ETUDE DE MARCHE SUR LA COGENERATION
Ce rapport est consacre a la realisation d’une etude de Marche sur la cogeneration.
Il comprend les parties suivantes:
1) La presentation de la cogeneration;
2) L’interet de la cogeneration;
3) Les modes de la cogeneration;
4) La rentabilite de la cogeneration;
La cogeneration peut etre utile pour la renovation des centrales electriques ukrainiennes dont l’equipement electrique a besoin d’etre remplace et modernise. Je pourrai en parler avec mes futurs collaborateurs afin de faire les meilleurs choix techniques.
Le rapport sur la cogeneration que j’ai realise permet de prendre connaissance de ce phenomene et de ses domaines d’utilisation pour l’elaboration, dans le futur, de nouveaux projets.
Principe de la cogeneration
En 1824, Carnot comprend que la transformation de la chaleur en force est entachee d’un mauvais rendement, parce qu’une part importante de chaleur est necessairement perdue.
La cogeneration est la production conjointe de chaleur et d'energie mecanique, generalement transformee en electricite, a partir d'une meme source d'energie.
Une installation de cogeneration produit simultanement de l’electricite et de la chaleur sous forme de vapeur. Elle se compose de deux elements principaux : une turbine a gaz couplee a un alternateur et une chaudiere de recuperation de chaleur.
Elle permet d'exploiter au maximum le potentiel energetique du combustible. Le rendement d'une telle installation peut alors atteindre 80 a 90 % contre 35 a 40 % pour une installation classique.
Interet de la cogeneration
La cogeneration permet d'obtenir un rendement global (electrique + thermique) plus eleve que celui resultant d'une production par filiere separee. L'economie d'energie primaire est de l'ordre de 20%.
Destinee a des applications uniquement industrielles, la cogeneration a grande echelle permet de delivrer une puissance electrique qui atteint au moins 50 MW. Au dessous de ce seuil, la cogeneration classique fournissant une puissance energetique de 50 a 1 MW est plus destine au chauffage et besoins en eau chaude des immeubles ainsi que pour les centres de service public.
La gamme d'application de la cogeneration est tres vaste puisqu'on peut l'utiliser des qu'il est possible de valoriser conjointement l'energie thermique et l'electricite (en autoconsommation ou pour revente au reseau). A titre d'exemple, on peut citer:
Industries
Serres
Reseaux de chaleur
Etablissements de sante
Piscines
Centres commerciaux
Habitat collectif
L'electricite est produite par un alternateur qui peut etre actionne soit par la vapeur, soit par une turbine a gaz ou a fuel, soit par un moteur thermique.
La chaleur est generalement produite sous la forme de vapeur d'eau et directement utilisee en chauffage ou dans l'industrie (cuisson, sterilisation, chauffage…).
Tous les types de combustibles peuvent etre utilises, en fonction des possibilites locales d'approvisionnement. La tres grande majorite des cogenerations fonctionne au gaz naturel, mais il est possible de developper un approvisionnement a partir de ressources renouvelables (incineration de dechets menagers ou industriels, biogaz, bois-energie).
Le principal interet de la cogeneration est de diminuer la production de gaz a effet de serre par quantite d'energie utilisee, et ce meme en employant des combustibles fossiles (gaz en particulier).
Les pays en developpement d'une maniere generale ont une economie fortement dependante de leur agriculture, des agro-industries et des industries du bois. Ces industries sont generatrices de volumes tres importants de dechets mal valorises voire le plus souvent detruits en pure perte.
Les fabricants de chaudieres et de turbines ont cherche a promouvoir la cogeneration dans les sites et secteurs les plus adaptes. Dans les pays developpes, la source d'energie primaire sera le plus souvent le gaz. Dans les pays en developpement, les dechets agro-industriels, forestiers ou de l'industrie du bois constituent la principale source d'energie. Les dechets de sucrerie et d'huilerie de palme sont integralement utilises dans les complexes industriels pour la satisfaction des besoins thermiques et electriques. Cette utilisation concerne egalement une partie des dechets de bois destines a la generation d'electricite et de vapeur dans l'industrie du contre-plaque. On peut resumer les besoins energetiques pour une agro-industrie de la facon suivante:
-des besoins en vapeur basse pression pour le processus de transformation
-des besoins electriques pour le fonctionnement des machines
A l'oppose des avantages presentes plus haut, il convient de signaler que le principe de la cogeneration ne peut pas s'appliquer a toutes les industries. Plusieurs facteurs sont a evaluer avec precision avant de s'engager dans un investissement de ce type. Les principaux aspects qui doivent faire l'objet d'une attention particuliere afin d'analyser la faisabilite de la cogeneration sont les suivants:
-nature et importance des besoins thermiques vis a vis de la disponibilite en chaleur du procede du cogenerateur,
-nature du ratio besoin thermique/besoin electrique
-disponibilite en sous produits et dechets utilisables a des fins energetiques
-disponibilite en place pour la construction d'une installation de cogeneration
Les modes de la cogeneration
Les turbines a vapeur
Ce cycle regroupe trois appareils importants:
- Le Generateur de vapeur, il transforme l'eau alimentaire en vapeur d'eau. Dans la chambre de combustion, l'energie calorifique du combustible est transmise a l'eau pour fournir de la vapeur surchauffe.
- La vapeur produite par le generateur est envoyee a l'admission de la turbine. La vapeur est detendue dans la turbine produisant de l'energie mecanique utilisee pour entrainer le rotor, qui produit des l'energie electrique.
- La vapeur sortant de la turbine, penetre dans un echangeur de chaleur, ou elle se condense au contact de tubes refroidis par le fluide secondaire a rechauffer.
La combustion sous chaudiere d'une energie primaire (bois, charbon, fuel, gaz, dechets) fournit de la vapeur surchauffee moyenne ou haute pression. Celle-ci est detendue dans une turbine qui entraine un arbre de transmission ou un alternateur. La vapeur detendue est valorisee thermiquement.
Applications : Secteur industriel et reseaux de chaleur (notamment lors de l'incineration des dechets).
Les turbines a combustion ou turbines a gaz
Principe : Une grande quantite d'air est aspiree et comprimee dans une chambre de combustion ou a lieu une injection en continu du combustible. Les produits de combustion, lors de leur detente, entrainent le compresseur et l'arbre de sortie. La turbine fonctionne au gaz ou au fioul domestique. L'energie mecanique est soit utilisee directement en entrainement de machines tournantes, soit convertie en energie electrique par un alternateur. La temperature des gaz d'echappement avoisine les 500°C autorisant un large choix de valorisation.
Applications : Les domaines d'application privilegies sont les installations de fortes puissances ayant besoin de chaleur a niveau thermique eleve (industries, reseaux de chaleur).
Les moteurs thermiques ou a combustion interne
Principe : Un moteur a piston et a combustion interne fournit de l'energie mecanique. Ce moteur fonctionne generalement au fioul domestique ou au gaz. L'energie mecanique disponible sur l'arbre de sortie est soit utilisee directement en entrainement de machine tournante, soit convertie en energie electrique par un alternateur couple au reseau. Le maintien en temperature du bloc moteur et du bain de l'huile necessite un ou plusieurs circuits de refroidissements sur lesquels s'effectue une premiere recuperation a environ 90°C. Un complement d'energie thermique est obtenu sur les gaz d'echappement.
Applications: Ce procede est bien adapte au secteur tertiaire et convient aux besoins de petites puissances, et aux besoins en eau chaude plus qu'en vapeur.
La rentabilite de la cogeneration
L'evaluation de la rentabilite de l'installation de cogeneration se fera en evaluant:
Les couts d'investissement, y compris les couts eventuels des installations necessaires au raccordement dans le cas d'une revente de l'electricite au reseau.
Les couts d'exploitation et maintenance (les installateurs proposent des contrats de maintenance)
Le cout de l'energie primaire utilisee sur la periode consideree
Le devenir de l'electricite produite (auto consommee ou revendue). La reglementation fixe aujourd'hui une fourchette de rachat par EDF de l'electricite produite dans les installations de cogeneration entre 215 kW et 12 MW, mais les tarifs de rachat doivent encore etre precisees.
La difficulte de l‘evaluation de l'investissement dans une installation de cogeneration provient de la necessite d'evaluer les parametres economiques sur une periode de temps suffisamment longue pour amortir les investissements necessaires.
La faisabilite economique d’une installation de cogeneration, se determine par
-l’evaluation de la situation de reference;
-l’evaluation de l’investissement;
-le calcul du temps de retour sur investissement;
-l’influence d’une cogeneration de qualite sur la rentabilite.
Les investissements comprennent: l’etude, l’installation et la mise en service ; le cogenerateur et ses equipements annexes, les amenagements, les raccordements hydraulique, electrique et gaz si necessaire.
Repartition des couts d’investissement
Les graphiques suivants donnent une premiere approximation des couts d’investissements et d’entretien en fonction des puissances des installations.
Le premier graphique donne la puissance thermique de la cogeneration en fonction de sa puissance electrique. Par exemple, pour un moteur gaz, une puissance thermique de 722 kW correspond a une puissance electrique de 470 kW.
En fonction de cette puissance electrique, le deuxieme graphique donne le cout d’investissement par kW electrique installe (675 euros/kWel).
Le troisieme graphique donne le rendement electrique du cogenerateur (35,15%)
