énergie. Le diagramme illustre comment la chaleur résiduelle d'une centrale à cycle combiné peut répondre aux besoins thermiques d'un procédé industriel.
DIAPOSITIVE 15 : Gaz d'enfouissement - Exemples : Canada et Suède
Les déchets des sites d'enfouissement produisent du méthane lors de leur décomposition. On peut contrôler les émanations du biogaz et les diriger dans un réseau de captage de manière à l'utiliser comme combustible pour des projets de production d'électricité, de chaleur ou de froid. Le diagramme illustre schématiquement l'exploitation possible d'un site d'enfouissement. On voit sur la photo une centrale à cogénération implantée en Suède, qui utilise du biogaz et qui alimente un réseau de chauffage urbain.
DIAPOSITIVE 16 : Modèle RETScreen pour les projets de cogénération
Le modèle RETScreen permet d'évaluer des projets de cogénération situés n'importe où dans le monde en analysant leur production annuelle d'énergie, leurs coûts globaux sur leur durée de vie et la réduction annuelle de gaz à effet de serre qu'ils procurent. Ces projets peuvent également comprendre toutes les combinaisons possibles de production d'électricité, de chaleur et de froid. On peut virtuellement envisager exploiter toutes les sources d'énergie primaire qui sont proposées dans le modèle, ainsi que les différentes technologies de production d'électricité. Le modèle propose aussi différentes stratégies de contrôle de l'exploitation. Le modèle comprend même un outil d'évaluation de la ressource en biogaz de sites d'enfouissement et d'une aide à la conception de réseaux urbains de distribution de services énergétiques. Le modèle est disponible en plusieurs langues simultanément : il est ainsi possible de passer d'une langue à l'autre à l'intérieur d'un même document sur lequel on est en train de travailler. Le modèle offre également la possibilité de travailler en unités métriques ou impériales. D'autres outils permettent de travailler avec différentes devises, de convertir des unités, de calculer un coût moyen de l'électricité selon différentes grilles tarifaires ou de définir les spécifications propres à un combustible en particulier.
DIAPOSITIVE 17 : Modèle RETScreen pour les projets de cogénération
Le modèle RETScreen permet en théorie d'analyser n'importe quelle combinaison de moyens de produire de l'électricité, de la chaleur ou du froid. C'est ce qui est illustré dans ce diagramme qui montre les flux d'énergie primaire, de chaleur et d'électricité et comment ils peuvent être utilisés pour répondre aux besoins d'électricité, de chaleur ou de froid. (Les combinaisons qui peuvent être analysées sont les suivantes : production de chaleur seulement; production d'électricité seulement; production de froid seulement; production de chaleur et d'électricité; production de froid et d'électricité; production de chaleur et de froid; production de froid, de chaleur et d'électricité.)
DIAPOSITIVE 18 : RETScreen cogénération : systèmes de chauffage
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet de prendre en compte plusieurs sources différentes de chauffage. Ainsi, on voit sur ce diagramme comment la production d'un système de cogénération se répartit chaque mois entre le chauffage, la production de froid et celle d'électricité. Les points de chauffage surviennent en hiver, celles de climatisation en été. La charge de chauffage est comblée par des systèmes travaillant à 3 niveaux : un système de chauffage de base, un système de chauffage intermédiaire et un système de chauffage de pointe. Le système de pointe fonctionne peu d'heures par année et peut être conçu de façon à coûter le moins cher possible à l'investissement, même si son exploitation entraîne des frais plus levés. En revanche, la demande de chauffage de base sera généralement comblée par un système de récupération de chaleur pouvant fonctionner avec des frais d'exploitation minimums.
DIAPOSITIVE 19 : RETScreen cogénération : systèmes de climatisation
De la même manière que pour le chauffage, le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet de prendre en compte plusieurs sources différentes de production de froid. Sur cette figure, on voit une centrale qui comprend deux systèmes de production de froid : un système de base et un système de pointe. Différentes technologies peuvent être utilisées pour chacun des deux types de systèmes. On pourrait par exemple utiliser une machine à absorption qui utilise des résidus thermiques pour assurer la charge de base et un système de pointe utilisant un compresseur électrique.
DIAPOSITIVE 20 : RETScreen cogénération : systèmes de production d'électricité
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet également de prendre en compte plusieurs sources de production électrique. On voit ici l'utilisation de systèmes de base, intermédiaire et de pointe pour produire de l'électricité. L'utilisateur peut choisir différentes stratégies d'exploitation de ces systèmes. Ainsi, dans ce système, pour combler les besoins électriques qui dépassent la demande de base, on peut choisir de faire fonctionner le système intermédiaire, soit à un niveau de puissance qui comble la demande d'électricité, soit à un niveau de puissance qui suffit à combler les besoins de chaleur récupéré de ce système intermédiaire, soit à plein régime.
DIAPOSITIVE 21 : Calculs de RETScreen cogénération
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération commence par estimer les courbes de charge et la demande d'énergie au cours de l'année. Ces besoins varient selon la combinaison de besoins d'électricité, de chaleur ou de froid qui a été sélectionnée. Ensuite, le modèle tient compte des caractéristiques des équipements, en particulier de leur consommation spécifique de combustible par unité d'énergie produite. Finalement, RETScreen calcule les quantités annuelles d'énergie produites sous différentes formes et la consommation d'énergie primaire qui y est associée.
DIAPOSITIVE 22 : Exemple de validation du modèle RETScreen pour projets de cogénération
Un consultant indépendant (FVB Energy Inc.) et plusieurs utilisateurs de versions préliminaires du modèle, parmi les gouvernements, les instituts de recherche et d'enseignement, les sociétés industrielles ou de services publics, ont été invités à valider globalement le modèle RETScreen pour projets de cogénération. On a aussi comparé ces résultats à ceux d'autres modèles ou à des mesures réelles de performances. Le tableau ci-dessous illustre les bonnes performances d'une des parties du modèle, celle qui calcule les performances d'une turbine à vapeur. On a comparé ces résultats à ceux du modèle « Gate Cycle de General Electric » qui simule des procédés énergétiques.
DIAPOSITIVE 23 : Conclusions
Les systèmes de cogénération permettent de valoriser de l'énergie thermique qui serait autrement perdue. Ils contribuent ainsi à réduire la consommation d'énergie primaire qu'il aurait fallu pour combler des besoins combinés de chaleur et d'électricité, et par conséquent, à réduire les émissions de gaz à effet de serre. RETScreen établit, à partir d'un nombre minimal de données à fournir par l'utilisateur, les profils de charge et de demande d'énergie, les quantités d'énergie fournies et consommées par différentes combinaisons de systèmes destinés à combler des besoins d'électricité, de chaleur et de froid. Par sa facilité d'utilisation, RETScreen contribue à réduire les coûts, la durée et le niveau d'efforts à fournir pour mener à bien des études préliminaires de faisabilité.
DIAPOSITIVE 24 : Questions ?
Voici la fin du modèle de formation Analyse de projets de cogénération du cours d'analyse de projets d'énergies propres RETScreen International.
Ceci est le module de formation Analyse de projets de cogénération du cours d'analyse de projets d'énergies propres RETScreen International. Dans cette présentation, nous discuterons de l'exploitation des systèmes qui permettent de produire à la fois de la chaleur et de l'électricité, comme l'usine qui est montré dans cette photo.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux des systèmes de cogénération de chaleur et d'électricité; le deuxième de vous présenter quels sont les éléments essentiels à prendre en compte dans une analyse de projet de cogénération; et le troisième de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de cogénération.
DIAPOSITIVE 3 : Que produisent les systèmes de cogénération?
Un système de cogénération est conçu pour produire à la fois de la chaleur et de l'électricité. L'électricité peut combler des charges électriques locales ou être envoyée sur le réseau électrique. Les équipements de production électrique sont habituellement activés par la combustion de pétrole, de gaz naturel ou de biomasse. Une partie de la chaleur de combustion qui n'a pu être convertie en électricité peut être récupérée pour répondre aux besoins
de charges thermiques locales : chauffage de bâtiments ou procédé industriel. Sinon, cette chaleur devrait être évacuée sans être utilisée.
La cogénération a bien des attraits autres que la simple fourniture d'électricité et de chaleur : il s'agit d'un des moyens les plus efficaces de produire de l'électricité tout en réduisant les émissions polluantes et la production de déchets. La production thermique d'électricité n'est pas très efficace si on ne récupère pas les rejets thermiques de la centrale électrique. En récupérant ceux-ci, on augmente le rendement global de la centrale, en obtenant plus d'énergie utile par unité de combustible brûlé. On comble donc plus de besoins en rejetant moins de chaleur, moins de gaz à effet de serre et moins de polluants.
Comme la chaleur se transporte mal sur de longues distances, les centrales de cogénération sont normalement situées proche des charges thermiques et donc géographiquement dispersées. Cela signifie donc que l'électricité produite est aussi souvent plus proche des utilisateurs finaux que celle produite par de grandes centrales, souvent éloignées des centres urbains.
La production « décentralisée » d'électricité par cogénération peut donc permettre de réduire les pertes de transport d'électricité.
Une centrale à cogénération peut alimenter un réseau de chauffage urbain en eau chaude ou en vapeur. De tels réseaux peuvent aussi servir à la distribution d'eau glacée à des immeubles d'un même quartier. Des installations de ce type permettent d'offrir de meilleurs rendements qu'un ensemble d'installations individuelles de chauffage et de climatisation situées dans chaque immeuble.
Certains systèmes de cogénération peuvent être conçus pour produire du froid. Soit par un compresseur utilisant une partie de l'électricité produite, soit en utilisant la vapeur produite dans une machine à absorption ou dans un procédé de régénération de dessicants permettant de désécher l'air avant de le refroidir par évaporation d'eau. De tels procédés de production de froid permettent donc d'utiliser la chaleur produite par la production d'électricité même pendant la saison où il n'y a plus de charges de chauffage.
DIAPOSITIVE 4 : Intérêt des systèmes de cogénération
À la base, la production d'électricité ne permet de convertir qu'une faible partie du contenu énergétique d'un combustible : la moitié, voire les 2/3 de l'énergie du combustible, est rejetée sous forme de chaleur et n'a pas pu être convertie en énergie mécanique. Le principal intérêt d'une centrale à cogénération est de pouvoir la localiser proche d'une charge thermique qui pourra bénéficier de ces rejets de chaleur. Au lieu de n'utiliser que de 25 à 55 % du contenu énergétique du combustible, on bénéficiera de 60 à 90 % de cette énergie primaire, selon les équipements et les applications. Les rejets thermiques peuvent servir à des procédés industriels, au chauffage de locaux, à la production d'eau chaude, de froid et à bien d'autres usages.
D'un point de vue financier, l'élément le plus souvent déterminant est la valeur de l'électricité produite. Cette forme d'énergie est celle qui a le plus de valeur car l'électricité se transporte plus facilement que la chaleur et permet de répondre à un plus grand nombre de besoins énergétiques. Cependant, lorsqu'on a besoin de construire une centrale pour combler un besoin thermique particulier, il peut valoir la peine d'investir un peu plus pour bénéficier en plus de la production d'électricité, quitte à l'exporter vers le réseau.
La figure ci-dessous illustre les quantités phénoménales d'énergie thermique qui sont rejetées par les centrales thermiques de production d'électricité dans le monde : en 2002, cette quantité était de 25 000 TWh. Cette figure montre également que la plupart des centrales électriques dans le monde utilisent des combustibles fossiles que ce soit sous forme de charbon, de pétrole ou de gaz naturel. Améliorer le rendement de conversion de ces formes d'énergie, permet donc de tirer d'importants bénéfices financiers et environnementaux.
DIAPOSITIVE 5 : Concept de la cogénération
La figure ci-dessous permet de répondre à cette question en montrant comment on peut utiliser les rejets thermiques d'une installation typique de production d'électricité. À partir de 100 unités d'énergie primaire, on est généralement capable de tirer 30 unités d'énergie électrique. Si la centrale électrique se résume aux seuls équipements de production électrique, son rendement est donc de 30 % et 70 % de l'énergie primaire est rejetée sous forme de chaleur dans les circuits de refroidissement et les gaz d'échappements ou les cheminées. L'ajout d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur permet de récupérer typiquement de 75 à 80 % de ces rejets thermiques, ce qui représente environ 55 unités d'énergie thermique récupérée sous forme de vapeur. Le rendement global de la centrale est donc porté à 85 % au lieu de 30 %.
DIAPOSITIVE 6 : Description de la cogénération : équipements et technologies
Comme le principe de base d'une centrale à cogénération est la valorisation énergétique des rejets thermiques des équipements de production d'électricité, il faut commencer par s'assurer que ceux-ci rejettent de la chaleur à une température assez élevée pour qu'elle puisse être utilisée. La plupart des génératrices électriques d'une centrale à cogénération utilisent une turbine à gaz, une turbine à vapeur ou un moteur à pistons. Des technologies émergentes comme les piles à combustible peuvent également être rencontrées.
Une turbine à gaz ressemble au moteur d'un avion à réaction : on comprime un certain flux d'air d'admission. Un apport de chaleur se réalise dans la chambre de combustion de gaz ou de pétrole, créant une forte augmentation de pression. Cette pression permet de faire tourner à haute vitesse les pales de la turbine à réaction, qui à son tour fait tourner une génératrice électrique.
Une turbine à vapeur utilise de la vapeur d'eau à haute pression, produite généralement par une chaudière qui transforme l'eau en vapeur à partir de la chaleur de combustion de n'importe quel combustible.
Il est possible de faire travailler en série une turbine à gaz et une turbine à vapeur dans une installation dite « à cycle combiné ». Les gaz de combustion de la turbine à gaz sont assez chauds pour produire de la vapeur qui alimente la turbine à vapeur. Une telle installation permet de convertir jusqu'à 55 % de l'énergie primaire en électricité et il s'agit d'un des moyens les plus efficaces de production thermique d'électricité.
Les moteurs à pistons sont mieux connus car il s'agit de la même technologie qui est utilisée dans les moteurs à quatre temps des véhicules à essence et diesel. Après compression de l'air admission, le combustible s'enflamme sous l'action de l'étincelle de la bougie d'un moteur à essence, ou de la température élevée qui résulte du fort taux de compression d'un moteur diesel. L'énergie thermique libérée augmente la pression des gaz qui repoussent donc le piston qui transforme cette énergie en travail mécanique.
En plus de ces équipements d'électricité, un autre élément essentiel dans une centrale à cogénération est le système de récupération de la chaleur dégagée par ces équipements. Cet équipement sera différent selon le type de centrale électrique, les températures désirées et les caractéristiques de la charge thermique.
La plupart des charges thermiques à haute température seront comblées au moyen de la vapeur qui peut être produite par un générateur récupérant l'énergie des gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou d'un moteur à pistons. On peut également bénéficier de vapeur à un niveau de pression moindre au niveau de la sortie d'une turbine à vapeur ou en déviant une partie du flux de vapeur de la turbine à un niveau de pression intermédiaire. Si on ne dispose que de chaleur à basse température, elle peut servir à préchauffer l'eau qui alimente la chaudière à vapeur.
La chaleur à basse température peut également peut également être récupérée par un échangeur de chaleur et être transportée dans un réseau d'eau chaude pour combler des besoins de chauffage ou d'eau chaude sanitaire, ou encore pour alimenter des pompes à chaleur si on veut une température plus élevée.
Dans une centrale à cogénération, on retrouve souvent des équipements dédiés uniquement à la production de chaleur et qui peuvent suppléer ou compléter l'énergie thermique disponible des équipements de production électrique. Il s'agit de chaudières ou de bouilloires supplémentaires.
Lorsqu'il faut combler des besoins de froid à proximité du site de la centrale à cogénération, on peut utiliser la chaleur produite par celle-ci pour alimenter une machine à absorption ou un procédé de régénération de dessicant permettant de désécher l'air avant de le refroidir par évaporation d'eau. On peut aussi utiliser une partie de l'électricité produite pour alimenter des compresseurs électriques.
DIAPOSITIVE 7 : Description de la cogénération : combustibles
Selon le type d'équipements utilises, une vaste gamme de combustibles peut servir d'énergie primaire à une centrale à cogénération. Les plus courants sont des combustibles fossiles : charbon, pétrole ou gaz naturel. Bien que l'utilisation de tels combustibles ait un impact environnemental négatif, les centrales à cogénération sont considérées comme des technologies d'énergies propres à cause de leurs rendements élevés de conversion énergétique.
Les centrales à cogénération peuvent également brûler de la biomasse, comme on le voit sur la photo de droite. La biomasse comprend aussi bien des résidus de l'industrie forestière ou de l'agriculture que le biogaz résultant de la décomposition du fumier ou du compostage. Certaines cultures peuvent être dédiées à la production de biomasse comme le peuplier ou le sorgho. Dans certains pays tropicaux comme le Brésil, un résidu de la canne à sucre, la bagasse, est une importante source de biomasse.
Les décharges, lors de la décomposition des déchets, émettent du biogaz, essentiellement du méthane, qui peut être captée pour alimenter une centrale à cogénération.
Certains sites géologiques permettait de bénéficier de l'immense réservoir de chaleur qui se trouve sous l'écorce terrestre et qui se manifeste sous forme de volcans et de geysers. La vapeur qui peut être produite sur de tels sites peut alimenter une centrale à cogénération.
L'hydrogène est une façon de stocker l'électricité produite par des énergies renouvelables comme l'hydraulique, ou l'éolien, ou de transformer des combustibles fossiles. Ce gaz peut être brûlé ou utilisé comme combustible de haute qualité pour alimenter directement certaines piles à combustible et peut être considérée comme source possible d'approvisionnement d'une centrale à cogénération.
DIAPOSITIVE 8 : Description de la cogénération : applications
La gamme de puissance des centrales à cogénération est très étendue. Cela commence par de petits systèmes alimentant un seul bâtiment, comme sur la photo de la serre agricole. Des installations plus importantes sont réalisées dans des complexes industriels ou immobiliers comme le complexe municipal de l'autre photo. De très grandes centrales à cogénération peuvent être implantées proches d'importants besoins d'énergie thermique, comme un site industriel, ou un réseau de chauffage urbain d'envergure. La photo en bas à droite en est une illustration.
DIAPOSITIVE 9 : Description de la cogénération : systèmes énergétiques collectifs
Un réseau de chauffage urbain permet de distribuer la chaleur produite par une centrale jusqu'aux utilisateurs finaux, qu'il s'agisse des différentes zones d'un seul bâtiment où se trouve la centrale, ou d'un groupe de bâtiments en périphérie d'une centrale. Les clients d'un réseau de chauffage situés à quelques centaines de mètres les uns des autres peuvent regrouper des bâtiments publics, commerciaux, des tours à bureaux et des complexes résidentiels. Le réseau de tuyauterie est enfoui de 60 à 80 cm dans le sol. Il transporte l'eau chaude produite à la centrale à une température pouvant atteindre 130 ºC puis la retourne à une température variant entre 40 et 80 ºC. Il n'est pas nécessaire d'enfouir ce réseau en-dessous de la ligne de gel puisqu'il contient de l'eau chaude en circulation et qu'il est isolé thermiquement.
Un réseau urbain peut également comprendre la distribution d'eau glacée pour combler les besoins de climatisation des immeubles. Le réseau de chauffage urbain devient alors un véritable « réseau de services énergétiques » complet.
Un tel réseau permet de mettre en valeur les rejets thermiques d'une centrale à cogénération qui remplacent les centrales de chauffe qui seraient autrement nécessaires dans chacun des bâtiments desservis par le réseau, et qui fonctionneraient avec un moins bon rendement énergétique que la centrale à cogénération.
De plus, en centralisant les équipements de production de chaleur et de froid, il est plus facile de contrôler les émissions de ceux-ci, d'en augmenter la fiabilité et la sécurité et d'offrir une flexibilité d'utilisation et un confort accrus.
Un réseau urbain représente un important investissement. Son implantation est plus facile dans des nouveaux quartiers ou en plein redéveloppement et exige beaucoup de planification et d'organisation.
DIAPOSITIVE 10 : Coûts des systèmes de cogénération
Ces coûts varient beaucoup d'une installation à l'autre. Dans le tableau suivant, on donne les coûts typiques de différentes technologies de production électrique que l'on peut retrouver dans une centrale à cogénération. Même si les coûts de ces équipements comprennent leur installation, l'implantation d'une centrale à cogénération entraîne d'autres investissements : les équipements de production de chaleur et de froid, les équipements de refroidissement, l'interconnexion au réseau électrique, les voies d'accès et le réseau urbain.
Il est important de noter que les coûts d'investissement ne donnent aucune indication des coûts d'exploitation de la centrale à cogénération qui dépendent essentiellement des coûts d'approvisionnement en énergie primaire mais aussi des frais d'entretien et de coûts périodiques de remplacement ou de réparation de certaines pièces d'équipements.
DIAPOSITIVE 11 : Paramètres clés des projets de cogénération
Plusieurs facteurs de risques peuvent affecter le succès d'un projet de cogénération. Si l'on fait le choix d'un équipement spécifique à une source d'énergie, il faut commencer par s'assurer de la disponibilité et de l'approvisionnement à long terme de cette source d'énergie. Ensuite, lors de la construction, le projet doit être bien géré pour que ses coûts restent dans les limites budgétaires.
Lors de l'exploitation, le défi est d'avoir une bonne corrélation positive entre les besoins d'électricité et ceux de chaleur. Si on veut valoriser efficacement les rejets thermiques de la centrale, il est nécessaire de pouvoir répondre à des besoins thermiques qui représentent une proportion élevée des rejets thermiques annuels de la centrale. Réciproquement, si la centrale doit combler des besoins thermiques et que toute l'électricité qu'elle produit ne peut être utilisée sur le site même, il est important de disposer de solides contrats de vente d'électricité à long terme. En général, on dimensionne la production d'électricité en fonction de la charge thermique de base à combler, sachant que la capacité thermique des équipements varie typiquement entre 100 et 200 % de leur capacité électrique. Les surplus de chaleur qui surviennent en été alors que disparaissent les charges de chauffages de locaux, peuvent servir à combler les besoins de climatisation par l'intermédiaire de machines à absorption, par exemple.
Finalement, la viabilité financière d'un projet de cogénération dépend considérablement des valeurs relatives de l'électricité produite et du combustible utilisé. Pour que l'exploitation d'une centrale à cogénération soit rentable, il est nécessaire au départ que la valeur de l'électricité qui est produite soit supérieure au prix payé pour le combustible, corrigé en fonction du rendement de conversion en électricité.
DIAPOSITIVE 12 : Bâtiments individuels - Exemple : Canada
Les édifices qui ont besoin de chaleur et d'une source fiable d'électricité peuvent être de très intéressants sites pour implanter la cogénération : hôpitaux, écoles, centres commerciaux, tours à bureau, bâtiments agricoles. La centrale de cogénération peut aussi inclure les besoins de réfrigération et de climatisation. Les photos de cette diapositive montrent différentes vues du moteur à pistons et du générateur de vapeur à récupération de chaleur de la centrale d'un hôpital de l'Ontario au Canada.
DIAPOSITIVE 13 : Groupe de bâtiments - Exemples : Suède et États-unis
Une seule centrale de production d'électricité, de chaleur et de froid peut alimenter plusieurs bâtiments. C'est souvent le cas pour des complexes immobiliers, hospitaliers, universitaires, commerciaux ou industriels. De tels regroupements peuvent alors former ce que l'on appelle un réseau urbain de services énergétiques. On montre deux exemples de telles installations : une centrale de chauffage urbain en Suède et une turbine à gaz de 25 MW utilisée dans la centrale à cogénération du MIT (Massachusetts Institute of Technology) près de Boston aux États-Unis.
DIAPOSITIVE 14 : Procédés industriels - Exemple : Brésil
Les usines qui ont des besoins constants de chaleur ou de froid sont des applications intéressantes de la cogénération. Cela est encore plus vrai dans le cas d'industries qui produisent des résidus qu'elles peuvent utiliser comme combustible. C'est le cas de la raffinerie de sucre de canne de cette photo, qui utilise la bagasse comme source d'énergie. Le diagramme illustre comment la chaleur résiduelle d'une centrale à cycle combiné peut répondre aux besoins thermiques d'un procédé industriel.
DIAPOSITIVE 15 : Gaz d'enfouissement - Exemples : Canada et Suède
Les déchets des sites d'enfouissement produisent du méthane lors de leur décomposition. On peut contrôler les émanations du biogaz et les diriger dans un réseau de captage de manière à l'utiliser comme combustible pour des projets de production d'électricité, de chaleur ou de froid. Le diagramme illustre schématiquement l'exploitation possible d'un site d'enfouissement. On voit sur la photo une centrale à cogénération implantée en Suède, qui utilise du biogaz et qui alimente un réseau de chauffage urbain.
DIAPOSITIVE 16 : Modèle RETScreen pour les projets de cogénération
Le modèle RETScreen permet d'évaluer des projets de cogénération situés n'importe où dans le monde en analysant leur production annuelle d'énergie, leurs coûts globaux sur leur durée de vie et la réduction annuelle de gaz à effet de serre qu'ils procurent. Ces projets peuvent également comprendre toutes les combinaisons possibles de production d'électricité, de chaleur et de froid. On peut virtuellement envisager exploiter toutes les sources d'énergie primaire qui sont proposées dans le modèle, ainsi que les différentes technologies de production d'électricité. Le modèle propose aussi différentes stratégies de contrôle de l'exploitation. Le modèle comprend même un outil d'évaluation de la ressource en biogaz de sites d'enfouissement et d'une aide à la conception de réseaux urbains de distribution de services énergétiques. Le modèle est disponible en plusieurs langues simultanément : il est ainsi possible de passer d'une langue à l'autre à l'intérieur d'un même document sur lequel on est en train de travailler. Le modèle offre également la possibilité de travailler en unités métriques ou impériales. D'autres outils permettent de travailler avec différentes devises, de convertir des unités, de calculer un coût moyen de l'électricité selon différentes grilles tarifaires ou de définir les spécifications propres à un combustible en particulier.
DIAPOSITIVE 17 : Modèle RETScreen pour les projets de cogénération
Le modèle RETScreen permet en théorie d'analyser n'importe quelle combinaison de moyens de produire de l'électricité, de la chaleur ou du froid. C'est ce qui est illustré dans ce diagramme qui montre les flux d'énergie primaire, de chaleur et d'électricité et comment ils peuvent être utilisés pour répondre aux besoins d'électricité, de chaleur ou de froid. (Les combinaisons qui peuvent être analysées sont les suivantes : production de chaleur seulement; production d'électricité seulement; production de froid seulement; production de chaleur et d'électricité; production de froid et d'électricité; production de chaleur et de froid; production de froid, de chaleur et d'électricité.)
DIAPOSITIVE 18 : RETScreen cogénération : systèmes de chauffage
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet de prendre en compte plusieurs sources différentes de chauffage. Ainsi, on voit sur ce diagramme comment la production d'un système de cogénération se répartit chaque mois entre le chauffage, la production de froid et celle d'électricité. Les points de chauffage surviennent en hiver, celles de climatisation en été. La charge de chauffage est comblée par des systèmes travaillant à 3 niveaux : un système de chauffage de base, un système de chauffage intermédiaire et un système de chauffage de pointe. Le système de pointe fonctionne peu d'heures par année et peut être conçu de façon à coûter le moins cher possible à l'investissement, même si son exploitation entraîne des frais plus levés. En revanche, la demande de chauffage de base sera généralement comblée par un système de récupération de chaleur pouvant fonctionner avec des frais d'exploitation minimums.
DIAPOSITIVE 19 : RETScreen cogénération : systèmes de climatisation
De la même manière que pour le chauffage, le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet de prendre en compte plusieurs sources différentes de production de froid. Sur cette figure, on voit une centrale qui comprend deux systèmes de production de froid : un système de base et un système de pointe. Différentes technologies peuvent être utilisées pour chacun des deux types de systèmes. On pourrait par exemple utiliser une machine à absorption qui utilise des résidus thermiques pour assurer la charge de base et un système de pointe utilisant un compresseur électrique.
DIAPOSITIVE 20 : RETScreen cogénération : systèmes de production d'électricité
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération permet également de prendre en compte plusieurs sources de production électrique. On voit ici l'utilisation de systèmes de base, intermédiaire et de pointe pour produire de l'électricité. L'utilisateur peut choisir différentes stratégies d'exploitation de ces systèmes. Ainsi, dans ce système, pour combler les besoins électriques qui dépassent la demande de base, on peut choisir de faire fonctionner le système intermédiaire, soit à un niveau de puissance qui comble la demande d'électricité, soit à un niveau de puissance qui suffit à combler les besoins de chaleur récupéré de ce système intermédiaire, soit à plein régime.
DIAPOSITIVE 21 : Calculs de RETScreen cogénération
Le modèle RETScreen pour projets de cogénération commence par estimer les courbes de charge et la demande d'énergie au cours de l'année. Ces besoins varient selon la combinaison de besoins d'électricité, de chaleur ou de froid qui a été sélectionnée. Ensuite, le modèle tient compte des caractéristiques des équipements, en particulier de leur consommation spécifique de combustible par unité d'énergie produite. Finalement, RETScreen calcule les quantités annuelles d'énergie produites sous différentes formes et la consommation d'énergie primaire qui y est associée.
DIAPOSITIVE 22 : Exemple de validation du modèle RETScreen pour projets de cogénération
Un consultant indépendant (FVB Energy Inc.) et plusieurs utilisateurs de versions préliminaires du modèle, parmi les gouvernements, les instituts de recherche et d'enseignement, les sociétés industrielles ou de services publics, ont été invités à valider globalement le modèle RETScreen pour projets de cogénération. On a aussi comparé ces résultats à ceux d'autres modèles ou à des mesures réelles de performances. Le tableau ci-dessous illustre les bonnes performances d'une des parties du modèle, celle qui calcule les performances d'une turbine à vapeur. On a comparé ces résultats à ceux du modèle « Gate Cycle de General Electric » qui simule des procédés énergétiques.
DIAPOSITIVE 23 : Conclusions
Les systèmes de cogénération permettent de valoriser de l'énergie thermique qui serait autrement perdue. Ils contribuent ainsi à réduire la consommation d'énergie primaire qu'il aurait fallu pour combler des besoins combinés de chaleur et d'électricité, et par conséquent, à réduire les émissions de gaz à effet de serre. RETScreen établit, à partir d'un nombre minimal de données à fournir par l'utilisateur, les profils de charge et de demande d'énergie, les quantités d'énergie fournies et consommées par différentes combinaisons de systèmes destinés à combler des besoins d'électricité, de chaleur et de froid. Par sa facilité d'utilisation, RETScreen contribue à réduire les coûts, la durée et le niveau d'efforts à fournir pour mener à bien des études préliminaires de faisabilité.
DIAPOSITIVE 24 : Questions ?
Voici la fin du modèle de formation Analyse de projets de cogénération du cours d'analyse de projets d'énergies propres RETScreen International.
