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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Septième partie. Usages de l'énergie et efficacité énergétique

4. La cogénération

Iskender Gökalp

Texte intégral

1L’augmentation de l’efficacité énergétique est l’un des moyens d’économie d’énergie et de réduction des émissions des gaz à effet de serre, notamment le gaz carbonique (CO2). La cogénération* voire la trigénération sont des procédés qui permettent d’augmenter l’efficacité des systèmes énergétiques basés sur la conversion chimique de l’énergie des combustibles d’origine fossile, mais aussi des systèmes faisant appel aux énergies renouvelables.

Principes de la cogénération

2On appelle cogénération la production combinée d’énergie thermique et d’énergie mécanique ou d’électricité, et trigénération la production simultanée d’énergie mécanique, de chaleur et de froid. L’idée de départ de la cogénération est que la combustion génère des températures souvent supérieures à 1 000 °C, alors que les besoins de chaleur, pour la plupart des processus industriels ou le chauffage demandent des températures plus basses ne dépassant pas 400 °C. Il est donc possible d’utiliser un cycle moteur (par exemple une turbine à gaz) pour produire de l’électricité (ou un travail mécanique comme la compression) et d’utiliser la chaleur des gaz d’échappement pour les besoins en chaleur. Dans la cogénération industrielle par turbine à gaz, un procédé classique consiste à relier une turbine à gaz à un alternateur pour générer une grande partie (de l’ordre de 80 %) des besoins en électricité du site industriel. Les gaz d’échappement issus de la combustion du gaz naturel dans la chambre de combustion de la turbine sont brûlés une seconde fois par l’apport d’une faible quantité de combustible. Après cette post-combustion, les fumées, à une température d’environ 600 °C, réchauffent l’eau du circuit vapeur dans une chaudière de récupération puis l’eau du réseau de chauffage urbain. La vapeur produite est détendue dans une turbine à vapeur reliée à un alternateur pour générer le restant des besoins en électricité. Un tel système de cogénération à cycle combiné peut atteindre un rendement global supérieur à 80 % alors que le rendement seul d’une turbine à gaz moderne est de l’ordre de 45 %. On comprend ainsi l’intérêt des systèmes à cycle combiné pour la production d’électricité et au-delà des systèmes de cogénération.

3La trigénération est la généralisation de la cogénération ; on pourrait d’ailleurs parler de polygénération. Dans un supermarché par exemple, il est souvent nécessaire de générer de l’électricité, de la chaleur et du froid. Pour ce type d’application, les gaz d’échappement d’une micro-turbine (qui produirait par exemple une puissance électrique d’une centaine de kW) sont utilisés d’une part pour fournir la chaleur nécessaire au désorbeur d’une machine frigorifique à absorption et, d’autre part, pour produire de l’eau chaude sanitaire ou assurer le chauffage en période hivernale. Aujourd’hui, l’un des enjeux des grands systèmes de cogénération par cycle combiné reste la réduction de leurs émissions de CO2, qu’il s’agisse des systèmes utilisant le gaz naturel ou le charbon mais aussi les systèmes avec gazéification du charbon (ou de la biomasse) intégrée. Parmi les procédés développés aujourd’hui pour faciliter le captage du CO2, on peut citer l’oxycombustion*, la combustion pauvre* et la gazéification du charbon intégrée aux centrales pour la production du gaz synthétique (composé majoritairement du CO et H2). L’intérêt de ce dernier procédé est aussi de permettre le captage pré-combustion du CO2 en transformant le CO en CO2 par un traitement à vapeur d’eau, et de ne brûler que l’hydrogène dans des turbines à gaz avancées.

La cogénération appliquée aux ENR

4La cogénération ou la polygénération devient encore plus attractive si elle est appliquée à l’utilisation des énergies renouvelables (ENR). Plusieurs activités de recherche et développement sont en cours aujourd’hui à l’échelle internationale. On distingue plusieurs couplages ou hybridations possibles soit entre un procédé conventionnel et un autre basé sur les énergies renouvelables, soit entre deux types d’énergies renouvelables avec leurs technologies de conversion appropriées. Voici quelques exemples.

5Un axe de recherche important est l’utilisation des bioressources pour la polygénération avec les technologies de combustion, gazéification et aussi production des combustibles liquides. La combustion directe de la biomasse (par exemple d’origine forestière) pour la cogénération de la chaleur (et de la vapeur) et de l’électricité est une technologie bien avancée et utilisée mais que l’on cherche encore à optimiser. La gazéification de la biomasse est un autre procédé en pleine évolution et amélioration. Différents procédés de gazéification sont utilisés et optimisés, notamment ceux basés sur la technologie des lits fluidisés*. La gazéification de la biomasse est un procédé qui correspond bien au concept de polygénération car elle permet de générer un gaz synthétique combustible, le syngaz (cf. V.4), que l’on peut convertir en chaleur par la combustion pour la génération de l’électricité et de la vapeur, ou en hydrogène pour des piles à combustibles, ou en combustibles liquides par des procédés de synthèse. Notons également que les cendres issues des procédés de conversion chimique de la biomasse peuvent constituer de la matière première valorisable pour des matériaux utilisés par exemple en construction routière.

6Des systèmes de polygénération basés sur l’énergie solaire sont aussi amplement étudiés et développés. Une orientation importante est l’utilisation de l’énergie solaire pour la production de la chaleur, du froid, de l’électricité et de la vapeur pour différentes applications industrielles. Les technologies solaires sont aussi intégrées pour la production de l’eau potable à partir du dessalement de l’eau de mer.

7Des avancées considérables sont aussi obtenues dans l’hybridation des systèmes de concentration de l’énergie solaire et des centrales thermiques classiques au charbon ou au gaz naturel. Dans le premier cas, la vapeur produite par l’énergie solaire concentrée vient s’additionner à la vapeur produite par la chaleur de la combustion du charbon et augmente la puissance de la turbine à vapeur pour la production d’électricité ou permet d’utiliser moins de charbon (et donc d’émettre moins de CO2) pour la même puissance électrique désirée. Dans le cas d’une hybridation avec une turbine à gaz, la cogénération est plus poussée car la vapeur solaire s’additionne à celle produite par le système de récupération de la chaleur issue de la chambre de combustion de la turbine à gaz et augmente ainsi la part d’électricité produite par la turbine à vapeur. Dans un domaine connexe, la chaleur dissipée dans un système de piles à combustible peut aussi être récupérée pour différentes applications de cogénération.

8Ces exemples de cogénération et de polygénération montrent ainsi que des recherches et développements sont en cours pour grandement augmenter l’efficacité des technologies d’énergie et contribuer à l’instauration d’un système d’énergie plus durable et plus propre.

À gauche : Chambre de combustion instrumentée haute pression d’ICARE pour les études des performances énergétiques et environnementales des flammes de syngaz, pour des applications dans les systèmes de cogénération* avec gazéification intégrée. À droite : visualisation d’une flamme turbulente de syngaz avec 30 % de H2 et 70 % de CO brûlant dans de l’air avec une richesse de 0,4. © ICARE

Bibliographie

Références bibliographiques

• R. GICQUEL – Systèmes Énergétiques, Tome 2, Presses des Mines, 2009.

Applied Thermal Engineering, Vol. 50, Ed. Alberto Coronas & Bidyut Baran Saha, 2013.

Table des illustrations

Légende À gauche : Chambre de combustion instrumentée haute pression d’ICARE pour les études des performances énergétiques et environnementales des flammes de syngaz, pour des applications dans les systèmes de cogénération* avec gazéification intégrée. À droite : visualisation d’une flamme turbulente de syngaz avec 30 % de H2 et 70 % de CO brûlant dans de l’air avec une richesse de 0,4. © ICARE
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11128/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 296k

Auteur

Directeur de recherche au CNRS, Directeur d’ICARE, Orléans.
gokalp@cnrs-orleans.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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