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Qu’est-ce que la cogénération ?

La cogénération est une technologie qui permet, dans une même installation, de produire simultanément deux types d’énergie : mécanique et thermique, à partir d’un seul combustible (charbon, fioul, gaz naturel, bois, biomasse…). Alors que la cogénération a déjà fait la preuve de son efficacité dans l’industrie, dans l’horticulture, dans le chauffage de grands immeubles, elle se développe peu à peu chez les particuliers. On parle alors de micro-cogénération. Fonctionnement, utilisations, avantages et inconvénients, découvrez tout ce qu’il y a à savoir sur cette technologie 2 en 1.

Cogénération

La cogénération

La cogénération est une technologie innovante qui permet de produire deux énergies à partir d’un seul combustible. Mais comment cela fonctionne-t-il ?

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Qu’est-ce que la cogénération ?

Pour qu’une centrale puisse générer de l’électricité, elle doit produire de la chaleur issue de la combustion de différentes ressources (charbon, fioul, gaz naturel, bois, biomasse…) qui fournit ensuite une turbine afin de fabriquer de l’électricité. Lors de la production d’électricité, de la chaleur est générée. Non réemployée, elle est donc considérée comme perdue.

Une centrale à cogénération est capable à partir d’une seule source d’énergie fossile (pétrole, gaz…) ou renouvelable (bois, biogaz…) de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur. Comme dans une centrale thermique dite « classique », la cogénération s’opère grâce à la combustion de ressources énergétiques qui permet de produire de l’électricité. Mais au contraire d’une centrale à flamme, la chaleur dégagée lors de la combustion et de la production d’électricité va alors servir à chauffer de grands bâtiments, comme une usine, un hôpital, etc. Encore assez marginale, la cogénération fournit actuellement au niveau européen 11 % de l’électricité et 15 % de la chaleur. Ce processus favorise pourtant la valorisation, en tant qu’énergie, de la chaleur récupérée. Si cette technique devait se généraliser en France, on considère que l’on pourrait économiser jusqu’à 20 % de l’énergie totale consommée dans le pays et dès lors réduire drastiquement les émissions de gaz à effets de serre.

Principe de fonctionnement de la cogénération

Comprendre le fonctionnement d’une installation de cogénération est assez simple et suit les étapes suivantes :

  • une source d’énergie unique, fossile ou renouvelable, fait tourner un moteur ou une turbine ;
  • le moteur ou la turbine déclenche alors la mise en route d’un alternateur qui va créer de l’électricité ;
  • celle-ci va ensuite être collectée puis stockée ;
  • mis en mouvement, l’alternateur chauffe et pour éviter sa surchauffe, un liquide de refroidissement est utilisé provoquant la vaporisation de la chaleur ;
  • la vapeur d’eau est alors récupérée par un échangeur thermique qui va l’employer pour produire de l’eau chaude ;
  • l’eau chaude produite va alimenter des systèmes industriels, le système de chauffage des entreprises et bâtiments publics ou des installations sanitaires.

Les différents types d’installations de cogénération

On distingue différentes sortes de systèmes de cogénération.

La cogénération par turbine à combustion

On utilise ici le principe thermodynamique d’une turbine à gaz. Un compresseur aspire et comprime de l’air. Cet air dans lequel on injecte un combustible gazeux (gaz naturel, butane, propane, biogaz, etc.) est transféré à l’intérieur d’une chambre de combustion. La turbine a ensuite pour rôle de détendre les gaz de combustion chauds et à haute pression. L’ensemble est alors changé en énergie électrique grâce à un alternateur. La chaleur produite par la combustion des gaz est par la suite collectée par une chaudière, qui l’enverra à un fluide caloporteur, généralement de l’eau.

Ce type d’installation se retrouve surtout dans l’industrie, ou dans une centrale à cycle combiné. Son rendement électrique varie entre 25 et 40 %. Son rendement global est proche de 100 %.

La cogénération par cycle combiné

Les installations de cogénération en cycle combiné associent l’utilisation d’une turbine à combustion et d’une turbine à vapeur. La turbine à combustion est mise en route par des gaz provenant d’une combustion à haute température. Les fumées générées lors de la combustion présentent une température encore élevée (400 à 500 °C). Grâce à des échangeurs de chaleur, elles vont permettre la production de vapeur dans une chaudière. La turbine à vapeur sera alors actionnée par la vapeur produite. La chaleur générée par le cycle vapeur pourra servir à alimenter un système de chauffage et/ou de production d’eau chaude. Ce type de dispositif présente un rendement de 55 %, voire 60 %.

La cogénération par turbine à vapeur

La chaleur créée lors de la combustion de sources d’énergie primaire (pétrole, gaz, charbon, bois…) génère de la vapeur à haute pression. Celle-ci est ensuite stockée dans une chaudière avant d’être envoyée vers une turbine, qu’elle fera tourner en se détendant. Condensée à sa sortie, la vapeur repart alors vers la chaudière, puis le cycle recommence.

Ce type d’installation est très courant dans de nombreux secteurs : industriel, agricole, mais aussi les réseaux de chaleur ou des applications plus domestiques (chauffage individuel, production d’eau chaude sanitaire…). Cette technique est également privilégiée lorsque la biomasse (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques) est utilisée comme combustible.

La cogénération par turbine à vapeur présente un rendement électrique de 25 à 30 % et un rendement global pouvant dépasser 90 %.

La pile à combustible

Avec cette technologie, le gaz naturel est, dans un premier temps, employé pour générer de l’hydrogène. Le mélange de l’hydrogène avec de l’oxygène produit une réaction électrochimique qui génère à son tour de l’électricité et de la chaleur. Ce processus est donc très écologique, car, en comparaison avec un système traditionnel, la quantité de CO2 émis peut être jusqu’à 50 % plus faible. Ce type d’installation de cogénération bénéficie également en théorie d’un meilleur rendement que par moteur ou turbine. Pour autant, le recours à la pile à combustible est encore assez marginal du fait du prix de fabrication trop élevé des piles. Pour indication, le premier modèle de chaudière gaz HPE (haute performance énergétique) à micro-cogénération fonctionnant avec une pile à combustible commercialisé en France à partir de juin 2017, la Viessmann Vitovalor 300-P s’est vendu 13 000 €.

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La cogénération nucléaire

La fission de l’uranium génère, elle aussi, de la chaleur qui peut ensuite être réutilisée. La cogénération nucléaire a l’avantage de n’émettre aucun rejet de CO2 dans l’atmosphère. Elle est donc réputée comme étant la plus propre. On dénombre dans le monde 74 réacteurs nucléaires fonctionnant sur ce principe. Ils sont pour la plupart installés en Europe de l’Est de centrales nucléaires : Ukraine, Roumanie, Bulgarie, Slovaquie Hongrie, République tchèque, Russie. Il en existe une également à Beznau en Suisse.

Quelle utilisation ?

La chaleur et l’électricité produites dans les différents systèmes de cogénération peuvent s’appliquer à différents secteurs :

  • les sites industriels de la chimie, du papier, de l’automobile, de la métallurgie, de l’agroalimentaire ;
  • les serres agricoles ;
  • les laiteries, les blanchisseries ;
  • des bâtiments administratifs et commerciaux ;
  • les scieries et menuiseries ;
  • des bâtiments scolaires ;
  • des lots d’immeubles…

L’électricité générée est alors le plus fréquemment consommée sur place pour répondre aux besoins de fonctionnement du site. En cas de surplus de production, l’électricité peut être revendue à un fournisseur d’énergie. Elle servira ensuite à approvisionner des collectivités locales ou des entreprises, des ménages.

En ce qui concerne la chaleur, elle peut servir à alimenter un circuit de chauffage dans des industries, des entreprises, des hôpitaux, des bâtiments publics, des locaux d’habitation individuels ou collectifs. Elle peut aussi servir à la production d’eau chaude sanitaire. Pour éviter les déperditions de chaleur lors du transport, les systèmes de cogénération doivent être absolument installés au plus près des sites qu’elles fournissent.

Les avantages de la cogénération

Le recours à la cogénération présente des avantages parmi lesquels :

La cogénération permet d’économiser des ressources énergétiques fossiles

Les centrales thermiques à flamme utilisent de grandes quantités de combustibles fossiles (gaz naturel, pétrole, charbon…) pour produire de l’électricité. Les disponibilités en énergie fossiles se réduisant de plus en plus, le recours à des systèmes permettant d’en limiter l’utilisation devient essentiel. La cogénération de réaliser jusqu’à 20 % d’économie de combustible.

Un avantage par rapport aux énergies renouvelables

Alors que les énergies renouvelables dépendent du climat (vent, ensoleillement…), la cogénération garantit, tout en étant parfois plus écologique, un approvisionnement stable de l’électricité dans la mesure où les combustibles dont elle se sert sont majoritairement toujours disponibles. Le recours à la cogénération limite et les émissions de CO2 et d’autres substances de combustion nocives comme que les oxydes d’azode ou NOx composés de monoxyde d’azote (NO) et de dioxyde d’azote (NO2), la suie, le monoxyde de carbone (CO)…

La cogénération offre un excellent rendement

La réutilisation l’énergie perdue, à savoir la chaleur de combustion, pour limiter les déperditions énergétiques, permet à la cogénération de présenter un rendement global oscillant entre 80 et 90 %, là où une centrale nucléaire offre un rendement de seulement 30 %.

Un bénéfice écologique

Dans le cas des cogénérations ayant recours au biogaz, à des agrocarburants et surtout à la biomasse, c’est notre dépendance vis-à-vis des ressources non renouvelables qui est soulagée. Les émissions de gaz à effet de serre sont également, de cette manière, diminuées. En effet, 5 000 MW d’électricité produits en cogénération permettent d’économiser 10 M de tonnes de CO2 par an.

Les contraintes de la cogénération

Même si la cogénération présente de nombreux avantages, elle a tout de même ses limites :

La gestion de la chaleur

Il s’agit là de la première difficulté de cette technologie. La chaleur est, en effet, une source d’énergie difficile à transporter sur de longues distances, les pertes calorifiques étant alors inévitables. Il est donc primordial que les installations de cogénération soient installées au plus près du réseau de chauffage et d’eau chaude qu’elles alimentent.

La variation du prix des énergies fossiles

Enfin, dans le cas des systèmes utilisant des combustibles comme le pétrole ou le gaz, leur rentabilité est dépendante du prix de ces énergies fossiles.

La gestion de la production d’électricité et de chaleur

La cogénération a comme autre inconvénient qu’avec ce mécanisme, il n’est pas aisé de contrôler la quantité d’électricité et de chaleur produite. Il est de fait impossible de moduler leur production en fonction de leur consommation finale.

Micro-cogénération

Plus largement employée à un niveau industriel, la cogénération peut être utilisée à plus petite échelle. On parle alors de chaudière « micro-cogénération ». Celle-ci, d’une puissance inférieure à 36 kVA, s’adresse aux particuliers qui peuvent y recourir pour remplacer leur chaudière. Son utilisation dans les logements individuels est encore marginale. On la retrouve la plupart du temps dans des immeubles résidentiels, des hôpitaux ou pour chauffer des installations telles qu’une piscine. Elle permet de réaliser des économies de l’ordre de 45 % concernant l’électricité et de 25 % pour le gaz.

Principe de fonctionnement

De la même façon qu’une chaudière de chauffage central classique, une installation de micro-cogénération fonctionne dès qu’il y a une demande de chaleur. La principale différence réside tout de même dans le fait que la micro-cogénération n’utilise qu’un seul combustible pour produire à la fois de la chaleur, de l’électricité et de l’eau chaude sanitaire.

Pour faire marcher le système de micro-cogénération, un combustible doit alimenter le brûleur principal pour que celui-ci déclenche la mise en route d’un moteur dont le rôle est de générer de l’électricité. La chaleur dégagée par les pistons en action est ensuite récupérée par un échangeur placé à l’intérieur du moteur. Celle-ci sert alors à chauffer l’eau d’un ballon tampon relié au réseau de chauffage et à l’eau chaude sanitaire d’une habitation.

Durant les périodes où les besoins en chauffage sont trop importants, le combustible est dirigé vers un second circuit avec un brûleur d’appoint. Le système ne produit alors que de la chaleur.

Les différentes technologies de micro-cogénération

On distingue trois types de micro-cogénération :

  • la micro-cogénération à moteur Stirling : Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe inventé par Robert Stirling au début du 19e siècle. Son utilisation sera adaptée aux chaudières à micro-cogénération au début des années 2000. Pour son fonctionnement, un brûleur est associé avec un moteur Stirling qui transforme l’énergie thermique en énergie mécanique. Le gaz utilisé comme combustible est soumis à un cycle de quatre phases : il chauffe, se détend, refroidit, et se comprime. Les cycles de compression et de détente actionnent un piston moteur qui est relié à un alternateur qui produit alors de l’électricité. La source froide, en l’occurrence de l’eau, utilisée pour le refroidissement récupère l’énergie calorifique puis alimente le système de chauffage ;
  • le moteur à combustion interne : Fonctionnant selon le même principe que les moteurs à pistons des voitures à essence, le moteur à combustion interne utilise la détente des gaz d’une combustion générée dans une chambre intégrée au moteur pour produire de l’énergie mécanique. Installé dans un système de micro-cogénération, le moteur met en mouvement un générateur électrique. La chaleur issue des gaz d’échappement, de l’eau de refroidissement et de l’huile est quant à elle collectée pour alimenter le système de chauffage et de production d’eau chaude ;
  • les piles à combustible : Les piles à combustible qui produisent électricité et chaleur par l’intermédiaire d’une réaction électrochimique générée par le mélange de l’hydrogène avec de l’oxygène sont ici également utilisées.

Les chaudières qui utilisent la micro-cogénération

On trouve actuellement sur le marché actuel deux types de chaudières fonctionnant grâce à la micro-cogénération. Chacun de ces modèles présente un rendement global supérieur à 90 %.

La chaudière à bois

La chaudière bois à micro-cogénération est le système le plus écologique et économique, puisqu’elle utilise une source d’énergie renouvelable très bon marché : les granulés bois. On retrouve sur le marché une offre de modèles avec une fourchette de prix très large.

La chaudière à gaz

Avec un rendement supérieur à 90 %, la chaudière murale au gaz à micro-cogénération est bien plus efficace qu’une chaudière à condensation classique.

Quand faire le choix de la micro-cogénération ?

La possibilité d’installation d’une chaudière à micro-cogénération doit être réfléchie en amont, notamment pour savoir si l’investissement sera rentable. Ainsi, plus vous aurez à chauffer votre logement, plus la chaudière fonctionnera et produira de l’électricité et plus elle sera rentable.

Dès lors, si vous êtes propriétaire d’une habitation bien isolée ou passive, vous n’aurez rien à gagner en installant un système de micro-cogénération. On considère ainsi que pour être rentable, ce type d’installation peut être mis en œuvre dans un foyer qui consomme au moins 15 000 kWh par an pour son chauffage.

Avantages de la micro-cogénération

La chaudière à micro-cogénération présente de nombreux avantages :

  • en premier lieu, l’électricité fournie par un système de micro-cogénération peut servir à couvrir une grande part de la consommation électrique d’un foyer. Le surplus de production peut même être revendu ;
  • l’entretien sur ce type d’installation est limité. Le coût de fonctionnement d’une technologie aussi performante n’est donc pas plus élevé qu’une autre ;
  • en raison de leur très haut rendement, ces équipements sont énergétiquement très performants. On estime à 30 % les économies d’énergie possibles ;
  • les chaudières à micro-cogénération ont également un impact positif sur l’environnement puisqu’elles contribuent notamment à la réduction des émissions de gaz à effet de serre ;
  • la micro-cogénération donne accès, pour les particuliers, à des aides diverses de la part de l’État : crédit d’impôt, prêt à taux zéro, TVA à 5,5 %…

Inconvénient de la micro-cogénération

Le seul inconvénient de ce type de chaudière est certainement son prix, encore très élevé. Si une chaudière gaz à condensation coûte entre 3 000 € et 6 000 €, il faut prévoir de débourser entre 10 000 € et 20 000 € pour une chaudière à micro-cogénération. Ce prix peut, malgré les aides possibles, faire peur. Il faut cependant noter que l’on estime à 5 ans la durée de retour sur investissement.

Que faire de l’électricité produite grâce à la micro-cogénération ?

Nous l’avons déjà vu précédemment, la chaudière a le grand avantage de permettre la production d’électricité à partir d’un processus de production de chaleur. Mais qu’advient-il de l’électricité produite ? Deux possibilités s’offrent à vous :

Utiliser l’électricité pour votre propre consommation

Le plus souvent, l’électricité produite est autoconsommée au sein même de l’habitation. Pour que cela puisse être le cas, il est nécessaire que votre installateur de chaudière la relie à votre compteur électrique. De cette manière, le gestionnaire de réseau pourra connaître la part d’énergie réellement consommée auprès du réseau national.

Des frais pour se raccorder au réseau électrique ?

Pour pouvoir utiliser l’électricité que vous produisez, des frais sont à prévoir pour le raccordement au réseau par Enedis, ainsi que pour l’abonnement d’un deuxième compteur électrique.

Revendre l’électricité sur le réseau

Vous avez aussi la possibilité de revendre cette production à un acheteur obligé, en l’occurrence un fournisseur d’électricité. Directement relié au réseau électrique, l’ensemble de votre production peut être revendu. De cette manière, vous pouvez accélérer l’amortissement de votre investissement. Néanmoins, la revente de l’électricité issue d’une chaudière à micro-cogénération n’est pas aussi bien valorisée que celle issue de panneaux photovoltaïques. Ainsi, l’électricité issue de la micro-cogénération est achetée au prix de marché, soit entre 50 et 60 €/MWh.

Vers la fin de la revente de l’électricité de cogénération à partir du gaz

Un arrêté du 21 août 2020 prévoit qu’il ne sera plus possible à compter du 21 février 2021 de revendre l’électricité issue d’installations de cogénération d’électricité et de chaleur valorisée à partir de gaz naturel. Cet arrêté ne concerne pas l’électricité produite avec des chaudières à micro-cogénération biomasse, ni biogaz.Cette décision s’intègre dans une politique plus générale qui souhaite à l’avenir limiter le recours au gaz naturel. Le RE 2020 qui sera mise en application à partir de l’été 2021 prévoit par exemple la fin des chaudières à gaz.

Des factures d’énergie plus vertes et plus économiques en changeant de fournisseur

Vous l’aurez compris, que l’on parle de cogénération ou de micro-cogénération, l’heure est à une énergie plus verte qui permet également de réduire ses factures.

Mais saviez-vous que vous pourriez également faire un geste pour la planète et pour votre portefeuille en changeant par exemple de fournisseur énergétique ?

L’ouverture du marché de l’énergie en 2007 donne, en effet, la possibilité à chacun de choisir librement son fournisseur d’énergie. En faisant jouer la concurrence, chacun peut ainsi désormais bénéficier de contrats plus avantageux offrant des réductions sur le prix du kWh et/ou de l’abonnement.

Les fournisseurs d’électricité sont aussi de plus en plus nombreux à proposer des offres d’électricité « verte ». C’est-à-dire que ces fournisseurs garantissent qu’une quantité d’électricité d’origine renouvelable, plus ou moins importante selon les contrats, est injectée sur le réseau de distribution. Pour cela, ils doivent être inscrits au registre national des Garanties d’origine (GO). Certains fournisseurs vont même plus loin en s’engageant, en plus des Garanties d’origine, à se fournir en électricité verte à partir de leurs propres sites de production ou à acheter directement de l’électricité verte à des producteurs locaux. Concernant les contrats gaz, les consommateurs peuvent aussi faire le choix d’un contrat compensé carbone. Pour compenser les émissions de gaz à effets de serre induites par la consommation en gaz de leurs clients, les fournisseurs, qui commercialisent ce type de contrat, se proposent de financer des projets durables en faveur de la défense de l’environnement et de la lutte contre le réchauffement climatique.

Sachez de plus que changer de fournisseur d’énergie est une démarche simple, rapide et gratuite. Il suffit de comparer les offres et d’opter pour celle qui convient le mieux à votre mode de consommation. À ce propos, n’hésitez d’ailleurs pas à consulter notre comparateur d’énergie.

Une fois votre choix déterminé, votre nouveau fournisseur se charge ensuite de résilier votre ancien contrat sans que vous ayez à vivre de coupure de gaz ou d’électricité. Sans engagement, ces contrats peuvent être résiliés à tout moment. Vous pouvez donc, à tout instant, souscrire à nouveau un contrat auprès de votre ancien fournisseur ou d’un autre fournisseur alternatif.

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