Auteur : D. Darimont – ICEDD

Notes :

  • mise en page – 1er passage, Sylvie 10.03.2016 (liens, mise page, Antidote).

Lors du dimensionnement final, le bureau d’étude va évaluer les puissances thermique et électrique les mieux adaptées à chaque projet.
C’est ce dimensionnement des puissances thermique et électrique, qui permettra d’échafauder un plan financier et d’évaluer la rentabilité financière du projet.
Voici décrit une méthodologie de dimensionnement qui se base sur les besoins en chaleur et en électricité et sur leur simultanéité pour définir la cogénération adaptée à chaque cas spécifique. Elle décrit pas à pas les étapes que le prescripteur peut suivre pour le dimensionnement complet de la puissance de la cogénération.

Soulignons d’emblée l’importance du dimensionnement. Une mauvaise évaluation à ce stade aura des répercussions économiques d’autant plus grandes que les investissements et les durées de vie des équipements sont relativement importantes et que chaleur et électricité sont simultanément concernées.
Si un sous-dimensionnement n’est préjudiciable « que » dans la mesure où le client ne bénéficiera pas de toutes les économies potentiellement réalisables, un sur-dimensionnement peut s’avérer beaucoup plus pénalisant sur le plan économique : le fonctionnement en charge réduite est un fonctionnement proportionnellement plus coûteux qu’à pleine charge. Par ailleurs, cela augmente le nombre de démarrages-arrêts, préjudiciable pour la durée de vie du moteur.
Notons encore qu’avant d’entamer le calcul de dimensionnement, il importe de rationaliser toute consommation de chaleur et d’électricité par des mesures adéquates : isolation, période d’utilisation… Si cette rationalisation devait intervenir après le projet de cogénération, les consommations de chaleur et d’électricité s’en trouveraient modifiées et par là le dimensionnement de l’installation deviendrait inadéquat.
Dans le même ordre d’idée, les besoins énergétiques évoluent et il s’agit pour le prescripteur d’anticiper ces modifications et d’en tenir compte lors de son évaluation.
Dimensionner revient à calculer la puissance du cogénérateur et ses heures de fonctionnement, pour coller au mieux aux deux contraintes essentielles :
  • La production de chaleur doit égaler le besoin de chaleur (sauf si l’excédent peut être stocké dans un ballon de chaleur) ;
  • La production d’électricité doit être valorisable au maximum par le site.

Le dimensionnement optimum cherche à définir les puissances thermique et électrique les mieux adaptées aux caractéristiques du projet. L’optimisation consiste à simuler le fonctionnement « en temps réel » de plusieurs tailles d’unités de cogénération et d’en évaluer la rentabilité. Ensuite, sur base d’une série de critères définis par le décideur, l’expert propose la solution la plus intéressante au cas étudié. En cas de résultats similaires, mieux vaut opter pour la cogénération la plus petite.

Optimisation de la rentabilité de plusieurs unités de cogénération.

Dans le cas de cette maison de repos, la puissance optimale de 150 kW est celle qui maximalise la Valeur Actualisée Nette des gains et qui minimise le temps de retour simple de l’investissement.

Une rapide analyse de la sensibilité de cette rentabilité peut être utile. Les paramètres sont généralement les prix des énergies, le montant d’investissement, les performances de l’équipement et ses rendements.
Un impact important sur la manière de dimensionner une unité de cogénération est la mise sur place du mécanisme de certificats verts. Les modifications de la méthodologie de dimensionnement se situent à trois niveaux :

  • Valoriser toute la chaleur produite, afin de prétendre au titre de cogénération de qualité. Il est donc indispensable de piloter la cogénération sur base des besoins en chaleur et non plus pour faire de l’effacement de la pointe électrique. L’octroi des certificats verts est en effet proportionnel à la quantité de chaleur effectivement valorisée.
  • Fonctionner le plus longtemps possible. Alors qu’auparavant les unités de cogénération ne fonctionnaient principalement que durant les heures pleines, période où l’électricité est la plus chère, l’apport financier des certificats verts permet de fonctionner également durant les heures creuses voire de revendre le surplus sur le réseau.
  • Installer un ballon de stockage permet bien souvent d’accroître la rentabilité suite à la souplesse de fonctionnement qu’il apporte. La cogénération peut fonctionner à pleine puissance (rendements maximums) durant une plus grande partie de l’année. Ce qui permet de recevoir davantage de certificats verts.

Vous l’avez compris, le dimensionnement est le travail de spécialistes. Si l’étude de pertinence s’avère positive, vous pouvez donc faire appel à un bureau d’étude compétent pour cette étude de faisabilité. Pour vous aider à bien formuler votre demande, vous pouvez vous inspirer du document suivant :

Évaluer

Réaliser une étude de faisabilité d’une cogénération dans les règles de l’art (PDF)
Pour effectuer une simulation « en temps réel », et donc avec précisions, il est indispensable de connaître les besoins électriques, mais aussi thermiques durant une année entière (base de calcul pour le dimensionnement de la cogénération). Cependant, ce type d’information est rarement disponible. L’idéal serait donc de mesurer ces besoins sur une année entière, à la précision du quart d’heure (base de la facturation électrique). Une telle campagne de mesures aurait un coût prohibitif. Et allongerait considérablement le temps pour effectuer une telle étude de faisabilité.
C’est pourquoi une méthodologie simple a été mise gracieusement à disposition des bureaux d’études, experts et consultants en matière de cogénération. Il s’agit, à partir d’une courte période de mesures (typiquement deux semaines), d’obtenir un profil thermique et électrique extrapolée sur une année entière. Cette méthodologie est rassemblée dans l’outil de calcul : COGENextrapolation.xls
Les paramètres qui permettent cette extrapolation sont les données de factures mensuelles ainsi que, pour la partie thermique, les degrés-jour de la station météo la plus proche du site.

Étape 1 : les besoins en électricité

Le besoin en électricité, où la consommation électrique est relativement simple à étudier.
Un enregistrement des impulsions provenant du compteur électrique sur une période de deux semaines permet de définir précisément le profil de consommation électrique, quart d’heure par quart d’heure (précision de la facturation électrique). Choisir une période de deux semaines est un bon compromis entre la connaissance de la variation d’une semaine à l’autre des besoins électriques et la durée (et donc le coût) de la campagne de mesure.
Néanmoins, si lors de discussions avec les utilisateurs il s’avère que les consommations varient très fortement d’une semaine ou d’une saison à l’autre, les profils devront alors être mesurés pour les différents cas de figure.

Profil de consommation électrique mesuré sur une journée.

Note : la fréquence de prise de mesure pour définir le profil de consommation est le quart d’heure. Cette fréquence correspond à la fréquence utilisée actuellement par les fournisseurs d’électricité pour établir les factures.

Une autre possibilité est de demander au gestionnaire du réseau si ces données sont disponibles. C’est souvent le cas si les consommations électriques sont télé-relevées. Dans ce cas, vous pouvez obtenir les puissances quart d’heure par quart d’heure sur toute une année, ce qui est naturellement idéal.
Le profil de consommation électrique est étroitement lié à la facture électrique. Celle-ci découle effectivement directement du profil de consommation électrique. La facture étant directement accessible, sa lecture donne plusieurs paramètres clés particulièrement utiles du profil de consommation électrique pour générer l’extrapolation : la puissance maximum appelée, et surtout les consommations en heures pleines et en heures creuses. Les aspects économiques de la facture interviendront quant à eux lors du calcul de rentabilité de l’installation.
Une extrapolation sur toute une année devra être effectuée, par exemple, à l’aide de l’outil COGENextrapolation.xls

Étape 2 : les besoins en chaleur

La première étape est l’identification du type de chaleur et de tous les postes concernés par cette chaleur, que ces postes fassent partie d’un processus industriel ou non. Ensuite, mesurer la consommation de chaleur sur une période de deux semaines, quart d’heure par quart d’heure, est indispensable.
Le placement d’un compteur de chaleur à ultrasons sur le collecteur principal est une possibilité (mesure du débit et du delta T°). Une autre possibilité est l’enregistrement des impulsions des brûleurs en tenant compte de leur puissance et de la consommation totale pendant la période. Ces informations permettront de définir les puissances quart d’heure par quart d’heure, et ainsi définir le profil de consommation de chaleur.
Une extrapolation sur toute une année devra être effectuée, par exemple, à l’aide de l’outil COGENextrapolation.xls
Citons de façon non exhaustive les autres méthodes les plus utilisées pour définir les profils de consommation quotidiens, hebdomadaires et annuels :

  • la consommation annuelle de combustible de la chaudière combinée aux profils types de consommation pour le consommateur concerné;
  • des discussions avec l’utilisateur sur ses consommations de chaleur sous forme d’eau chaude;
  • une mesure :
    • des impulsions sur le compteur gaz,
    • du débit de mazout,
    • des heures de fonctionnement de la chaudière,
    • du débit d’eau chaude,
  • d’expérience acquise par le bureau d’étude et de calculs de comparaison.

Exemple de profil de consommation type
Profil D : Activité continue 7 jours sur 7 (hôpitaux, horeca…)

Profil du besoin net en chaleur d’une année type,
Besoin exprimé mois par mois, en % du besoin annuel.

Dans la majorité des cas, le besoin annuel en chaleur correspond à la consommation annuelle de combustible multipliée par le rendement de production.

Profil du besoin net en chaleur d’une semaine type,
Besoin exprimé jour par jour, en % du besoin hebdomadaire.

Profil du besoin net en chaleur d’une journée type,
Besoin exprimé heure par heure, en % du besoin quotidien.
Au niveau thermique, surtout si un ballon de stockage de chaleur est envisagé, il est possible d’utiliser des profils thermiques types plutôt que de mesurer ce profil. C’est d’autant plus vrai que les besoins thermiques sont de type climatique (production d’eau chaude pour le chauffage), dans le secteur tertiaire.
À l’opposé, dans l’industrie, les consommations estivales peuvent être semblables aux consommations hivernales, selon le type de procédé. Ce point est à analyser par le bureau d’étude. D’autre part, dans l’industrie, les responsables techniques connaissent mieux leurs procédés et leurs profils de consommation, parfois des mesures existent même.
Les chiffres de consommation sont essentiels, car ils servent de base à toute l’évaluation de la rentabilité du projet. L’accord entre le concepteur et le client sur ces résultats doit être très clair !

Calculs

Pour lancer le programme COGENextrapolation.xls
Les profils thermiques et électriques quart horaire sur une année entière étant déterminé, nous pouvons passer à l’étape suivante : la simulation en temps réel de l’unité de cogénération.
Cette simulation permet de connaître, à tout moment, quelle sera la production thermique et électrique de la cogénération en fonction des besoins et des règles de fonctionnement. En faisant le bilan annuel, il devient facile de calculer avec précisions le bilan énergétique et partant le bilan économique et environnemental.
La puissance de calcul des ordinateurs actuels permet même de lancer des simulations pour plusieurs tailles de cogénération. Et d’être ainsi libre de choisir celle qui convient le mieux au site étudié.
À nouveau, pour « faciliter » le travail des bureaux d’études, experts et consultants en cogénération, la Région de Bruxelles-Capitale à mis à jour le logiciel COGENsim, initialement développé par la Région wallonne. Des ajouts ont par ailleurs été faits, comme la possibilité de simuler le fonctionnement d’une cogénération avec (ou sans) ballon de stockage de chaleur.

Logiciel de simulation COGENsim 2.06.xls.

Cependant, avant d’utiliser ce puissant outil de simulation, il est conseillé de lire attentivement son mode d’emploi.

Calculs

Utiliser le logiciel de simulation COGENsim 3.12

Calculs

Mode d’emploi du logiciel COGENsim 3.12.
La méthode de dimensionnement intègre déjà un calcul de rentabilité : le logiciel COGENsim 3.12.xls simule plusieurs unités de cogénération et propose celle qui est la plus rentable.
Le calcul de rentabilité implique une estimation fine du gain annuel net, du montant de l’investissement et des paramètres de rentabilité comme le Temps de Retour Simple (TRS), la Valeur Actualisée Nette (VAN) des gains engendrés sur la durée de vie de l’équipement et le Taux de Rentabilité Interne (TRI) du projet.

Calculer le gain annuel net

Le gain annuel net est la différence entre la somme des gains apportés par la cogénération (électricité, chaleur et certificats verts) et des dépenses associées (combustible et entretien).

Gain sur la facture électrique

Le gain sur la facture d’électricité sera égal à la différence entre la facture sans cogénération et la facture qui serait payée pour la consommation électrique résiduelle suite à la production locale d’électricité par cogénération. Par ailleurs, la cogénération optimale produira de temps en temps trop d’électricité par rapport aux besoins. Ce surplus d’électricité sera revendu au réseau, au fournisseur le plus offrant voire au GRD. Généralement, le prix oscille entre 20 à 50 €/MWh pour une cogénération. L’ensemble des deux vous donnera le gain sur la facture électrique.

Il est fort probable que le prix unitaire de l’électricité résiduelle qui restera à acheter à un fournisseur après installation d’une cogénération soit supérieur au prix unitaire actuel. La raison est que les termes fixes de la facturation sont répartis sur une consommation plus faible. Parfois, il sera peut-être nécessaire de renégocier votre contrat de fourniture avec votre (ou d’autres) fournisseur.

Gain sur la chaleur

Toute la chaleur produite par la cogénération, si elle est correctement valorisée, ne devra plus être fournie par la chaufferie existante (ou à construire). Ce qui constitue un gain non négligeable sur facture d’achat en combustible.

Gain sur la vente des certificats verts

Si votre cogénération est de qualité, alors vous recevrez des certificats verts.

Vu la volatilité de la valeur d’un certificat vert et de la méthode de calcul, vous comprendrez aisément qu’une visite sur le site de la CWaPE s’impose.

Le gain apporté par les certificats verts pour les technologies renouvelables, nettement plus important que pour les technologies classiques, est bien nécessaire pour compenser le surcoût à l’investissement voire à l’achat du combustible.

Précisons que ce gain en certificats verts vient s’ajouter au prix de votre électricité (auto-consommée ou revendue).

Dépense pour l’achat de combustible pour la cogénération

Il faudra bien entendu acheter du combustible pour faire tourner la cogénération. Cette dépense, non négligeable, doit intervenir dans le calcul de la rentabilité.

Comme au total vous allez consommer plus de combustible qu’avant (cogénération + complément chaudière), vous pourriez éventuellement négocier un meilleur prix unitaire.

Dépense en entretien de la cogénération

Également, les frais d’entretien doivent être considérés dans les calculs. Ces frais dépendent de la formule choisie et des garanties de performances proposées. Également de quelle est la répartition du travail entre vous et la société de maintenance.

Ces prestations réalisables en interne moyennant une formation adéquate consistent en :

  • un contrôle du niveau d’huile et la vidange de l’huile;
  • un remplacement des filtres;
  • une inspection du circuit de refroidissement;
  • une inspection des batteries;
  • un remplacement des bougies (moteurs gaz);
  • un contrôle du système d’allumage et du système de carburation;
  • une lubrification de l’alternateur;
  • un contrôle de sécurité.

Gestion du fonctionnement d’un cogénérateur.

Le montant d’investissement

Le montant de l’investissement est toujours déterminant dans le calcul de rentabilité. Il faudra, à ce stade de l’étude,  objectiver les coûts :

  • Du cogénérateur proprement dit;
  • De génie civil, de raccordement, …

Il sera aussi intéressant de vérifier si vous avez droit à des subsides. Pour plus d’informations sur les primes et subsides, voir le portail de la Région wallonne.

Calculer les paramètres de rentabilité (TRS, VAN et TRI)

Les indicateurs de rentabilité sont très importants pour l’étude de faisabilité. En effet, lorsque ces indicateurs  « virent au vert » selon les critères de rentabilité du porteur de projet, l’étude de faisabilité confirme l’intérêt de passer à l’étape suivante : réaliser le projet !

Évaluer

Réaliser une étude de faisabilité d’une cogénération dans les règles de l’art ( PDF).
Que ce soit au moment de la conception du projet, mais aussi pour une installation existante, il est possible de « tunner » le fonctionnement de l’unité de cogénération afin d’en retirer le maximum.
Un logiciel comme COGENsim 3.12.xls permet d’affiner le paramétrage de son fonctionnement :
  • le taux de la charge partielle minimale pour le fonctionnement de la cogénération;
  • les besoins thermiques en dessous desquels il ne vaut pas la peine de redémarrer la cogénération;
  • les taux de charge minimum et maximum du ballon de stockage de la chaleur;
  • la part de la consommation électrique consommée par les auxiliaires;
  • la plage de fonctionnement (heures, jours, mois);
  • la possibilité de réinjecter ou non l’électricité excédentaire sur le réseau;

D’autres actions sont possibles pour davantage affiner le projet de cogénération, mais cependant non réalisables avec COGENsim 3.12.xls.

  • le fractionnement de la puissance totale en plusieurs unités de tailles identiques, voire différentes;
  • l’adaptation de la régulation de la chaufferie (anticipation, …) pour lisser le profil thermique;
  • l’utilisation d’un groupe de secours pour écrêter le profil électrique résiduel après cogénération;
  • la gestion du stockage de chaleur pour produire le maximum d’électricité durant les heures pleines;

Précisons que ce « tunning » est parfois proposé par les fournisseurs de cogénération voire les fabricants qui connaissent bien leurs équipements et surtout comment en obtenir le meilleur.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be