Cogénération et micro-cogénération. Vers une production d'énergie plus responsable

1. Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE
Mercredi 15 décembre 2015
Cogénération et micro-cogénération.
Vers une production d'énergie plus responsable :

2. Projet « Smart micro cogen »
Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE
Projet financé par

3. Lux creative 15/12/2015
Contexte
Le réseau électrique d'aujourd'hui est face à des défis majeurs : le besoin d’assurer une source d’énergie
continue et sans cesse croissante, malgré la production d'électricité de sources d'énergie renouvelables
intermittentes et l’arrivée en fin de vie d’un grand nombre de centrales de production d’électricité.
A cela s’ajoute l'urgence de moderniser les réseaux de transport et de distribution électriques européens.
Une solution économique à ces problèmes est l’intégration de nouvelles technologies pour la production
de l’électricité au niveau basse tension, notamment par des systèmes de micro-cogénération (μCHP), qui
produisent simultanément de la chaleur et de l’électricité. Mais pour optimiser la production des
systèmes de micro-cogénération, il est essentiel de les intégrer aux réseaux intelligents, qui permettent
une gestion optimisée de la demande et de l’offre d’énergie.
OBJECTIF :
L'objectif de cette étude est d'identifier des solutions pour l'intégration des μCHP dans les smart grids. La
première phase du projet comprend la définition des bâtiments cibles dans le résidentiel et le petit
tertiaire. L'objectif final est de définir des lignes directrices permettant la gestion des systèmes de micro-
cogénération intégrés aux smart grids, en s’appuyant sur des critères techniques, économiques et
environnementaux.

4. Smart Grid
Problématique des smart grids :
Source : Gaz Electricité de Grenoble
Lux creative 15/12/2015

5. Consommation électrique
Profil de consommation journalière :
Demande de base -> facile à gérer
1. La « flexibilité »
Pics de consommation -> difficile à gérer
Solutions possibles :
Source : projet Flexipac
2. Injection aux « bons moments » => la cogénération
Avantage de la cogénération : technologie commandable et contrôlable
Lux creative 15/12/2015

6. Micro cogénération
Définitions :
Cogénération (selon l’ASHRAE):
Production simultanée d’électricité ou d’énergie mécanique et d’énergie thermique
utile à partir d’une seule source d’énergie comme le pétrole, le charbon ou le gaz
naturel. Dans certains cas, la source d’énergie peut être le soleil, la géothermie, la
biomasse ou un autre type d’énergie renouvelable
Micro-cogénération:
Cogénération couvrant des puissances électriques < 50 kWe selon la directive du
Parlement européen 2004/8/CE, mais certains auteurs limitent cette puissance à 15
kWe, voire 10 kWe
« CHP » :
Co-Heating and Power
Lux creative 15/12/2015

7. Technologies de micro cogénération
Différentes technologies :
MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
(MCI)
Dénomination
anglaise
« ICE » (Internal
Combustion Engine)
ηe
ηth
25-35 %
80-90 %
+
- Technologie la plus mâture et la
moins chère
- Technologie, robuste et fiable
- Durée de vie élevée
-
- Maintenance régulière
- Performance à charge partielle
Autres technologies : Micro turbine à gaz – Cycle de Rankine Organique (ORC) …
STIRLING
Stirling
12-25 %
~ 90 %
- Combustion continue bien contrôlée,
faible émissions
- Coûts de maintenance inférieurs
- Bonne performance à charge
partielle
- Faible niveau de bruit et de vibration
- Faible rendement électrique
- Coût d'investissement élevé
PILE À COMBUSTIBLE (PAC)
« FC » (Fuel Cell)
25–40 %
85-95 %
- Rendement électrique élevé
- Faibles émissions
- Très peu d'expérience en
micro-cogénération, R&D
- Coût d'investissement élevé
Lux creative 15/12/2015

8. Solutions techniques de micro cogénération
Résidentiel unifamilial
 1 kWe
Secteur résidentiel
 5 kWe
Petit tertiaire
 10 kWe
Tertiaire
> 100 kWe
Gamme de puissance en fonction du secteur :
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9. Whispergen
(Vaillant)
Hybris Power
(DeDietrich)
MEC
(microgen)
Infinia
(STC)
P électrique : 1kWe
P thermique : 7 kWth
14.900 € (machine)
P électrique : 1kWe
P thermique : 5.3kWth
13.000 € (machine)
P électrique : 1kWe
P thermique : 3-24kWth
P électrique : 1kWe
P thermique : 4-40kWth
EcoWill 1.0
(Honda)
EcoPOWER 1.0
(Vaillant )
Proenvis 2.0 Kirsch 1.9
P électrique : 1,2kWe
P thermique : 3kWth
15.700 € (machine)
7600 € (installation)
P électrique : 1kWe
P thermique : 2,5kWth
16.000 € (machine)
23.000 € (machine +
installation)
P électrique : 1,3 - 2kWe
P thermique : 3-5,5kWth
16.800 €
P électrique : 1,9kWe
P thermique : 9kWth
10.900 € (machine)
Solutions techniques de « nano cogénération »
Maison unifamiliale
~ 1 kWe
Moteur à combustion interne :
Moteur à combustion externe :
Liste non exhaustive
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10. Solutions techniques de « nano cogénération »
Maison unifamiliale
~ 1 kWe
Hexis CFCL CERES POWER VAILLANT
P électrique 1 kWe
P thermique 1.98 kWth
P électrique 1.5kWe
P thermique 600Wth
25000 euros
P électrique 1kWe P électrique 1kWe
P thermique 1.7kWth
KYOCERA AISIN SEIKI JX ENEOS TOPSOE
P électrique 1 kWe
P thermique 1.98 kWth
P électrique 1.5kWe
P thermique 600Wth
P électrique 1kWe P électrique 1kWe
P thermique 1.7kWth
Solutions « nano » cogénération actuellement disponibles en Belgique : Aucune
Liste non exhaustive
Pile à combustible :
Lux creative 15/12/2015

11. Autre projet en cours sur la cogénération : ene.field
Projet européen:
• 9 fabricants, 4 énergéticiens, 26 partenaires, 12 pays
• Projet lancé en 2012 pour une durée de 5 ans
Objectifs :
• Déployer jusqu’à 1000 piles à combustible
• Evaluer les performances saisonnières d’un système pile à combustible
• Préparer la filière : bureaux d’études, commerciaux et installateurs
Logapower FC10
Testée dans le bâtiment NeoBuild - Luxembourg
P électrique 700 We
P thermique 700 Wth
+ chaudière 14/24 kWth
Exemple :
Lux creative 15/12/2015

12. Smart Micro Cogen : Simulations
LE PROJET SMART MICRO COGEN : Etude du potentiel de la cogénération dans le parc
immobilier wallon existant
Projet « exploratoire » avec de nombreuse possibilités de simulations
• Technologie cogénération : MCI, stirling, PAC, …
• Dimensionnement de la cogénération
• Stockage de la chaleur ou de l’électricité
• Pilotage de la cogénération
• …
PRÉSENTATION DES RÉSULTATS POUR LES CAS SUIVANTS :
Cas de base. Chaudière
Cas 1. Pilotage « chaleur »
Cas 2. Pilotage « smart grid »
Cas 3. Pilotage « chaleur » & stockage batterie
Comparaison de 2 technologies de cogénération : MCI & Moteur stirling
MCI = Moteur à combustion interne
PAC = Pile à combustible
Hypothèses de travail :
• Modélisation dynamique à l’aide du logiciel TRNSYS
• Modélisation du bâtiment, climat, cogénération, scénario, système, contrôle …
• Bâtiments : 4 bâtiments résidentiels représentatifs du parc de bâtiments existants
• Cogénération : MCI – Stirling – PAC
Lux creative 15/12/2015

13. Cas 1. Pilotage « chaleur »
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000 L
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
Simulations
Analyse journée type :
ECS = Eau chaude sanitaire
CHP = Co-heating and power
Lux creative 15/12/2015

14. Simulations
Cas 2. Pilotage « smart grid »
NRV : « Net Regulation Volume »
Différence entre la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la hausse et la somme
des volumes de toutes les actions de réglage à la baisse demandées par Elia.
Données disponibles sur le site Elia : http://www.elia.be/fr/grid-data/balancing/desequilibre-actuel-du-systeme
=> Valeur utilisée dans les simulations pour définir « l’état du réseau »
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment (valorisation chaleur obligatoire)
& quand le réseau à besoin d’aide
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000 L
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
ECS = Eau chaude sanitaire
Comment déterminer quand le réseau à besoin d’injection ?
-> Problématique de manque de données…
Lux creative 15/12/2015

15. Simulations
Cas 2. Pilotage « smart grid » - Analyse journée type :
Rem : Nombre conséquent de ON/OFF au niveau de la cogénération = > usure machine plus importante
CHP = Co-heating and power
Lux creative 15/12/2015

16. Simulation
Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie
La révolution « Tesla » :
« Avec l'envolée de ses batteries à usage domestique, la firme Tesla
amorce une révolution dans le stockage de l'électricité » Le vif l’express
« Alors qu’elle n’est même pas encore disponible à la vente, la nouvelle
batterie de foyer de Tesla est déjà en rupture de stock sur le sol
américain. Un succès qualifié de “monstrueux” par le PDG … » le soir
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000 L
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis stockage batterie puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
ECS = Eau chaude sanitaire
Lux creative 15/12/2015

17. Résultats
Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie - Analyse journée type :
CHP = Co-heating and power
Lux creative 15/12/2015

18. Résultats
Production électrique
beaucoup plus importante
dans le cas du MCI
=> Achat électrique moindre
dans le cas du MCI
Note : Résultat à confort égal
dans le bâtiment
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

19. Résultats
Production électrique
beaucoup plus importante
dans le cas du MCI
=> Gros rejet au réseau
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

20. Résultats
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

21. Résultats
Hypothèses :
- Prix achat électricité : 0.212
euros/kWh
- Facture « fin d’année »
(compteur tourne à l’envers)
- Certificat vert pris en compte
(64 euros/CV) (!)
- Pas de prise en compte de
l’investissement système
cogénération
Analyse :
- Facture électrique plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière)
- Facture identique avec ou sans batterie
- Pilotage réseau :
- Légère augmentation avec MCI
- Facture plus élevée avec moteur stirling
Analyse de la facture électrique annuelle avec le système de facturation actuelle :
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

22. Résultats
Hypothèses :
- Prix achat électricité : 0.212
euros/kWh
- Prix achat gaz : 0.053
euros/kWh
- Facture « fin d’année »
(compteur tourne à l’envers)
- Certificat vert pris en compte
(64 euros/CV) (!)
- Pas de prise en compte de
l’investissement système
cogénération
Analyse :
- Facture totale légèrement plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière)
- Facture identique avec ou sans batterie
- Pilotage réseau :
- Facture plus faible avec MCI
- Facture plus élevée avec moteur stirling
Analyse de la facture totale annuelle avec le système de facturation actuelle :
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

23. Résultats
Hypothèses :
- Prix achat électricité : 0.212
euros/kWh
- Prix vente électricité : 0.06
euros/kWh
- Prix achat gaz : 0.053
euros/kWh
- Pas de prise en compte de
l’investissement système
cogénération
Analyse :
- Facture plus basse (h/h vs annuelle) avec MCI mais plus élevée (h/h vs annuelle) avec stirling
- Facture plus basse avec MCI (vs stirling)
- L’ajout d’une batterie électrique est plus intéressante avec moteur stirling (environ 200 euros /an)
- La facture en cas de « pilotage réseau » est plus élevée (vs facture annuelle)
Analyse de la facture totale annuelle avec un système de facturation h/h :
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 15/12/2015

24. Lux creative 15/12/2015

25. Merci pour votre attention!
Projet financé par