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Cogénération

(Source: Geni / Wikimedia.org)

Une installation de cogénération permet de produire simultanément de la chaleur (chauffage et ECS) et de l'électricité à partir d'une même source d'énergie. Cette combinaison de production permet des économies d'énergie primaire et une baisse des émissions de gaz à effet de serre, comparée à des installations séparées. Ce dispositif donne les bases pour comprendre le fonctionnement des cogénérations, leur dimensionnement, ainsi que les points d'attention techniques et financiers.

Comment fonctionne une cogénération ?

Le schéma ci-dessous illustre le fonctionnement d'une installation de cogénération :

  • le moteur (généralement à combustion interne) alimenté par un combustible (gaz, biomasse,…) met en mouvement un générateur produisant de l'électricité, qui est injectée sur le réseau électrique ;
  • des échangeurs de chaleur permettent de récupérer la chaleur des gaz d'échappement, ainsi que celle du circuit d'eau de refroidissement du moteur et parfois de l'huile de lubrification. Cette chaleur est utilisée pour le chauffage et l'ECS.

La cogénération produit la base des besoins thermiques d'un site, le reste est pris en charge par une chaudière d'appoint. La production électrique doit, quant à elle, être majoritairement autoconsommée, les besoins électriques non couverts sont alors fournis par le réseau électrique.

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Composants d'une unité de cogénération (Source : Confédération de la construction )

Dans quelles conditions la cogénération est-elle indiquée ?

La cogénération est dimensionnée sur base des besoins en chaleur du bâtiment et doit idéalement fonctionner sans redémarrages et arrêts fréquents.

De plus, pour qu'elle soit rentable, l'électricité produite sera au maximum autoconsommée, les besoins thermiques et électriques devant donc être concomitants. La cogénération est dès lors à envisager lorsque les besoins sont importants et assez constants.

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(Source : Cogengreen )

Pour quels types d'affectations une installation de cogénération est-elle adaptée ?

Les affectations répondants à un tel profil (besoins importants et constants) sont :

  • résidentielle :

    • logement collectif,
    • logement individuel (pour les micro-cogénérations domestiques),
  • tertiaire (hôpitaux, home, hôtel, piscine),
  • industrielle,
  • mixte (réseau de chaleur).

Quels sont les gains en énergie primaire d'une cogénération ?

La production combinée de chaleur et d'électricité, permet d'économiser de 15 à 20% d'énergie primaire par rapport aux installations séparées classiques, par exemple production de chaleur par chaudière et production électrique à partir d'une centrale TGV.

La figure ci-dessous présente un exemple chiffré en termes d'énergie primaire.

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Comparatif en énergie primaire entre une cogénération gaz et une production séparée (Source : ICEDD )

Dans cet exemple, la cogénération permet une économie d'énergie primaire de 18 % (225 kWh/1225 kWh) par rapport aux installations séparées classiques.

Néanmoins, les cogénérations, comparées à une production séparée, nécessiteront un entretien plus important, des mesures pour gérer le bruit de l'installation et une surface de local technique plus importante.

Quelles sont les différentes technologies de cogénération ?

Le rendement et la puissance de la cogénération dépendent de la technologie utilisée. La très grande majorité des installations sont des moteurs à combustion interne. Néanmoins, on rencontre aussi des moteurs à combustion externe, type moteur Stirling, mais ce sont surtout les piles à combustible qui vont faire leur apparition sur le marché.

La source d'énergie la plus utilisée est le gaz naturel, mais il existe également des cogénérations fonctionnant à l'huile végétale.

Technologies principalement rencontréesCaractéristiquesAvantagesInconvénients

Moteur à combustion interne

  • Rendement électrique : 25 % - 42 %
  • Rendement thermique : 45 % - 60 %
  • Large gamme de puissance électrique : 5 kW - 10 MW
  • Coût d'achat abordable
  • Peut fonctionner à charge variable
  • Durée de vie limitée (50 000 h de fonctionnement)
Moteur à combustion externe (moteur Stirling)
  • Rendement électrique : 10 % - 20 %
  • Rendement thermique : 80 % - 90 %
  • Puissance électrique : 1 - 100 kW et plus
  • Très petites puissances disponibles
  • Combustible varié (notamment biomasse)
  • Fiabilité
  • Manque de recul sur la technologie

On peut également citer d'autres technologies telles que les turbines gaz, les turbines à vapeur, les ORC (Organic Rankine Cycle). Néanmoins celles-ci sont moins appliquées en Région de Bruxelles-Capitale (affectations industrielles, réseau de chaleur).

Qu'appelle-t-on micro-cogénération ?

Au niveau européen, on emploie le terme de micro-cogénération pour des cogénérations de puissances inférieures à 50 kWé. On parlera de micro-cogénération domestique pour des puissances encore plus petites (inférieures à 5 kWé). Ces dernières, s'appliquent donc à des bâtiments ayant de faibles besoins en chauffage (inférieurs à 15 MWh/an) et en électricité (inférieurs à 5 MWh/an), tels que les habitations individuelles.

Le coût d'une micro-cogénération à combustion interne de 5kWé, hors installation, est de l'ordre de 20.000 à 25.000 €. La rentabilité réside principalement dans une autoconsommation complète de l'électricité produite.

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Vue de l'intérieur d'une micro-cogénération (Source : Viessmann )

Comment évaluer la pertinence d'une installation de cogénération ?

L'intérêt d'avoir recours à une cogénération est d'abord évalué grâce à une étude de pertinence. Si celle-ci est concluante, une étude de faisabilité permet ensuite de confirmer cet intérêt.

Étude de pertinence

Cette étude est simple et rapide. Elle peut être effectuée par le maitre d'ouvrage et n'exige pas le recours à un expert payant. Elle donne des éléments de réponse, avec une fiabilité satisfaisante, ce qui permet de poursuivre ou non avec la réalisation d'une étude de faisabilité.

Pour mener l'étude il est nécessaire de connaître les paramètres suivants :

  • affectation du bâtiment,
  • consommation annuelle en combustible,
  • consommation annuelle en électricité,
  • rendement de la chaufferie existante,
  • prix des énergies.

L'étude de pertinence permet de réaliser un pré-dimensionnement de l'unité de cogénération et du ballon de stockage et d'évaluer :

  • les coûts d'installation et de fonctionnement de l'unité de cogénération,
  • le gain sur la facture énergétique ainsi que le calcul des certificats verts,
  • le gain environnemental,
  • la rentabilité économique.

Cette étude de pertinence ne consistant qu'en une pré-évaluation, les résultats sont à confirmer par une étude de faisabilité.

Accéder à l'outil COGENcalc permettant de réaliser l'étude de pertinence.

Informations sur la manière d' estimer la pertinence d'une installation de cogénération.

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Exemple de profil thermique journalier pour du logement collectif, sur lequel se base les outils permettant d'établir la pertinence d'une cogénération (Source : COGENcalc )

Étude de faisabilité

L' étude de faisabilité doit permettre de confirmer l'intérêt relevé par l'étude de pertinence, en fournissant au maitre d'ouvrage des résultats plus fiables. Elle est réalisée par un bureau d'études ayant une expérience significative en cogénération.

L'étude de faisabilité s'intéresse aux éléments suivants :

  • Intégration technique : doit permettre de déterminer si la cogénération peut être intégrée dans le bâtiment (taille du local technique, raccordements électriques,…)
  • Impact technico-économique : consiste à étudier plusieurs tailles et types de cogénération et à dresser un bilan énergétique, environnemental et économique. Sur base de cette analyse, le maitre d'ouvrage peut prendre une décision.

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Type de graphe (optimum économique) produit lors de l'étude de faisabilité (Source : COGENsim )

A ce stade les données suivantes sont nécessaires :

  • besoins précis en chaleur et d'électricité,

    Les besoins peuvent être estimés à partir des données de consommations. Pour cela, les pointes quart-horaires pourront être demandées aux fournisseurs d'énergie. Une campagne de mesure sur un pas horaire permettra aussi d'extrapoler le fonctionnement sur une période annuelle.
  • prix du combustible,
  • montant de l'investissement,
  • part d'électricité autoconsommée,
  • montant des aides financières,
  • nombre de certificats verts obtenus.

Accéder à l'outil COGENextrapolation permettant d'extrapoler les données de consommations sur une année complète.

Accéder à l'outil COGENsim permettant d'évaluer l'impact des solutions technologiques au stade de l'étude de faisabilité.

Quels sont les critères techniques pour l'installation d'une cogénération ?

Profil de fonctionnement

De manière générale, la cogénération est dimensionnée en fonction de la charge thermique qui pilote l'unité de cogénération. Plus cette base thermique (chauffage et ECS) est élevée et constante, plus la cogénération est intéressante (réduction des cycles marche/arrêt, meilleur rendement, réduction des opérations de maintenance,...). La rentabilité dépendra également des besoins électriques et du caractère concomitants des profils électriques et thermiques.

Monotone des consommations

Idéalement le fonctionnement d'une cogénération doit être d'au moins 4 000 h/an à pleine charge. Sur base de la courbe de charge thermique, également appelée monotone de consommation de chaleur, on peut déterminer le nombre d'heures pendant lesquelles une cogénération peut fournir de la chaleur (et de l'électricité) à pleine puissance sur l'année.

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Exemple d'une monotone des consommations permettant d'établir la puissance de la cogénération en fonction du nombre d'heures de fonctionnement (Source : Bruxelles Environnement )

La monotone de consommation de chaleur représente la demande de chaleur heure par heure classée par ordre décroissant. Cette représentation fournit le nombre d'heures pendant lesquelles la cogénération fonctionnera à pleine puissance lorsque celle-ci est dimensionnée à un certain pourcentage de la demande de chaleur maximale observée.

La figure ci-dessus est un exemple de monotone de consommation de chaleur. Elle montre par exemple qu'une cogénération d'une puissance d'environ 20 % de la puissance maximale fonctionnera ± 4000 heures à pleine puissance. La surface sous la durée de charge (en grisé), représentant la consommation d'énergie, on peut donc estimer en rapportant cette surface à la surface totale sous la courbe que la cogénération prendra en charge environ 40 % de la consommation d'énergie annuelle. Les autres 60 % seront fournis par un système secondaire.

Ce système secondaire couvrira aussi les besoins thermiques pour des puissances supérieures ou égales à 20 % de la puissance maximale.

Adaptation du local technique

L'implantation et le dimensionnement du local technique prendront en compte les éléments suivants :

  • Accessibilité : montage du module de cogénération, des ballons de stockage thermique,…
  • Type de combustible : le choix du combustible aura une influence sur le stockage ou non de celui-ci et sur le raccordement ou non à sa source.

    Dans le cas du gaz, le compteur et la perte de charge dans la conduite gaz doivent être dimensionnés selon la norme NBN 51-003 (Installations intérieures alimentées en gaz naturel et placement des appareils d'utilisation - Dispositions générales) pour l'alimentation des chaudières et du module de cogénération (pression minimale de 20 mbar pour la cogénération).
  • Raccordement électrique : le local technique devra être proche du TGBT (tableau général basse tension) afin d'éviter des surcoûts dus au raccordement électrique.
  • Evacuation des produits de la combustion : installation d'une cheminée étanche.

Ce local devra être en outre suffisamment grand pour permettre l'installation de l'ensemble des équipements (et d'un volume de stockage du combustible, le cas échéant), ainsi que permettre les opérations de maintenance.

Raccordement électrique

L'armoire électrique comprend le circuit de puissance sur lequel se raccorde le câble qui amène l'électricité produite par la cogénération. Son installation doit respecter le RGIE (Règlement Général des Installations Electriques) et intégrer des protections de découplage.

Le raccordement électrique doit être conçu afin de protéger :

  • les personnes ;
  • les installations électriques du maitre d'ouvrage ;
  • le cogénérateur du réseau.

Plus d'informations, sur le raccordement électrique (sur energie.arch.ucl.be)

Nuisances sonores

Une unité de cogénération est relativement bruyante et les dispositions suivantes sont à prendre :

  • implanter l'unité dans une zone peu sensible au bruit ;
  • isoler acoustiquement le local technique ;
  • installer un caisson insonorisé par-dessus la cogénération, dans le cas où celui-ci n'est pas fourni en base ;
  • placer un silencieux au niveau des gaz d'échappement ;
  • placer des plots antivibratoires entre le cogénérateur et le socle pour limiter la transmission des bruits et vibrations à la structure du bâtiment.

*** Calltoaction à ajouter avec lien vers dispositif correspondant: Plus d'informations, sur les mesures acoustiques appliquées aux techniques ***

Quels sont les critères économiques pour l'installation d'une cogénération?

Autoconsommation et revente d'électricité

L'installation de cogénération est économiquement rentable lorsque l'électricité est au maximum autoconsommée sur le site.

Pour les installations de micro-cogénération domestique, le raccordement se fait via un compteur à double comptage, en fin d'année on fait la différence entre les deux. Ainsi l'énergie réinjectée au réseau est directement valorisée. Il est possible que ce système soit modifié dans le futur.

Pour le résidentiel collectif, la cogénération est généralement raccordée électriquement sur le compteur des communs. Afin d'éviter de devoir sous-dimensionner thermiquement l'installation de cogénération, le gouvernement bruxellois a mis en place un système, permettant aux installations collectives, de percevoir un supplément de CV. Au regard de la réglementation PEB, la production électrique est virtuellement réinjectée à chaque unité PEB (les appartements).

Certificat verts

Toute unité de production d'énergie verte certifiée par Brugel bénéficie du mécanisme d'octroi des certificats verts. Ceux-ci sont attribués en fonction de l'énergie annuelle produite par l'installation. Ils sont ensuite revendus aux fournisseurs d'électricité.

Pour recevoir les certificats, les compteurs suivants doivent être installés :

  • compteur sur la quantité de chaleur produite par la cogénération,
  • compteur sur la quantité d'électricité produite par la cogénération,
  • compteur sur la consommation en combustible.

Pour la cogénération au gaz dans les logements collectifs, le nombre de certificats verts peut être majoré sous certaines conditions.

Plus d'informations sur les certificats verts

Mode de financement

Différents modes de financement existent pour l'installation d'une unité de cogénération. Ces modes de financement ont un impact sur la rentabilité globale de l'installation. Les plus courants sont :

  • Financement sur fonds propre ou crédit : la maîtrise de l'exploitation se fait en interne ou par l'intermédiaire d'une société de maintenance externe avec garantie de performance.
  • Financement et gestion par une société de services énergétiques : pour des puissances importantes (quelques centaines de kW), tout ou partie du financement peut être réalisé par une société externe qui est alors propriétaire de l'installation. Celle-ci prend en charge sa maintenance et se rémunère sur la revente de l'électricité, de la chaleur et des certificats verts. Généralement la société externe souhaite faire fonctionner le plus longtemps possible l'unité de cogénération, ce qui peut parfois être contradictoire avec une politique d'utilisation rationnelle de l'énergie. On veillera alors, dans le contrat, à récompenser la société externe dans le cas d'économies d'énergie, en optant par exemple pour des contrats types CPE (Contrats de Performance Energétique). *** Lien vers MAN/DC CPE ***

Plus d'informations quant au financement sur le Guide Cogénération (pages 17 à 19)

Comment garantir le bon fonctionnement d'une cogénération ?

Voir le vade-mecum Réussir l'intégration de l'hydraulique et de la régulation d'une cogénération dans une chaufferie

Régime de distribution

La cogénération produit de la chaleur à haute température, idéale pour couvrir une partie de la production en eau chaude sanitaire.

La température de retour du circuit de distribution est un élément essentiel dans l'intégration du module de cogénération :

  • Les anciens cogénérateurs exigeaient des températures de retour élevées (supérieures à 60°C) pour éviter la condensation des gaz brûlés dans les échangeurs. Cette technologie est incompatible avec une politique d'utilisation rationnelle de l'énergie et n'est pas préconisée.
  • Les cogénérateurs à condensation exigent des basses températures de retour (inférieures à 60°C). Ceci rend l'installation difficile dans des bâtiments existants non isolés (par exemple un home, des logements collectifs,…) qui demandent un régime de température élevé en hiver pour contrer l'inconfort. Une température de retour trop haute entraîne l'arrêt de l'unité de cogénération, réduisant ainsi sa rentabilité.

Dans le cas de l'intégration d'une unité de cogénération dans une installation existante, le surdimensionnement des puissances des chaudières entraîne aussi des températures de retour élevées qui ne favorisent pas le fonctionnement des cogénérateurs à condensation.

Ballon de stockage

Le stockage de chaleur est préconisé afin de :

  • stocker la chaleur produite par la cogénération en période de faible demande de chaleur. Ceci permet d'éviter de devoir arrêter la cogénération ou de la faire fonctionner à faible puissance, avec un mauvais rendement électrique. Lorsque la demande de chaleur augmente, la chaleur stockée est libérée dans le circuit de distribution.
  • augmenter les heures de fonctionnement de la cogénération. En plaçant un ballon de stockage, la cogénération peut travailler à une température plus haute que le circuit du collecteur. Une vanne 3 voies en amont du ballon de stockage suffit pour gérer la température vers le collecteur.

Le stockage de chaleur est dimensionné pour un stockage équivalent d'une à deux heures à puissance thermique nominale.

Si le réseau est de grande capacité (une piscine par exemple), le ballon de stockage pourra être évité.

Type de raccordement

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Raccordement en série

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Raccordement en série (Source : http://www-energie.arch.ucl.ac.be )

La cogénération préchauffe le circuit des chaudières. Ce raccordement est adapté lorsque les chaudières fonctionnent à haute température puisque celles-ci ne pourront condenser. Dans l'évaluation de la rentabilité de la cogénération, on prendra en compte les pertes à l'arrêt de chaudières irriguées en permanence par l'eau de la cogénération. Autrement, pour éviter ces pertes, on placera un by-pass des chaudières avec une vanne motorisée par chaudière.

L'intégration est facile dans une installation existante.

Raccordement en parallèle

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Raccordement en parallèle (Source : http://www-energie.arch.ucl.ac.be )

Cette configuration en parallèle est préconisée. Elle nécessite des travaux plus importants sur la connexion du module de cogénération mais elle permet la condensation des chaudières et d'éviter les pertes par irrigation.

Une attention sera portée sur :

  • l'augmentation des pertes de charges sur le réseau hydraulique (voir aussi le dispositif sur le bon dimensionnement des conduites permettant de limiter les pertes de charge) ;
  • le débit exigé par le cogénérateur minimal et maximal ;
  • la température minimale et maximale de retour exigé par le cogénérateur (une vanne mélangeuse ou une bouteille casse-pression ou un ballon de stockage sont des solutions pour contrôler la température de retour).

Qualité de l'eau de distribution

Pour éviter d'endommager les échangeurs du module de cogénération, il est préconisé d'installer un adoucisseur. Un piège à boues sera par ailleurs installé dans les installations existantes. *** Lien "adoucisseur" vers dispo en cours de redaction ***

Régulation

L'unité de cogénération sera intégrée dans le système global de régulation de la production de chaleur. L'unité de cogénération fonctionnera prioritairement pour garantir sa rentabilité et ses avantages environnementaux. *** Lien "système global de régulation de la production de chaleur" vers ENE12 ***

Pour les petites installations de cogénération, la modulation (50-100%) des moteurs augmente le prix du module de cogénération. De plus, la modulation influence le rendement électrique (légère baisse), ce qui a un impact sur l'octroi des CV et sur les coûts d'entretien (calculés en fonction du nombre d'heures de fonctionnement). L'installation d'un ballon de stockage permet d'éviter le recours à la modulation et donc à ces surcoûts.

Maintenance

Pour garantir les performances de l'installation, un contrat de maintenance spécifique à l'installation de chauffage (cogénération comprise) devra être souscrit.

Le coût de la maintenance varie de 2 à 3 € par heure de fonctionnement d'une cogénération.

Un module de cogénération supérieur à 20 kW th a une maintenance soumise à la réglementation chauffage PEB. *** Calltoaction vers MAN05 D05 ***

Quelles démarches administratives faut-il entreprendre ?

Selon la configuration de votre installation, certaines démarches administratives sont nécessaires, au niveau :

Comment se faire aider ?

Le Facilitateur Bâtiment Durable assiste les professionnels du bâtiment gratuitement pour, entre autres, répondre aux questions liées à la cogénération. Il peut notamment effectuer la relecture des cahiers des charges et de l'étude de faisabilité.

Contacter le Facilitateur Bâtiment Durable

Cahier des charges

La rédaction du cahier des charges est le travail d'un spécialiste, qui peut être par exemple le bureau d'études qui a réalisé l'étude de faisabilité. Le document doit intégrer en particulier :

  • le matériel : le choix de la technologie, la gamme de puissance, les compteurs nécessaires pour les certificats verts, la régulation entre la ou les chaudières, l'utilisation ou non d'un ballon de stockage…
  • l'installation : la charge admissible au sol, l'intégration hydraulique et le raccordement électrique détaillés, la régulation avec les chaudières, le raccordement du combustible et les sécurités, l'évacuation des gaz de combustion…
  • le respect des normes et les éléments liés au permis d'environnement : les niveaux d'émissions admissibles, le niveau sonore, les vibrations …
  • la maintenance : le télémonitoring, le contrat de maintenance et/ou de suivi.
  • les éléments contractuels : les critères de sélection du prestataire, les conditions de réceptions provisoire et définitive, les éventuelles clauses administratives...

mis à jour le 07/11/2017

N° de Code : G_ENE08 - Thématiques : Energie - Thématiques secondaires : Entretien/Maintenance | Labellisation/Certification - Composants du projet liés : Chauffage | Eau chaude sanitaire