Le gouvernement allemand veut réduire la consommation d’énergie primaire de 20 % d’ici la fin d’année 2020 et de 50 % d’ici 2050. Les technologies à haut rendement énergétique constituent la base du redressement du secteur de l’énergie et de la chaleur. L’expansion de la production combinée de chaleur et d’électricité (PCCE), en particulier, jouera un rôle important dans ce processus. La production couplée d’électricité et de chaleur convainc par son haut rendement et sa grande flexibilité. Elle permet d’économiser jusqu’à 60 % d’énergie par rapport à la production séparée d’électricité dans les centrales électriques et de chaleur dans les chaudières. Le bilan du dioxyde de carbone s’en trouve également amélioré.

Le Land de Bade-Wurtemberg souhaite également favoriser l’expansion ciblée de la production combinée de chaleur et d’électricité. Pour ce faire, le gouvernement du Land a adopté en été 2015 le concept de cogénération du Land, qui comprend 17 mesures dans les domaines de la promotion, du conseil, de l’information et de la qualification.

Un processus : double avantage

La double utilisation de l’énergie est connue par de nombreuses applications. Un moteur de voiture utilise du carburant pour la propulsion et en même temps, si nécessaire, la chaleur du moteur pour chauffer l’habitacle.

La cogénération fonctionne de manière similaire : elle utilise la chaleur générée lors de la production d’électricité à des fins de chauffage. Cogénération peut être utilisée dans de nombreux domaines et de nombreuses tailles, des maisons individuelles aux installations industrielles.

Les grandes centrales de cogénération ont une capacité allant jusqu’à plusieurs centaines de mégawatts, tandis que les petites centrales sont de l’ordre du kilowatt. Jusqu’à 90 % du combustible utilisé est utilisé. La chaleur est utilisée pour le chauffage ou le refroidissement, pour l’approvisionnement en eau chaude ou comme chaleur industrielle. Selon la taille de la centrale, l’électricité et la chaleur peuvent être produites de manière décentralisée.

Centrales miniatures et centrales de production combinée de chaleur et d’électricité

Une variété de combustibles ou de sources de chaleur peut être envisagée pour l’utilisation de la production combinée de chaleur et d’électricité.

En plus des combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz, les énergies renouvelables sont de plus en plus utilisées, par exemple le biogaz, l’huile végétale, les granulés de bois, les copeaux de bois, l’énergie solaire ou géothermique.

Le choix du combustible est crucial pour le respect de l’environnement des équipements. L’utilisation prévue détermine la conception de l’installation. Si la chaleur doit être extraite dans de grandes centrales électriques, on utilise généralement des turbines à vapeur ou à gaz. Les centrales de cogénération ou les microcentrales de cogénération conviennent à l’approvisionnement décentralisé des maisons individuelles et des logements collectifs ainsi que des entreprises industrielles et commerciales.

Le principe de fonctionnement est presque toujours le même : en général, l’énergie chimique d’un combustible ou la chaleur d’une autre source est convertie en énergie mécanique et finalement en électricité dans un générateur.

La chaleur générée dans ce processus est découplée par des échangeurs de chaleur et introduite dans un système de chauffage ou un réseau de chauffage urbain par un moyen de transfert. Les centrales thermiques de type bloc à moteur ne sont pas plus grandes qu’une machine à laver, tandis que les systèmes destinés aux zones résidentielles et commerciales sont proportionnellement plus grands.

Essentiellement, ils sont généralement constitués d’un moteur à combustion, d’un générateur et d’un échangeur de chaleur. Un accumulateur tampon découple l’alimentation en chaleur de l’alimentation en électricité. Ainsi, en cas de forte demande d’énergie électrique, la chaleur excédentaire peut être stockée pour une utilisation ultérieure.

Les différences entre la production et la demande d’électricité, en revanche, sont compensées par le réseau électrique. Dans la plage de performances inférieure, les moteurs diesel et à essence sont principalement utilisés.

L’avantage du moteur à combustion interne est sa technologie sophistiquée et son rendement électrique et thermique élevé. En revanche, les coûts de maintenance sont élevés, de l’ordre de 2 à 3 cents par kilowattheure d’électricité produite, avec des intervalles de maintenance de 2 500 à 4 000 heures de fonctionnement.

En outre, les émissions sont élevées et, dans certains cas, le bruit et les vibrations sont gênants. Outre les turbines à gaz, les moteurs Stirling, dans lesquels la chaleur est fournie de l’extérieur, servent également d’entraînement alternatif au moteur à combustion. Ainsi, par exemple, l’énergie de combustion ou l’énergie solaire thermique peut être convertie en électricité et en chaleur. Un fluide de travail, généralement un gaz, est chauffé ou refroidi dans deux zones de température différentes dans le moteur. L’expansion différente du gaz fait bouger un piston. L’apport continu de chaleur permet un fonctionnement silencieux, régulier et peu polluant.

Les intervalles de maintenance sont compris entre 5 000 et 8 000 heures de fonctionnement. Le rendement électrique est inférieur à celui du moteur à combustion, le rendement global est supérieur à 90 %, ce qui est légèrement inférieur à celui des centrales thermiques et électriques conventionnelles. Les coûts sont plus élevés que ceux du moteur à combustion.

Les avantages de la pile à combustible

La pile à combustible génère de l’électricité et de la chaleur dans un processus électrochimique sans combustion. Il est constitué de deux électrodes minces séparées l’une de l’autre par une membrane électrolytique.

A l’anode, l’hydrogène est généralement fourni, à la cathode, l’oxygène. L’hydrogène est décomposé en ses éléments constitutifs, les protons passant à travers l’électrolyte du côté oxygène.

Les électrons circulent via un circuit externe vers l’autre côté, où les différents éléments se transforment finalement en eau. Les piles à combustible fonctionnent silencieusement et sans émissions et, en comparaison avec les centrales thermiques de type bloc à moteur, ont des rendements électriques élevés pouvant atteindre 60 pour cent.

Leur rendement est facilement contrôlable et la maintenance est faible. Cependant, l’énergie nécessaire pour produire de l’hydrogène, par exemple à partir du gaz naturel, doit être déduite de l’efficacité globale.

Les principaux vecteurs énergétiques tels que le gaz naturel ne peuvent pas être utilisés directement. Les piles à combustible sont encore relativement coûteuses et l’expérience d’exploitation est limitée.

Seul un pour cent environ des quelque 7 000 centrales de cogénération nouvellement installées chaque année fonctionnent avec des piles à combustible.

Possibilités et pièges

Outre un prix d’achat relativement élevé, la centrale de cogénération ne présente guère d’inconvénients, en particulier pour les ménages privés.

Les petits modèles avec moteur à combustion interne pour usage domestique coûtent environ 15 000 euros avec stockage tampon. Il vaut la peine d’examiner les différentes possibilités de financement, par exemple de la Kreditanstalt für Wiederaufbau KfW (Société de crédit pour la reconstruction) ou de l’Office fédéral de l’économie et du contrôle des exportations BAFA.

Il est également possible de gagner de l’argent en injectant le surplus d’électricité dans le réseau public. Les unités de cogénération sont une technologie prometteuse pour l’avenir, elles fonctionnent de manière économique et autonome.

Le cadre juridique des entreprises industrielles et commerciales est cependant très confus. Essentiellement, la loi sur l’industrie de l’énergie, la loi sur les sources d’énergie renouvelables, la loi sur le chauffage des énergies renouvelables, la loi sur la cogénération et la loi sur le marché de l’électricité doivent être respectées.

Chaque projet doit être considéré individuellement. La production d’électricité et de chaleur doit être évaluée afin de parvenir à un concept économique. Quiconque souhaite utiliser de manière optimale les instruments de subvention et éviter les pièges fiscaux est tributaire de conseils professionnels.

Le premier point de contact est souvent le fournisseur d’énergie. Pour les entreprises industrielles, il peut être intéressant d’utiliser la chaleur utile pour faire fonctionner un refroidisseur à absorption à certains moments.