Analyse énergétique et exergétique d’une micro-cogénération pour la production de l’électricité et du froid

Définition et intérêt des systèmes de cogénération 

La cogénération est définie comme étant la production simultanée des énergies électrique et thermique à partir d’une source d’énergie primaire. Depuis plusieurs années, les systèmes de cogénération se sont installés allant de la plus petite aux grandes puissances. En fonction des échelles de puissance, ils sont classés en quatre groupes [4] : – Micro-cogénération, puissance inférieure ou égale à 50 kW ; – Petite-cogénération, puissance comprise entre 50 kW et 5 MW ; – Moyenne ou Mini-cogénération, puissance comprise entre 5 MW – 50 MW ; – Grande-cogénération, puissance supérieure à 50 MW. Plusieurs études ont été réalisées sur les systèmes de cogénération et continuent de susciter des intérêts de par leurs avantages. Avec un rendement électrique des machines motrices de l’ordre de 35 %, la possibilité de valoriser leur rejet thermique pour la production d’eau chaude ou pour la production du froid permet d’obtenir des rendements globaux de 90 % (figure 1.1) [5-6].Ces systèmes permettent de faire des économies considérables dans la production d’énergie finale mais aussi dans la consommation d’énergie primaire, cette dernière pouvant être réduite d’environ 30 % [7] comparée au système conventionnel. Ils sont très adaptés pour des microcentrales décentralisées surtout pour des régions disposant d’un potentiel énergétique (biomasse, déchets de cheptel, déchets agricoles) et surtout éloignées du réseau électrique ou pour d’autres besoins spécifiques (chaleur/froid). De même, ces systèmes peuvent être adaptés aux industries qui ont des besoins de vapeur d’eau ou d’air chaud importants et une forte consommation d’électricité. Dans le secteur tertiaire, les immeubles de bureaux, les hôpitaux peuvent être concernés par la cogénération. Enfin la cogénération présente également un intérêt dans la diversification de sources de production d’énergie mais aussi dans la production décentralisée pour des micro-cogénérations. Cette dernière peut éviter des coûts de développement des réseaux électriques et des pertes en ligne correspondantes. Enfin, la détermination de l’impact de la cogénération sur l’environnement est complexe. En effet, il faut être capable, par exemple, de déterminer la quantité de CO2 qui serait rejetée à l’atmosphère en production centralisée et qui ne se présente pas en cogénération. Si le biogaz épuré est choisi, la combustion ne produit essentiellement que de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Ce dernier, principal gaz à effet de serre est d’environ 20 % inférieure à celui produit par la combustion du fioul et voire 40 % par la combustion du charbon [4]. Le potentiel des ressources en énergies renouvelables en Afrique (particulièrement pour les applications électriques) est loin d’être pleinement exploité, essentiellement en raison du faible intérêt politique qu’elles suscitent et des niveaux d’investissement exigés. Les estimations provenant d’études récentes [8] indiquent par ailleurs qu’une proportion significative de la production électrique actuelle dans 16 pays de l’Afrique orientale et méridionale pourrait être couverte par une cogénération utilisant la bagasse dans l’industrie sucrière. Ces technologies renouvelables et d’autres pourraient apporter une contribution significative et jouer un rôle d’importance croissante dans l’amélioration de la sécurité énergétique et de l’accès à des services énergétiques modernes, tout en renforçant le développement du secteur de l’énergie en Afrique. L’île Maurice est un exemple réussi de la cogénération avec une production électrique à partir Chapitre 1 : Etat de l’art des systèmes de cogénération 8 de la cogénération issue des déchets des industries sucrières d’environ 40 % de la production nationale [8]. Tableau 1.1 : Potentiel de cogénération (bagasse) de certains pays de la zone subsaharienne en 2003 [8] Pays Capacité installée en 2003 (MW) Production totale en 2003 (GWh) Potentiel de cogénération Quantité (GWh) Part de la production totale (%) Ile Maurice 725 1564 600 38.4 Soudan 1380 3165 643.5 20,3 Malawi 306 1177 250.8 21,3 Kenya 1143 4563 530.3 11.6 Ouganda 303 1756 173.4 9.9 Zimbabwe 1961 7906 686.4 8,7 Ethiopie 493 1812 150.3 8,3 Tanzanie 863 2770 100.8 3,6 Les industries sucrières étant bien installées en Afrique de l’Est et du Sud, ces pays présentent un potentiel élevé de production d’électricité à partir des systèmes de cogénération comme présenté dans le tableau 1.1. D’autres développements majeurs sont en cours en Afrique de l’Ouest à l’instar de la Côte d’Ivoire avec le projet Biokala, qui permettra de produire de l’électricité à partir de troncs et de feuilles de palmiers à huile ainsi que des résidus d’hévéa. On parle à terme de l’exploitation d’une centrale de cogénération de 42 Mégawatts .

Les machines motrices 

Plusieurs technologies différentes ont été considérées pour présenter les applications de la cogénération. Ces technologies peuvent être divisées en deux catégories [10]:  Technologie basée sur la combustion (Moteur Stirling, turbine à gaz, cycle de Rankine et moteurs à combustion interne) ;  Technologie basée sur l’électrochimie (piles combustibles). Chapitre 1 : Etat de l’art des systèmes de cogénération 9 Certaines de ces technologies sont déjà matures à l’instar des moteurs à combustion interne, les turbines à gaz avec une disponibilité sur le marché pendant que d’autres sont encore à l’étape de recherche et de développement avec des systèmes commerciaux limités à savoir les systèmes basés sur le cycle de Rankine organique, les moteurs Stirling et les piles combustibles.

 Les moteurs à combustion interne 

Les moteurs à combustion interne (MCI) sont largement utilisés en cogénération en raison de leur rendement thermique élevé sur une large plage de puissance mais aussi de leur possibilité d’application à une grande gamme d’installation. Cette installation de cogénération comporte essentiellement le moteur à combustion interne, un système de récupération de la chaleur et un échangeur de chaleur (figure 1.2). La chaleur peut être récupérée des gaz d’échappement (400 °C à 600 °C), du circuit de refroidissement du bloc-moteur (90 °C à 125 °C) et enfin du circuit de lubrification représentant respectivement environ 30 %, 20 % et 15 % de l’énergie admise. Cependant, l’énergie thermique contenue dans le lubrifiant est difficile à récupérer à cause de son faible niveau de température. Figure 1.2 : Système de cogénération à partir des moteurs à combustion interne Gaz d’échappement Fluide caloporteur Fluide de Refroidissement du moteur Entrée combustible Chapitre 1 : Etat de l’art des systèmes de cogénération 10 Une large variété de combustible liquide et gazeux peut être utilisée. Les moteurs à allumage commandé (Cycle Otto) fonctionnent à partir de l’essence, du gaz naturel, du propane ou du biogaz et les moteurs à allumage par compression (Cycle Diesel) fonctionnent à partir du combustible diesel. Généralement l’efficacité totale des systèmes de cogénération à partir des MCI peut atteindre 70-80 %

 Les turbines à gaz

 Les systèmes de cogénération à partir des turbines à gaz comportent généralement un générateur, une chambre de combustion, un récupérateur, un compresseur et une turbine reliée par un arbre (figure 1.3). Figure 1.3 : Fonctionnement d’une cogénération basée sur une turbine à gaz L’air est comprimé dans un compresseur entre 15 et 40 bars, selon la puissance électrique délivrée par la turbine avant d’être introduit dans la chambre de combustion, où il se mélange avec le combustible qui peut être un dérivé du pétrole ou du gaz naturel. Après la combustion, le mélange produit est détendu dans la turbine. Le compresseur fonctionne approximativement avec 65 % de l’énergie produite de la turbine pendant que le reste est constitué de l’énergie mécanique disponible sur l’axe par la turbine. Ce dernier est couplé à un alternateur pour produire de l’électricité. Les gaz qui résultent de la combustion sont produits à haute température (850 °C à 1200 °C et parfois plus). C Electricité G Récupérateur Récupérateur Compresseur Turbine Combustible Echappement (450 °C-600 °C) Echappement Caloporteur Echappement Cheminée Air Chapitre 1 : Etat de l’art des systèmes de cogénération 11 Après détente dans la turbine ces gaz sont encore chauds (450 °C à 600 °C). Une partie de la chaleur disponible peut être récupérée dans une chaudière ou dans un échangeur de chaleur. De plus, leur forte teneur en oxygène (15 % à 16 %) permet de les utiliser comme comburant dans des brûleurs spéciaux dits de postcombustion qui peuvent être installés sur la plupart des chaudières classiques. 

Les turbines à vapeur 

Les turbines à vapeur sont les technologies les plus anciennes pour générer de l’électricité ou de l’énergie mécanique. Ils convertissent l’énergie de la vapeur en puissance mécanique. Les installations motrices à vapeur sont aussi de très bons cogénérateurs en mode contre-pression (par opposition au système à condensation où la vapeur est condensée à une température voisine de l’ambiante). Elles comprennent trois composants essentiels : la source de chaleur, la turbine à vapeur et une source de refroidissement (figure 1.4). La température de la vapeur peut être entre 450 °C et 540 °C ou plus. Ces systèmes sont utilisés dans l’industrie lorsque des besoins de vapeur sont avérés à travers un soutirage de vapeur en cours de détente dans la turbine pour alimenter des réseaux de vapeur. 

 Les piles combustibles

 La technologie de pile à combustible est une technologie émergente pour des applications de cogénération (figure 1.5) [13-15]. Les recherches en cours pour résoudre les problèmes technologiques et pour développer des matériaux moins chers et les processus de production de masse devraient se traduire dans les progrès de la technologie qui permettra de réduire le coût des piles à combustible. Le principe de fonctionnement des piles à combustibles est simple : il comprend la réaction de l’hydrogène avec l’oxygène en présence d’un électrolyte pour produire de l’électricité sans combustion et du travail mécanique. L’eau et la chaleur sont produites comme sous-produits. La réaction est réalisée par l’oxydation électrochimique d’un combustible (hydrogène) et la réduction électrochimique de l’oxygène [15]. La réaction totale étant exothermique, la chaleur de la réaction peut servir pour l’eau chaude sanitaire pour les résidences, les immeubles et autres. L’hydrogène utilisé comme carburant peut provenir de plusieurs sources à savoir entre autres, le gaz naturel, le propane, le charbon ou par l’électrolyse de l’eau.