Dimensionner l’installation de cogénération

Schéma simplifié d’une installation de cogénération.

Sur le plan technique, le pré-dimensionnement a permis de déterminer les puissances thermique et électrique ainsi que les plages de fonctionnement du cogénérateur.

Lors du dimensionnement, le prescripteur va opérer une série de choix techniques, calculer les variables clés et choisir les composants du groupe de cogénération.

Le dimensionnement peut être soit un dimensionnement complet suivi d’un appel d’offre; soit, et c’est le plus souvent le cas, un dimensionnement interactif avec les fabricants pour le choix des équipements, intégrant dès la conception les caractéristiques de moteurs et de composants disponibles sur le marché. De cette façon, le cahier des charges imposé au motoriste est très simple et c’est ce dernier qui propose des solutions sur base de quelques variables clés. Dans le cas contraire, des points spécifiques risquent de nécessiter des adaptations parfois coûteuses. L’offre du motoriste peut éventuellement comprendre un chapitre avec les besoins minimums qui ne sont pas respectés et les options possibles.

Selon le cas, le bureau d’étude sous-traitera ou réalisera lui-même le calcul complet des composants, calcul qui sort du cadre de cet outil.

Techniques

Présentation synthétique des principaux composants d’une unité de cogénération.

Rappelons brièvement que l’objectif de l’installation d’une cogénération en chaufferie est de couvrir au mieux le besoin énergétique en chaleur tout en produisant simultanément de l’électricité. Au vu de l’allure de la monotone de chaleur représentée ci-dessous, l’optimum énergétique pour intégrer une cogénération se situe régulièrement au tiers de la puissance maximale enregistrée. Ce n’est naturellement qu’un ordre de grandeur et sûrement pas une règle générale établie; tout dépend des profils des consommations de chaleur (liées à la performance de l’enveloppe du bâtiment) et d’électricité.
Rappelons ici que la “monotone” de chaleur est un classement par ordre décroissant des besoins en puissance du bâtiment à chauffer tout au long de l’année. Par exemple, une puissance de 200 kW doit être assurée en chaufferie pendant au moins 2 300 heures pour assurer le confort des occupants.
Ce nombre d’heures peut être plus important que celui de la période de chauffe, due à un besoin de chaleur pour l’eau chaude sanitaire (ECS). L’intérêt de parler de la monotone de chaleur ici, est que l’aire sous la courbe représente l’image des besoins thermiques du bâtiment en kWhth et d’ECS.

Monotone de chaleur

La cogénération, dans certains cas, est de très petite puissance par rapport à certaines chaudières qui généralement sont dimensionnées pour délivrer minimum 3 fois plus de puissance que le malheureux cogénérateur (c’est un ordre de grandeur). En théorie cela ne devrait pas poser trop de problèmes, mais en pratique, la cohabitation entre “Gulliver et les Lilliputiens” est parfois problématique surtout lorsque, dans les chaufferies courantes, le collecteur principal est bouclé ou une bouteille casse-pression réalise le découplage des circuits primaire et secondaire.

Le cogénérateur fournit assez de puissance pour couvrir la demande de chaleur. Mais la température de départ primaire chute. Le régulateur de chaufferie libère la chaudière (démarrage).

La chaudière se met en fonctionnement. Elle délivre très rapidement suffisamment de chaleur pour que les vannes 3 voies des circuits secondaires se ferment. La température de retour monte et réchauffe le ballon tampon.

Le cogénérateur et la chaudière s’arrêtent.

Après refroidissement du ballon tampon, le moteur redémarre. La cogénération ne parvient pas suffisamment vite à répondre à la demande de chaleur et la chaudière redémarre.
Ainsi de suite …

De plus, les facteurs aggravants sont souvent :

• Des chaudières qui ne travaillent pas à puissance modulante ou qui ne démarrent pas en “petite flamme”. La puissance délivrée par une chaudière en relance d’appoint risque de délivrer un “boost” de chaleur capable d’imposer à la cogénération de s’arrêter.

• Des circulateurs ou des pompes de circulation d’équipements de production de chaleur fonctionnant à débit fixe. Dans ce cas, le débit du primaire n’est que trop rarement en adéquation avec les débits des circuits secondaires, ce qui favorise un retour chaud au primaire capable de réduire fortement le temps de fonctionnement de la cogénération.

Le risque majeur à éviter dans le raccordement hydraulique est donc une température de retour trop élevée. Ce phénomène est influencé par la température de départ des chaudières et apparaît surtout dans le cas de forte demande de chaleur.