EREC 2002 « ENERGIES RENOUVELABLES ET COGENERATION POUR LE DEVELOPPEMENT DURABLE EN AFRIQUE » SEMINAIRE ATELIER SESSION COGENERATION Sous le haut patronage de : • Ministère de l’Enseignement Supérieur du Cameroun • Ministère des Mines, de l’Eau et de l’Energie, Cameroun
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EREC 2002
« ENERGIES RENOUVELABLES ET COGENERATION POUR LE DEVELOPPEMENT DURABLE EN AFRIQUE »
SEMINAIRE ATELIER
SESSION COGENERATION
Sous le haut patronage de : • Ministère de l’Enseignement Supérieur du Cameroun
• Ministère des Mines, de l’Eau et de l’Energie, Cameroun
Pour aller plus loin• Région wallone : www.cogensud.be
http://energie.wallonie.becD-ROM "La cogénération : Guide pour les petites et moyennes installations"Guide de pré-faisabilité "Installer une cogénération dans votre établissement"COGENsim"Un logiciel de simulation technico-économique de votre cogénération
• COGEN Europe www.cogen.orgEDUCOGEN - An Educational Tool for CogenerationPROSMACO – Promotion of small-scale cogeneration in rural areas through a number of pilot actions
J o u r -s e m J o u r -W E6 h e u r e s 1 2 h e u r e s
Périodes de faible activité (P < 75 kWe)
Modes de fonctionnement en périodes de faible activité1. Arrêt groupe de cogénération
91 % besoins électriques sont satisfaits
88 % résidus de bois sont valorisés
2. Suivi de la charge avec groupe de cogénération (P < 75 kW)
98 % besoins électriques sont satisfaits par lacogénération100 % résidus de bois sont valorisés
3. Vente du surplus au réseau (P = 75....300 kW)95 % besoins électriques satisfaits par lacogénération100 % résidus de bois sont valorisés8 % électricité produite est vendue au réseau
9
SECHAGE DU BOIS
Besoin en séchage : 2500 m3 anhydre /an (42 mm, Hêtre / Movingui)H : 65% 12%
Séchoirs : air chaud climatisé - moyenne temp. - à caseCATHILD INDUSTRIE 2 x 75 m3 cap. utile
Investissement sans subsides kBEF 55 016Subsides % 37,5Investissement avec subsides kBEF 34 385Frais de remplacement total kBEF 1 900Investissement total kBEF 36 285
Facture Elec antérieure kBEF/an 2 169Besoin futur en Elec kWh/an 730 419Consomm. Elec réelle sur réseau kWh/an 146 814Elec produite par cogen kWh/an 583 605Coût appel Elec sur réseau kBEF/an 644Gain vente Elec au réseau kBEF/an 0Gain annuel sur facture Elec kBEF/an 1526
Quantité de bois séchée m2/an 2 500Coût antérieur du séchage BEF/m3 2 500Coût évité de séchage kBEF/an 6 250Coût charges perdues kBEF/an 1 045Besoin en chaleur Gjutile/an 3 620Production de chaleur via chaudière G.N. minimale GJutile/an 210Production chaleur via chaudière G.N. GJutile/an 619Production de chaleur via cogénérateur / chaudière bois GJutile/an 3001Rendement chaudière % 90Coût en G.N. pour chaudière kBEF/an 206Gain annuel sur le séchage kBEF/an 4999
Coût évité de séchage (kBEF/an) 5000 5100 5000 3800
Coût évité annuel (kBEF/an) 5400 3250 4200 3750
Temps de retour (an) 5,7 6,5 4,8 4,4
Valorisation de résidus de bois par gazéification pour la production combinée
d'électricité et de chaleur sur le site d'une menuiserie pratiquant le séchage
du bois.
PROJET WENVAL, EC-LIFE 98 ENV/B/000271
O. SQUILBIN, F. BOURGOIS, Prof. J. MARTIN
UCL-GEB
I - CONTEXTE DU PROJET
Le présent projet propose de valoriser les déchets de bois de l’entreprise « Escaliers
Michel PREUD’HOMME » sous forme d’énergie électrique et thermique utilisables sur
place. Il s’agit de récupérer les chutes, sciures et copeaux de bois produits lors de la
fabrication d’escaliers et de portes. L’intérêt du projet est de transformer ces déchets en
énergie sur le lieu de leur production. La technique proposée se base sur la gazéification
du bois pour la production combinée de chaleur et d’électricité (cogénération).
Les avantages environnementaux sont principalement l’élimination directe des déchets
industriels de l’entreprise ainsi que l’utilisation d’une source d’énergie renouvelable
permettant de diminuer fortement les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
Le contexte du projet présenté ci-après comprend (1) une introduction à la problématique
des déchets de bois, (3) un état de l’art de la valorisation énergétique des déchets de bois
et (4) la présentation générale des aspects environnementaux du projet.
I.1. Problématique des déchets de bois
I.1.1. Cas de l’entreprise PREUD’HOMME
Comme producteur d’escaliers et de portes en bois, l’entreprise PREUD’HOMME
effectue diverses opérations de traitement mécanique du bois de hêtre et de movingui. Le
sciage, le défonçage, le rabotage et le ponçage des 3000 m3 (2000 tonnes) de bois traités
chaque année génèrent 770 tonnes de déchets de bois par an. Ces déchets sont classés en
trois catégories suivant leur granulométrie (chutes, copeaux et sciures). Les sciures et les
copeaux sont récoltés par une centrale d’aspiration. Quant aux chutes, elles sont récoltées
aux différents postes de travail et sont stockées dans un conteneur. Tous les déchets de
107
bois sont propres, c’est-à-dire qu’ils sont exempts de composés chimiques de traitement
(colles, vernis, peintures) ou d’autres matériaux (clous, fixations, plastiques, etc.).
I.1.2. Aspects généraux du secteur des déchets de bois
Les déchets de bois occupent une place particulière dans la problématique générale des
déchets. Parfois ignorés ou sous-estimés dans les statistiques, leur valorisation pourrait
participer de manière importante à l’amélioration de notre environnement en stockant du
CO2 (valorisation matière) ou en évitant les pollutions causées par l’utilisation de
combustibles fossiles (valorisation énergie).
Parmi les déchets de bois non dangereux, on distingue principalement les produits
connexes de l’exploitation forestière (houppiers et premières éclaircies), de l’industrie de
la transformation (écorces, plaquettes, dosses et délignures, sciures, copeaux et chutes),
de l’emballage (palettes, cadres et caisses usagées) ainsi que de l’aménagement des
espaces verts et de l’agriculture. A ces déchets s’ajoutent les bois contaminés par des
métaux lourds et/ou des composés chlorés issus des secteurs de
la trituration, de la construction et de la démolition (poutres, panneaux, châssis, lambris,
billes de chemin de fer, poteaux, etc.).
En Belgique, la biomasse (le bois, les déchets verts, les effluents d’élevages, etc.) est une
ressource importante. Avec 11 PJ/an d’énergie primaire récupérée, le bois et les déchets
ligneux représentent déjà 90% des énergies renouvelables en Belgique6. Mais le potentiel
disponible estimé est de 3 à 5 fois plus important. Ailleurs en Europe, les déchets de bois
sont aussi largement sous-exploités.
Suivant les nouvelles directives en matière de déchets, la mise en décharge, bien
qu’encore pratiquée, doit être évitée. De même, les brûlis forestiers et agricoles ainsi que
les dépôts en forêt de déchets de bois devraient disparaître. Par contre, la valorisation
sous forme de matière et/ou sous forme d’énergie sont deux solutions qui permettent de
gérer durablement les ressources naturelles.
Actuellement, il apparaît que les déchets de meilleure qualité sont récupérés par
l’industrie de la trituration comme matière première des papeteries et des fabricants de
panneaux d’aggloméré. Seul le bois propre et bien trié peut être utilisé pour la production
de panneaux et de papier. De plus, le secteur de la trituration ne s’intéresse qu’aux stocks
6 Inventaire des énergies renouvelables en Belgique, Institut Wallon, 1996
108
de déchets importants, délaissant les plus petits producteurs. La valorisation matière ne
s’applique donc qu’à une partie des déchets ce qui explique la nécessité de développer
des technologies performantes pour la valorisation énergétique des déchets de bois.
Malheureusement, la récupération de l’énergie du bois est encore peu développée et
souvent peu efficace. Les rendements de conversion utiles sont faibles du fait de la
mauvaise gestion du potentiel et de l’inadéquation des technologies utilisées avec les
besoins en énergie.
I.2. Etat de l’art de la valorisation énergétique des déchets de bois
Malgré son intérêt socio-économique et environnemental, la valorisation énergétique des
déchets de bois est encore marginale en Belgique. Les technologies existantes ne sont pas
adaptées à une utilisation locale des déchets de bois visant à satisfaire les besoins
énergétiques de l’entreprise.
Parfois, les déchets sont transportés vers des lieux de traitement centralisés comme les
fours de cimenterie ou les incinérateurs de déchets. Cette dernière technique n’est pas très
intéressante que ce soit du point de vue économique ou environnemental du fait du faible
rendement de production électrique (≈10%) et du coût élevé de traitement. En outre, ces
deux solutions impliquent le transport de déchets peu denses sur de grandes distances.
Les techniques décentralisées permettent d’utiliser les déchets sur le lieu de production et
de récupérer l’énergie sur place. La difficulté inhérente à la valorisation locale des
déchets de bois réside dans l’adaptation de l’offre et de la demande d‘énergie. En effet, la
plupart des industries ont des besoins électriques importants et une demande de chaleur
plus réduite. Or les systèmes classiques de chaudières à bois couplées à un cycle à vapeur
produisent au mieux 5 fois plus de chaleur que d’électricité. Ces cycles à vapeur se sont
développés dans les industries à forte demande en chaleur comme les papeteries. Par
contre les systèmes émergents, basés sur la gazéification et la combustion du gaz produit
dans un groupe électrogène, génèrent seulement 1,8 fois plus de chaleur que d’électricité.
Ce qui signifie qu’ils peuvent s’intégrer dans la plupart des industries de transformation
du bois en satisfaisant la demande locale d’électricité sans produire trop de chaleur non
valorisable.
Bien conçus et adaptés, les systèmes décentralisés peuvent contribuer significativement à
augmenter l’efficacité énergétique globale de la valorisation des déchets de bois. A cet
égard, la production combinée d’électricité et de chaleur est absolument nécessaire à
l’échelle locale. Elle permet de valoriser jusqu'à 90% de l’énergie contenue dans les
109
déchets. Bien que ces systèmes existent ça et là, le développement de ces technologies
doit encore passer par des installations de démonstration et de monitoring complet. Ces
exemples sont essentiels pour favoriser un développement durable du secteur.
I.3. Aspects environnementaux
La gazéification des sous-produits de l’industrie du bois sur le site de production est une
solution élégante pour réduire la part des déchets non valorisés, diminuer les émissions
atmosphériques de gaz à effet de serre et assurer un approvisionnement énergétique
durable. De plus, en combinant la production d’électricité et de chaleur, on augmente
fortement l’efficacité énergétique des systèmes de production.
• Résolution de la problématique des déchets de bois de l’entreprise
La gazéification des déchets sur le site de production éliminera
l’exportation actuelle des déchets de bois. Le transport de ces déchets
vers le lieu de traitement pourra être évité. Lorsque la ligne de
valorisation énergétique sera mise au point, on réduira la production de
déchets de 97%. Seules les cendres de gazéification devront être évacuées
comme amendement agricole, forestier ou déposées en décharge.
• Réduire les émissions de CO2 par substitution d’un combustible fossile
Dans le but de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de diminuer
leurs impacts sur le climat, la plupart des pays européens ont adopté des
politiques de réduction de la consommation des combustibles fossiles. Le
développement des énergies renouvelables est une solution de premier
choix pour réduire drastiquement les émissions de CO2. Contrairement
aux combustibles classiques, la biomasse est une source d’énergie
renouvelable. L’énergie de combustion de la biomasse provient
principalement du cycle naturel du carbone, échangé par les plantes et
l’atmosphère. Lors de la photosynthèse, sous l’effet du soleil, les plantes
captent du CO2 atmosphérique. Le carbone ainsi stocké constitue la base
des molécules ligno-cellulosiques des plantes. A la fin de son cycle de
vie, la décomposition naturelle de la biomasse relâche le carbone stocké
préalablement. En brûlant les déchets de bois, on récupère l’énergie
d’oxydation du carbone avant la restitution du CO2 à l’atmosphère. C’est
110
la raison pour laquelle, on dit que le bois est un combustible neutre du
point de vue du cycle du carbone. Par contre, l’utilisation des
combustibles fossiles est responsable de l’augmentation critique de la
concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. La substitution
des combustibles actuels par de la biomasse diminue donc fortement les
émissions de CO2.
• Réduire la pollution atmosphérique en augmentant l’efficacité énergétique
Comme toutes les ressources naturelles, les déchets de bois sont
disponibles en quantités limitées. Il convient donc d’optimiser le
rendement de conversion énergétique de manière à ne pas gaspiller les
ressources renouvelables dont nous disposons. A cet égard, la production
combinée de chaleur et d’électricité (cogénération) apparaît comme la
solution la plus efficace. Les pertes thermiques liées à la production
d’électricité sont récupérées pour produire de la chaleur. Au contraire des
centrales électriques classiques où la chaleur est rarement récupérée par
manque de débouchés pour la chaleur centralisée, les systèmes de
cogénération décentralisés permettent de délivrer la chaleur directement
chez le consommateur. Alors qu’une centrale électrique classique rejette
plus de 50% de l’énergie dans le milieu naturel, une petite centrale de
cogénération adaptée à la demande locale limite les pertes thermiques à
moins de 25%.
II - DESCRIPTION GENERALE
II.1. Nature du projet
Près de 800 tonnes de déchets de bois sont générés annuellement par l’entreprise
« Escaliers PREUD’HOMME ». La consommation électrique annuelle de l’entreprise
s’élève à près de 500 000 kWh et le séchage des 3000 m3 de bois utilisés par les ateliers
nécessite, chez le fournisseur, 240 000 kWh électriques et 4300 GJ de chaleur.
Ce projet a pour objectif la valorisation énergétique de ces déchets pour la production
combinée d’électricité et de chaleur. Outre la satisfaction de la quasi totalité des besoins
111
de l’atelier, l’électricité générée associée à la chaleur produite permettra à l’entreprise de
sécher 2500 m3 de bois d’oeuvre qu’elle achetait jusqu’alors déjà séchés.
Pour le niveau de puissance (300 kWe) et le rapport des besoins électricité/chaleur
considérés, la solution conventionnelle chaudière à vapeur - turbine de détente ne
convient pas. La technologie de valorisation proposée pour ce projet est basée sur la
gazéification des déchets de bois dans un gazogène à co-courant et l’utilisation du gaz
produit dans un groupe de cogénération.
Le gazogène permet de convertir le combustible solide (déchets de bois) en un
combustible gazeux. Les réactions qui y sont mises en jeu peuvent être assimilées à une
combustion conduite en défaut d’oxygène, de façon à ce que les produits d’oxydation
partielle soient encore combustibles. Le gazogène à co-courant et à lit fixe est le plus
approprié pour le créneau envisagé. Cependant, il exige un combustible de granulométrie
et de forme adéquates. Les sciures et fines particules doivent donc être agglomérées pour
être gazéifiées. Cette opération est effectuée par la densifieuse : par compression et
échauffement des sciures, la lignine contenue naturellement dans le bois fond et assure la
cohésion entre les particules. Pour autant qu’ils soient correctement densifiés, les produits
de la densification sont un bon combustible pour le gazogène.
Le gaz produit convient parfaitement aux moteurs à combustion pour autant que le
rapport air-gaz et le turbocompresseur soient adaptés. Outre le moteur et l’alternateur, le
groupe de cogénération comprend des récupérateurs de chaleur sur l’eau de
refroidissement du moteur et les gaz d’échappement pour la production d’eau chaude.
Le groupe de cogénération sera géré de façon à satisfaire les besoins en électricité de
l’entreprise. Dans ce cas, la production de chaleur du groupe n’est pas en concordance
avec les besoins en chaleur des séchoirs. Pour valoriser au mieux la chaleur, un réservoir
de stockage thermique a été dimensionné de façon à satisfaire la plus grande partie des
besoins.
II.2. Analyse énergétique
Pour optimiser l’efficacité énergétique et environnementale de l’installation, une bonne
connaissance des besoins énergétiques de l’entreprise, des flux de déchets - devenus
ressources - combinée à une gestion de la demande énergétique s’avèrent essentielles.
112
II.2.1. Ressources en énergie primaire
L’entreprise utilise principalement deux essences de bois: le hêtre et le movingui. Leur
consommation actuelle pour la production est de 3000 m3/an. De par ses activités de
transformation, l’entreprise génère annuellement 770 tonnes de résidus de bois de
dimensions variables : chutes, copeaux et sciures.
Les quantités ainsi que les propriétés physiques de ces différents types de résidus sont
reprises dans le tableau suivant :
Chutes Copeaux Sciures
Production (T/an) 440 165 165
Dimension longueur ≤ 2..3m
épaisseur = 42 mm
granulométrie
> 5 mm
granulométrie
< 5 mm
Les valeurs données pour la quantification des résidus dans l’entreprise sont les plus
vraisemblables mais peuvent toutefois présenter certaines incertitudes.
Pour être utilisées dans le gazogène, les chutes doivent être broyées. Les fines produites
par le broyage, estimées à 15 %, seront densifiées afin d’améliorer la qualité de la
gazéification. Les sciures et copeaux seront séparés en aval des lignes d’aspiration. Les
copeaux pourront être gazéifiés tels quels tandis que les sciures devront être
préalablement densifiées. La répartition en masse entre copeaux et sciures est estimée
actuellement à 50%.
Le rendement électrique moyen7 tenant compte des rendements du gazogène, du groupe
électrogène, de l’alternateur ainsi que la consommation des auxiliaires (soufflante du
gazogène) est de 22 %. Le rendement thermique moyen2 du groupe électrogène est de 55
%. Sur base de ces valeurs, les quantités annuelles d’électricité et de chaleur disponibles à
partir des résidus de bois sont :
7 Ce rendement tient compte du fonctionnement de l’unité à différents régimes. Ceux -ci ont été déterminés sur base du dossier d’analyse de charge de l’entreprise par le distributeur local d’électricité (Association Liégoise d’Electricité) en 1997.
113
Résidus Energie primaire Potentiel d’électricité Potentiel de chaleur
T/an GJ/an kWh/an GJ/an
770 12 370 755 000 5 050
II.2.2. Besoins énergétiques et degré d’autonomie
Besoins en électricité
La consommation d’électricité en 1997 fut de 494 700 kWh, facturée à 53 793 EUR.
La mise en place de la filière de valorisation des résidus de bois entraînera un
accroissement des besoins en électricité. On distingue essentiellement trois postes
supplémentaires :
• le broyage des 440 tonnes par an de chutes,
• la densification des 165 tonnes par an de sciures et des 66 tonnes par an de fines,
• la ventilation pour le séchage des 2500 m3 annuels de bois destinés à la fabrication des
escaliers8 .
Les consommations électriques relatives à ces trois postes sont reprises ci-dessous :
Broyage Densification Séchage
17 600 kWh/an 15 300 kWh/an 203 000 kWh/an
A moyen terme, l’entreprise prévoit d’investir dans de nouveaux équipements. La
puissance électrique installée de ceux-ci est estimée à 20 kW.
La valorisation de l’entièreté des résidus de bois par la filière envisagée permet a priori à
l’entreprise d’être autonome en électricité comme le montre le tableau suivant :
8 Pour des raisons propres à l’entreprise, sur les 3000 m3 par an de bois utilisés, 500 m3 seront achetés préalablement séchés.
114
Besoin en électricité Potentiel d’électricité Degré d’autonomie
730 400 kWh/an 755 000 kWh/an 103 %
L’électricité excédentaire produite pourra être vendue sur le réseau. La production de
résidus de bois étant liée au niveau d’activité de l’entreprise, un accroissement de celui-ci
ne modifie pas le degré d’autonomie.
Besoins en chaleur
Le seul besoin actuel en chaleur concerne le chauffage des bâtiments. La consommation
de gaz naturel en 1997 fut de 500 GJ et correspond à une facture de 3 718 EUR. A moyen
terme, le besoin en chaleur devrait augmenter en raison de l’extension de certains
bâtiments (salle d’exposition,...).
Dans le cadre du projet, les 2500 m3 de bois (movingui et hêtre) d’humidité initiale de
65% doivent être séchés jusqu'à une humidité finale de 12%. Ce séchage sera réalisé au
moyen de deux séchoirs à air chaud climatisé (65°C) de capacité utile de 76 m3. Le cycle
de séchage a une durée de 20 jours. La chaleur nécessaire est de 3620 GJ/an. Comme le
montre le tableau ci après, la valorisation de l’entièreté des résidus de bois par la filière
envisagée permet a priori de satisfaire les besoins en chaleur pour le séchage des 2500 m3
de bois.
L’entreprise ayant récemment investi dans une installation de chauffage des bâtiments au
gaz naturel, celle-ci n’est pas encore amortie. Pour cette raison, à court terme, il n’est pas
prévu d’utiliser une part de la chaleur cogénérée pour le chauffage des bâtiments. A
moyen terme, cette solution pourra cependant être mise en place. Toujours à moyen
terme, l’entreprise envisage d’investir dans un four de vernissage d’une puissance
thermique d’environ 50 kW, dont la consommation calorifique annuelle est estimée à
400 GJ/an. Cette chaleur pourra être fournie par l’unité de cogénération.
Besoin en
chaleur
Potentiel de
chaleur
Degré
d’autonomie
A court terme (séchage) 3620 GJ/an 5050 GJ/an 140 %
A moyen terme
(séchage + chauffage + four)
4500 GJ/an 5050 GJ/an 112 %
115
II.2.3. Stratégie énergétique
La valorisation des résidus de bois disponibles permet a priori de satisfaire à la fois les
besoins en électricité et en chaleur. L’écart entre le rapport chaleur/électricité produites
par le groupe électrogène accouplé au gazogène (1,8) et le rapport besoins
chaleur/électricité de l’entreprise (1,4) étant faible contrairement aux filières
traditionnelles (cfr I.3.), l’unité de cogénération sera dimensionnée et pilotée de manière à
rendre l’entreprise autonome en électricité. A ce stade, il est important de remarquer que
le groupe électrogène ne pourra toutefois fonctionner en dessous d’un certain seuil de
puissance. Pour les puissances appelées inférieures à ce seuil, les besoins en électricité
devront être couvert par le réseau du distributeur local. En contrepartie, la quantité de
résidus épargnée pourra être valorisée en faisant fonctionner le groupe à une puissance
supérieure à la puissance demandée par l’entreprise. Le surplus d’électricité ainsi produit
pourra donc être vendu au réseau.
Une deuxième remarque importante concerne l’autonomie réelle en chaleur cette fois.
Comme on le verra plus loin, l’inadéquation dans le temps entre la chaleur fournie par la
cogénération et celle requise par les séchoirs nécessite, malgré l’installation d’un
réservoir de stockage de chaleur, de faire appel à une chaudière d’appoint au gaz naturel
permettant de couvrir les pointes et les déficits (dans le temps) les plus importants
pendant les phases de préchauffage des séchoirs et pendant les week-end où l’activité du
groupe de cogénération est fortement réduite.
116
II.2.4. Dimensionnement et pilotage de l’installation de cogénération
Afin de permettre à l’entreprise d’être autonome en électricité, la puissance électrique
nominale du groupe électrogène est fixée par la puissance maximale appelée. Pour des
raisons de coûts, il convient de limiter le plus possible cette dernière. La puissance
maximale appelée dépendra du diagramme de charge électrique futur. Sur base du
diagramme de charge actuel, celui-ci peut être optimisé de manière à limiter la puissance
maximale appelée par un choix judicieux des modes d’utilisation du broyeur, de la
densifieuse et des séchoirs.
L’analyse de charge réalisée en 1997 par le distributeur d’électricité local a permis de
déterminer des diagrammes de charge journalier type pour un jour de semaine et pour un
jour de week-end. Les diagrammes repris ci-dessous correspondent à des journées
d’activité importante.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 6 12 18 24heures
kW
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 6 12 18 24
heures
kW
Diagramme de charge en 1997
Jour de semaine (2170 kWh)
Diagramme de charge en 1997
Jour de week-end (480 kWh)
Sur base de ces diagrammes, nous pouvons scinder une journée type (semaine ou week-
end) en trois périodes se distinguant par la plage de puissance électrique appelée :
Unité de thermodynamique et turbomachines, Département de mécanique, Université catholique de Louvain.
Résumé – La trigénération est définie comme la production simultanée d’électricité, de chaleur et de froid à partir d’une installation alimentée par une même source d’énergie primaire telle le gaz naturel ou le gazole. L’électricité est produite via des moteurs ou turbines à gaz et la chaleur est récupérée au moyen d’une série d’échangeurs sur les circuits de refroidissement des fluides et des fumées d’échappement, dans le but d’optimaliser la consommation d’énergie primaire. Tout ou partie de la chaleur récupérée, sous forme d’eau chaude ou de vapeur basse pression, sert à alimenter les réfrigérateurs à absorption ou à adsorption pour la production de froid. Cet article développe un modèle de caractérisation de la trigénération en définissant en particulier les conditions et l'index d'économie d'énergie par rapport à la production séparée. Cette étude souligne l'importance du choix de la référence en production séparée sur l’évaluation de l'économie d'énergie et des émissions évitées que peuvent procurer les systèmes de trigénération.
Abréviations
URA unité de réfrigération par absorption
TGV turbine Gaz Vapeur (cycles combinés)
COGEN-URA groupe de cogénération couplé à une URA
∗ correspondant
136
Nomenclature
Coefficient de performance du groupe à absorptionCoefficient de performance du groupe à compression de référence -puissance électrique requiseindex d'économie d'énergie primairepuissance perdue par ir
C
r
UnitésCOPCOPE WII
−
−réversibilité
consommation en combustible du cogénérateurpuissance frigorifique requisepuissance thermique demandée
' puissance thermique du cogénérateurpuissance thermique fournie au réfrigérateur à absorpti
f
f
WP WP WQ WQ WQ on
rendement exergétique de la combustiontempérature
; facteur de conversion par le cogénérateur du combustible en électricité resp. chaleurrendement de la centrale électrique de référence
E Q
E
Q
WRT K
Lettres grecques
α α
ηη
−
rendement de la chaudière de référence
fraction de chaleur utilisée pour la réfrigération'
facteur de Carnotrendement exergétique de l'installation
0 ambianceélectricitéfroidperteschaleur
fQQ
Indices
EfpQ
λ λ
τψ
=
1. Introduction
Dans plusieurs secteurs industriels et dans le secteur tertiaire, les applications des
systèmes de cogénération se multiplient à un rythme significatif. La production
simultanée d'électricité et de chaleur (eau chaude ou vapeur) par cogénération se
137
trouve en effet soutenue par un certain nombre de motivations convergentes. Le
consommateur bénéficie d'économies financière et d'énergie; les entreprises de
services énergétiques (y compris les producteurs et les distributeurs d'électricité) y
voient un moyen de développer leurs marchés dans de nouveaux créneaux qui
s'inscrivent bien dans le processus de libéralisation du marché des énergies et qui
bénéficient d'un soutien politique; la collectivité y trouve un triple avantage
environnemental, de préservation des stocks d'énergie fossile et d'émergence de
nouveaux emplois.
L'avantage énergétique est maximal lorsque ce sont les besoins thermiques qui
pilotent le dimensionnement et le régime de fonctionnement des systèmes de
cogénération. L'électricité produite est alors fatale et doit impérativement être
reprise par le réseau local à des conditions correctes, si les besoins locaux
d'électricité sont insuffisants. Un paramètre crucial conditionnant la faisabilité et
la rentabilité des systèmes est donc le devoir d'utilisation de la puissance
thermique disponible en cogénération.
Bon nombre de consommateurs - industriels et tertiaires - ont également des
besoins de froid, soit répartis uniformément sur l'année, soit liés à l'évolution
cyclique des conditions climatiques. Certaines de ces entreprises et presque toute
en Afrique ont des besoins en froid satisfaits par des groupes frigorifiques à
compression alimentés par de l'électricité. Les unités de réfrigération par
absorption (URA) ou par adsorption produisent du froid en consommant de la
chaleur. Leur combinaison avec des unités de cogénération permet de produire du
froid en plus des deux formes d'énergie finale de la cogénération classique : c'est
la trigénération. Etant donné le développement futur du marché de la
trigénération [1,2] aussi bien dans les industries du Nord que dans les pays en
138
développement, appelés à accroître la fiabilité de leur approvisionnement
électrique et à des prix raisonnables, aussi bien en zones rurales qu’urbaines, une
méthodologie d’analyse de ces systèmes s’avère être un instrument
particulièrement utile.
Cet article développe un modèle de caractérisation de la trigénération en
définissant en particulier les conditions et l'index d'économie d'énergie par rapport
à la production séparée.
2. Principe des unités de réfrigération par absorption
L'absorption est un mécanisme qui permet à un élément liquide de capter de
grandes quantités de vapeur des substances disposant d'une affinité moléculaire
avec lui. Le cycle à absorption (figure 2) diffère du cycle classique (figure 1) par
la présence dans la branche de droite d'un ensemble générateur-absorbeur au
lieu d’un compresseur.
Fig. 1 : Schéma d’un cycle frigorifique à compression
139
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Fig. 2 : Schéma du cycle frigorifique à absortion
Le fonctionnement d'un cycle idéalisé peut être décrit comme suit.
Le réfrigérant pur sortant de l'évaporateur rentre dans l'absorbeur où il est mis en
contact avec une solution liquide absorbante. Il se condense alors et libère sa
chaleur de vaporisation. Une quantité importante de chaleur devra être extraite
pour conserver une température suffisamment faible, nécessaire pour entretenir le
mécanisme. La solution composée de l'absorbant et du réfrigérant ainsi formée
est pressurisée au moyen d'une pompe. Elle est ensuite envoyée au générateur, où
l'absorbant et le réfrigérant sont séparés par distillation, le second étant nettement
plus volatil. Cette opération s'effectue à haute température et permet, moyennant
apport de chaleur, l'évaporation du réfrigérant qui continue alors comme dans le
cycle classique. L'absorbant, resté sous forme liquide, est détendu au moyen
d'une vanne et injecté dans l'absorbeur, et le cycle peut recommencer.
En pratique, il est impossible de séparer totalement le réfrigérant et l'absorbant par
distillation. La solution pauvre sortant du générateur sera alors composée d'un
140
mélange d'absorbant et de réfrigérant dont la concentration en ce dernier sera
inférieure à celle de la solution riche quittant l'absorbeur.
2.1 Technologies et applications
Les URA sont techniquement maîtrisées et disponibles commercialement dans la
gamme de puissance 10-6000kW. Les technologies se distinguent par le couple
absorbant-réfrigérant utilisé. Les plus usuels sont :
- le couple eau-ammoniac (H2O/NH3): utilisé pour les températures de
refroidissement inférieures à 5°C, l'ammoniac pouvant s'évaporer jusqu'à -
60°C. Les systèmes de réfrigération utilisant ce couple sont de type industriel
et commercial.
- le couple bromure de lithium-eau (LiBr/H2O): utilisé pour le conditionnement
d’air (T>5°C) dans les bâtiments, l'eau ne pouvant jouer son rôle de réfrigérant
à des températures inférieures à zéro.
3. La cogénération et la réfrigération par absorption
Le couplage de l’unité de cogénération et de l’unité de réfrigération par absorption
(URA) permet de valoriser la chaleur cogénérée pour la production de froid,
évitant l’utilisation des groupes frigorifiques à compression dont l’énergie
mécanique requise pour comprimer le fluide réfrigérant est environ 50 fois plus
élevée [3]. Ce couplage peut se faire de deux manières :
- Indirecte : la chaleur cogénérée utile (eau chaude ou vapeur) est disponible
aussi bien pour l’URA que pour d’autres applications éventuelles.
141
- Directe : l’URA est seule bénéficiaire de la chaleur cogénérée (fumées). Ce
système, plus compact et économique, est moins flexible.
Dans cette étude, seule la cogénération par moteur est considérée. La plupart des
moteurs (à gaz ou diesel) disponibles sur le marché présentent des capacités de
récupération de chaleur aux sources et niveaux de température suivants: fumées
Fig. 8 : Variation du COP d’une URA LiBr/H2O à un seul effet en fonction des températures d’eau chaude et
d’eau glacée (réalisée à partir des données recueillies chez un fournisseur)
166
Dimensionnement d'une installation de trigénération : le cas d'un hôtel
Pépin Tchouate Héteu Léon Bolle
Unité de Thermodynamique et Turbomachines, Université catholique de Louvain, Belgique Introduction Le secteur hôtelier et les immeubles de bureaux dans les pays chauds sont particulièrement
consommateurs de froid sous forme de climatisation des locaux et la demande est assez
constante. L’objectif de cet article est de présenter la méthodologie de dimensionnement
d’une installation de trigénération et de l’appliquer au cas particulier d’un hôtel, de calculer
les économies d’énergie primaire et les émissions évitées qui en découlent.
Méthodologie
Les études de cas ont pour objectifs :
- la compréhension des conditions d'intégration des systèmes de cogénération et de
trigénération dans les secteurs concernés, principalement le tertiaire
- le dimensionnement d'une installation de cogénération ou trigénération
- et la détermination des gains énergétique et financier et des émissions de CO2 évitées qui
en découlent si l'on compare à la production séparée. Le gain financier n’est pas analysé
ici.
Le gain d'énergie est principalement dû à l'économie du combustible qui aurait servi à
produire l'électricité co-produite par le groupe de cogénération.
En cas de trigénération, il résulte aussi d'une économie liée à l'énergie primaire qui aurait
compensé l'électricité consommée par le groupe frigorifique à compression.
Le gain financier résulte de :
- la diminution du coût de la puissance de pointe puisqu'elle est diminuée de la puissance
fournie par le cogénérateur,
- la rétribution de l'électricité produite ou du coût évité par elle si elle est auto-consommée,
- la réduction des frais d'exploitation sur les chaudières et réfrigérateurs classiques qui ne
servent plus que d'appoint.
167
Mais ce gain est pénalisé par des investissements nettement élevés pour le groupe de
cogénération et le réfrigérateur alternatif et par les frais de maintenance qui y sont liés.
Elles se basent sur :
- le profil type de consommation de chaleur
- le profil type de consommation de froid
- les factures d'électricité et de gaz naturel lorsqu'elles sont disponibles.
Le choix de la puissance installée du groupe de cogénération et du réfrigérateur à absorption
ou à adsorption est orienté par les principes suivants :
- couverture maximale des besoins de chaleur et/ou de froid
- fonctionnement à puissance nominale
- fonctionnement aux heures de pointe du fait de la meilleure valorisation de l'électricité
produite
Etude de cas
Les besoins en froid de l’hôtel ont été simulés par un modèle qui tient compte des moyennes
mensuelles de température en zones tropicale et équatoriale, des jours ouvrables et des week-
ends. La courbe résultante de la demande en froid est représentée à la figure 1, heure par
heure sur une année.
Hourly Cooling demand [hotel]
04080
120160200
0 2000 4000 6000 8000time [hours]
capa
city
[kW
f]
Fig. 1 : Profil horaire de la consommation en froid de l’hôtel
168
Le profil de consommation est caractérisé par une baisse de la demande entre Août et
Octobre, période correspondant à la saison des pluies et une température moyenne mensuelle
d’environ 27°C. La période entre Novembre et Avril correspond à la saison sèche et très
chaude avec une pointe en février. La demande globale annuelle en froid est de 640 199 kWh
soit 2305 GJ. Elle est satisfaite par un groupe frigorifique à compression prélevant son
électricité du réseau électrique local, alimenté par des groupes électrogènes ayant un
rendement moyen de 30%. Le Coefficient de Performance (COP) du groupe frigorifique étant
supposé égal à 3, la consommation de diesel pour couvrir les besoins en froid de l’hôtel est
2561 GJ.
Production combinée
Deux stratégies de cogénération sont envisageables pour cet établissement :
- dimensionnement selon la courbe de consommation d’électricité
- dimensionnement selon la courbe de froid.
La courbe de la consommation d’électricité pour les besoins autres que le froid n’étant pas
disponible, seule la deuxième stratégie sera analysée dans la présente étude. Nous posons en
outre les hypothèses suivantes :
- l’unité de réfrigération par absorption ne sera exploités que lorsque la puissance demande
est comprise entre 50 et 100% de sa puissance nominale,
- l’unité de réfrigération et le groupe de cogénération fonctionnent tous les jours de 5h30 à
minuit et demi,
- un groupe frigorifique à compression supplémentaire est alors nécessaire pour les nuits et
couvrir les pointes.
En tenant compte de ces hypothèses et de la monotone de froid, le choix s’oriente vers un
groupe frigorifique de puissance nominale 100 kWf. La figure 2 représente la dite monotone
et la production de froid assurée par le groupe. Elle est de 527 407 kWhf (1897 GJf), soit 85%
des besoins annuels de l’hôtel.
169
Cooling load duration curve
050
100150200
0 2000 4000 6000 8000
time [hours]
capa
city
[kW
f]
Fig. 2 : Monotone de froid et production assurée par l’URA.
Le groupe frigorifique (LiBr-H2O) dans les conditions d’exploitation a un COP moyen de 0,7.
On en déduit la courbe de chaleur à assurer par le groupe de cogénération (figure 3).
Heat production duration curve
0
100
200
300
0 2000 4000 6000 8000
time [hours]
capa
city
[kW
th]
Fig. 3 : Monotone de chaleur et production de l’unité de cogénération
Le cogénérateur a une puissance nominale de 140 kWth, un facteur de conversion électrique
(respectivement thermique) de 30% (respectivement 58%). Il fonctionne 6920 heures par an et
la quantité de chaleur produite est 753 438 kWhth (soit 2712 GJth). La consommation
170
d’énergie primaire est alors 4676 GJ. Simultanément, le cogénérateur produit 390 MWh, soit
1403 GJ d’électricité qui est injectée dans le réseau local ou consommée par l’hôtel.
En production séparée, cette électricité entraînerait une consommation de 4678 GJ de diesel,
soit 6854 GJ au total si l’on tient compte de l’électricité consommée par le groupe frigorifique
à compression. Il résulte que la trigénération réduit la consommation de diesel de 2178 GJ.
Si on considère que le réseau électrique local est alimenté par les meilleurs groupes
électrogènes du moment, donc avec un rendement de 40%, l’économie d’énergie primaire se
réduit à 1008 GJ, soit 28 000 litres de diesel.
Emissions évitées
Le calcul d’émissions évitées prend en compte les valeurs spécifiques d’émissions liées au à
la combustion du diesel. Elles sont de 77 kg pour le CO2 et de 3 kg pour le SO2 par GJ de
diesel. Il vient que
- 77 tCO2 et 3 tSO2 sont évitées par an par la trigénération si la référence électrique a un
rendement de 40%,
- 168 tCO2 et 6,5 tSO2 sont évitées par an par la trigénération si la référence électrique a un
rendement de 30%.
Ces valeurs seraient plus élevées si nous considérions les pertes des réseaux de transport et
distribution qui s’élèvent à plus de 10%.
Conclusions
L’étude de cas ci-dessus montre qu’il a un potentiel de réduction des émissions de GES et
d’autres polluants dans le secteur hôtelier des pays tropicaux. Il en est de même pour les
immeubles de bureaux comme l’a montré une autre étude de l’auteur. Les applications
industrielles en Afrique sont certainement nombreuses, surtout dans l’agroindustrie. Il est
impératif d’accentuer des études plus larges au niveau des pays ou régions afin d’estimer avec
plus de précision les potentiels théorique, technique et économique.
171
pourraient constituer dans le futur une incitation à participer au MDP pour les PED
préoccupés par la satisfaction de leurs besoins économiques et sociaux.
Critères d’éligibilité au MDP
Pour participer au MDP, tous les pays doivent satisfaire à trois conditions :
- une participation volontaire
- la création d’un organisme national responsable du MDP
- la ratification du protocole de Kyoto.
En plus de ces 3 critères, les pays industrialisés doivent mettre en place :
- un système national d’évaluation des gaz à effet de serre,
- un registre national,
- un inventaire national,
- un système comptable pour la commercialisation des réductions d’émissions,
- un objectif de réduction tel que stipulé à l’article 3 du protocole de Kyoto.
Projets éligibles
Les projets éligibles au MDP couvrent les domaines suivants :
- amélioration de l’efficacité des utilisations finales d’énergie,
- amélioration de l’efficacité de l’approvisionnement/distribution d’énergie,
- énergies renouvelables,
- substitution de combustibles,
- agriculture (réduction des émissions de CH4 et NH3),
- réduction des émissions dans les procédés industriels (CO2 dans les cimenteries, HFC,
PFC et SF6),
- séquestration de CO2 (seulement projets de boisement et reboisement)
Pour la période d’engagement 2008-2012, les seuls projets de séquestration de CO2
envisageables seront relatifs au reboisement ou boisement des terres et les pays de l’annexe I