Auteur : D. Darimont – ICEDD

Notes :

  • mise en page – 1er passage, Sylvie 05.04.2016 (liens, mise page, Antidote).

Le cogénérateur

Fonction

Transformer le combustible en énergies électrique et thermique.

Description

Parmi les moteurs de cogénérateur, les moteurs gaz ou diesel sont les plus couramment rencontrés. Par rapport au moteur à combustion interne classique (celui de votre voiture, par exemple), le moteur de cogénérateur valorise sa chaleur au travers d’une série d’échangeurs thermiques.
Le cogénérateur est principalement composé des entités suivantes :

  • le moteur;
  • l’alternateur;
  • les échangeurs;
  • une régulation.

Les moteurs des cogénérateurs étudiés dans cet outil sont principalement des moteurs à combustion classique, couplés à des alternateurs produisant l’électricité.
Comme le montre la figure suivante, la chaleur produite par le cogénérateur peut être valorisée au travers de différents échangeurs. Le refroidissement du moteur, des gaz d’échappement, de l’huile du carter et, éventuellement, du système turbo permet de récupérer de l’ordre de 55-58 % de l’énergie incidente (combustion du gaz, diesel, huile végétale, biogaz, …). 35 % servent à produire l’électricité et le solde de 7-10 % représente les pertes par radiation du bloc moteur et les pertes dans les gaz d’échappement. Les différents échangeurs à haute et basse température sont connectés au circuit  hydraulique de chauffage.

La chaleur des gaz d’échappement à 500 °C peut être récupérée à plus de 70 % par refroidissement à 150 °C. La chaleur de l’eau de refroidissement et de l’huile du moteur à +/- 100 °C peut être entièrement récupérée, alors que la chaleur de refroidissement du turbo à 45 °C peut plus difficilement être utilisée. Ce niveau de température est en effet trop bas pour être valorisé.
Les moteurs diesel et gaz sont utilisés dans une gamme de puissance de 5 kW à plusieurs MW et s’appliquent donc particulièrement aux secteurs tertiaires, industriel et PME, ainsi qu’au logement.
La récupération de chaleur sur ce type de moteur se prête bien à des utilisations à des températures inférieures à 100 °C comme la préparation d’eau chaude sanitaire, bien qu’une petite quantité de vapeur puisse néanmoins être générée grâce à la récupération de la chaleur contenue dans les gaz d’échappement (400 .. 500 °C).

Centrale de Cogénération compacte au gaz de 400 kWé.

Principales caractéristiques d’un groupe de cogénération complet

Le moteur

  • La puissances électrique (kW), thermique (kW), et combustible (PCI).
  • Le carburant gaz ou fuel.
  • Les rendements électriques et thermiques à différentes charges.
  • Le débit d’air et le sens de circulation pour ventilation et air comburant.
  • La présence d’un pot catalytique ou non.
  • Le silencieux.
  • La modulation de puissance : plages horaires et puissances prévues.

L’alternateur

  • Synchrone ou asynchrone.
  • Le rendement électrique à différentes charges.

L’échangeur

  • La température d’entrée d’eau.
  • La température de sortie d’eau.
  • Le débit d’eau.
  • La pression d’alimentation en combustible.

Les principes de régulation

  • signaux d’enclenchement, de déclenchements, de modulation.

Packaging

Les unités de cogénération se présentent sous deux formes :

  • Un package complet standard, comprenant dans un seul caisson moteur, génératrice, récupération de chaleur, régulateur et évacuation des gaz de combustion. Les différents composants sont parfaitement dimensionnés les uns par rapport aux autres et l’ensemble présente des coûts d’investissement et de maintenance réduits.
  • Beaucoup plus rare dans la gamme de puissance visée ici, un package spécifique assemblé sur mesure, où chacun des composants est sélectionné sur le marché et dont l’ensemble est optimisé pour répondre aux spécificités d’un projet particulier. Ce type de module est étudié au cas par cas et coûte généralement plus cher.

Il est important de noter que les unités de cogénération équipées d’un moteur diesel sont directement issues de la technologie camion ou voiture. Elles bénéficient ainsi d’effets de série très importants. Leurs prix sont moins élevés que les modèles de puissance équivalente alimentés au gaz, même si cette tendance s’estompe actuellement.

Le moteur

Fonction

Transformer le combustible (gaz, biogaz, huile végétale, …) en énergies mécanique, transformée plus loin en énergie électrique par la génératrice, et thermique, récupérée dans les échangeurs de chaleur.

Description

Le moteur est le cœur du cogénérateur, la régulation agit directement sur l’injection de carburant pour atteindre le niveau de puissance attendu.
Le moteur est aussi l’élément le plus fragile et il représente de loin la plus grande partie de la maintenance du groupe de cogénération.
Techniquement, le moteur se caractérise principalement par :

  • La puissance mécanique.
  • Le combustible utilisé, gaz ou mazout.
  • Les rendements à différentes charges.
  • Les émissions de gaz de combustion et la présence d’un pot catalytique ou non.
  • Les émissions sonores et la présence d’un silencieux ou non.
  • Le débit d’air et le sens de circulation, pour assurer la ventilation et l’air comburant.
  • Le déclassement du moteur en fonction de son usage : Stand-By; Prime; Base.

La génératrice

Fonction

Transformer l’énergie mécanique du moteur en énergie électrique et l’amener sur le réseau interne du client par le raccordement électrique.

Description

Alternateur synchrone

La génératrice synchrone est constituée d’un rotor, appelé inducteur, parcouru par un courant continu. Par la rotation des pôles de l’inducteur à l’intérieur du stator (l’induit), un courant alternatif est créé aux bornes de l’induit. Le courant induit est au départ indépendant du réseau et doit absolument être synchronisé en grandeur, en fréquence et en phase à celui-ci. La génératrice synchrone nécessite donc un équipement de synchronisation (le synchroniseur). Elle est plus complexe, plus onéreuse et nécessite la mise en place de matériels coûteux. Elle permet par contre d’assurer le secours de son établissement « hôte » en cas de perte de réseau.
La machine devra, en outre, être équipée d’une série de protections électriques comme une protection de découplage, une protection de surintensité et de mise à la terre.

Génératrice asynchrone

Une génératrice asynchrone est un moteur asynchrone dont la vitesse de glissement par rapport au champ tournant (qui est constitué par le réseau électrique) a une valeur telle qu’il se produit aux bornes du stator un courant alternatif (rotor en survitesse par rapport au champ tournant du stator). La génératrice asynchrone ne nécessite pas d’équipements de synchronisation dans la mesure où elle se synchronise automatiquement au réseau. Sa constitution est plus simple, les coûts sont moins élevés. Elle ne requiert pas d’auxiliaires électriques coûteux si ce n’est une batterie de condensateurs qui devra corriger le cosinus Phi. Celui-ci sera en effet détérioré par la puissance réactive appelée par la machine asynchrone. Ceci suppose aussi que la puissance électrique du cogénérateur ne pourra pas être trop importante pour ne pas trop détériorer le cosinus Phi de l’établissement. En pratique, pour la puissance électrique du groupe de cogénération, on ne dépassera pas 25 à 30 % de la puissance appelée par l’établissement.
Ayant besoin d’une alimentation du réseau électrique pour fonctionner, cette machine ne peut donc pas assurer un secours en cas de panne du réseau.

Résumé des avantages et inconvénients

Génératrice asynchrone
[+]

  • Coût d’investissement faible.
  • Simplicité d’utilisation.

[-]

  • Pas de possibilité d’utiliser l’unité de cogénération comme groupe de secours.
  • Limitation de la puissance du groupe par rapport à la puissance de l’établissement (25 à 30 %).
  • Nécessité de placer une batterie de condensateurs.

Alternateur synchrone
[+]

  • Possibilité d’utiliser l’unité de cogénération comme groupe de secours.
  • Solution adaptée à toutes les configurations techniques.

[-]

  • Coût d’investissement élevé.
  • Obligation d’auxiliaires électriques coûteux (synchroniseur, protection).

Caractéristiques techniques

Les caractéristiques principales de la génératrice sont :

  • la puissance électrique;
  • le régime de tension;
  • la génératrice synchrone ou asynchrone;
  • son cosinus phi.

Le raccordement électrique

Fonction

Amener l’énergie électrique depuis la génératrice vers le circuit électrique, avec toutes les protections nécessaires.

Description

La cohabitation de la cogénération et du réseau électrique du distributeur sur un même circuit demande l’installation d’une série de protections.
Le raccordement électrique se compose ainsi de plusieurs éléments :

  • le câble de puissance et les protections électriques « classiques »;
  • la protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau;
  • le dispositif de synchronisation en cas de génératrice synchrone.

Câble de puissance et protections électriques « classiques »

Le câble de puissance, un câble électrique standard, amène l’électricité générée par la cogénération à l’installation électrique du client.
Plusieurs protections interviennent sur ce circuit électrique :

  • La protection des installations contre un dysfonctionnement du cogénérateur en plus des protections contre un dysfonctionnement du réseau électrique;
  • La protection du groupe de cogénération contre un dysfonctionnement interne ou contre un dysfonctionnement du réseau électrique;
  • La protection des personnes.

Les principales caractéristiques sont :

  • La tension de raccordement.
  • Le câble de puissance : type, dimensions et mode de pose du câble.
  • Les dispositifs de protection contre les surcharges et contre les courts-circuits.
  • Le régime de neutre et protection des personnes.

Protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau

La protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau permet :

  • Au gestionnaire de réseau d’exploiter son réseau de manière sûre et de se prémunir des incidents éventuels.
  • À l’auto producteur de protéger son installation en cas d’incident sur le réseau de distribution :

Schéma électrique de découplage.

Génératrice SYNCHRONE
avec fonctionnement en secours.

Deux situations sont prévues :

  • Soit le cogénérateur ne peut jamais fournir d’énergie au réseau. On parle « d’autoproduction », c’est-à-dire qu’on ne produit de l’électricité que pour ses propres besoins.
  • Soit le cogénérateur peut débiter sur le réseau (par exemple, dans le cadre d’un contrat de rachat d’énergie). On parle alors de production décentralisée.

Protection de découplage ou production décentralisée

Pour les installations de production décentralisée, on parle d’une protection de découplage. Cette protection permet, au moyen d’une série de relais (relais obligatoirement agréés par le distributeur), la mise hors service des cogénérateurs lorsque leurs influences deviennent trop importantes en cas de régimes de réseaux perturbés. Des packages agréés complets existent dans le commerce reprenant toutes les fonctionnalités de protection.

Protection directionnelle ou autoproduction

Une protection directionnelle isole le cogénérateur du réseau dès que de la puissance électrique passe vers le réseau. Dans ce cas, les protections mentionnées ci-dessus ne sont pas nécessaires.

Synchronisation de la génératrice synchrone

Le synchronoscope, composé d’un double fréquence-mètre et d’un double voltmètre (points 1 et 2 sur le schéma), donne une image des différences entre les champs tournants des deux branches du réseau à coupler que sont le cogénérateur et le réseau basse tension du client : comparaison de la fréquence et de la tension en grandeur et en phase.

Synchronisation de la génératrice synchrone.

Pour un démarrage normal, lorsque l’installation est sous tension, le synchroniseur va ajuster la puissance du moteur, via l’injection, pour adapter sa vitesse et donc la fréquence. Il va aussi moduler le courant d’excitation pour ajuster la tension en grandeur.
Lorsque les tensions et fréquences sont égales en grandeur et en phase, le couplage est actionné.
Pour un recouplage après un découplage du réseau, le même principe peut être utilisé avec une comparaison entre les points 1 et 3 au lieu des points 1 et 2.
Lorsque l’installation est alimentée par le groupe, mais isolée du réseau, on dit qu’elle est en îlotage. La puissance du moteur et le courant d’excitation régulent respectivement la fréquence et la tension. Lorsque le groupe fonctionne en parallèle sur le réseau, la puissance du moteur et le courant d’excitation régulent respectivement la charge électrique délivrée par le groupe et le cos phi.

Théorie

Pour plus d’informations sur le synchronisme des générateurs synchrones, cliquez ici !

Les échangeurs de chaleur

Fonction

Récupérer la chaleur du moteur et des fumées pour la raccorder au système de production de chaleur  existant.

Description

Les échangeurs de chaleur permettent à 2 fluides, liquide ou gaz, de se croiser et d’échanger leur énergie thermique sans se mélanger. Les échangeurs les plus souvent rencontrés sont les échangeurs à plaques et les échangeurs à tubes droits ou en « U ». Ils se distinguent essentiellement par le type de surface d’échange entre les deux fluides. Leurs comportements respectifs en découlent.
Le groupe de cogénération comprend généralement 3 échangeurs de chaleur : le premier récupère la chaleur du bloc moteur dans l’eau de refroidissement, le deuxième celle des de l’huile de lubrification et le troisième celle des fumées.
Un quatrième échangeur est parfois présent au niveau du bloc turbo. Il est couramment appelé « intercooler » et sert à refroidir.
Une faible part de l’énergie thermique n’est pas récupérable, il s’agit de la chaleur dégagée par rayonnement et convection du moteur, de la chaleur résiduelle dans les échappements et des pertes dues à un éventuel intercooler.

Les caractéristiques essentielles des échangeurs de chaleur sont :

  • La températures d’entrée et de sortie.
  • Les débits.
  • Les polluants potentiels et solutions préconisées.

À quelques rares unités près, dans le secteur tertiaire, la plupart des cogénérateurs sont de petite puissance (quelques dizaines de kW) voire de puissance moyenne (quelques centaines de kW). Le cogénérateur alors se présente souvent sous la forme d’un « kit », échangeurs compris. Ces échangeurs sont, en général, en série; ce qui signifie que le cogénérateur ne dispose hydrauliquement que de deux connexions (départ/retour) pour se raccorder sur le circuit de chauffage.

Pour des unités de puissance plus importante, les échangeurs peuvent ne pas faire partie intégrante du cogénérateur. Dans ce cas, un ensemblier peut prévoir des échangeurs « externes » pour fournir de la chaleur à des températures différentes. Le dimensionnement de ces échangeurs se fera en fonction des exigences des différents besoins en chaleur. Ce genre d’unités de cogénération se retrouve plutôt dans l’industrie.

Le raccordement hydraulique

Fonction

Amener l’énergie thermique depuis les échangeurs du groupe de cogénération jusqu’au circuit d’utilisation de la chaleur, le plus souvent un système de chauffage central.

Schéma simplifié d’une installation type.

Description

Le raccordement hydraulique connecte la cogénération au circuit d’utilisation de chaleur du client et permet, par l’intermédiaire des vannes placées sur les canalisations, de gérer l’utilisation des différentes parties du circuit hydraulique.
On distingue essentiellement deux types de raccordement avec les chaudières : en parallèle ou en série.

Raccordement en série

Le raccordement en série est indiqué dans les configurations de chaufferie où :

  • Le réseau est de grande capacité.
  • Les débits d’eau sont importants.
  • La puissance du cogénérateur est faible par rapport à la puissance de la ou les chaudières.
  • Les chaudières sont à haute température.

Raccordement en série.

Dans le raccordement en série, la prise d’eau pour le refroidissement du moteur et sa sortie sont toutes les deux raccordées en amont des chaudières, sur le retour d’eau froide du circuit d’utilisation de chaleur du client. La prise d’eau se trouve en amont de son retour.
Une pompe de circulation assure l’irrigation correcte du moteur et, selon les cas, un échangeur de chaleur sépare le circuit principal du circuit de refroidissement du moteur.
L’inconvénient majeur de cette technique sera la non-adéquation avec une chaudière à condensation en raison d’un retour chaud et les pertes à l’arrêt inhérent à ce retour chaud.
L’avantage majeur est la « simplicité » de mise en œuvre dans une chaufferie existante, en limitant les modifications hydrauliques de la chaufferie.

Raccordement en parallèle

Raccordement en parallèle avec des chaudières à condensation par exemple.

Le raccordement en parallèle est indiqué dans les configurations de chaufferie où :

  • Les chaudières sont des chaudières à condensation.
  • Les nouvelles chaufferies.

Dans le raccordement en parallèle, la prise d’eau pour le refroidissement du moteur est raccordée en amont des chaudières, sur le retour d’eau froide du circuit d’utilisation de chaleur du client, tandis que le retour est raccordé en aval des chaudières, sur le départ vers le circuit d’utilisation de la chaleur.
Une pompe de circulation assure l’irrigation correcte du moteur et, selon les cas, un échangeur de chaleur sépare le circuit principal du circuit de refroidissement du moteur.
Un by-pass (vanne 3 V sur le schéma) permet la charge partielle ou la mise à l’arrêt du cogénérateur.

Principales caractéristiques techniques du raccordement hydraulique

Techniquement, le raccordement hydraulique se caractérise principalement par :

  • Le type de raccordement (parallèle, série, présence ou non d’un volume de stockage de chaleur, d’un aéro-réfrigérant…).
  • Le régime de température du réseau et la compatibilité des températures.
  • Le dispositif pour empêcher le retour d’eau chaude en entrée du groupe.
  • L’isolation du groupe du reste du circuit.
  • La qualité de l’eau d’appoint, traitement.
  • La bouteille de mélange ou non.
  • Le principe de régulation des chaudières.
  • L’aéro-réfrigérant :
    • l’échangeur,
    • l’antigel,
    • l’antibruit,
    • la puissance.

Le stockage de chaleur

Fonction

Si le besoin en chaleur du bâtiment est plus petit que la puissance thermique développée par la cogénération, cette dernière est normalement à l’arrêt. On peut cependant imaginer stocker une partie de la chaleur produite dans un ballon tampon pour l’utiliser lorsque la demande de chaleur est plus importante, par exemple lors de la relance matinale.

L’intérêt du stockage est :

  • De satisfaire une demande électrique sans que la chaleur produite à ce moment soit perdue. Cet avantage peut être particulièrement intéressant pendant les heures de pointe où l’électricité est particulièrement chère.
  • L’écrêtage des fluctuations de température, ce qui limite la fréquence de cycles marche/arrêt et augmente les temps de fonctionnement et la durée de vie de la machine.
  • La fourniture d’une plus grande partie de la demande de chaleur ce qui permet d’installer une plus grosse machine.

Description

Le stockage peut être mis en œuvre de différentes façons :

  • Le stockage dans les chaudières existantes (en fonction du volume d’eau de celles-ci).
  • Le stockage dans le réseau de tuyauterie (pour les grands réseaux).
  • Le stockage dans un réservoir indépendant.

Les principales caractéristiques du ballon de stockage sont

  • Le volume de stockage.
  • La position du stockage dans le circuit hydraulique.
  • Les températures et débits d’entrée et de sortie.
  • L’isolation thermique du ballon.

La régulation

Fonction

Réguler l’ensemble des équipements du cogénérateur, par exemple démarrer et arrêter le groupe ou moduler sa puissance en fonction de la demande de chaleur.

Description

La régulation se constitue d’un ensemble d’automatismes qui permettent de piloter, souvent à distance, le groupe de cogénération. C’est généralement le prescripteur qui rédige le cahier des charges de conduite.

De façon non-exhaustive, nous citons ici les principaux signaux de régulation :

  • Le démarrage
    • Le début des heures pleines relatives au tarif de l’électricité.
    • La pointe de consommation électrique (pointe quart-horaire).
    • Le besoin en chaleur (température de l’eau de retour).
    • La disparition du réseau électrique.
    • Le démarrage forcé par l’utilisateur.
  • L’arrêt
    • La fin des heures pleines relatives au tarif de l’électricité.
    • Le problème de parallélisme avec le réseau ou protections électriques.
    • La disparition du besoin de chaleur.
    • Le mauvais refroidissement du moteur (température de l’eau de retour).
    • Autre défaut sur le retour d’eau.
    • Le problème d’approvisionnement en combustible (niveau de fuel ou position de vanne).
  • La modulation de charge
    • La fluctuation du besoin en chaleur (température de l’eau de retour).
    • La pointe de consommation électrique (pointe 1/4 horaire).