Microcogénération

La micro-cogénération, aussi appelée micro CHP (pour micro combined heat and power), désigne un système de cogénération de très petite puissance électrique (inférieure 36 kilowatt).

Le niveau de puissance thermique de tels systèmes est adapté au besoin de chauffage et d'eau chaude sanitaire d'un seul bâtiment. Il s'agit donc d'un système de production décentralisée d'énergie. Le bâtiment qui en est équipé peut se passer de tout autre moyen de chauffage ou de connexion à un réseau de chaleur. L'électricité produite peut être consommée localement (« auto-consommée »), être vendue partiellement (« vente en surplus ») ou totalement (« vente en totalité ») sur un réseau public d'électricité. Un avantage important, sinon décisif, de ce type de cogénération, dans le cas de la participation à une réseau électrique intelligent est que la production d'électricité se fait en hiver, en coïncidence avec la pointe de la demande.

« Chauffez et produisez de l'électricité » résume bien le procédé de la micro-cogénération. En effet la production locale d’électricité est un défi majeur, dans cette période de transition énergétique. La micro-cogénération bois est une solution économique et écologique, qui contribue de façon efficace à atteindre les objectifs du Grenelle de l'environnement. De plus, la micro-cogénération permet de produire en hiver, sans dépendre de facteurs climatiques tout en chauffant l’habitat. Depuis fin 2012, il existe des chaudières à granulés de bois micro-cogénération qui permettent de produire de l'électricité jusqu'à 5 kWe h, pour des maisons de 120 à plus de 500 m². Ces solutions permettent de réaliser des économies significatives, de tendre vers l'autonomie énergétique, tout en ayant un impact carbone neutre. L'électricité produite est alors destinée à la revente ou pour sa propre consommation.

Utilisation de la chaleur fatale

Dans la majorité des applications de conversion d'énergie, de la chaleur est produite, on parle de "chaleur fatale" ou "chaleur secondaire". En particulier, dans un procédé de production d'électricité utilisant un combustible (fioul, gaz naturel, nucléaire, bois, charbon etc.) avec un cycle moteur (turbine à vapeur, turbine à gaz, moteur combustion interne, moteur combustion externe, cycle combiné etc.), la conversion est limitée par un rendement de cycle. De la chaleur "basse température" est inexorablement produite. Cette chaleur peut être utilisée pour le chauffage de locaux ou de production d'eau chaude sanitaire, à condition de ne pas devoir être transportée sur de longues distances. En effet, la chaleur, contrairement à l'électricité, se stocke bien mais se transporte assez mal (pertes thermiques, énergie de pompage). C'est pour cette raison que la chaleur produite par la plupart des centrales en France, souvent situées sur des sites éloignés des villes pour des questions de sécurité et de nuisance, n'est presque jamais valorisée. Cela représente une perte d'énergie considérable, près de deux fois la quantité d'électricité produite chaque année (554,4 TWh en 2007). Cette chaleur est généralement dissipée dans une tour de refroidissement, voire la mer ou une rivière...

Une façon de mieux utiliser ou valoriser cette chaleur est de produire de l'électricité plus proche du lieu de consommation, voire à l'intérieur du lieu de consommation (dans un logement ou une entreprise). Cela implique d'utiliser des systèmes de production plus petits. On parle aussi de production répartie d'énergie ou production décentralisée d'énergie.

C'est le principe de la « cogénération domestique » ou micro-cogénération, très actif chez l'inventeur et qui gagne en popularité dans tous les secteurs de l'économie de l'énergie, en raison de l'augmentation des coûts des carburants, en particulier les carburants à base de pétrole, et en raison de préoccupations environnementales, notamment le réchauffement climatique.

La cogénération, et en particulier la micro-cogénération, est donc un moyen simple et efficace d'augmenter la performance énergétique d'un pays, d'une région, d'un quartier ou tout simplement d'un logement. En effet, elle permet de produire de la chaleur et de l'électricité quasiment sans pertes. En comparaison, une centrale thermique (nucléaire, charbon, gaz etc) a un rendement de 20 % (très vieille centrale) à 55 % (cycle combiné construit dans les années 1990-2000), en passant par 30 % pour les centrales nucléaires françaises. En comparaison, la cogénération a un rendement de 80 % (cogénération moteur avec valorisation) à quasiment 100 % (pour les micro-cogénérations à moteur Stirling).

Notions de rendements, d'efficacité et de ratio électricité / chaleur

Les définitions des rendements utilisés (rendement énergétique, rendement électrique et rendement thermiques) sont précisées dans l'article cogénération. Les notions de rendement électrique et de rendement thermique sont des rendements partiels, c'est-à-dire que pris séparément, ils ne donnent pas d'indication sur la performance de la micro-cogénération. Ces deux rendements s'additionnent (au même titre que les pressions partielles) pour donner le rendement énergétique ou rendement global, dont la valeur est généralement comprise entre 80 et 95 % pour une micro-cogénération. On parle aussi de composante électrique et de composante thermique du rendement.

Pour traduire la valeur de la production d'électricité d'une micro-cogénération, on utilise aussi la notion d'efficacité sur énergie primaire. En France, le coefficient de conversion de l'énergie primaire en électricité est pris par l'Etat par convention à 2,58. Il traduit l'efficacité globale des moyens de production et d'acheminement d'électricité jusque chez l'utilisateur. Compte tenu du rendement moyen des centrales en France (33 %) et des pertes de transport/distribution (92,5 %), ce coefficient vaut en réalité près de 3,3 (soit l'inverse de 0,33 x 0,925)^{[réf. souhaitée]}.

L'efficacité en énergie primaire d'une micro-cogénération se définit comme la somme du rendement électrique et du rendement thermique pondéré du coefficient de conversion : Eff Ep = (Rendement thermique) + 2.58 * (Rendement électrique). Le lot chauffage de la Directive Écoconception utilise une notion très proche.

Une notion souvent rencontrée est le ratio électricité / chaleur (E/C), qui traduit le rapport entre l'électricité et la chaleur utile produite.

Type de systèmes de microcogénération

Les principaux systèmes de microcogénération commercialisés ou en développement, s'appuient sur les technologies de conversion thermo-mécanique suivantes :

• Moteur à combustion interne

Cette technologie est utilisée pour des puissances de 5 kW à plus de 1000 kW. Il s'agit d'une technologie mature, bien maitrisée et fonctionnant avec de nombreux combustibles gazeux ou liquides. Pour un besoin de chaleur donné, le moteur CI permet de produire une quantité d'électricité relativement importante puisque son ratio E/C est plutôt élevé (1/4 à 1/2). Le rendement global d'un moteur CI est de l'ordre de 75-80 % et peut atteindre 90 % s'il est muni d'un dispositif de condensation, qui équipe par exemple le moteur Dachs produit par Senertech. Le principal défaut du moteur CI est le bruit ainsi que les émissions de NOx, CO et autres imbrûlés. Comme pour une automobile, ce défaut peut être partiellement pallié par des pots catalytiques et autres filtres à particules.

• Microturbine à gaz

Le principal intérêt de la micro-turbine à gaz réside dans sa robustesse et son faible besoin de maintenance. Bien qu'il existe quelques turbines en micro-cogénération, commercialisées ou en cours de développement (Capstone 30 kW ou MTT 3 kW), on trouve plutôt ces équipements pour des puissances supérieures, de l'ordre de 60 à 200 kW (Capstone, Turbec). En Europe, la micro-turbine est surtout utilisée pour la valorisation du biogaz de décharge.

• Moteur à combustion externe (Moteur à cycle de Rankine, moteur Stirling, moteur Ericsson, moteur solaire)

Cette technologie est très pertinente pour micro-cogénération de 1 kW électrique. Grâce à un fonctionnent silencieux et non polluant, elle peut être intégrée dans une chaudière. On parle donc de chaudière à micro-cogénération ou d'écogénérateur. Le rendement énergétique d'une micro-cogénération utilisant un moteur à combustion externe est très élevé, il atteint presque 100 % (97 % pour une utilisation basse température du type plancher chauffant). En revanche la composante électrique de son rendement est relativement faible, de l'ordre de 15 %, soit un ratio E/C de 1/6.

• Moteur à cycle de Rankine organique (analogue au moteur à vapeur, mais où le fluide n'est pas de l'eau).

• Pile à combustible.

Évolution

Les systèmes de cogénération sont développés depuis la crise énergétique des années 1970. Pendant trois décennies, les grands systèmes de cogénération étaient économiquement plus justifiables que les systèmes de microcogénération, en raison de l'économie d'échelle. Après l'an 2000, la microcogénération est devenue rentable dans de nombreux marchés à travers le monde, en raison de la hausse des coûts de l'énergie. Le développement de la microcogénération a également été facilité par les progrès technologiques récents sur de petits moteurs thermiques comme le moteur Stirling, le moteur à vapeur ou la turbine à gaz.

Aujourd'hui, on voit apparaître en Europe de plus en plus de chaudières à micro-cogénération à moteur Stirling, Au Royaume-Uni, en Allemagne et aux Pays-Bas, pays qui sont attentifs à ne pas gaspiller d'énergie.

Stirling à piston libre entraînant un alternateur linéaire

De nombreuses déclinaisons ont été proposées : ainsi un générateur à piston libre et à alternateur linéaire, a été inventé par le thermodynamicien Hubert Juillet et breveté à l'INPI le 4 septembre 1967 sous le n° P.V.190063. Ce générateur a été modifié par la suite en remplaçant des pièces mécaniques par des pièces élastiques et opérant sous un cycle Stirling (dessin de la NASA).

En 2015, ce générateur Stirling-Juillet est produit industriellement, par la Sté Microgen Engine Corporation limited et commercialisé pour la micro-cogénération par la Sté Wiessmann et la Sté De Dietrich c'est actuellement le système de micro cogénération le plus utilisé.

En France, quelques opérations de démonstration ont débuté il y a 2 ans et se poursuivent encore actuellement avec des écogénérateurs de marque De Dietrich et Chappée. En parallèle, la commercialisation de chaudières Whispergen (construites par Corporation Mondragon,a commencé depuis novembre 2011.

Financement

Pour les particuliers, les chaudières micro-cogénération bénéficient, en France, en 2012 :

• d'un crédit d'impôt (de 17 % pour la chaudière seule, et de 26 % en cas de bouquet de travaux),
• d'une prime éco-énergie dans le cadre d'un certificat d'économie d'énergie (on peut voir la fiche d'opération sur le site du ministère de l'écologie).

Annexes

Bibliographie

• La cogénération. Efficacité énergétique. Micro-cogénération Auteur: Méziane Boudellal - Éditions Dunod - 2010 - Lien: http://www.dunod.com/livre-dunod-9782100528813-la-cogeneration.html
• Méziane Boudellal, La cogénération : Efficacité énergétique, Micro-cogénération, Paris, L’Usine nouvelle et Dunod, 2010 (ISBN 978-2-10-054853-8, lire en ligne).
• Méziane Boudellal, Cogénération et micro-cogénération : Solutions pour améliorer l'efficacité énergétique, Paris, L’Usine nouvelle et Dunod, 2013, 2^e éd. (ISBN 978-2-10-059137-4, lire en ligne).

Articles connexes

• Cogénération
• Trigénération
• Centrale électrique virtuelle
• Production décentralisée
• Poêle de masse rocket

Liens externes

• Les chaudières à micro-cogénération gaz, sur le site de l'ADEME
• Site sur la cogénération (élaboré par une société commerciale)
• Site sur la cogénération (élaboré par une société commerciale)