Chaleur et électricité à partir de combustibles fossiles

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1 Chaleur et électricité à partir de combustibles fossiles Document connaissances de base, état: novembre Synthèse Le couplage chaleur-force produit simultanément de la chaleur et de l'électricité. Quand on compare les deux technologies de production d'électricité que sont le couplage chaleur-force (CCF) et les centrales à gaz à cycle combiné (CCC), il faut donc prendre en compte la production des deux formes d'énergie (chaleur plus électricité). Il convient de comparer, d'une part, les grandes installations CCC à rendement électrique élevé, associées à des pompes à chaleur décentralisées et, d'autre part, les installations CCF avec utilisation directe de la chaleur produite, complétées par des pompes à chaleur décentralisées. Les pompes à chaleur (PAC) sont la clé d'une efficacité énergétique accrue car elles fournissent à partir d'une unité d'électricité trois à quatre unités de chaleur utile destinée au chauffage ou à la fourniture d'eau chaude. Pour la production de chaleur, les combinaisons CCC+PAC et CCF+PAC doivent toujours être préférées à une combustion pure de pétrole ou de gaz naturel. Le recours à une installation CCF est intéressant lorsque le besoin en température est important, constant et durable, comme c'est le cas dans l'industrie, dans les grands hôpitaux ou établissements de soins et dans les bâtiments anciens difficiles à rénover. La combinaison CCC+PAC est toutefois préférable partout où des pompes à chaleur peuvent être utilisées dans de bonnes conditions. La supériorité de cette combinaison est due au rendement électrique très élevé des installations CCC et au fait que la technologie des pompes à chaleur est très efficace pour produire beaucoup de chaleur avec peu d'électricité. Le découplage des productions de chaleur et d'électricité offre une plus grande flexibilité. Dans ce domaine, la combinaison CCC+PAC est intéressante en termes d'économie énergétique et de respect de l'environnement. En effet, lorsque l'électricité d'origine éolienne ou solaire est présente en grande quantité sur le marché européen, il est possible de mettre complètement à l'arrêt l'installation CCC et de continuer à produire de la chaleur uniquement avec des pompes, en émettant très peu de CO 2. A bien des égards, le découplage spatial et temporel des productions d'électricité et de chaleur offre de nombreux avantages pour un rendement du système global toujours aussi élevé. Mais des dispositions devront être prises à l'avenir pour maximiser ce potentiel, notamment dans le domaine des réseaux électriques et du stockage de chaleur. 2. Introduction En Suisse, la production d'électricité fossile s'est toujours heurtée au scepticisme et au rejet, si bien qu'aujourd'hui le courant produit dans le pays provient majoritairement de sources n'émettant pas de CO 2, telles que la force hydraulique et l'énergie nucléaire. Mais la décision prise le 25 mai 2011 par le Conseil fédéral de mettre à l'arrêt les centrales nucléaires actuelles à la fin de leur durée d'exploitation et de ne pas les remplacer relance les discussions autour de cette forme de production. Il s'agit désormais de s'interroger sur les technologies et les processus globaux susceptibles de garantir la meilleure efficacité énergétique possible. Hintere Bahnhofstrasse 10, Postfach, 5001 Aarau, Telefon , Fax , info@strom.ch,

2 Produire de l'électricité à partir d'agents énergétiques fossiles génère d'énormes quantités de chaleur résiduelle. Ce phénomène est inévitable. Mais que faire de cette chaleur? Faut-il l'utiliser dans des installations décentralisées, quitte à produire peu d'électricité? Ou faut-il optimiser le rendement en complexifiant le système de récupération des rejets thermiques afin d'augmenter le nombre de pompes à chaleur actionnées? Le présent document décrit différents aspects de ces deux variantes et évalue leur efficacité en considérant la production de chaleur et d'électricité comme un système global. S'il se base sur des rendements totaux, il n'oublie pas de tenir aussi compte de la qualité et de la valence différente de ces deux formes d'énergie. 3. Technologies 3.1 Installations de couplage chaleur-force (CCF) Lorsqu'une machine thermique produit simultanément de la chaleur et de l'électricité, on parle d'un couplage chaleur-force. En Suisse, une installation CCF est considérée comme telle si elle fournit un rendement total d'au moins 60% et un rendement électrique d'au moins 5%. Une distinction est opérée entre les petites et les grandes installations CCF sur la base de leur puissance électrique, la frontière s'établissant à 1 MW el (voir illustration 1). 1 Les petites installations CCF sont généralement des centrales à énergie totale équipées (CETE) avec des moteurs à combustion au diesel ou au gaz, utilisées pour chauffer de grands bâtiments d'habitation ou de bureau, des écoles, des hôpitaux ou des établissements de soins. La récupération des rejets thermiques issus du processus de combustion n'a pas d'effet sur le rendement électrique, qui est de l'ordre de 35% pour les installations de taille moyenne (de 100 à 300 kw el ). 2 Les grandes installations CCF, quant à elles, produisent de l'électricité à l'aide de turbines à gaz ou à vapeur ou via un processus à cycle combiné gaz-vapeur. Elles alimentent des réseaux de chauffage à distance ou produisent de la chaleur industrielle. Les rendements électriques sont supérieurs à ceux des CETE. Ils sont souvent réduits par la prise de chaleur du circuit de production, les réseaux de chauffage à distance ayant besoin d'une température d'entrée supérieure à 100 C. 3 Les grandes installations CCF atteignent ainsi des rendements électriques allant jusqu'à 45% «Production d'électricité thermique en Suisse, y compris avec le couplage chaleur-force (CCF)», édition 2012, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, 2013 A partir de 25% pour les moteurs les plus petits. Jusqu'à 45% pour les gros moteurs diesel de l'ordre du MW. F. Rognon, «Utilisation plus efficace des combustibles fossiles et réduction des émissions de CO 2 pour le chauffage des bâtiments et la production d'électricité en Suisse», Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, novembre 2008 «Couplage chaleur-force et chauffage à distance», forum du 21 janvier 2010 sur le chauffage à distance, Verband Effiziente Energie Erzeugung V3E, Dietlikon, /24

3 Illustration 1. Répartition en petites et grandes installations CCF. Source: Office fédéral de l'énergie (OFEN), 2013 En 2012, les CETE à combustible fossile ont utilisé le gaz naturel comme agent énergétique principal (90%) et les carburants liquides (diesel et pétrole) à hauteur de 6% seulement. 5 Les comparaisons établies ciaprès entre les différents systèmes admettent donc le gaz naturel comme agent énergétique de toutes les installations thermiques. Notons toutefois ici que l'utilisation du diesel se traduit par des émissions importantes de CO 2, d'oxydes d'azote (NO et NO 2 ) et de suie, ce qui nuit au bilan écologique des petites installations CCF. Les centrales à énergie totale équipées étant extrêmement coûteuses en termes d'investissement comparées aux autres centrales, il faut viser des temps de fonctionnement plus longs, de l'ordre de 4000 heures ou plus. Lorsqu'elles sont utilisées à des fins de chauffage, une chaudière supplémentaire est nécessaire pour couvrir les besoins aux heures de pointe, c'est-à-dire fournir une puissance élevée sur une courte durée en cas de températures extérieures basses. Selon la situation, 30 à 40% de la production de chaleur peuvent ainsi provenir de la combustion en chaudière. 3.2 Centrales à gaz à cycle combiné (CCC) Les centrales à gaz à cycle combiné (également appelées centrales à cycle combiné gaz ou centrales à cycle combiné gaz-vapeur) produisent de l'électricité en combinant le principe d'une centrale à turbine à gaz et le principe d'une centrale à vapeur (voir illustration 2). Comme leur exploitation est optimisée pour la production d'électricité, elles atteignent des rendements électriques allant jusqu'à 60%. 6 La chaleur dégagée 5 6 «Production d'électricité thermique en Suisse, y compris avec le couplage chaleur-force (CCF)», édition 2012, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, 2013 «Couplage chaleur-force et chauffage à distance», forum du 21 janvier 2010 sur le chauffage à distance, Verband Effiziente Energie Erzeugung V3E, Dietlikon, /24

4 par la combustion est utilisée par le processus interne jusqu'à ce que la température des rejets thermiques descende à environ 30 C, car les rejets ne sont plus exploitables à cette température trop basse. Ce sont les installations de l'ordre de 400 à 500 MW qui associent les rendements les plus élevés et les coûts les plus faibles. Illustration 2. Principe d'une installation à gaz à cycle combiné. Source: P. Lehmacher, société Ingenieurbüro für Technik und Information 3.3 Pompes à chaleur (PAC) Les pompes à chaleur utilisent la chaleur ambiante pour produire du chauffage. Lorsque les conditions sont favorables, elles fournissent quatre unités de chaleur utile à partir d'une unité d'électricité et de trois unités de chaleur ambiante. Le principe est le suivant: le fluide frigorigène sous pression se transforme en vapeur lorsqu'il traverse la soupape de détente. Dans cet état gazeux, il prélève de la chaleur dans son environnement (voir illustration 3). Un compresseur électrique compresse et liquéfie ensuite le fluide frigorigène, qui restitue la chaleur prélevée au système de distribution thermique du bâtiment. Et le cycle recommence. 4/24

5 Illustration 3. Fonctionnement d'une pompe à chaleur. Source: Glen Dimplex Deutschland GmbH La source de chaleur utilisée peut être l'air, le sol (saumure) ou l'eau (souterraine). Si les pompes à chaleur ont puisé principalement dans les nappes phréatiques au début de leur développement, elles exploitent aujourd'hui en priorité l'air ambiant (59%) et la chaleur géothermique avec des sondes remplies de saumure (38%). Les eaux souterraines ne représentent plus que 3% des utilisations. 7 L'efficacité d'une pompe à chaleur est mesurée au moyen du coefficient de performance annuel (COPA), qui indique le rapport entre l'énergie thermique produite et l'énergie électrique utilisée pendant une année (voir tableau 1). Un COPA de 4 signifie que la puissance thermique est produite à partir d'une unité d'électricité et de trois unités de chaleur ambiante. Coefficient de performance Construction neuve Rénovation annuel COPA Pompes à chaleur air/eau Pompes à chaleur sol/eau Pompes à chaleur eau/eau Tableau 1. Coefficients de performance annuels des pompes à chaleur 8 Le coefficient de performance annuel est d'autant plus important que la température du système de distribution est basse (ce qui est surtout le cas dans les constructions neuves ou après un assainissement thermique) et que la température de la source de chaleur est élevée.- 4. Systèmes comparés Le couplage chaleur-force est la preuve que les combustibles fossiles permettent de fournir simultanément de l'électricité et de la chaleur. Pour que les comparaisons entre les installations CCF et d'autres installa- 7 8 «Ventes de pompes à chaleur par source d'énergie, 2010», Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur GSP, Berne, 2010 Richard Phillips, «Pompes à chaleur Questions et réponses», Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, février /24

6 tions thermiques soient pertinentes et complètes, il faut donc prendre en compte non seulement la production d'électricité, mais aussi la production de chaleur. Dans ce chapitre, nous avons comparé entre elles une petite installation CCF, une grande installation CCF et une combinaison CCC+PAC, sur la base des critères suivants: Quel est le rendement total de chaque système? Quelle est la charge en CO 2 pour l'environnement? Comment sont utilisées les installations au fil de l'année? L'électricité et la chaleur sont-elles des formes d'énergie de même valeur? Quels sont les avantages et les inconvénients de la production couplée d'électricité et de chaleur? Quel est le coût de chaque système? Avant de pouvoir comparer entre eux les différents systèmes, nous devons réaliser quelques calculs abstraits basés sur des rendements thermiques et électriques typiques. Pour tous les types d'installation dans lesquels il existe un besoin supplémentaire en termes de production de chaleur, la pompe à chaleur est intégrée dans les comparaisons. Ces calculs n'ont pas vocation à reproduire fidèlement la réalité. Ainsi, les valeurs limites des systèmes sont choisies de telle sorte que les pertes de ligne et de transport ne sont pas prises en compte dans les calculs, et la pompe à chaleur est associée à un COPA constant alors qu'en réalité le coefficient varie en fonction de l'utilisation de la pompe et ne peut être donné qu'à l'intérieur d'une fourchette. Les calculs se limitent aux principaux composants des systèmes et servent uniquement à illustrer un fait. 4.1 Rendements totaux et émissions de CO 2 Exprimée en g/kwh, la charge en CO 2 d'une installation dépend directement de la quantité d'énergie utile fournie: plus la quantité produite à partir d'une unité de combustible est importante, moins la charge en CO 2 est élevée. Ainsi, la charge est directement liée au rendement total de l'installation: La combustion du gaz naturel libère 220 g de CO 2 par kwh de contenu énergétique. Donc la combustion d'une quantité Q de gaz naturel dégage Q*220 g de CO 2. Le rendement n indique le rapport entre l'énergie utile et l'énergie primaire utilisée. A partir d'une quantité Q de gaz naturel, on produit donc Q*n kwh d'énergie utile. 1 kwh d'énergie utile dégage donc 220/n g de CO 2. La charge émise par le gaz naturel est ainsi de 220/n g de CO 2 par kwh d'énergie utile. Connaître le rendement des différents systèmes globaux est donc important pour déterminer leur charge en CO 2. Le tableau 3 (présenté plus loin) récapitule les rendements et les charges en CO 2 de nos trois systèmes comparés. Pour comparer les rendements totaux des installations CCF et CCC+PAC, nous nous sommes basés sur les rendements typiques suivants: 6/24

7 Petite CCF Grande CCF CCC η th 0,55 0,48 0 η el 0,35 0,43 0,58 9 η tot 0,9 0,91 0,58 Tableau 2. Rendements individuels comparés des installations CCF et CCG La pompe à chaleur a un coefficient de performance annuel de 3,5. La chaudière que nous avons intégrée dans le calcul comparatif d'une production de chaleur neutre en CO 2 a un rendement typique de 95% Production de chaleur uniquement Ce comparatif s'intéresse à la quantité maximale de chaleur fournie lorsque toute l'électricité produite par l'installation est utilisée pour actionner des pompes à chaleur cette production de chaleur venant s'ajouter à la chaleur utile issue du couplage chaleur-force. Petite CCF n th=0,55 n el=0,35 55 kwh totale 178 kwh Electric. 35 kwh PAC COPA=3,5 123 kwh Grande CCF n th=0,48 n el=0,43 48 kwh totale 199 kwh Electric. 43 kwh PAC COPA=3,5 151 kwh CCG n el=0,58 Electric. 58 kwh PAC COPA=3,5 203 kwh Les rendements totaux s'élèvent à 178% (petite CCF+PAC), 199% (grande CCF+PAC) et 203% (CCC+PAC). 9 En vertu de l'art. 2 de l'ordonnance réglant la compensation des émissions de CO2 des centrales thermiques à combustibles fossiles (Ordonnance sur la compensation du CO 2) du 24 novembre 2010, le rendement total minimal des centrales CCC est fixé à 62% (ou 58,5% pour les centrales sises en des emplacements où une centrale a déjà été exploitée). Cette disposition parle en faveur d'une combinaison CCG + autres sources de chaleur, mais nous préférons tout de même dans un souci de cohérence avec d'autres sources nous baser sur un rendement généralisé de 58% pour les centrales CCC. 7/24

8 Avec un rendement total supérieur à 200%, la combinaison CCC+PAC est celle qui produit le plus de chaleur. Mais la combinaison CCF+PAC n'est pas très éloignée de ce résultat, grâce au concours des pompes à chaleur Production d'électricité uniquement Ce comparatif porte sur la quantité maximale d'électricité produite par les installations CCF et CCC. Ici, la chaleur issue du couplage chaleur-force n'est pas convertie en électricité, mais cédée à l'environnement. Petite CCF n th=0,55 n el=0,35 Chaleur cédée à l'env. Electricité 35 kwh Grande CCF n th=0,48 n el=0,43 Chaleur cédée à l'env. Electricité 43 kwh CCC n el=0,58 Electricité 58 kwh Les rendements totaux, qui correspondent ici au rendement électrique, montrent que les installations CCC sont mieux adaptées que les installations CCF à la production exclusive d'électricité. Dans notre exemple, le rapport entre l'installation CCC et les deux installations CCF s'établit à 1,7 pour la petite centrale CCF et à 1,3 pour la grande. Ce comparatif met en évidence l'inconvénient de la production couplée de chaleur et d'électricité, à savoir que les installations CCF produisent de la chaleur même lorsque l'on n'en a pas besoin. En l'absence d'un système d'accumulation, cette chaleur doit être cédée à l'environnement sans être exploitée, ce qui réduit le rendement total de l'installation ainsi que l'efficacité de la production d'électricité par rapport aux centrales CCC. 8/24

9 4.1.3 Production de chaleur équivalente Ce comparatif se base sur la même quantité de chaleur délivrée (produite au besoin avec le concours de pompes à chaleur) et prend en compte l'électricité fournie. La quantité de chaleur de référence est celle d'une chaudière au gaz naturel, avec un rendement de 95%. Pour une production de chaleur identique dans les installations CCF et CCC et avec la chaudière, l'exploitation est neutre en CO 2. Chaudière n th=0,95 95 kwh Petite CCF n th=0,55 n el=0,35 55 kwh totale 95 kwh Electric. 11 kwh + 24 kwh PAC COPA=3,5 40 kwh Grande CCF n th=0,48 n el=0,43 48 kwh totale 95 kwh Electric. 13 kwh + 30 kwh PAC COPA=3,5 47 kwh CCC n el=0,58 Electric. 27 kwh + 31 kwh PAC COPA=3,5 95 kwh Pour une production de chaleur neutre en CO 2, les rendements totaux s'établissent à 119% (petite CCF+PAC), 125% (grande CCF+PAC) et 126% (CCC+PAC). Dans notre exemple, la centrale CCC fournit nettement plus d'électricité que la petite installation CCF, tandis que l'écart avec la grande installation CCF est minime. Comme ces installations produisent beaucoup de chaleur, elles ont besoin d'un gros acheteur de chaleur à proximité immédiate, qu'elles alimentent via un réseau de chauffage à distance. 9/24

10 4.1.4 Production d'électricité équivalente Ce comparatif cherche à déterminer la quantité supplémentaire de chaleur générée pour produire la même quantité d'électricité. Il utilise comme grandeur de référence la production d'électricité de la petite installation CCF. Petite CCF n th=0,55 n el=0,35 55 kwh Electric. 35 kwh Grande CCF n th=0,48 n el=0,43 48 kwh totale 76 kwh Electric. 8 kwh + 35 kwh PAC COPA=3,5 28 kwh CCC n el=0,58 Electric. 23 kwh + 35 kwh PAC COPA=3,5 81 kwh A quantité d'électricité équivalente, le système CCC+PAC produit plus de chaleur que les deux installations CCF. Les rendements totaux s'élèvent à 90% (petite CCF), 111% (grande CCF+PAC) et 116% (CCC+PAC). 10/24

11 4.1.5 Rendements totaux et charges en CO 2 Le tableau ci-dessous présente les résultats des différents comparatifs sous forme de rendements totaux. Les charges en CO 2 ont été calculées sur la base du contenu énergétique du gaz naturel (220/N tot ). Rendements totaux N th N el N tot CO 2 (g/kwh) Sans restriction Production de chaleur uniquement Production d'électricité uniquement Production de chaleur équivalente Production d'électricité équivalente Petite CCF 0, Grande CCF 0, CCC Petite CCF+PAC Grande CCF+PAC CCC+PAC Petite CCF Grande CCF CCC Petite CCF+PAC Grande CCF+PAC CCC+PAC Petite CCF+PAC Grande CCF+PAC CCC+PAC Tableau 3. Comparaison des rendements totaux et des charges en CO 2 La comparaison des différents systèmes permet de tirer les conclusions suivantes: Dans tous les domaines, la combinaison CCC+PAC se distingue par le meilleur rendement total. La grande installation CCF réalise de meilleurs rendements totaux que la petite, ce qui lui donne un avantage en termes d'efficacité. Lorsque la grandeur cible est la chaleur, la grande installation CCF et la combinaison CCC+PAC sont comparables en termes de rendement total. Lorsque la grandeur cible est l'électricité, la centrale CCC est la plus efficace. Et cet avantage est d'autant plus net que la quantité d'électricité est importante: dans le comparatif «Production d'électricité équivalente», la combinaison CCC+PAC affiche un rendement supérieur de 5% seulement à celui de la grande installation CCF, mais qui monte à 21% dans le comparatif «Production d'électricité uniquement» Résultat Que ce soit pour la stricte production de chaleur ou d'électricité ou pour la production couplée des deux formes d'énergie, la combinaison CCC+PAC présente la meilleure efficacité énergétique à partir d'un coefficient de performance annuel d'environ 2,5 (voir illustration 4). 11/24

12 Illustration 4. Economies de CO2 des centrales CCF et CCG associées à des PAC. Source: OFEN 2006 Avec un résultat de 58% 10, la centrale CCC réalise un rendement inférieur à celui de la centrale CCF (plus de 90%). Et, si l'on considère uniquement le rendement énergétique, elle émet plus de CO 2 par kwh d'énergie produite. On pourrait donc en déduire qu'il s'agit d'une forme de production inefficace. Mais si on associe la centrale CCC à des pompes à chaleur, la quantité d'énergie utile augmente sans consommation supplémentaire de combustible ni émission supplémentaire de CO 2. En matière de combustibles fossiles, la seule vision possible est donc la prise en compte des productions de chaleur et d'électricité en tant que système global. Seule cette vision d'ensemble permet d'établir des comparatifs pertinents et de se prononcer sur la façon la plus efficace d'utiliser le combustible. Ainsi, la technologie des pompes à chaleur est la clé d'une meilleure efficacité énergétique globale, en particulier pour la fourniture de chaleur. Le fait d'associer une pompe à chaleur à une installation CCF ou CCC permet toujours d'atteindre un taux d'utilisation nettement supérieur à celui de l'installation CCF ou CCC seule. Reste à déterminer avec quelle forme de production d'électricité la pompe à chaleur doit fonctionner: la comparaison des degrés d'utilisation du combustible parle en faveur des grandes centrales, qui ont un meilleur rendement électrique que les petites et réalisent de meilleurs rendements totaux que les CETE lorsqu'elles sont associées à une pompe à chaleur. Dans ce cas également, c'est la centrale CCC qui est la plus efficace en raison d'un rendement électrique optimal. Lorsque la grandeur cible est la chaleur, l'efficacité énergétique des deux variantes «grande installation CCF+PAC» et «CCC+PAC» est comparable. Plus la part de la chaleur dans le mix énergétique fourni est réduite par rapport à celle de l'électricité, plus la variante CCC est intéressante en termes d'efficacité. Lorsque la grandeur cible est l'électricité, c'est dans les centrales CCC que la production est la plus rentable. Et les mesures engagées dans le secteur du bâtiment en termes d'efficacité jouent précisément en faveur de 10 En vertu de l'art. 2 de l'ordonnance réglant la compensation des émissions de CO2 des centrales thermiques à combustibles fossiles (Ordonnance sur la compensation du CO 2) du 24 novembre 2010, le rendement total minimal des centrales CCC est fixé à 62% (ou 58,5% pour les centrales sises en des emplacements où une centrale a déjà été exploitée). Cette disposition parle en faveur d'une combinaison CCG + autres sources de chaleur, mais nous préférons tout de même dans un souci de cohérence avec d'autres sources nous baser sur un rendement généralisé de 58% pour les centrales CCC. 12/24

13 l'électricité puisqu'elles visent à réduire la demande de chaleur. Tant que la consommation électrique reste stable ou augmente par rapport à aujourd'hui, le rendement électrique pèse davantage que le rendement thermique dans l'évaluation de l'efficacité. Si bien qu'efficacité rime de plus en plus avec forte production d'électricité. 4.2 Taux d'utilisation des systèmes globaux Le rendement d'une installation ou d'un système global est une caractéristique technique qui indique le rapport entre la quantité d'énergie produite et la quantité d'énergie utilisée, à un instant donné. Le taux d'utilisation, pour sa part, met en rapport les quantités d'énergie tout au long d'une période, généralement sur une année. Le dimensionnement d'une installation CCF+PAC est commandé par le besoin en chaleur. Ce besoin est enregistré sous la forme d'une courbe annuelle (voir illustration 5) qui associe la puissance thermique à fournir et le nombre d'heures par an. Certains jours de l'année, les températures extérieures sont très basses et la puissance thermique à fournir est considérable, mais la plupart du temps, l'installation peut se contenter de fonctionner à un tiers de sa puissance maximale. Illustration 5. Courbe annuelle des durées. Source: site allemand Nahwärme-Forum Si le dimensionnement était basé sur la puissance maximale à fournir, l'installation CCF aurait à céder à l'environnement une quantité importante de chaleur non utilisée, ou bien elle subirait une usure accélérée en raison de fréquentes mises à l'arrêt. Pour que la production de chaleur ambiante et d'eau chaude soit la plus rentable possible, il est préférable de dimensionner l'installation de telle sorte qu'elle couvre environ 70% de la demande de chaleur, les 30% restants étant fournis par des chaudières (voir illustration 6) M. Erb, S. Gutzwiller, «Evaluation de sites CCF sur la base d'une analyse SIG», Verband Effiziente Energie Erzeugung V3E, Sarnen, juin /24

14 llustration 6. Couverture des charges thermiques de base et de pointe par une centrale CCF et une chaudière de pointe, avec une conception d'installation optimisée en termes d'économie. Source: V3E 2011 Dans les centrales CCF exploitées en Suisse, un tiers environ de la puissance thermique annuelle demandée est habituellement fourni par des chaudières au mazout ou au gaz. Sur une année d'exploitation, cela réduit considérablement le taux d'utilisation des centrales CCF par rapport à leur rendement. Les pompes à chaleur, quant à elles, sont généralement conçues de manière à produire seules (c'est-à-dire sans agrégat supplémentaire) l'intégralité de la puissance calorifique demandée. Lorsque la demande diminue, elles se mettent automatiquement à l'arrêt. Ces cycles fréquents de marche et d'arrêt ont évidemment un effet d'usure, mais il n'est pas comparable à celui des installations CCF car il n'affecte aucun composant mécanique. En tant que systèmes à puissance régulée, les PAC ont également pour avantage d'ajuster la puissance du compresseur à la chaleur demandée. 12 Le taux d'utilisation annuel ne s'en trouve pas réduit par rapport au rendement. 12 P. Egli, «Des avancées dans le domaine des pompes à chaleur à puissance régulée», Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur GSP, Berne, /24

15 Ces propos sont illustrés par les calculs suivants (basés sur une production de chaleur maximale): 30 MWh Chaudière n th=0,95 28,5 MWh 70 MWh Petite CCF n th=0,55 n el=0,35 38,5 MWh totale 153 MWh Electricité 24,5 MWh PAC COPA=3,5 86 MWh 30 MWh Chaudière n th=0,95 28,5 MWh 70 MWh Grande CCF n th=0,48 n el=0,43 34 MWh totale 167,5 MWh Electricité 30 MWh hkwh PAC COPA=3,5 105 MWh 100 MWh CCC n el=0,58 Electricité 58 MWh PAC COPA=3,5 203 MWh Le fait d'associer des chaudières à un système global CCF fait considérablement baisser le taux d'utilisation annuel par rapport au rendement (voir section «Production de chaleur uniquement»). Les rendements des systèmes «petite CCF+PAC» et «grande CCF+PAC» sont ainsi de 1,78 et 1,99, tandis que les taux d'utilisation avec chaudières sont de 1,53 et 1,68 soit une baisse d'environ 15% Résultat A basse température, la puissance calorifique fournie par les installations CCF provient de chaudières supplémentaires pour environ 30%. De ce fait, l'efficacité des installations ne peut pas être appréciée uniquement sur la base de leur rendement; elle doit également se référer au taux d'utilisation annuel. 4.3 Qualité des produits Les comparatifs ci-dessus ont montré que l'avantage des centrales CCC en termes d'efficacité est d'autant plus important que la part de l'électricité est élevée dans le mix énergétique produit. Mais l'efficacité ne mesure pas uniquement la quantité d'énergie produite par rapport au nombre de kwh utilisés (c'est-à-dire le 15/24

16 rendement énergétique). Au critère quantitatif doit s'ajouter une réflexion sur la qualité de chaque produit, car la chaleur et l'électricité n'ont pas la même valence Différence de qualité entre l'électricité et la chaleur La valence exprime le caractère utilisable d'une forme d'énergie. La chaleur ne peut se transformer en d'autres formes d'énergie qu'à une température élevée; elle perd rapidement sa capacité de transformation à mesure que la température descend, jusqu'à ce qu'il devienne uniquement possible de la transférer d'un support à un autre et donc de l'utiliser à des fins de chauffage. L'électricité, en revanche, peut plus ou moins se transformer en toute autre forme d'énergie, avec très peu de pertes lors de la conversion. Elle peut ainsi actionner des machines et des appareils, contribuer à produire de la chaleur, du froid et de la lumière, ou mettre en mouvement des véhicules. Cette propriété physique appelée «exergie» désigne la capacité de travail d'une forme d'énergie. Si un kilowattheure d'électricité correspond à une capacité de travail de 100%, un kilowattheure de chaleur à une température de 100 C correspond à une capacité de travail de 20%. 13 Le rapport entre l'énergie et l'exergie peut s'expliquer plus facilement avec les notions de valeur et de valence: ainsi, une marchandise et un billet de banque peuvent avoir la même valeur, sans être utilisables de la même façon (valence). Le billet de banque permet de produire différentes marchandises ou prestations, tandis que la marchandise ne peut être que consommée Les différentes qualités de la chaleur La chaleur possède différentes qualités. A température élevée, elle peut intervenir dans des processus techniques tels que le séchage et la fusion. A basse température, elle sert principalement à chauffer de l'eau sanitaire ou de l'eau de chauffage, et on lui trouve peu d'autres applications. Toutes les formes de production de chaleur ne sont pas capables de fournir de la chaleur industrielle. Dans les grandes centrales CCF, les rejets thermiques issus du couplage chaleur-force ou de la génération de vapeur ont une température élevée largement supérieure à 100 C. Ils peuvent donc être utilisés localement pour alimenter des sites à forte demande de chaleur, par exemple des bâtiments industriels, des hôpitaux ou des centres-villes anciens (dont les monuments protégés ne peuvent pas être mis aux normes en termes d'assainissement énergétique et ont besoin d'une température d'entrée élevée pour leurs systèmes de chauffage). Les pompes à chaleur, en revanche, sont intéressantes lorsque les températures d'entrée demandées sont peu élevées. L'énergie thermique qu'elles produisent est issue aux trois quarts de l'environnement, ce qui signifie qu'au lieu de consommer de l'électricité, elles augmentent le contenu énergétique du courant utilisé. En termes d'efficacité énergétique, les pompes à chaleur constituent les meilleures installations. Et leur efficacité est d'autant plus élevée que la température d'entrée demandée est basse. C'est la raison pour laquelle elles ont un coefficient de performance annuel plus élevé dans les constructions neuves proposant une bonne isolation thermique et un chauffage par le sol (corps de chauffe répartis sur de grandes surfaces) que dans les bâtiments anciens (voir tableau 1). 13 L'exergie décrit la capacité de travail, et l'anergie l'incapacité de travail. Leur existence est dérivée du deuxième principe de la thermodynamique, selon lequel l'exergie se transforme en anergie dans les processus non réversibles tels que la combustion. Ainsi, l'énergie ne se perd pas (premier principe de la thermodynamique); seule diminue sa capacité à fournir un travail. Le terme «exergie» a été introduit par Zoran Rant en L'exergie ou la capacité de travail de la chaleur dépend de sa température (T1) et de celle de son environnement (T2). Avec une machine idéale, le rendement maximum que l'on puisse obtenir est le rendement de Carnot (T1-T2)/T1 ou 1-T2/T1 (exprimé en kelvin). 16/24

17 4.3.3 Résultat Pour que de grandes installations CCF puissent atteindre un rendement total de 90% et alimenter des réseaux de chauffage à distance, il faut nécessairement accepter une diminution du rendement électrique. Pour autant, la chaleur et l'électricité ne sont pas des formes d'énergie de même valeur. Pour apprécier l'efficacité d'une installation, il n'est pas suffisant de cumuler simplement l'énergie produite sans tenir compte de sa qualité: la chaleur et l'électricité doivent être pondérées en fonction de leur valence. En ce sens, les installations présentant la meilleure efficacité énergétique totale sont celles qui concentrent leur production sur l'électricité et qui sont optimisées en conséquence. L'efficacité d'une centrale de production doit également prendre en compte la température de la chaleur mise à disposition et réellement utilisée. Pour les applications à haute température, la chaleur issue des installations CCF est la mieux adaptée. Pour les applications à basse température (chauffage des bâtiments à usage d'habitation p. ex.), les pompes à chaleur sont plus efficaces car l'énergie calorifique est prélevée aux trois quarts dans l'environnement. 4.4 Avantages et inconvénients du couplage La technologie CCF a pour avantage notable de garantir un rendement total élevé. Mais ce résultat est conditionné par le fait que les deux formes d'énergie doivent être utilisées. Pour une mise en œuvre optimale, l'installation doit être commandée par le besoin en chaleur, ce qui signifie que l'exploitation doit être ajustée à la demande de chaleur et que le courant fourni doit alimenter le réseau d'électricité en tant que produit dérivé. Si l'installation est commandée par le besoin en électricité, toute la production est concentrée sur l'électricité à fournir, y compris la production de chaleur. Pour gérer les excédents de chaleur ou les déficits, l'installation doit recourir à un accumulateur de chaleur ou, inversement, à une source thermique supplémentaire. Même si le dimensionnement de l'accumulateur est suffisant, les pertes thermiques réduisent alors le rendement total de l'installation. C'est pourquoi les installations CCF ne peuvent atteindre un niveau d'efficacité élevé que si elles sont commandées par le besoin en chaleur. Une obligation dont l'inconvénient est que la production d'électricité ne peut pas être régulée. Lorsque la part de l'électricité dans le mix énergétique est faible, cela ne pose pas de problème car cette électricité peut être injectée dans le réseau et s'ajouter au reste de la production d'électricité. Mais lorsque la part d'électricité fournie par la centrale CCF est conséquente, la production doit être équilibrée par des accumulateurs ou bien l'installation est commandée par le besoin en électricité et perd en efficacité. Le couplage de la chaleur et de l'électricité a pour inconvénient majeur que l'une ne va pas sans l'autre. Si les pompes à chaleur peuvent également fonctionner avec de l'électricité issue de sources à caractère stochastique telles que l'éolien et le photovoltaïque, il faut renoncer à cette forme d'électricité dans les installations CCF et produire de la chaleur à partir de chaudières supplémentaires Résultat Dans les centrales CCF, la flexibilité s'acquiert au mieux au détriment du rendement total. Autrement dit, l'avantage de la production couplée (qu'est son efficacité élevée) est réduit à néant lorsque le besoin en flexibilité est important. 17/24

18 4.5 Coûts Coûts d'investissement et prix de revient de l'électricité Le tableau ci-dessous met en rapport les coûts d'investissement et le prix de revient de l'électricité dans les centrales CCC et les petites centrales CCF. Les valeurs sont extraites des documents connaissances de base relatifs à cette question. 14,15 En raison d'un effet d'échelle et d'un meilleur rendement, les coûts des grandes centrales CCF sont généralement inférieurs à ceux des petites. Ils oscillent entre ceux des centrales CCC et ceux des petites centrales CCF. 16 Coûts Aujourd'hui Coûts d'investissement d'une centrale CCC (en CHF/kW) Coûts d'investissement d'une petite centrale CCF (en CHF/kW) Prix de revient d'une centrale CCC (en centimes/kwh) Prix de revient d'une petite centrale CCF (en centimes/kwh) (CSC: ) (16 avec CSC) (CSC: ) (15 avec CSC) Tableau 4. Comparaison des coûts d'investissement et du prix de revient de l'électricité dans une centrale CCG et une petite centrale CCF Dans les centrales à énergie fossile, les coûts dépendent fortement du combustible utilisé, qui représente environ 70% du prix de revient de l'électricité. 17 Les centrales CCF, pour lesquelles la durée de fonctionnement annuelle et la part de chaleur écoulée jouent un rôle décisif, impliquent des frais d'entretien spécifiques. En règle générale, les centrales CCC et CCF injectent leur production d'électricité dans le réseau à différents niveaux de tension, ce qui génère des différences de coûts. Les comparaisons de prix doivent donc être établies avec soin Rentabilité de la production de chaleur Pour déterminer la rentabilité de la production de chaleur, les installations CCC doivent être comparées avec les installations CCF sur la base de leur production de chaleur uniquement. Ceci vaut aussi bien pour les comparatifs financiers qu'énergétiques et inclut toujours les pompes à chaleur associées. Comme les coûts d'investissement pour les pompes à chaleur dépendent des conditions disponibles sur site, p. ex. du raccordement à la source de chaleur ou de la puissance calorifique à fournir (qui est également déterminante pour le dimensionnement de la centrale CCF), il est difficile d'énoncer des généralités. 14 «Electricité durable: vœu pieux ou bientôt réalité?», paru dans la newsletter «Le Point sur l'énergie» du PSI, n 20, juin «Fondements pour la stratégie énergétique du Conseil fédéral Actualisation des perspectives énergétiques 2035; printemps 2011», Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, F. Rognon, «Utilisation plus efficace des combustibles fossiles et réduction des émissions de CO2 pour le chauffage des bâtiments et la production d'électricité en Suisse», Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, novembre F. Rognon, «Utilisation plus efficace des combustibles fossiles et réduction des émissions de CO2 pour le chauffage des bâtiments et la production d'électricité en Suisse», Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, novembre /24

19 Les considérations énergétiques sont basées sur les valeurs limites des systèmes et ne tiennent pas compte des réseaux de distribution de l'électricité et de la chaleur. Cette approche est incorrecte, notamment pour la comparaison des coûts, car le réseau électrique est une structure existante tandis que le réseau de distribution de la chaleur doit être construit et financé, surtout si le chauffage à distance est l'affectation dominante. Comme ces coûts dépendent de conditions individuelles, ils doivent être déterminés et évalués isolément pour chaque projet. Il est donc difficile de généraliser en se basant sur les réseaux existants de chauffage à distance, et ce pour deux raisons: premièrement, les réseaux existants ont grandi au fil de l'urbanisation tandis que les réseaux nouveaux doivent être construits au cœur de zones déjà urbanisées et dans des conditions totalement différentes, ce qui engendre un surcoût. Deuxièmement, certains réseaux existants sont alimentés par des usines d'incinération d'ordures ménagères, si bien que le coût de la matière première n'est pas celui du gaz naturel. Evaluer la rentabilité de la production de chaleur revient également à s'interroger sur l'évolution future de ses débouchés. Une étude publiée récemment sur l'aménagement des réseaux existants de chauffage à distance montre que la demande de chaleur est amenée à diminuer quel que soit le scénario envisagé. 18 Selon cette étude, les coûts spécifiques et les coûts de distribution du chauffage à distance devraient augmenter à l'avenir, tandis que les coûts des pompes à chaleur devraient connaître des hausses moins significatives. Pour autant, il est impossible de déterminer de manière générale si le prix de revient sera plus important pour le chauffage à distance que pour les pompes à chaleur. Ce qui est certain, en revanche, c'est que leur concurrence sera de plus en plus forte et que les projets d'aménagement des réseaux existants de chauffage à distance devront garder un œil sur l'évolution des pompes à chaleur Résultat Il est difficile d'établir des comparaisons générales en matière de rentabilité entre les installations CCC et CCF. Pour prendre en compte tous les aspects concernés et comparer ce qui est comparable, il faudrait procéder à des examens détaillés en intégrant aussi bien la composante électrique que la composante thermique. 5. Tendances pour les différentes technologies Centrales à gaz à cycle combiné (CCC) Jusque dans les années 1970, l'électricité était majoritairement produite à partir du gaz naturel, dans des turbines à gaz ayant un rendement inférieur à 40%. L'exploitation des rejets thermiques par des turbines à vapeur installées en aval des turbines à gaz a ensuite permis d'augmenter le rendement jusqu'à 60%. Cette combinaison, à laquelle est venue s'ajouter l'exploitation par le processus interne des rejets thermiques de la turbine à vapeur, constitue l'optimisation maximale de la technologie CCC en matière de production d'électricité. D'autres améliorations importantes sont toutefois à prévoir, car le rendement est pour l'instant limité par des lois physiques (contenu exergétique du combustible) et par la charge en matière première de la turbine à gaz. En mai 2011 à Ingolstadt, une installation CCC a établi un record mondial en atteignant un rendement de 60,75%. 19 Mais le rendement à charge partielle est également un facteur important G. Klingler, W. Ott. N. Rom, «L'avenir des systèmes d'approvisionnement en énergie de réseau», rapport final, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, 2011 Site allemand «Bild der Wissenschaft», 19/24

20 5.1.2 Couplage chaleur-force (CCF) Les technologies utilisées dans les installations CCF (moteurs à combustion, turbines à gaz et turbines à vapeur) sont toutes des technologies éprouvées et matures, si bien que l'amélioration effective des rendements passe par de meilleures propriétés de matériaux et dépend de la taille des installations. L'association «Verband Effiziente Energie Erzeugung» (V3E) fait mention d'une installation dotée d'une puissance électrique installée de 9,5 MW et d'un rendement électrique de 48,7%. 20 Dans les installations CCF à vapeur et à cycle combiné, le rendement électrique est toutefois influencé également par le découplage de la chaleur. Cet aspect peut lui aussi conduire à des améliorations, en plus de la taille de l'installation. La pile à combustible est une technologie CCF plutôt coûteuse. Son essor est annoncé depuis longtemps dans le secteur des maisons unifamiliales et bifamiliales, mais aucune production de masse n'est en vue pour le moment Pompe à chaleur (PAC) La réalisation des coefficients de performance annuels (COPA) passe par une meilleure efficacité des pompes à chaleur. Ces coefficients sont influencés par la température de la source thermique et par la température d'entrée à délivrer. Dans le secteur des constructions neuves, il est possible d'atteindre des COPA très élevés (jusqu'à 5) en voyant grand dans le dimensionnement du système de production de chaleur (sonde terrestre), en appliquant des mesures d'isolation thermique adaptées et en installant de grandes surfaces de chauffage. Dans le secteur de la rénovation, des coefficients nettement supérieurs à 4 sont aujourd'hui envisageables (voir tableau 1). 6. Bilan La chaleur et l'électricité doivent être considérées de façon conjointe La production d'électricité fossile s'accompagne toujours de rejets thermiques, qui peuvent être exploités localement par des installations CCF à des fins de chauffage. L'utilisation de pompes à chaleur permet également de produire de la chaleur utile de manière très efficace, à tel point que le rendement de la production d'électricité devient alors un élément essentiel. Par conséquent, les comparaisons entre les deux technologies productrices d'électricité CCF et CCC doivent toujours se baser sur la production des deux formes d'énergie que sont la chaleur et l'électricité. Il existe fondamentalement deux systèmes globaux Les comparaisons doivent mettre en rapport une grande installation CCC à rendement électrique élevé, combinée à des pompes à chaleur décentralisées, et une installation CCF avec utilisation directe de la chaleur résiduelle, complétée par des pompes à chaleur décentralisées. Bien que dans l'installation CCC la chaleur ne soit pas exploitée sur son lieu de production, le rendement du système global est bien meilleur. Cet avantage par rapport à l'installation CCF est attribuable à la pompe à chaleur qui, à partir d'une unité d'électricité, peut fournir trois à quatre unités de chaleur utile destinée au chauffage ou à la production d'eau chaude. Seules les installations CCF de très grande dimension peuvent atteindre des valeurs approchantes Association suisse «Verband Effiziente Energie Erzeugung V3E», Se reporter au document connaissances de base «Couplage chaleur-force (CCF)» 20/24

21 Pour produire de la chaleur, les deux systèmes doivent dans tous les cas être préférés à la combustion pure de pétrole ou de gaz naturel. Les installations CCF décentralisées présentent des atouts spécifiques Lorsque la chaleur nécessaire dépasse une température d'environ 60 C, le rendement des pompes à chaleur diminue et leur utilisation devient moins efficace. La chaleur provenant des installations CCF n'est pas soumise à cette contrainte, si bien qu'une utilisation est possible à des températures très élevées, comme celles exigées par certains processus industriels. Les installations CCF se révèlent également avantageuses lorsque la demande de chaleur est à la fois importante et constante sur une longue période, comme c'est le cas dans certaines branches industrielles, dans les grands hôpitaux ou établissements de soins et dans les secteurs à forte densité d'habitat ancien, difficiles à rénover. Dans la plupart des cas, la combinaison CCC+PAC est plus intéressante Dans toutes les situations où les pompes à chaleur peuvent être utilisées dans de bonnes conditions, leur combinaison avec une installation CCC est avantageuse, premièrement parce que le rendement électrique des installations CCC est le plus élevé et deuxièmement parce que la technologie des pompes à chaleur est très efficace. Leur association présente l'autre avantage de toujours permettre la transformation des installations de chauffage existantes, sans qu'il y ait besoin de bâtir de petites installations peu efficaces ou des réseaux de distribution thermique onéreux. La combinaison CCC+PAC s'impose également en termes d'économie énergétique et de respect de l'environnement. En effet, lorsque l'électricité d'origine éolienne ou solaire est présente en grandes quantités sur le marché européen, il est possible de mettre entièrement à l'arrêt l'installation CCC et de continuer à produire de la chaleur uniquement avec la pompe, en émettant très peu de CO 2. A bien des égards, le découplage spatial et temporel des productions d'électricité et de chaleur offre de nombreux avantages pour un rendement du système global toujours aussi élevé. Mais des dispositions devront être prises à l'avenir pour maximiser ce potentiel, notamment dans le domaine des réseaux électriques et du stockage de la chaleur. L'électricité a un champ d'application plus vaste que la chaleur Les centrales CCF ont un rendement total de 90%, tandis que les centrales CCC ont un rendement électrique d'à peine 60% et transforment 100% de l'électricité en chaleur au moyen de chauffages électriques. Lesquelles sont les plus efficaces? Pour évaluer ces deux technologies, l'habitude veut qu'on additionne les rendements thermique et électrique et qu'on attribue automatiquement la meilleure efficacité au résultat le plus élevé. Pourtant, considérer la chaleur et l'électricité comme deux formes d'énergie équivalentes en termes d'utilisation est une erreur fondamentale: la chaleur est utilisée presque uniquement pour chauffer, tandis que l'électricité possède un champ d'application beaucoup plus vaste, ce qui la rend plus précieuse et a pour incidence qu'une centrale est d'autant plus efficace que son rendement électrique est élevé. Les centrales CCF doivent être secondées par des chaudières Pour être rentables, les centrales CCF sont dimensionnées de manière à couvrir à elles seules environ deux tiers des besoins en chaleur. Les centrales plus grandes ne sont pas rentables. Le tiers restant est fourni par des chaudières traditionnelles. Conséquence: le taux d'utilisation des centrales CCF, apprécié sur l'année, est moins bon que le rendement total. Le découplage accroît la flexibilité La production découplée de chaleur et d'électricité dans les installations CCC+PAC offre une précieuse marge de liberté sans pour autant nuire à l'efficacité. Ainsi, le besoin thermique et le besoin électrique peu- 21/24