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Le principe d’une cogénération est de produire simultanément de la chaleur et de l’électricité. Grâce à cette production combinée, les pertes d’énergie se réduisent de manière significative. Ainsi, la cogénération permet d’économiser entre 15 et 20 % d’énergie primaire par rapport à la production séparée de ces mêmes quantités de chaleur et d’électricité.

Pour produire 350 kWh_é d’électricité et 530 kW_th de chaleur, deux solutions sont possibles :

• Une unité de cogénération au gaz, avec un rendement électrique de 35 % et un rendement thermique de 53 %, va consommer 1 000 kWh d’énergie primaire .
• La meilleure centrale électrique (Turbine Gaz Vapeur), avec un rendement de 55 %, va consommer 636 kWh d’énergie primaire. De plus, la meilleure chaudière, avec un rendement annuel de 90 %, va consommer 589 kWh d’énergie primaire. Le total pour les filières séparées s’élève à 1 225 kWh d’énergie primaire.

Cette comparaison met en évidence une économie d’énergie primaire pour une même quantité de chaleur et d’électricité produite.
L’économie d’énergie primaire est alors égale à : 1 225 – 1 000 = 225 kWhp
Exprimée par rapport à la consommation totale d’énergie primaire, la fraction économisée est de :

(1 225 – 1 000) / 1 225 = 18 %

Exprimée par rapport à la consommation d’énergie primaire nécessaire pour la production d’électricité par une centrale TGV, la fraction économisée est de :

(1 225 – 1 000) / 636 = 35 %

Les émissions polluantes, dont le CO₂, sont généralement directement proportionnelles à la consommation d’énergie. Qui dit économie d’énergie primaire pour assurer les mêmes besoins (électriques et thermiques), dit réduction des émissions en CO₂.

En Région Wallonne, il est convenu que 1 MWh de gaz naturel émet 251 kg de CO₂, non seulement lors de sa combustion, mais également pour sa préparation. De même, 1 MWh de mazout émet 306 kg de CO₂ (source : CWaPe – coefficient d’émission de CO₂ des énergies primaires – juin 2004).

Ainsi, l’économie d’énergie primaire de 225 kWh, représente :

(1 225 x 0,251) – (1 000 x 0,251) = 307 – 251 = 56 kg de CO₂

exprimée par rapport à l’économie totale de CO₂ :

56 / 307 = 18 %

Si l’on ramène à la production de 1 MWh d’électricité par l’unité de cogénération, l’économie en CO₂ s’élève à 161 kg CO₂/MWh_é.

L’avantage de la cogénération est aussi économique. Une installation de cogénération bien dimensionnée permet à l’utilisateur de réduire sa facture énergétique globale. Le gain sur la facture électrique sera plus important que l’augmentation de la facture d’achat en combustible et d’entretiens.

En effet, par rapport à la situation antérieure (chaudière seule), la cogénération va consommer plus de gaz naturel. Cette surconsommation de 411 kWh (première figure : 1 000 – 589 = 411 « kWh » ) va permettre de produire 350 kWh d’électricité, soit un facteur 1,17.

Autrement dit, la cogénération permet de produire 1 kWh d’électricité avec un peu plus de 1 kWh de gaz naturel. L’intérêt économique est immédiat, car les coûts sont totalement différents. Alors qu’1 kWh de gaz naturel coûte environ 5 c€, l’électricité vaut entre 9 à 17 c€ par kWh.

En complément, afin de récompenser l’effort fait pour réaliser cette économie d’émission en CO₂, la Wallonie a mis en place un dispositif de certificats vert. La promotion de l’électricité produite au moyen de sources d’énergie renouvelable ou de cogénération est régie par un arrêté du Gouvernement wallon du 30 novembre 2006, dernière modification par l’arrêté du Gouvernement du 12 février 2015.

Les certificats verts sont exprimés comme un taux d’octroi au MWh électrique produit, avec un maximum de 2,5 CV/MWh (pour demande postérieure au 1/1/2015).  Le taux d’octroi sera d’autant plus important que la cogénération utilise un combustible renouvelable et donc faible émetteur en CO₂.

Sachant qu’aujourd’hui le certificat vert est garanti à 65 €, il s’agit d’un soutien à prendre en considération dans un projet de cogénération.

Dans un bilan économique, il faudra donc tenir compte de l’investissement initial, des soutiens financiers, sans négliger les frais d’entretien ainsi que l’amortissement.

Il est possible d’estimer rapidement la taille et la rentabilité d’un projet de cogénération.

L’intégration d’une cogénération aura toujours pour objectif premier de répondre au mieux aux besoins énergétiques en chaleur d’un bâtiment tout en produisant simultanément d’électricité.

Le besoin de chaleur devra être soigneusement défini pour le bien considéré.

Dans une situation idéale, l’intégration de la cogénération doit faire l’objet d’une amélioration énergétique globale d’un projet, et doit donc tenir compte des améliorations énergétiques du bâtiment.  Le besoin en chaleur et donc le dimensionnement du projet sont directement liés à la qualité de l’enveloppe du bâtiment.

Une cogénération mal dimensionnée n’atteindra pas les performances prévues, elle n’aura donc ni la rentabilité énergétique ni économique attendue.

Principe

Dans la plupart des cas, la cogénération comme la plupart des installations décentralisées de production d’électricité est connectée au réseau pour y injecter l’excédent.
Afin de pouvoir réaliser cette connexion, il est indispensable de synchroniser le cogénérateur au réseau.

Préalablement au couplage réseau, la production décentralisée doit être mise en route avec une fréquence de rotation aussi proche possible que celle du réseau (f = 50 Hz) et une tension entre deux phases de la machine qui ait une valeur voisine de la tension entre deux phases du réseau.

Les conditions de couplage de l’alternateur sur le réseau doivent être impérativement respectées. Sans le respect des conditions de couplage, la destruction de l’alternateur est presque inéluctable.

Les conditions sont :

• La fréquence de l’alternateur est la même que celle du réseau (ω ~ ω’). Une non-concordance des fréquences peut provoquer des retours de puissance de la part du réseau ou des couplages en opposition de phases.
• La tension de toutes les phases de l’alternateur est identique à celle des phases du réseau (U ~ U’). Des différences de potentiel entre les phases de l’alternateur et celles correspondantes du réseau entraineraient la création de courants de circulation très élevés dans les enroulements de l’alternateur.
• la concordance des phases est la même. En d’autres termes : « le fil rouge sur le bouton rouge … » ou, plus sérieux, les phases L1, L2, L3 (R, S, T) de l’alternateur doivent correspondre aux phases L1, L2, L3 (R, S, T) du réseau. Comme pour l’égalité des phases, la non-concordance des phases engendre des courants de circulation très élevés.

Sur le schéma présenté, les deux triades présentent une succession identique des tensions, les triades ont des fréquences proches, mais légèrement différentes représentées par la vitesse angulaire de glissement ωg. Les tensions entre les bornes 11’ ; 22’ ; 33’ s’annulent (presque) et sont au maximum simultanément (~2U).
Le couplage sera réalisé lorsque la tension 11’ est minimum. L’alternateur se synchronisera automatiquement au réseau en reprenant sa vitesse et tension.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be