PCSI 2 Cogénération
Cogénération
Comme son nom l’indique, la cogénération est la production simultanée de deux formes de transferts d’énergie différentes dans la même centrale.
Le cas le plus fréquent est la production simultanée d'électricité et de transfert thermique par des moteurs thermiques (centrale à combustible fossile où nucléaire par exemple) ou des turbines à gaz.
L'idée de cogénération repose sur le fait que la production électrique par une machine ditherme dégage un transfert thermique important vers la source froide, habituellement dissipée donc perdue dans l'environnement (atmosphère, rivière, …). En réponse à une demande thermique (chauffage collectif, eau chaude sanitaire, processus
industriel, …), elle propose de valoriser ce transfert thermique en l’utilisant comme source de chaleur.
L’intérêt principal est l’augmentation du rendement global de l’installation et donc au final la préservation de l’environnement.
En effet, le rendement initial vaut 𝜂!="é"#$%&'()#
"$*+), où 𝑃é$%&'()*+% est la puissance électrique produite et 𝑃&,-+. la puissance prélevée à la
source chaude.
Il devient alors 𝜂 ="é"#$%&'()#/ "&é$)-é&é#
"$*+), avec 𝑃(é&+1é(é% la puissance récupérée à la source froide et valorisée.
Ce qui peut encore s’écrire : 𝜂 ="é"#$%&'()#
"$*+), +"&é$)-é&é#
"$*+), = 𝜂!+ 𝜂(é&+1é(é% où 𝜂(é&+1é(é% est le rendement supplémentaire dû à la
cogénération.
On sait que 𝜂! est en général de l’ordre de 30 à 40% ce qui veut dire qu’environ 2/3 de l’énergie prélevée à la source chaude est perdue.
Le rendement 𝜂 optimisée quant à lui peut atteindre dans l’idéal 80 à 90%. Ce dernier n’est atteint, et c’est le principal inconvénient, que si le transfert thermique récupéré est utilisé au plus proche de l’installation, par exemple dans un réseau urbain de chauffage, pour éviter les déperditions dues au transport.
Ci-contre la centrale locale de cogénération de Masnedø (Danemark), produisant de l'électricité et de la chaleur pour un réseau local, à partir de paille.
La cogénération se développe aussi chez les particuliers, on parle alors de micro-cogénération.
On trouve par exemple des chaudières à moteur Stirling : le brûleur fonctionnant au gaz naturel participe à la fois au chauffage de l’eau et sert de source chaude au moteur (dispositif ci-contre).
Robert Stirling (25/10/1790 - 06/06/1878) était un pasteur, mécanicien et métallurgiste écossais. Il est connu pour être l'inventeur du « moteur à air chaud » (1816) communément appelé moteur Stirling. La légende veut que, catastrophé par les accidents récurrents d’explosiondes chaudières à vapeur décimant ses paroissiens, il mit toute son énergie à améliorer les machinesà vapeur, alors indispensables dans les mines.
D’un point de vue technique, c’est à moteur à sources externes, à double piston et qui
a la particularité de fonctionner à basse pression et de posséder un régénérateur, dispositif capable de stocker provisoirement de l’énergie pour la restituer dans une autre partie du cycle. Il atteint dans l’idéal le rendement de Carnot (voir exercice).
Il est intéressant de remarquer que ce moteur, longtemps tombé dans l’oubli sauf pour quelques utilisations « de niche » (réfrigération industrielle, sous-marins, …) revienne sur le devant de la scène pour satisfaire aux exigences du développement durable.
