Visualiser les étapes d’un projet de cogénération

Voici une proposition de planning de réalisation d’une installation de cogénération comprenant étude, chantier, mise en service et essais, mais sans tenir compte de délais éventuels liés à l’obtention de permis ou d’autorisations liées à la réservation des CV, la certification, l’acceptation de primes éventuelles, …

    MO – Maître d’ouvrage    

    AUD – Auditeur    

    FAC – Facilitateur    

    BE – Bureau d’études

    INST – Installateur    

    MAIN – Maintenance    

    EXPL – Exploitation    

Un projet d’implantation d’un système de cogénération dans une chaufferie existante ou dans une nouvelle chaufferie nécessite de bien définir l’intervention des différents acteurs et leurs limites.
Les responsabilités et les limites d’entreprise doivent donc être définies de la manière la plus claire possible à chaque étape du projet, à savoir au niveau :

• D’un audit éventuel.
• De l’avant-projet à travers les études de pertinence et de faisabilité.
• Du projet par la réalisation de l’engineering et la rédaction des cahiers de charge.
• De l’exécution par la réalisation correcte et critique de l’installation en collaboration étroite avec le bureau d’études ou/et le maître d’ouvrage.
• De l’exploitation par le suivi des performances et optimalisation de l’installation.
• De la maintenance par la réalisation des différentes tâches définies dans les cahiers de charge de maintenance (entretien à temps et à heure).

La bonne coordination du chantier implique la désignation d’un responsable et se trouve grandement facilitée par le recensement des coordonnées des responsables de tous les intervenants, à savoir :

• l’auditeur éventuel;
• le maître de l’ouvrage;
• le coordinateur de l’opération;
• le bureau d’étude;
• le ou les bureaux de contrôle;
• l’administration;
• le fournisseur du groupe;
• le maître d’œuvre des travaux;
• la société de maintenance;
• l’exploitant de la chaufferie actuelle;
• les sous-traitants éventuels;
• le distributeur d’électricité;
• le distributeur de gaz.

     MO       AUD       FAC   

Le maître d’ouvrage dans sa démarche d’amélioration de son installation existante a, à sa disposition, toute une série de services lui permettant de mieux appréhender “ce qui va lui tomber sur la tête” en termes de rénovation de chaufferie.

La première étape conseillée est souvent d’effectuer un audit de son installation. L’auditeur va pointer surtout les sources d’amélioration URE possibles de manière à réduire les consommations énergétiques. C’est à ce moment-là que l’auditeur peut évaluer le potentiel de réduction de la facture énergétique thermique. Cette analyse de potentiel influence fondamentalement le pré-dimensionnement et le dimensionnement d’un cogénérateur.

Pré-dimensionnement du cogénérateur

     MO       FAC       BE  

Dans tout projet d’installation de cogénération, des études de pertinence (“à la grosse louche”) et de faisabilité  (étude fine) doivent être réalisées de manière à savoir si ce projet est viable ou pas d’un point de vue :

• Énergétique : comparaison en énergie primaire de la production de chaleur et d’électricité de la cogénération par rapport à une centrale électrique TGV (rendement de référence de 55 %) et une chaudière gaz (rendement de référence de 90 %) pour répondre au même besoin de chaleur et d’électricité du bâtiment considéré.
• Environnemental : la réduction des émissions de gaz à effet de serre (CO₂) doit être significative. En Wallonie, le taux d’économie sur les émissions de CO₂ doit être supérieur à 10 % et à Bruxelles d’au moins 5 % pour avoir droit aux primes et aux certificats verts (CV). On parle de cogénération de qualité quand le dimensionnement du cogénérateur est basé sur les besoins de chaleur, génère une économie d’énergie primaire et une réduction des émissions de gaz à effet de serre comme indiqué ci-avant en fonction de la région.
• Économique : le projet doit être rentable économiquement. Tous les indicateurs de rentabilité devront être au vert (temps de retour simple sur investissement TRS, valeur actualisée nette VAN, taux de rentabilité interne TRI).

Remarque : Le facilitateur cogénération est naturellement disponible pour ce genre d’accompagnement. Des outils sont mis à la disposition des responsables du projet : le guide de pertinence aide les auteurs de projet dans leurs premiers pas dans la technique de cogénération. L’outil de calcul CogenCalc, lui, permet, suivant des profils types de consommation de se faire une idée de la viabilité du projet avec une précision relative (de l’ordre de 20 à 30 %).
Tous les outils sont disponibles sur le site de la Région wallonne :

• La cogénération pour les entreprises et les industries

Intégration hydraulique et régulation du cogénérateur  

     BE       INST   

Cas d’une nouvelle chaufferie

Ce cas de figure est plus facile à aborder sachant que, de toute façon, un nouveau régulateur doit être prévu. La seule contrainte est de s’assurer que le module de régulation de l’installation de cogénération puisse communiquer avec le régulateur de chaufferie et s’intégrer dans la cascade

Cas d’une chaufferie existante

Hydraulique
Pour que l’intégration de la cogénération dans l’installation hydraulique d’une chaufferie existante soit une réussite, l’analyse de la situation par le bureau d’études en technique spéciale (ou par l’installateur pour les petits projets) doit être fine. Les contraintes d’intégration ne manquent pas. Celles qui sont à pointer sont généralement :

• L’espace disponible dans la chaufferie pour les différents équipements comme le cogénérateur, le ou les ballons de stockage, l’armoire de régulation.
• L’espace sur le circuit hydraulique pour placer les points d’injection de la chaleur du cogénérateur. Il doit bien être choisi par rapport aux chaudières existantes de manière à ne pas ou peu perturber l’équilibre hydraulique existant. L’intégration hydraulique doit tenir compte aussi des caractéristiques des chaudières.Par exemple :
  • Lorsque les chaudières existantes sont des chaudières à condensation, idéalement, le cogénérateur doit être placé en parallèle, et ce afin d’éviter de réchauffer le retour des chaudières. Lorsque les équilibres hydrauliques ne sont plus assurés par l’insertion d’un cogénérateur, il y aura lieu de redimensionner complètement le circuit primaire de manière à tenir compte de la redistribution des débits et des pertes de charge en fonction des caractéristiques hydrauliques des équipements en présence sur le circuit primaire.
  • Lorsque les chaudières existantes sont des chaudières à haute température, la configuration série est envisageable.

Il est toujours intéressant d’avoir un avis sans engagement d’un installateur sachant que, in fine, c’est lui qui aura les contraintes d’une bonne intégration de l’installation de cogénération en partenariat avec le bureau d’études.

Régulation
La régulation existante de la chaufferie doit pouvoir au minimum intégrer la cogénération dans la séquence de cascade des chaudières. Si ce n’est pas le cas, cette absence de communication des régulateurs des chaudières et de la cogénération risque de compromettre le bon fonctionnement du cogénérateur. En effet, on observe en pratique que l’installation de cogénération fonctionne moins d’heures que prévu et effectue des cycles de démarrage/arrêt importants.

C’est essentiellement dû au fait que les chaudières sont régulées sur base de courbes de chauffe à températures de consigne glissantes en fonction de la température externe, donc variables. La consigne de température pour réguler le fonctionnement de la cogénération est, quant à elle, fixe. Il en résulte que lorsque les deux systèmes ne communiquent pas :

• En période froide, les consignes de démarrage des chaudières sont élevées par rapport à celles de la cogénération. Les chaudières sont donc mises en avant par rapport à la cogénération ; ce qui n’est pas le but recherché.
• En mi-saison, les consignes des chaudières sont basses et en dessous de celles du cogénérateur et, par conséquent, le cogénérateur démarrera avant les chaudières. C’est bien, mais trop tard dans la saison de chauffe.

Dans le cas où la régulation existante des chaudières ne peut pas intégrer cette séquence de cascade et, pour autant qu’individuellement les régulateurs des différents équipements puissent accepter de l’être, il est donc impératif de prévoir un élément de régulation qui chapeaute les deux régulateurs.

Un autre moyen d’intégration est de prévoir un nouveau régulateur qui permette d’intégrer l’ensemble des équipements.

Les étapes essentielles de tout projet, à partir du moment où la décision d’installer une unité de cogénération est prise, sont les suivantes :

• étude des travaux électriques et thermiques ;
• approbation des plans par le maître d’œuvre et les organismes de contrôle ;
• commande des matériels (attention aux délais) ;
• chantier pour le génie civil ;
• installation du cogénérateur et raccordement (cheminée, combustible, chaleur et électricité) ;
• travaux d’électricité (raccordement au réseau) ;
• travaux thermiques (intégration hydraulique du cogénérateur en chaufferie) ;
• système de régulation (intégration de la régulation du cogénérateur au système de régulation central de la chaufferie) ;
• mise en route et essais ;
• réception provisoire ;
• “commissioning” (analyse et vérification des performances énergétique, environnementale et financière de l’installation) ;
• réception définitive.

Dimensionnement

      BE   

En appui du cahier des charges pour la cogénération, le vadémécum se doit d’insister sur le dimensionnement de la cogénération surtout en tenant compte de la composante URE :

• Un cogénérateur surdimensionné effectuera des cycles courts marche/arrêt ; ce qui réduira sa durée de vie. Le surdimensionnement d’une cogénération vient souvent du fait que l’on n’a pas de tenu compte à moyen terme de l’amélioration énergétique de l’enveloppe du bâtiment (changement des châssis vitrés, isolation des murs et des toitures, …) et des systèmes de production de chaleur et d’ECS.
• Un sous-dimensionnement réduit la rentabilité du projet.

L’étude de faisabilité donne la méthodologie et les bonnes hypothèses aux auteurs de projet pour dimensionner et choisir une installation de cogénération dans les règles de l’art. Les outils de calcul CogenSim et CogenExtrapolation arrivent à un degré de précision suffisant (10 %) pour déterminer des points de vue  énergétique, environnemental et économique si un projet de cogénération est viable. Attention que ces outils se basent sur une mesure des besoins thermiques et électriques.

Cahier des charges

      BE   

Un cahier des charges pour la cogénération est disponible ici.

Ici, on voudrait juste pointer les petites inclusions à réaliser dans les cahiers des charges de manière à éviter les pièges de l’intégration hydraulique et de la régulation. Attention cependant que le cahier spécial des charges est à utiliser avec précaution sachant que chaque projet est un cas particulier. Le “copier/coller” pur et dur est à proscrire.

URE

Sensibilisation à l’URE

Si on veut rester cohérent par rapport à la notion de durabilité dans le bâtiment, l’URE doit être envisagée en premier lieu de manière à réduire les besoins de chaleur ET d’électricité.
Si des actions URE sont prévues dans le cadre du projet, il est impératif de le préciser dans le cahier des charges. En général, l’entreprise en techniques spéciales effectue un redimensionnement de contrôle ; c’est souvent demandé par le bureau d’études. Régulièrement, l’action URE ne s’arrête pas à l’amélioration énergétique de l’enveloppe, mais aussi au niveau des techniques spéciales :

• On en profite pour remplacer une, voire toutes les chaudières de la chaufferie. La chaudière à condensation, dans ce cas-là, est souvent préconisée.
• On enlève le bouclage de collecteur.
• On prévoit une bouteille casse-pression pour mettre en place un découplage hydraulique des circuits primaire et secondaire.
• Pour assurer un retour froid aux chaudières à condensation et au cogénérateur, on prévoit de réguler les débits primaires par des variateurs de vitesse, et ce sur base de la différence de température de part et d’autre de la bouteille casse-pression.

Au travers de son cahier des charges, le bureau d’étude devra sensibiliser par une remarque générale l’entreprise en technique spéciale de l’intention rapide, à court ou moyen terme, du maitre d’ouvrage d’entamer une action URE. Cette précision permet d’anticiper la configuration hydraulique adéquate en fonction de cette action URE.

Par exemple, le fait d’envisager à court ou moyen terme de remplacer une chaudière classique par une chaudière à condensation conditionne le positionnement hydraulique du cogénérateur vers une configuration parallèle.

Adaptation des débits primaires aux débits secondaires

Bien souvent, et à juste titre, les bureaux d’études en techniques spéciales aiment bien le concept de bouteille casse-pression, car elle permet d’éviter pas mal de problèmes de perturbation (ou “dérangement”) hydraulique et de régulation entre les circuits primaires et secondaires. Cependant, la faiblesse de ce découplage hydraulique qu’est la bouteille casse-pression réside dans le risque de ruiner tous les efforts réalisés pour mettre en place une politique URE. Comme on l’a vu précédemment, sans régulation des débits en amont et aval de la bouteille casse-pression, le retour primaire risque d’être chaud. La plupart des installations qui ont des problèmes de chaudières à condensation ne condensant pas et/ou des cogénérateurs fonctionnant peu d’heures sont équipées de bouteilles casse-pressions non régulées. Il y a donc lieu de prévoir dans le cahier des charges une clause énergétique qui décrit la régulation autour de la bouteille casse-pression.

Hydraulique

Les clauses du cahier des charges relatives à l’hydraulique devront être écrites différemment en fonction de différents paramètres :

• La configuration hydraulique existante et future en fonction des actions URE envisagées.
• Le type de chaudière maintenu ou nouveau envisagé. Par exemple, on préfèrera la configuration en parallèle lorsqu’on prévoit le placement en chaufferie de chaudières à condensation.

Régulation

Maintes fois soulignée dans ce vadémécum, l’importance de la communication entre les régulateurs des chaudières et du cogénérateur ne fait pas l’ombre d’un doute. Le bureau d’études devra la décrire dans son cahier des charges de manière détaillée.

Lorsque les circulateurs ou pompes de circulation à vitesse variable des chaudières et du ballon de stockage débitent dans le circuit primaire en amont d’une bouteille casse-pression, ils peuvent fonctionner à faible débit ou carrément être mis à l’arrêt quand les besoins de chaleur côté secondaire sont faibles. Lorsque ces derniers redeviennent importants, il est nécessaire de redémarrer les pompes ou les circulateurs. Cela ne peut se faire qu’en intégrant les variations de température au secondaire de la bouteille casse-pression. Il faudra donc décrire ce point de régulation dans le cahier des charges.

Gestion Technique Centralisée (GTC)

Normalement quand la cogénération est de qualité, des compteurs d’énergie thermique, électrique ainsi qu’un compteur combustible peuvent être “télégérés”. Ces compteurs sont indispensables dans toutes les installations de cogénération si le maître d’ouvrage veut valoriser son économie de CO₂ sous forme de Certificat Vert CV (voir les prescriptions de la CWaPE et de Brugel).

Indépendamment de cela, une supervision (GTC) peut être envisagée pour affiner la gestion de la cogénération. Vu que la période de garantie permet d’analyser le comportement de l’installation de cogénération intégrée dans la chaufferie en situation réelle, on conseillera de décrire la télégestion du cogénérateur dans le cahier des charges. C’est vrai que c’est un coût complémentaire, mais il rendra immanquablement d’énormes services au maître d’ouvrage. En effet, moyennant la description d’un protocole précis d’analyse des paramètres du cogénérateur (“Commissioning”), d’emblée, pendant la période de garantie, l’enregistrement des valeurs de ces paramètres permettra de se faire une idée précise du bon fonctionnement de l’ensemble de l’installation. Voici une liste non exhaustive des paramètres que le bureau d’études pourrait décrire dans son cahier des charges :

• Nombre d’heures de fonctionnement de la cogénération avec les dates et heures ;
• en fonction du temps :
  • les températures du ballon, du retour du cogénérateur, … ;
  • l’état de fonctionnement de la cogénération ;
  • l’état des alarmes ;
  •  …

Lorsque la communication est possible entre les régulateurs de la chaufferie et de la cogénération, on conseille aussi de décrire dans le cahier des charges la télégestion du régulateur de chaufferie de manière à avoir une vue d’ensemble du fonctionnement de la chaufferie y compris le cogénérateur. Voici de nouveau une liste non exhaustive des paramètres que le BE pourrait intégrer dans son cahier des charges :

• température externe ;
• températures aux entrées et sorties de la bouteille casse-pression si présentes ;
• températures des départs des circuits secondaires ;
• températures de consigne de la cascade de chaudières ;
• niveau d’ouverture des vannes des circuits secondaires ;
• états des chaudières ;
• …

     MO       BE       INST

L’administration

Une série de démarches administratives sont nécessaires avant et pendant la mise en œuvre du projet.

Avant exécution des travaux

• Obtenir le permis de construire.
• Obtenir le permis d’environnement (ou permis unique).
• Obtenir l’accord écrit du distributeur d’électricité sur le cahier des charges relatif au raccordement électrique.
• Réservation des CV auprès de la DGO4 et demande d’avis de la CWAPE sur les valeurs à attribuer au k_CO2 et au k_eco.

Implantation des ouvrages

• Faire exécuter le piquetage par un géomètre.
• Placer les panneaux de chantier.
• Placer les palissades pour la protection des installations de chantier.
• Définir et assurer le système qualité du chantier.

Plan d’hygiène et de sécurité du chantier

• Fournir le plan des locaux pour le personnel et leurs accès.
• Assurer les dessertes pour réseaux d’eau, d’électricité et d’assainissement.
• Désigner le responsable de coordination entre maître d’ouvrage et maître d’œuvre.
• Définir les emplacements mis à disposition pour l’entreprise : des installations, matériels, fluides et énergie pour l’exécution des travaux.

Calendrier d’exécution des travaux

• Établir un programme d’exécution des travaux.
• Définir les matériels et méthodes utilisés.
• Définir le calendrier d’intervention sur le réseau électrique.
• Définir le calendrier d’intervention sur le réseau de chauffage.
• Informer sur la continuité de services des installations ou dates d’interruptions.

Énergie

• Électricité : définir les conditions de comptage, de raccordement, de mise sous tension (protection) et de mise en service (réception).
• Gaz : définir les conditions de livraison, pression, comptage.

Le suivi de chantier

L’exécution du chantier d’intégration de la cogénération est une phase très importante. En effet, c’est à ce niveau que le dimensionnement, la rédaction des cahiers des charges, l’exécution des plans, … sont confrontés à la réalité de terrain qui nécessite souvent des compromis comme :

• L’arbitrage des choix d’équipements sur base des fiches techniques. Les caractéristiques ne correspondent pas toujours “tip top” aux prescriptions des cahiers des charges, aux dimensionnements, etc.
• L’adaptation des tracés des circuits hydrauliques en fonction des modifications en cours de chantier qui peuvent intervenir.
• …

Les réunions de chantier sont là pour trouver les compromis nécessaires à la bonne réalisation du projet d’intégration.

   MO       BE       INST

La réception provisoire

La réception provisoire n’est pas toujours exécutée à la période idéale; c’est-à-dire lorsque les besoins de chaleur sont suffisants pour faire fonctionner l’installation de cogénération. La période idéale pour réceptionner l’installation est en mi-saison sachant que l’on peut réellement observer le bon fonctionnement du régulateur du système de cogénération et de la communication entre ce dernier et le régulateur de chaufferie. En hiver, la réception ne devrait pas poser trop de problèmes. Par contre en été, la réception pose réellement un problème, car, même si des besoins d’Eau Chaude Sanitaire (ECS) sont présents, les tests d’interaction entre la ou les chaudières et l’installation de cogénération sont limités vu les faibles besoins de chaleur.

Dans la mesure du possible il faut éviter cette période.

Toute une série de tests devra être réalisée lors de la réception provisoire. Ils devront être décrits de manière  précise dans le cahier des charges si l’on veut éviter que “pleuvent les suppléments”. Les grandes lignes des tests à réaliser sont reprises ci-dessous en mi saison par exemple. Outre les tests classiques inhérents aux installations de chauffage (sécurités sur les équipements, équilibrage des circuits, autorité réelle des vannes motorisées, tests des pompes de circulation ou des circulateurs, …), à l’installation de cogénération (sécurités, marche/arrêt du cogénérateur sur base des consignes de température,  …), on pointera les tests spécifiques à réaliser sur les interactions entre la chaufferie et l’installation de cogénération (liste non exhaustive) :

• Tester la séquence de cascade du cogénérateur par rapport aux chaudières :
  • Le cogénérateur doit être en tête de cascade lorsque des besoins de chaleur réapparaissent après une période de non-demande.
  • Lorsque le cogénérateur ne couvre pas les besoins de chaleur, les chaudières doivent s’enclencher séquentiellement de manière optimale. À l’inverse, quand les besoins diminuent, la séquence d’arrêt des chaudières doit être opérationnelle. Le cogénérateur devra être arrêté en dernier lieu si les besoins deviennent faibles.
• Tester l’adaptation des débits primaires en fonction des débits secondaires. Lorsqu’une bouteille casse-pression est présente avec des sondes de température de part et d’autre de celle-ci, les débits primaires doivent bien s’adapter au Δ de température donné par les sondes. On pourra mesurer aussi à différents moments de la journée les quatre températures des conduites d’alimentation de la bouteille casse-pression.
• Analyser le comportement de l’installation de cogénération en fonction d’une demande importante d’ECS. L’augmentation temporaire de la consigne de température du départ primaire pour satisfaire ce type de besoin ne doit pas permettre le réchauffement du retour primaire au-dessus de la consigne d’arrêt du cogénérateur. C’est une manière de constater que l’échangeur du circuit ECS est bien surdimensionné pour pouvoir ramener sur le retour primaire de l’eau chaude la plus froide possible (c’est un paradoxe !).
• Vérifier que les puissances et rendements électrique et thermique sont conformes au cahier des charges.

En cas de réception provisoire pendant la période d’été, on ne peut évidemment pas analyser et tester les installations dans des conditions optimales. Les seuls tests qui peuvent être réalisés sont principalement :

• l’équilibrage des circuits;
• la vérification des débits nominaux.

La période de garantie

Comme signalé précédemment, dans le cahier des charges, il est important de décrire une période de garantie d’un an au minimum pour pouvoir couvrir une saison de chauffe complète et deux mi-saisons.

Pendant cette période, si une installation de Gestion Technique Centralisée (GTC) a été décrite dans le cahier des charges, un protocole de “commissioning” (sur base d’une analyse fonctionnelle) devra être mis en place de manière à contrôler le bon fonctionnement de la cogénération. Lorsqu’une GTC n’a pas été décrite dans le cahier des charges, Il faudra prévoir un relevé manuel des paramètres de fonctionnement principaux du cogénérateur, et ce à intervalles réguliers. On conseille aussi de décrire dans le cahier des charges le protocole d’analyse et de présentation des résultats issus des “trends” (enregistrements).

La réception définitive

La réception définitive en fin de garantie représente la dernière chance de pouvoir définitivement optimiser l’intégration en chaufferie de l’installation de cogénération. Elle n’est en fait qu’une  “deadline” ! Le gros des remarques par rapport à l’intégration du cogénérateur aura dû être résolu pendant la période de garantie.

Voici quelques documents utiles qui pourront vous servir dans les différentes étapes du projet d’installation d’un cogénérateur :

• Connaître toutes les démarches administratives liées à la cogénération (PDF)
• Négocier sa cogénération (PDF)
• Les outils d’aide à la décision en cogénération (PDF)
• Cahier des charges – Installer une unité de cogénération (PDF)