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Page 1/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2

Page 1/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants ET23 : Solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l’énergie et aux informations d’un système Module ET235 : La réduction des pertes énergétiques Thème 2 Production d’énergie par cogénération Page 2/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants Sommaire 1 – Principe de la cogénération ............................................................................................................ 3 2 – Système de production conventionnel ............................................................................................ 3 3 – Système de production en cogénération ........................................................................................ 3 4 – Technologies utilisées .................................................................................................................... 4 a) Turbine à vapeur ........................................................................................................................... 4 b) Turbine à gaz ................................................................................................................................ 5 c) Moteur à combustion interne ......................................................................................................... 6 d) Moteur à combustion externe ........................................................................................................ 6 e) Pile à combustible ......................................................................................................................... 7 5 – Comparaisons des différentes solutions ......................................................................................... 8 6 – Impacts de la cogénération ............................................................................................................ 8 7 – Coût d’un système ......................................................................................................................... 9 8 – Bilan ............................................................................................................................................. 10 9 – Extension de la cogénération ....................................................................................................... 10 Page 3/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants 1 - Principe de la cogénération La production d’énergie électrique a en moyenne un rendement de 35% jusqu’à 65% si la chaleur dissipée est réutilisée. Le principe de la cogénération est simple : produire simultanément de l’énergie mécanique puis électrique et de l’énergie thermique afin d’augmenter les rendements de la centrale de production. Cet ensemble d’énergie produite est également connu sous le nom d’énergie totale ou énergie électrique et thermique combinée. 2 - Système de production conventionnel Dans une centrale électrique on privilégie la production d’énergie électrique en favorisant le rendement électrique. La chaleur produite pour la production de cette électricité est perdue dans l’environnement extérieur. Les rendements électriques atteignent au mieux 40% en cycle simple. En cycle combiné, le rendement peut atteindre 55% (chaudière à vapeur combinée à une turbine à gaz). Les pertes électriques dues aux longueurs de câbles et aux postes de transformations diminuent ce rendement. 3 - Système de production en cogénération En cogénération, la priorité est donnée à l’utilisation de l’énergie thermique pour améliorer le rendement global. La cogénération de l’énergie électrique devient un élément supplémentaire. Ceci permet d’améliorer le rendement global de l’installation qui peut alors atteindre 90%. L’énergie thermique est utilisée dans des processus industriels qui sont consommateurs d’eau chaude ou dans une chaufferie pour des commerces ou des habitations. Transporter l’énergie électrique sur de Fig 1 : Principe de la cogénération – réalisée avec PowerPoint Fig 2 : Système conventionnel – réalisée avec PowerPoint Fig 3 : Sytème en cogénération – réalisée avec PowerPoint Page 4/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants longues distances est plus simple et moins onéreux que de transporter de l’énergie calorifique. Pour palier à ce problème, les installations de cogénérations sont installées aussi prés que possible des postes de consommations. En utilisant la cogénération comme moyen de production d’énergie thermique et électrique, l’énergie primaire économisée peut atteindre 40%. Entre les deux exemples elle ici de 35 %. ((153-100)/153=35%) Lors d’une production d’énergie par cogénération, l'énergie électrique est soit autoconsommée, soit réinjectée sur le réseau électrique public suivant des conditions techniques et économiques fixées par les pouvoirs publics. Il existe 3 types de cogénération : (kWe : kilowatt électrique) - Cogénération : la gamme 1 MWe – 250 MWe (industrie, réseaux de chaleur) - Mini-cogénération : la gamme 200 – 600 kWe (immeuble, …) - Micro-cogénération : la gamme 5 – 100 kWe (maison individuelle, petit bâtiment) 4 - Technologies utilisées a) Turbine à vapeur Ce type de production est souvent réservé aux industriels qui produisent de grandes quantités de vapeur. Une partie de celle-ci est alors détournée puis injectée sur une turbine qui fait tourner un alternateur produisant de l’électricité. Cette vapeur est ensuite récupérée en sortie de turbine à une pression et température plus basse pour servir dans diverses applications comme l’eau de chauffage centrale par exemple. Le combustible utilisé peut être de nature différente. Celui-ci peu provenir des déchets de l’industrie, des déchets ménagés, de la biomasse ou de tout autre source d’énergie primaire. La combustion du combustible est externe : il n’y a pas de contact direct entre le fluide qui sert au procédé (vapeur) et le combustible. C’est pour cela que tout combustible convient pour ce type d’application. Cette technique de production fonctionne dans une gamme de puissance située entre 500kW à 100MW. La durée de vie d’une telle turbine varie de 25 à 35 ans. L’efficacité d’un tel système peut atteindre 85% pour un rendement électrique situé dans une plage comprise entre 15% à 20%. Fig 4 : Schéma avec d’une turbine à vapeur – réalisé avec PowerPoint Page 5/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants b) Turbine à gaz Le principe de fonctionnement est le même que celui utilisé pour les turbo réacteurs. L’air est aspiré puis comprimé à l’aide du compresseur. La température ainsi que la pression de l’air en sortie de celui-ci s’en trouvent alors augmentées. Cet air est ensuite dirigé dans la chambre de combustion. Au contact du gaz il y a combustion ce qui provoque une augmentation de la température. Les gaz issus de cette combustion sont alors envoyés sur la turbine. En se détendant sur celle-ci, ils la font tourner et provoquent un travail mécanique transformé en énergie électrique à l’aide d’un alternateur (courant alternatif) ou d’une génératrice (courant continu). Les gaz brulés sont conduits dans une chaudière de récupération qui réchauffe un fluide caloporteur, généralement de l’eau. La plus grosse partie de l’énergie thermique produite par une turbine à gaz se trouve principalement dans les gaz brulés dont la température est d’environ 500° C. Ils peuvent servir pour chauffer un fluide caloporteur par une chaudière à récupération, mais également dans un four industriel. Les gaz brulés contiennent encore un part importante d’oxygène. Selon les besoins, cet oxygène peut être consumé en réalisant une postcombustion, en injectant de nouveau du gaz en sortie de turbine. Cette opération élève la température des gaz brulés à plus de 900° C. De telles centrales fonctionnant avec des turbines à gaz ont des gammes de puissance situées entre quelques dizaines de kW à 100MW. La durée de vie de telle turbine varie de 15 à 20 ans. L’efficacité d’un tel système peut atteindre 80% pour un rendement électrique situé dans une plage comprise entre 25% à 40%. Il existe des centrales dont les cycles sont combinés : turbine à vapeur combinée à une turbine à gaz. Les gaz d’échappement de la turbine à gaz servent à chauffer de l’eau et à la transformer en vapeur haute pression qui est injectée sur une turbine à vapeur. Celle-ci fait alors tourner un alternateur produisant un complément d’électricité. La gamme de puissance varie alors de 20MW jusqu’à 400MW. Ces centrales ont une durée de vie de 15 à 25ans, avec une efficacité globale comprise entre 70% et 88%. Leur rendement électrique est également plus important : 35% à 45%. Fig 5 : Schéma avec une d’une turbine à gaz – réalisé avec PowerPoint Page 6/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants c) Moteur à combustion interne En micro-cogénération, la gamme de puissance est située entre 5kW à 100kW. L’efficacité d’un tel système peut atteindre 80% à 90% s’il est muni d’un système à condensation. Le rendement électrique est situé dans une plage comprise entre 25% à 50%. Pour des systèmes plus importants de puissances situés entre 100kW à 100MW, l’efficacité peut atteindre 85%. Les rendements électriques sont cependant équivalents à ceux que l’on trouve en micro- cogénération. d) Moteur à combustion externe En micro-cogénération, la gamme de puissance est située entre 1kW à 3kW électrique. L’efficacité d’un tel système peut atteindre 97% lorsque l’utilisation de l’eau chaude est faite pour un plancher chauffant à basse température. Les systèmes sont moins bruyants que ceux utilisant des moteurs à combustion interne, puisqu’il n’y a pas de détente de gaz à l’atmosphère, la combustion est continue à l’extérieur des cylindres. Le rendement d’un moteur de type Stirling est élevé, jusqu’à 40%, la combustion du combustible est totale. Cependant le rendement électrique est quand à lui faible autour de 15%. Le coût d’une micro-cogénération de type Stirling est encore élevé. On trouve actuellement des chaudières dont les prix de départ sont de 15000 €. Note : voir document d’informations complémentaires sur le principe de fonctionnement sur le site : http://www.moteurstirling.com Fig 6 : Schéma avec un moteur à combustion interne – réalisé avec PowerPoint Fig 7 : Schéma avec un moteur à combustion externe – réalisé avec PowerPoint Page 7/11 Présentation de la production d’énergie par cogénération STI2D-M235-2 Formation des enseignants e) Pile à combustible Une pile à combustible est un générateur électrochimique d’énergie permettant de transformer l’énergie chimique d’un combustible en énergie électrique. La pile à combustible fonctionne selon le mode inverse de l’électrolyse de l’eau. L’alimentation se fait en hydrogène et oxygène. Il apparaît alors une tension aux bornes (constituées de l’anode et de la cathode), séparées par un électrolyte uploads/Industriel/ presentation-cogeneration-stagiaire.pdf