Auteur : D. Darimont – ICEDD

Notes :

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

Principe de la pirolyse.

La cogénération et la biomasse, une solution éprouvée!
La biomasse, qu’elle soit d’origine ligneuse, agricole, agro-alimentaire ou résidentielle, constitue une source d’énergie renouvelable et, bien souvent aussi, un déchet difficile à gérer.
Dans ce contexte, la gazéification de produits ligneux et la biométhanisation de déchets agricoles et résidentiels alimentant une unité de cogénération peuvent apporter des réponses tant du point de vue énergétique qu’environnemental.
Les techniques de gazéification ou de biométhanisation permettent maintenant de bien maîtriser les processus de combustion et de limiter ainsi les émissions de polluants.
Ces technologies valorisent ainsi efficacement une source d’énergie renouvelable, présente abondamment en Wallonie et encore largement sous exploitée. Leur utilisation comme source d’énergie primaire permet donc d’alléger nos émissions de CO2 et de participer à l’effort de notre pays au niveau de l’accord COP 21.
À ce titre, elles sont particulièrement visées par le décret relatif à l’organisation du marché de l’électricité en Wallonie, qui incite financièrement au développement d’applications économes en énergie primaire par le principe des certificats verts. L’économie en CO2 engendrée par des cogénérations à partir de biomasse est effectivement très importante.
D’une part, s’il s’agit d’une cogénération de qualité, elle participe au même titre que toute cogénération de qualité à l’économie de CO2 et peut donc recevoir à ce titre des certificats verts en fonction de sa qualité.
Par ailleurs, les cogénérations à partir de biomasse rendent également possible la création de nouvelles filières d’activités économiques et de nouveaux pôles d’excellence technologique en Wallonie.
Enfin, elles peuvent apporter des éléments de réponse à la lancinante question du traitement des déchets. Dans certains cas et sous certaines conditions, elles présentent, en effet, une réponse intégrée à ce problème majeur de société.
Cogénération au biogaz

Une réalisation concrète : la cogénération au biogaz à la décharge d’Anton.

Installation de la décharge d’Anton.

Dans le cas de la décharge d’Anton située à proximité d’Andenne, dont la réhabilitation pour le compte de la Région wallonne est menée par la Spaque, le biogaz généré par la masse des déchets enfouis est collecté et envoyé vers un module de cogénération.

Après une première expérience dans la cogénération débutée en 1999, l’unité a été remplacée en 2013.

Une nouvelle unité de cogénération a été mise en place, adaptée au biogaz produit sur le site, à savoir un biogaz pour une richesse en méthane de 55 %.

La nouvelle installation a une Puissance électrique installée de 115 kWé pour une puissance thermique de 160 kWth. Cette installation est dimensionnée pour absorber un débit de 50 m³/h de biogaz.

La chaleur est envoyée vers les différents bâtiments de l’Institut Saint-Lambert.

En 2014, l’installation a valorisé à peu près 1 million de m³ de déchets ménagers (445 000 m³ de biogaz produit), en produisant 912 MWh d’électricité (dont 41 % auto consomme et le reste a été réinjecté sur le réseau.) et 1 054 MWh de chaleur (dont 21 % a été autoconsommé et le reste renvoyé vers l’institut St Lambert).

Les rendements d’une installation de ce type (base de comparaison : pouvoir calorifique du gaz brûlé), pour un trimestre représentatif, sont de 33,6 % comme rendement électrique et 52,6 % pour le rendement thermique; ce qui donne un rendement global de 86,2 %.

Cogénération au bois

La cogénération au bois valorise le bois en électricité et en chaleur par une technologie unique qui est la seule solution bien adaptée aux déchets de bois produits dans les scieries, menuiseries de taille moyenne ainsi que ceux qui sont mobilisables lors de la gestion des espaces verts et des forêts.

Cogénérateur à gazéification de bois (source : Coretec).

La conversion du bois en électricité et en chaleur est réalisée par la gazéification du bois dans un gazogène et par la combustion du gaz produit dans un groupe de cogénération.

Installation d’une cogénération au bois : schéma de principe (source : Coretec).

Le combustible, par exemple sous forme de plaquette de bois, alimente le gazogène dans lequel il est transformé en gaz combustible. Le gaz produit est ensuite conditionné pour être brûlé dans le moteur du groupe de cogénération. L’électricité produite peut être consommée sur place ou être envoyée sur le réseau. La chaleur peut alimenter un procédé industriel ou des installations de chauffage. L’installation est entièrement automatisée et contrôlée à distance.
Les rendements de conversions électrique et thermique sont respectivement de 23 à 25 % et 50-57 %; soit un rendement total de 75-80 %. La puissance unitaire des centrales de cogénération développées et commercialisées en Wallonie varie de l’ordre de 30-45 kWé.

L’ajout à l’unité de cogénération d’une unité de production de froid par absorption transforme la cogénération en tri-génération.
L’objectif est d’utiliser la chaleur du moteur en été, à l’heure où elle est généralement moins utile, pour produire du froid. Ce froid peut être utilisé pour diverses applications comme la climatisation ou la réfrigération. La cogénération peut ainsi exploiter l’énergie primaire même en été.

Une telle technologie a naturellement un coût d’investissement élevé. De plus, la rentabilité tant énergétique que financière n’est pas souvent au rendez-vous. Une étude réalisée à l’UCL montrait les limites de cette technologie (« Économie d’énergie en trigénération ; Pépin Magloire, Tchouate Heteu, Léon Bolle ; Unité de thermodynamique et turbomachines, département de mécanique, Université catholique de Louvain ; 2002 »). En voici les principales conclusions :

  • Une cogénération de froid et d’électricité ne permet pas d’économiser systématiquement de l’énergie, mais permet dans certaines conditions une économie financière.
  • Cependant, la production simultanée de froid, de chaleur et d’électricité (trigénération) permet une économie d’énergie primaire en fonction de la fraction de chaleur λ utilisée pour la production de froid :
    • Pour les cycles LiBr/H2O, si λ est de l’ordre de 0,7.
    • Pour les cycles H2O/NH3, si λ est de l’ordre de 0,5.

Sur le marché, les puissances descendent actuellement jusqu’à 80 kW pour les machines à l’ammoniac ou même 70 kW pour les machines au Lithium-Bromure.
Le dimensionnement de la machine se fait en ajoutant la consommation de chaleur relative à la production de froid à la monotone de chaleur (calcul des puissances et des plages de fonctionnement) déjà définie précédemment.

Le fonctionnement idéal des machines à absorption, qui permet des rendements très élevés, utilise un fluide chaud à une température supérieure à 100 °C. Lorsque le fluide chaud n’est « qu’à » 95 °C, la puissance frigorifique est dans un rapport 1/1,6 de la puissance en chaud.
Notons finalement qu’une telle machine nécessite une tour de refroidissement plus grande.

Techniques

Présentation synthétique du phénomène d’absorption.

Source : Viessmann.

La micro-cogénération est une solution adaptée pour des plus petites installations, et en l’occurrence pour l’usage domestique. Au niveau du cogénérateur proprement dit, le moteur à combustion interne fait place à un moteur à combustion externe de type « stirling ». Dans de nombreux cas, la cogénération sera directement combinée avec une chaudière gaz à condensation. Les différents acteurs du marché ont à peu près tous développé une cogénération de type gaz.

Moteur stirling.

Cette technologie a été mise sur le marché pour répondre à des consommations électriques de l’ordre de 2 500 à 3 000 kWhé/an, ce qui correspond à la consommation annuelle moyenne d’un ménage.
Les puissances développées sont de 1 kWé et 6 kWth. Le complément thermique est donné par la chaudière à condensation qui peut moduler de 6 à 20 kW.

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