6.1.6     Production combinée de chaleur et d’énergie

6.1.6.1  Qu’est-ce que la production combinée de chaleur et d’énergie ?

La production combinée de chaleur et d’énergie est le terme utilisé pour définir un processus selon lequel la chaleur et l’électricité sont produites simultanément. L’origine de ce terme remonte au temps où les machines à vapeur dans les usines fournissaient l’énergie nécessaire au fonctionnement des machines et où le chauffage était fourni par la vapeur d’échappement. Aujourd’hui, une traduction plus juste de ce terme serait énergie et chaleur combinées. Le concept de production combinée de chaleur et d’énergie a néanmoins été conservé et n’est pas seulement utilisé dans la technique du bâtiment. Pour cette raison, nous donnons ici un bref aperçu des applications en utilisation :

–  Turbine à vapeur + générateur : Principalement utilisé pour la production d’électricité dans les centrales nucléaires et les centrales thermiques traditionnelles. La chaleur est produite afin d’augmenter le taux de rendement total, au cas où un réseau de chauffage urbain serait créé.

–  Turbine à gaz ou grand diesel + générateur : Pour de grandes installations ayant des demandes de chauffage et d’électricité.

–   Centrales électro-thermiques de type bloc : Pour le chauffage et la production simultanée d’énergie électrique. La production d’énergie électrique est axée sur le besoin de chaleur. Elle entraîne une amélioration du taux de rendement total, surtout en combinaison avec une pompe à chaleur électrique.

–  Petit moteur Otto + générateur : Surtout utilisé pour exploiter de façon significative de petites quantités de gaz qui de toute façon se produisent (biogaz, déchets de gaz).

La centrale électro-thermique de type bloc (expliquée ci-dessous) est celle qui est principalement utilisée dans la technique du bâtiment.

6.1.6.2  Centrale électro-thermique de type bloc (CETB)

Des centrales électro-thermiques de type bloc sont de petits systèmes de production combinée de chaleur et d'énergie électrique qu’on utilise dans les bureaux, hôpitaux, opérations industrielles ou pour l’apport en chauffage local dans des ensembles de logements. En règle générale, plusieurs appareils, chacun ayant une capacité de pointe d’environ 25% sont installés en parallèle. Cela permet une adaptation flexible de l’énergie selon le besoin. Pour que les appareils de la centrale électro-thermique de type bloc puissent être utilisés à plein, dans la plupart des cas des chaudières à charge de pointe supplémentaires sont nécessaires. Des accumulateurs de chaleur permettent de cibler les heures d’exploitation économiques.

Un appareil de CETB comprend :

–  un moteur à combustion (moteur à gaz ou diesel),

–  une partie de la récupération de la chaleur pour utiliser la chaleur d’échappement du moteur (eau refroidie, gaz d’échappement et peut-être huile de vidange) à des niveaux de température différents,

–  un générateur pour la production d’énergie électrique.

Le gaz naturel, le mazout, les gaz usés, le bio gaz, les déchets de gaz ou le gaz de pyrolyse peuvent être utilisés comme énergie motrice.

Fig 6-11

Schéma fonctionnel d’un système avec centrale électro- thermique de type bloc
(sans consommateur de chaleur)

1              Centrale électro-thermique de type bloc (CETB)

2              Moteur diesel ou au gaz

3a            Échangeur thermique d’eau refroidie

3b            Échangeur thermique de gaz d’échappement

4              Générateur

5              Accumulateur de chaleur

6              Chaudière à charge de pointe

Si le mazout ou le gaz est brûlé dans une grande centrale thermique afin de produire de l’électricité, on sait alors que le rendement de la production d’énergie ne s’élève que de 30 à 35%, selon le type de centrale. Le reste est de la chaleur résiduelle qui ne peut être utilisée que si un nombre suffisant de consommateurs de chaleur se trouve pas trop loin de la centrale. Malheureusement, les grandes centrales sont généralement situées loin des habitations. Cela rend la création d’un réseau de chauffage urbain non rentable. Le résultat est que la chaleur résiduelle est transmise inutilisée aux systèmes de refroidissement et ensuite à l’environnement (air extérieur ou eau de surface).

Cependant, si une petite centrale thermique est construite sous la forme d’une centrale électro-thermique de type bloc directement auprès des consommateurs de chaleur, alors, des 100% de la valeur calorifique du mazout ou du gaz, 30 à 35% peuvent être utilisés comme énergie électrique de haute qualité, et 50 à 55% comme énergie de chauffage. Si l’électricité produite est utilisée pour faire fonctionner une pompe à chaleur électrique (qui fournit approximativement trois fois l’énergie motrice comme chaleur utilisable), alors plus de 150% de chaleur utilisable est produite avec les 100% d’énergie primaire (mazout ou gaz).

Notons que le bruit et les émissions polluantes doivent respecter les réglementations locales afin de pouvoir implanter une centrale électro-thermique de type bloc dans la chaufferie d’un bâtiment ou au milieu d’une zone résidentielle.

Fig. 6-12

Diagrammes des flux de chaleur pour une chaudière au mazout/gaz et une centrale électro-thermique de type bloc, combinées avec une pompe à chaleur électrique : la CETB avec pompe à chaleur produit environ 150% d’énergie utilisable à partir de 100% d’énergie primaire.

La combinaison d’une CETB et d’une machine frigorifique/pompe à chaleur à absorption représente ainsi une possibilité intéressante pour des bureaux. Ici l’électricité est produite toute l’année et la chaleur résiduelle est utilisée en hiver pour le chauffage ambiant et en été pour le refroidissement ambiant. Dans ce cas, il est nécessaire d’installer des moteurs à combustion qui peuvent fonctionner à des températures > 100°C.

La CETB est utilisée pour couvrir des demandes internes de chaleur et d’électricité. Il est important que les deux types d’énergie soient nécessaires en même temps et quand elles sont disponibles. Une CETB peut aussi remplacer entièrement ou partiellement une alimentation de secours séparée.

Les installations tandems (à trois machines) représentent une forme particulière de CETB. C’est la combinaison d’un moteur à combustion, d’un moteur-générateur électrique et d’un compresseur à pompe à chaleur.

Quatre modes de fonctionnement différents sont possibles avec cette combinaison. Leur emploi permet un temps d’utilisation plus long de l’installation à l’année (chiffres indiqués à titre d’exemple) :

Le moteur à combustion commande le générateur pour couvrir les charges de pointe. On chauffe avec la chaleur résiduelle du moteur à combustion. La pompe à chaleur est désactivée.

Fig. 6-13

Le rotor du générateur connecte mécaniquement l’arbre de commande du moteur à combustion avec la pompe à chaleur (perte de transmission d’environ 2%).

Fig. 6-14

Le moteur à combustion commande le générateur et la pompe à chaleur en même temps. La chaleur résiduelle du moteur à combustion et du condensateur de la pompe à chaleur fournit de la chaleur utilisable.