Dossier : Mieux utiliser la chaleur

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La cogénération : comment ça marche ?

La cogénération est la production et l’utilisation, de manière simultanée, d’une énergie thermique – c’est-à-dire de la chaleur - et d’une énergie mécanique, généralement transformée en électricité. L’intérêt de cette technique est d’optimiser le rendement d’une installation en valorisant la chaleur au lieu de la disperser dans l’environnement.

Image de deux chaudières à gaz qui participent à la production de chaleur et d'électricité du réseau urbain du Mans (ouest de la France)
Les deux chaudières à gaz du réseau de chaleur urbain du Mans (ouest de la France) complètent l'apport calorifique de l'usine d’incinération de déchets, pour la production d'électricité et de chaleur ©JEAN-FRANCOIS MONIER / AFP

Micro-cogénération et cogénération

A l’origine, dans les années 1950, ce sont les industries produisant et consommant beaucoup de chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... - comme les sucreries et les papeteries - qui commencèrent à générer de l’électricité grâce à leurs flux de vapeur.

Aujourd’hui, les unités de cogénération La cogénération consiste à produire en même temps et grâce à la même installation de la chaleur (énergie thermique) et de l’électricité... sont souvent installées pour produire d’abord de l’électricité, en utilisant un carburantUn carburant est un combustible liquide (comme l'essence), gazeux (comme le GPLc) ou solide (comme un propergol)... fossile (généralement le gaz), de la biomasseDans le domaine de l'énergie, la biomasse se définit par l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale... ou de la géothermieLe terme géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes au globe terrestre.... La chaleur générée à cette occasion est récupérée pour alimenter des réseaux urbains ou des processus industriels.

Les applications peuvent être très variées. Certains équipements sont de petite taille. Il s’agit de modules compacts alimentés au gaz qui assurent le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire pour les bureaux et logements collectifs, tout en assurant une production locale d’électricité. On parle de micro-cogénération pour des modules d’une puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... inférieure à 36 kWe et de mini-cogénération pour des modules entre 36 et 250 kWe.

 

Différents types d’usage industriel

D’autres applications sont à échelle industrielle. En voici quelques exemples.
 

Le cas d’une papeterie : la centrale de cogénération biomasse de Biganos.

 

Voir la visite virtuelle Dalkia.  

L’usine du papetier « Cellulose du Pin » à Biganos, en Gironde (France), gère des quantités considérables de bois et dispose donc de résidus et de branches. Cette biomasse, non utilisée pour le papier, est brûlée dans une grande chaudière (40 mètres de haut) où elle produit de la vapeur très chaude (plus de 500 °C) et à haute pression (120 bars).

Cette vapeur fait tourner des turboalternateurs (voir décryptage « le turbo-alternateur ») qui produisent de l’électricité. Celle-ci est utilisée sur place ou revendue au réseau public. La vapeur plus froide et détendue qui sort de la turbine est récupérée pour sécher le papier.

 

Le cas d’une usine de plasturgie : Ineos Polymers de Sarralbe en Moselle

Voir l’animation

 

La cogénération consiste à produire simultanément de l’électricité et de la chaleur au sein d’une même installation.

L’usine, qui produit des plastiques, est elle-même très consommatrice de chaleur et d’électricité. Elle a jugé rentable de se doter d’un moteur de cogénération au gaz. Ce moteur produit de l’électricité utilisée dans l’usine et dont le surplus est revendu. Un circuit d’eau à 75 °C provenant de l’usine transite par l’unité de cogénération, refroidit le moteur, puis capte la chaleur des gaz d’échappement émis, et repart à 105 °C vers l’usine.

 

Le cas d’un réseau de chaleur urbain : Le Mans

Voir l’infographie

La métropole du Mans a doublé fin 2018 son réseau de chaleur urbain alimenté par une usine d’incinérationL’incinération est une technique de transformation des déchets en énergie... de déchets. Pour cela, elle a réduit la part consacrée à l’électricité et récupéré la chaleur excédentaire jusqu’alors dispersé dans l’air. Elle a également construit une nouvelle unité de deux chaudières à gaz qui vient en soutien de l’usine d’incinération en lui permettant de réguler les moments où son activité baisse. Les chaudières fournissent en moyenne 16 % de la chaleur.

 

L’exemple des « centrales cycle combiné gaz »

Voir animation EDF 

Les centrales thermiques à gaz qui produisent de l’électricité ont peu à peu remplacé en France les centrales à fuel et à charbon. Les nouveaux modèles ont eux-mêmes évolué vers les « centrales à cycle combiné au gaz » (CCG).

Le principe est simple (voir schéma ci-dessous) :

Schéma cogénération : principe général et centrale combiné gaz

 

- Les CCG associent une turbine à combustion (TAC) à gaz et une turbine à vapeur reliées toutes deux à un turbo-alternateur.
- La turbine à gaz – qui fonctionne comme un réacteur d’avion – fait tourner le turboalternateur qui produit de l’électricité.
- Les gaz de combustion très chauds sont captés et vont chauffer l’eau d’une chaudière.
- Celle-ci génère de la vapeur qui va faire tourner la turbine à vapeur.
- Cette turbine contribue à son tour à la rotation du turboalternateur.

Bénéficiant d’une double génération, cette centrale à un rendement très supérieur à celui d’une centrale à gaz classique (jusqu’à 70 % contre 35 %). D’autre part, les émissions de CO2Dioxyde de carbone. Avec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... sont divisées par deux par rapport à une centrale au charbon.