Régulation d'un ensemble chaudière/cogénérateur

Sommaire

Régulation d’ensemble

Ordre de priorité

Monotone de chaleur.

Dans l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières, l’objectif, comme on l’a déjà précisé, est que la cogénération fonctionne un maximum d’heures sur l’année. Elle devrait donc être “en tête” de cascade ! Attention toutefois qu’une cogénération ne peut, en général, moduler qu’entre 60 et 100 % de son taux de charge thermique.

En supposant que l’étude donne un dimensionnement de la puissance du cogénérateur de l’ordre de 40 % de la puissance totale nécessaire au bâtiment, il ne pourra moduler qu’entre une valeur de 24 à 40 % de la puissance totale. Sous les 24 % de puissance, si la cogénération est mise en tête de cascade, elle va commencer à “pomper” avec pour effet d’accentuer son vieillissement prématuré, car elle ne supporte pas les séquences répétées marche/arrêt.

Zone 1

En réalité, pour un besoin inférieur à 24 % de la puissance totale, ce sont les autres chaudières qui doivent être en “tête” de cascade. Si la chaufferie est équipée d’une chaudière à condensation, pour autant qu’elle soit dans de bonnes conditions de condensation, c’est elle qui doit assurer le besoin de chaleur. Avec sa capacité à moduler de 10 % à 100 % de son taux de charge, avec un excellent rendement à faible charge, la chaudière à condensation est tout indiquée.

Zone 2

Dans la plage de 24 à 40 % de la puissance totale nécessaire, la cogénération doit fonctionner en priorité. Une régulation mal réglée peut être à l’origine de l’arrêt prolongé ou du “pompage” de la cogénération ; ce qui n’est pas le but recherché.

Zone 3

Pendant les périodes de grands froids, la cogénération ne sera pas suffisante pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment considéré. Il sera nécessaire de lui adjoindre une chaudière afin de lui donner le “coup de pouce sauveur”. Cette opération est délicate en fonction du type de chaudière qui vient faire l’appoint. Un développement trop important de puissance de la part de la chaudière peut faire en sorte que la cogénération s’arrête voire pire qu’elle commence à “pomper” (marche/arrêt intempestifs à faible charge). Pour cette plage de fonctionnement, il sera nécessaire, si possible, de piloter les chaudières en puissance de manière à éviter de démarrer :

une chaudière classique avec brûleur à 2 allures en grande flamme ;
une chaudière plus récente avec brûleur modulant à 100 % de taux de charge.

Exemple

Situation avant :

un besoin thermique maximum de 600 kW ;
deux chaudières classiques HR de 300 kW chacune.

La configuration suivante est envisagée :

Une des deux chaudières est remplacée par une chaudière à condensation sans réduction de puissance par rapport à l’ancienne chaufferie. La chaudière à condensation peut moduler de 10 à 100 % de sa puissance nominale.
Une cogénération de 200 kW thermique équipée d’un ballon tampon est sélectionnée par l’étude de faisabilité. La cogénération peut moduler de 60 à 100 % de sa puissance thermique nominale.

Le graphique suivant donne un aperçu d’un type de régulation réalisable :

Cette régulation intelligente tente de maintenir les différents équipements de production de chaleur à leur meilleure efficacité énergétique optimale, à savoir :

De 0 à 24 % du besoin de chaleur : la chaudière à condensation module de 5 à 24 % du besoin total de chaleur (soit 10 à 48 % de son taux de charge). Dans cette plage, le rendement de la chaudière peut atteindre au mieux de l’ordre de 107 % sur PCI.
De 24 à 40 % du besoin de chaleur : la cogénération module de 60 à 100 % de son taux de charge.
De 40 à 90 % du besoin de chaleur : la cogénération est à 100 % de sa charge soit à son meilleur rendement (cogénération de qualité) et la chaudière à condensation module de 10 % à 100 % de son taux de charge.
De 90 à 100 % du besoin de chaleur : la cogénération et la chaudière à condensation restent à 100 % de leur taux de charge tandis que la chaudière existante donne le complément de chaleur pendant quelques heures par an, ce qui n’affecte que très peu le rendement saisonnier de l’ensemble des deux chaudières.

On notera ici toute l’importance du ballon tampon qui permet :

De réduire la puissance thermique de la cogénération.
D’éviter les cycles courts ou le pompage de la cogénération. De cette manière, on prolonge aussi la durée de vie de la cogénération sachant qu’elle est, non seulement liés au nombre d’heures de fonctionnement, mais aussi au nombre de démarrages.

Comment assurer la régulation d’ensemble ?

En réalité, la régulation ne doit pas être une “usine à gaz”.

Ce qui nous intéresse ici, sur base d’un ensemble d’équipements de production de chaleur, c’est de “sélectionner le bon équipement au bon moment” en partant toujours de l’idée de choisir l’équipement qui donnera la meilleure performance énergétique à l’ensemble.

Voici un type de régulation d’ensemble qui pourrait être proposé.

Schéma de régulation ensemble chaudière(s)/cogénération.
Source Vadémécum : réussir l’intégration de l’hydraulique et de la régulation d’une cogénération dans une chaufferie, facilitateur cogénération 2014.

Chaque unité de production de chaleur ayant sa propre régulation interne, la complexité réelle de la régulation reste interne aux unités. Une régulation d’ensemble cohérente doit de plus être assurée de manière à ce que les équipements communiquent un minimum entre eux.

Il est donc nécessaire qu’un des régulateurs des chaudières puisse superviser le cogénérateur. Le superviseur peut par exemple être le régulateur d’une nouvelle chaudière à condensation.

Pour en savoir plus, le facilitateur Cogénération pour la Wallonie a publié un vadémécum “Réussir l’intégration de l’hydraulique et de la régulation d’une cogénération dans une chaufferie”. Il est disponible ici.

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation des chaudières.

Régulation interne de la cogénération

Le nombre d’heures de fonctionnement et le nombre de démarrages de la cogénération associée à un ballon tampon peut être influencé par la régulation :

du taux de charge du cogénérateur par rapport à sa puissance thermique nominale et au besoin de chaleur total ;
du taux de charge du ballon tampon.

Taux de charge du cogénérateur

La régulation interne du cogénérateur peut être réalisée selon le rapport entre le besoin instantané de chaleur (en kWth) et la puissance thermique nominale de la cogénération en dessous duquel la cogénération reste à l’arrêt. Pratiquement, cette régulation s’exprime par sa capacité à gérer la modulation de puissance de la cogénération. Une cogénération classique peut en général avoir une modulation de puissance entre 60 et 100 %.

Exemple

Soit :

une cogénération de 300 kW thermique ;
un rapport : besoin de chaleur/puissance nominale de la cogénération de 60 %.

A l’instant t, la cogénération est à l’arrêt. La cogénération redémarrera lorsque le besoin thermique sera de 300 x 0.6 = 180 kW.

Sur base de différentes simulations effectuées avec CogenSim, on peut montrer l’influence de ce type de régulation.

Les hypothèses sont les suivantes :

Les profils de chaleur et d’électricité sont ceux donnés par défaut dans CogenSim.
Plage de modulation de la cogénération : 100 à 60 %.
Le taux de charge maximum du ballon en dessous duquel la cogénération module dans sa plage de modulation : 60 %.
Le taux de charge minimum du ballon à partir duquel la cogénération redémarre : 40 %.

Dans les simulations on fait varier le rapport besoin thermique/puissance cogénérateur, soit 60 et 90.

	Temps de fonctionnement (heures/an)								Nombre de démarrages annuel
Taux de charge du cogénérateur (%)	0-39	40-49	50-59	60-69	70-79	80-89	90-99	100	Nombre de démarrages annuel
Besoin/puissance cogénération
60%				1261	169	479	387	5714	21
90%				653	77	470	387	5709	1

On constate que :

Cette régulation permet de “grappiller” quelques heures de fonctionnement lorsqu’on dispose d’une cogénération qui peut démarrer à un taux de charge de 60 %.
Attention, cependant, que le nombre de démarrage augmente légèrement lorsqu’on passe de 90 à 60 %, ce qui sollicite le cogénérateur en accélérant son vieillissement.

Taux de charge du ballon

En dessous d’une certaine valeur de taux de charge maximum, la cogénération module en puissance. Plus ce taux de charge maximum est élevé, plus la cogénération commence à “pomper” (marche/ arrêt important). Ce qui nuit naturellement à longévité du cogénérateur.

Exemple

Les simulations sont de nouveau effectuées avec CogenSim.

Les hypothèses sont les suivantes :

La puissance thermique du cogénérateur : 300 kW thermiques.
La plage de modulation de la cogénération : 100 à 60 %.
Le rapport besoin de chaleur/puissance cogénérateur en dessous duquel la cogénération module en puissance : 60 %.
Le taux de charge minimum du ballon à partir duquel la cogénération redémarre : 40 %.

Dans les simulations on fait varier le taux de charge maximum du ballon en dessous duquel la cogénération module dans sa plage de modulation, soit 60 et 90 %.

	Temps de fonctionnement (heures/an)								Nombre de démarrages par an
Taux de charge du cogénérateur (%)	0-39	40-49	50-59	60-69	70-79	80-89	90-99	100	Nombre de démarrages par an
Taux de charge max du ballon à partir duquel la cogénération module (100 à 60 %)
60%				1261	169	479	387	5714	21
90%				789	117	464	338	6158	593

On constate que choisir un taux de charge maximum du ballon pas trop élevé (autour des 60 %) permet :

D’augmenter le nombre d’heures de fonctionnement du cogénérateur. En fait, la cogénération module beaucoup rapidement sa puissance par rapport aux besoins de chaleur au travers du ballon en “épousant” mieux le profil du besoin.
De réduire le nombre de démarrages de manière draconienne, ce qui allonge la durée de vie du cogénérateur.

Régulation individuelle des chaudières par rapport à la cogénération

Lorsqu’une ou plusieurs chaudières existantes sont en appoint de la cogénération, les régulations individuelles de chaque chaudière doivent être adaptées par rapport au cogénérateur. Souvent, on observera que lorsque le besoin de chaleur devient supérieur à la puissance thermique des cogénérateurs, on démarre une chaudière d’appoint sans modulation de puissance au niveau du brûleur. Le “boost” de puissance de la chaudière va tout de suite “affoler” la régulation du cogénérateur qui risque de s’arrêter rapidement. Il en résulte un risque non négligeable de “pompage” de la cogénération altérant ainsi :

la rentabilité de la cogénération ;
la durée de vie de la cogénération tout en augmentant le risque de panne.

Immanquablement, la chaudière d’appoint devra démarrer, pour les anciens modèles en petite flamme et pour les modèles récents au minimum de la plage de modulation (à 10 % pour une chaudière à condensation par exemple).