La cogénération est une technologie à haut rendement énergétique qui génère de l'électricité et capte la chaleur qui serait autrement gaspillée, pour fournir de l'énergie thermique utile - vapeur ou eau chaude - qui peut être utilisée pour le chauffage des locaux, le refroidissement, l'eau chaude sanitaire et les processus industriels. En captant et en utilisant la chaleur qui serait autrement gaspillée et en évitant les pertes de distribution, la cogénération peut atteindre des rendements supérieurs à 80%. Si un utilisateur a besoin à la fois d'électricité et d'énergie thermique, au lieu d'installer une chaudière et d'acheter de l'électricité sur le réseau, un système peut être créé capable de produire de l'électricité indépendamment en transférant la chaleur résiduelle du processus de conversion d'énergie du combustible à la place. , les besoins thermiques.L'électricité produite peut au contraire être utilisée pour satisfaire la demande interne ou être vendue au réseau de distribution. L' efficacité de la cogénération , sans surprise, est donc estimée par rapport à la production séparée d'électricité et de chaleur avec un indice de performance approprié , appelé P ES - Primary Energy Saving Index .
Les caractéristiques de la cogénération
La cogénération peut permettre des économies d'énergie importantes , avec une réduction de la consommation d'énergie primaire et un impact environnemental moindre. Un autre point fondamental, souvent pas assez souligné sur la cogénération, est qu'il s'agit d'une source de production distribuée : c'est-à-dire qu'il n'y a pas un nombre limité de quelques méga centrales de cogénération mais, dans un pays comme l'Italie, il y a des milliers d'usines. , principalement situés à l' intérieur des installations industrielles . Qui, entre autres, apportent une contribution importante au système électrique en tant que capacité de réserve, c'est-à-dire capable de soutenir le réseau électrique en période de pointe. En raison de sa large diffusion, la cogénération est une source de production distribuée comme le photovoltaïque , malgré le fait que des ressources d'origine fossile (principalement du gaz) sont actuellement utilisées pour le fonctionnement des moteurs de cogénération . De plus, tout comme l'énergie solaire, la production d'énergie des centrales de cogénération est d'abord orientée vers l'autoconsommation , c'est-à-dire pour couvrir les besoins énergétiques des propriétaires de l'usine. Il ne fait cependant aucun doute qu'une centrale de cogénération nécessite des investissements plus importants qu'une chaudière ou un simple raccordement au réseau électrique. Pour compenser ces coûts fixes, les heures de fonctionnement effectif à charge nominale doivent être aussi élevées que possible; il incombe à la conception de croiser les caractéristiques prévisibles de la demande de chaleur et d'électricité avec les caractéristiques potentielles des moteurs, en identifiant les modifications appropriées des systèmes utilisateurs capables d'augmenter la récupération de chaleur et les heures de fonctionnement.Ce n'est pas un hasard si un développement de la cogénération de plus en plus utilisé dans le résidentiel et le tertiaire est celui qui combine, avec la récupération de chaleur, la génération d'énergie de refroidissement , à la fois par des absorbeurs et par couplage avec des pompes à chaleur.
Détail des tuyaux de cogénération
Cogénération: exemple d'application dans le domaine industriel - Tuyaux qui véhiculent les fumées et vapeurs de la centrale de cogénération
Comment fonctionne une centrale de cogénération ?
Mais comment fonctionne une centrale de cogénération? Les systèmes de cogénération brûlent généralement du carburant ( gaz naturel, pétrole ou biogaz) pour faire fonctionner les générateurs afin de produire de l'électricité et utilisent par la suite des dispositifs de récupération de chaleur pour capter la chaleur produite par la turbine ou le moteur. Cette chaleur est convertie en énergie thermique utile , généralement sous forme de vapeur ou d'eau chaude. D'après ce que nous avons écrit jusqu'à présent, il est donc clair qu'en termes de complexité, la cogénération n'est pas comparable aux sources renouvelables : l'adoption de cette technologie implique, en fait, la réalisation d'un projet complexe et d'un certain type d'investissement. , dont la commodité économique dépend fortement du profil énergétique de l'utilisateur final. Ce n'est pas un hasard si les utilisateurs privilégiés de la cogénération sont ceux caractérisés par une demande quasi constante d'énergie thermique et d' énergie primaire dans le temps . Ces dernières années, les solutions de cogénération électrique ont commencé à se répandreaux sources renouvelables, notamment la biomasse solide, mais aussi liquide (huiles végétales) ou gazeuse (biogaz).Fondamentalement, au lieu d'utiliser cette ressource uniquement pour la production d'électricité, comme cela s'est souvent produit en Italie au cours de la dernière décennie (avec une efficacité énergétique insatisfaisante), la structure de cogénération permet également l' exploitation de la chaleur perdue , améliorant ainsi la performance énergétique globale.
Moteurs de cogénération: turbines
Les turbines forment le cœur des moteurs d'une centrale de cogénération efficace. Il est à noter que, contrairement à d'autres domaines de l'énergie, la chaîne de cogénération en Italie est assez développée : c'est-à-dire qu'il existe un nombre discret d'opérateurs qui réalise les technologies qui sous-tendent les centrales de cogénération: des moteurs à combustion interne aux piles à combustible , en passant par les turbines à gaz et vapeur à ORC - cycle de Rankine organique ( cycle de Rankine organique) . Par ailleurs, le reste de la chaîne d'approvisionnement (diagnostic, conception, construction, maintenance et gestion des usines, etc.) est en grande partie l'apanage de nos opérateurs locaux.
Les avantages de la cogénération
Mais comment résumer les bénéfices de la cogénération ? Tout d'abord, il y a l'énergie: la cogénération, par rapport au moment où elle se produirait avec une production séparée, nécessite moins de combustible pour produire une certaine quantité d'électricité et de chaleur. Les centrales de cogénération permettent une économie de carburant comprise entre 10 et 30% par rapport à la production séparée. De plus, les pertes de transport et de distribution qui surviennent lorsque l'électricité circule sur les réseaux électriques normaux sont évitées, la principale destination étant l'autoconsommation. En ce sens, la cogénération peut permettre des économies substantielles sur les factures d'énergie grâce à son rendement intrinsèque élevé, qui permet de se prémunir contre les augmentations soudaines des coûts d'électricité. De ce point de vue, cependant, il est nécessaire de considérer comment la cogénération implique des temps de retour sur investissement moyen-long: pour le secteur industriel et les moyennes-grandes tailles, l'estimation est un temps de retour sur investissement de 5 à 6 ans, qu'ils sont réduits à environ 4 ans grâce aux incitations accordées par l'État, en particulier les certificats blancs . Le temps de retour dépend également des heures d'utilisation du système . Les installations industrielles - dans certains cas, y compris les installations civiles - qui fonctionnent environ 8000 heures par an, peuvent avoir des temps de retour plus courts, environ trois ans, tandis que les installations civiles, avec moins de la moitié des heures de fonctionnement et des tailles plus petites, ont inévitablement des temps de récupération plus longs. Un aspect peu pris en compte de la cogénération est sa capacité à réduire les risques liés à l'interruption de l'approvisionnement électrique en raison de problèmes de réseau. Les propriétaires de centrales de cogénération, en cas de panne, peuvent bénéficier d'un secours électrique extrêmement efficace . Au point que, comme nous l'avons mentionné précédemment, le système électrique national utilise des centrales de cogénération comme capacité de réserve, pour réagir rapidement aux inefficacités et aux pics de demande.
Les principaux types de cogénération
Il n'y a évidemment pas qu'une seule façon de faire de la cogénération, mais il existe différents types d' actifs de cogénération , qui varient en fonction de la structure utilisée pour réaliser ce processus. Il est généralement utilisé pour distinguer trois types de cogénération parmi lesquels chaque concepteur est normalement appelé à faire son choix. En particulier, pour la réalisation de procédés de cogénération, il est d'usage de distinguer ces différents types de systèmes:
turbines à gaz • turbines à vapeur
- piles à combustible
- cycles combinés
Conception d'usine d'une centrale de cogénération
Tuyaux qui transportent la vapeur utilisée par les centrales de cogénération
Comme il est facile à comprendre, chacun de ces types peut être plus ou moins utile en fonction de certains besoins énergétiques, en fonction des caractéristiques et des conditions de fonctionnement des usines de l'entreprise, du degré d'efficacité, de la relation entre l'électricité et la chaleur fournie et d'autres éléments. . particulier. Le développement technologique de la cogénération conduit cependant à une augmentation des rendements (et en particulier de celui de la production d'électricité) de tous les types différents et rend ainsi les différentes applications plus flexibles. En particulier, en micro-cogénération, les technologies les plus appropriées sont celles des moteurs endothermiques alternatifs (il s'agit de moteurs à combustion interne alternatifs avec configuration cycle Otto ou Diesel) et des turbines à gaz. D'autre part, la technologie des turbines à vapeur peut également être utilisée pour les petits et moyens utilisateurs industriels (c'est-à-dire des centrales jusqu'à quelques MW de puissance électrique). D'un point de vue technique, dans les moteurs à combustion interne, la phase de production d'électricité est liée à la production d'énergie mécanique (mouvement du piston produit par l'allumage du carburant à l'intérieur du cylindre) et l'énergie thermique peut être obtenue directement du moteur. (à travers le circuit de refroidissement) et les gaz d'échappement. Dans les systèmes de cogénération avec moteurs à combustion interne, il y a donc la possibilité d'avoir deux flux de chaleur distincts (et donc plus facilement adaptables aux différents besoins thermiques): des températures comprises entre 90 et 120 ° C sont atteintes dans le circuit de refroidissement du moteur, tandis que dans les gaz d'échappement des niveaux égaux à 400-700 ° C sont atteints (et même plus élevés dans les moteurs diesel). Il est à noter qu'en raison des problèmes environnementaux liés à l'utilisation du diesel, l'utilisation des moteurs diesel est désormais limitée aux cas où le gaz naturel n'est pas disponible, bien que ceux-ci présentent de meilleurs rendements électriques que ceux du huitième cycle. Dans le domaine industriel, la technologie principale est celle des turbines à gaz , qui est désormais devenue intéressante même pour les petites installations. La production d'électricité découle de la phase d'expansion des gaz de combustion qui a lieu dans la turbine (le travail mécanique est traduit en électricité par un générateur relié à l'axe de la turbine) tandis que la récupération de chaleur fait intervenir les gaz de combustion évacués du système (qui atteindre des températures autour de 450-600 ° C). Dans le cas des turbines à vapeur, la turbine est amenée à fonctionner, avec la production d'électricité, en alimentant de la vapeur à fort contenu énergétique (haute température et pression): la vapeur peut être comprimée de quelques bars jusqu'à des pressions d'environ 100 barres et surchauffées.de quelques degrés à environ 450 ° C, atteignant dans certains cas même près de 540 ° C. L'énergie thermique pour l'utilisateur peut être extraite du système, en fonction des besoins spécifiques, à la fois par prélèvement de vapeur de la turbine et par la vapeur évacuée qui est évacuée à la fin du cycle de travail (via un échangeur de chaleur). En fonction des différentes conditions de température de la vapeur sortant de la turbine, il est possible d'avoir deux systèmes différents. Dans le cas du cycle combiné, il existe une pratique répandue chez les opérateurs nationaux d'installer cette technologie chez des utilisateurs caractérisés par une demande thermique réduite par rapport aux besoins en électricité ou, dans le cas où l'objectif principal est la production d'électricité pour l'exportation vers le réseau, avec la possibilité d'optimiser l'efficacité en exploitant les utilisateurs thermiques situés dans la zone aménagée pour la production d'électricité. Enfin, en ce qui concerne les petites installations, les piles à combustible représentent la technologie émergente. Fondamentalement, il s'agit d'un dispositif électromécanique qui convertit l'énergie chimique du carburant directement en électricité, sans étapes intermédiaires de combustion et de production de travail mécanique.
Centrales de cogénération pour les entreprises
La cogénération est une technologie strictement liée aux besoins du monde productif et industriel. Les applications dans l'administration publique sont, en effet, pratiquement inexistantes, tandis que celles pour le monde civil et tertiaire (en particulier la micro cogénération et la petite cogénération) ne commencent à s'imposer que ces dernières années. En effet, l'application de cette technologie peut permettre de réduire les coûts d'exploitation de l'approvisionnement énergétique, ainsi que l'impact environnemental et les émissions (ce qui représente une dépense réelle pour les entreprises soumises au mécanisme ETS).
Quand la cogénération en vaut la peine
Évidemment, toutes les entreprises industrielles n'ont pas réellement besoin d'investir dans la cogénération: tout d'abord, s'il n'y a pas de grande consommation à la fois d'électricité et de gaz, il est inutile de penser à un investissement de cette nature, car la cogénération n'est rien de plus que la production combinée. d'électricité et d'énergie thermique. Il existe également d'autres types de freins / risques qui doivent être pris en compte par les entreprises lorsqu'elles envisagent d'investir dans la cogénération: tout d'abord, l'évolution des tarifs du gaz naturel et de l'électricité. Il est clair que, dans un contexte tel que le contexte actuel (constitué par la baisse des prix de l'énergie) , la commodité de produire indépendamment sa propre énergie est fortement réduite. Une autre possibilité à envisager, en particulier dans un pays comme l'Italie, est l'évolution de la législation sur la cogénération, qui pourrait être soumise à des modifications même rétroactives, de manière à affecter l'investissement des entreprises. Pour être honnête, cependant, la législation sur la cogénération est restée assez stable au fil des ans, contrairement à ce qui s'est passé pour les énergies renouvelables . Le risque réel est plutôt lié à la valeur dans le temps des Certificats Blancs , outil incitatif à la cogénération, qui a subi diverses fluctuations au fil des années. Ensuite, il y a quelques caractéristiques d'ordre technique qu'il faut prendre en compte lorsqu'on considère la cogénération: malgré la maturité de cette technologie, la réalisation proprement dite d'un projet - notamment dans le domaine industriel - n'est pas simple et est certainement supérieure à celle des autres. sources (pensez par exemple au photovoltaïque). Non seulement cela: pour une maintenance et une gestion correctes en fonctionnement, il est nécessaire de se tourner vers du personnel qualifié, un facteur qui implique inévitablement des coûts en termes de temps et de ressources utilisées. De plus, des difficultés bureaucratiques peuvent décourager de nombreuses entreprises d'investir dans la cogénération, en raison d'un processus d'autorisation qui peut paraître complexe et articulé.
Les délais de récupération de la cogénération
La construction proprement dite d'une centrale de cogénération implique également des personnalités extrêmement différentes (avec lesquelles il faut se rapprocher) comme des fournisseurs, des concepteurs, des installateurs et - parfois - des ESCO. Sans tous ces défauts, il est encore nécessaire de considérer que, typiquement, en l'absence de soutien de l'État - le retour sur investissement dans une centrale de cogénération pour l'industrie est d'environ 5 à 6 ans, alors que ces entreprises ne prennent généralement pas en considération les transactions. avec des retours sur investissement de plus de 3-4 ans. Comme nous l'avons dit précédemment, la variable qui peut influer significativement sur les délais de récupération est représentée par le prix du gaz, c'est-à-dire le carburant utilisé dans presque toutes les centrales de cogénération industrielle. Dans cette phase, cependant, le prix de cette ressource tend à la baisse, ne favorisant donc pas les investissements des entreprises en cogénération.
Incitations à la cogénération
Ce qui fait donc la différence aujourd'hui plus que jamais, ce sont les incitations disponibles: en Italie, les certificats blancs sont reconnus pour toutes les centrales de cogénération qui obtiennent la qualification CAR, ou cogénération à haut rendement . Une unité de cogénération est définie comme à haut rendement si la valeur résultante des économies d'énergie primaire (PES) est d'au moins 10% ou, dans le cas d'unités de micro-cogénération (<50 kWe) ou de petite cogénération (<1 MWe), si elle suppose toute valeur positive. Le GSE, responsable des services énergétiques, prévoit annuellement la reconnaissance définitive de l'exploitation de la CAR et, pour les unités de cogénération qui en font la demande, la reconnaissance ultérieure du nombre de certificats blancs auxquels elles ont droit.
La législation sur la cogénération
Le développement de la cogénération est intimement lié à celui des réglementations italiennes et européennes en matière d'efficacité énergétique et d'autoproduction. En particulier, le premier règlement qui a éclairé cette technologie a été la directive no. 2004/8 / CE, qui visait à créer un cadre pour la promotion et le développement, dans le marché intérieur, en définissant ce que l'on appelle la cogénération à haut rendement (CAR), à son tour basée sur la demande de chaleur utile et les économies d'énergie primaire. Cette directive réglementait également le concept de chaleur utile, en le décrivant comme la chaleur produite dans un processus de cogénération pour satisfaire une demande économiquement justifiable, c'est-à-dire une demande ne dépassant pas les besoins en chaleur, qui autrement serait satisfaite aux conditions du marché au moyen de procédés. la production d'énergie thermique autre que la cogénération.
Centrale de cogénération alimentée à la biomasse
La directive 2004/8 / CE a ensuite été abrogée par la directive 2012/27 / UE sur l'efficacité énergétique, qui a toutefois laissé inchangés les principes relatifs à la définition de la RCA et de l'électricité «quantifiable comme cogénération». Entre les deux, est intervenu l'arrêté ministériel du 4 août 2011 qui a fixé définitivement les critères de reconnaissance de la condition de RCA, mis en œuvre substantiellement lors de l'établissement de la directive 2004/8 / CE. En bref, il est rappelé que la cogénération à haut rendement peut être définie comme telle lorsque la production combinée d'électricité et de chaleur utile est capable de fournir des économies d'énergie primaire d'au moins 10% par rapport aux valeurs de référence pour la production séparée d'électricité. et la chaleur.
Le rôle du GSE
Mais pourquoi la cogénération à haut rendement est-elle si importante? Fondamentalement, c'est la clé pour accéder à l'incitation pour les certificats blancs . Dans tout cela, le GSE, responsable des services énergétiques , joue un rôle clé, puisqu'il reconnaît l'exploitation en RCA pour les unités de cogénération qui en ont besoin. À cet égard, il convient de noter que les économies d'énergie primaire que la cogénération permet d'obtenir doivent être calculées sur l'ensemble de l'année de reporting. De plus, c'est toujours le GSE qui détermine le nombre de certificats blancs auxquels ont droit les unités CAR reconnues ayant soumis une demande d'incitation. Si le producteur le demande, le GSE doit procéder au retrait des certificats blancs à un prix égal à celui en vigueur à la date de mise en service de l'unité. Enfin, le GSE mène des activités de vérification et de contrôle sur les usines encouragées, en communiquant le résultat final des inspections au ministère du Développement économique et au producteur.
Les autres incitations à la cogénération
Cependant, les Certificats Blancs ne représentent pas la seule incitation dont les centrales de cogénération peuvent bénéficier: ces dernières, ainsi que tous les systèmes d'autoproduction électrique, peuvent bénéficier d'une exonération partielle de taxe sur le carburant utilisé. En particulier, pour le gaz naturel (qui est de loin le combustible le plus utilisé en cogénération), aucun droit d'accise n'est appliqué à 0,22 Nm3 de gaz par kWhel produit. De plus, tout le gaz utilisé est exonéré de taxe si l'installation a un rendement électrique supérieur ou égal à 46%. Il faut également considérer qu’une centrale de cogénération, si elle satisfait aux critères des résolutions de l’Autorité de l’énergie, peut bénéficier - au même titre que les centrales renouvelables - du droit d’expédition prioritaire. Ce qui consiste essentiellement en la priorité - par rapport aux centrales thermoélectriques traditionnelles - au retrait par le GSE de l'électricité vendue au réseau. Le retrait de l'électricité est une question très importante pour la législation sur la cogénération: une autre incitation indirecte est le soi-disant « échange sur place » , qui est reconnu pour les centrales automobiles de moins de 200 kWe de puissance . En gros, avec la Bourse sur place, le GSE reconnaît une compensation économique partielle qui valorise la différence entre le prix reconnu pour l'énergie injectée dans le réseau (inférieur) et celui payé pour l'électricité retirée (supérieur), charges réseau comprises. accéder aux accessoires.
