Installation d'une cogénération au gaz 230 kw th kw é

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1 Installation d'une cogénération au gaz 230 kw th kw é Dans un home pour personnes âgées ETUDE DE FAISABILITE Tâche réalisée par le Facilitateur en Cogénération de la Région de Bruxelles-Capitale Opérateur désigné : ICEDD Institut de Conseil et d Etudes en Développement Durable asbl Boulevard Frère Orban, NAMUR Personne de contact Yves Lebbe Facilitateur en Cogénération pour la Région de Bruxelles-Capitale Tél : 0800/ Courriel : facilitateur.cogen@ibgebim.be Institut Bruxellois pour la Gestion de l Environnement (IBGE BIM) Division : Autorisation et action réglementée Service : Régulation Gulledelle, BRUXELLES Personne de contact : Jean Degand Fonctionnaire Attaché Tél : 02/ Courriel : jdg@ibgebim.be Toute l information sur l énergie (publications, services d aide, outils techniques, actualités, séminaires, aides financières, ) à Bruxelles sur

2 Table des matières Synthèse des résultats de l étude de faisabilité d une cogénération...4 Synthèse des hypothèses de l étude de faisabilité d une cogénération...5 Synthèse du dimensionnement de la cogénération...6 Avant-propos...7 Méthodologie d une étude de faisabilité d'une cogénération Présentation du home Type d établissement Installation de chauffage Installation électrique Intégration de la cogénération Emplacement et acheminement Intégration dans l installation thermique Intégration dans l installation électrique Les consommations d électricité et de chaleur Les consommations annuelles Les variations hebdomadaires et journalières Factures énergétiques Recherche de la solution optimale Méthodologie Hypothèses pour le calcul de la rentabilité Choix du mode de fonctionnement optimum Le ballon de stockage de chaleur : une option intéressante Caractéristiques techniques de la solution proposée Calcul des gains et dépenses annuelles Montant d'investissemen t et aides financières Gain sur la facture d'électricité Gain sur la production de chaleur Gain sur la vente des certificats verts Dépense en combustible pour la cogénération Dépense en entretien et maintenance Récapitulatif : calcul du gain annuel net Calcul du coût de revient de l'électricité par cogénération...30 Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.2 / 35

3 7. Calcul de la rentabilité Hypothèses de calcul Calcul de la rentabilité du projet de cogénération Le bilan énergétique Le bilan environnemental...34 Conclusion...35 Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.3 / 35

4 Synthèse des résultats de l étude de faisabilité d une cogénération L'objectif de cette étude de faisabilité est d'évaluer l intégration technique de la cogénération dans l installation existante, de proposer la meilleure solution technologique et d établir le bilan d un projet de cogénération au gaz naturel pour le home. C'est au terme de cette étude que le décideur pourra choisir d'investir ou non dans une unité de cogénération. Le résultat montre qu'une unité de cogénération au gaz naturel de 230 kw th et 150 kw é est économiquement intéressante, surtout couplée à un stockage de chaleur de 10 m 3. Par ailleurs, elle présente de nombreux avantages énergétiques et environnementaux. Techniques Puissance "optimale" Résultats Nombre d'heures de fonctionnement Volume du ballon de stockage 10 m 3 Energétiques Situation "avant" cogénération (factures 2005) Consommation de gaz naturel (avec 10% URE) Consommation d'électricité Situation "après" cogénération (simulations COGENsim) Consommation de gaz naturel de la cogénération Consommation de gaz naturel des chaudières Production de chaleur par cogénération Production d électricité par cogénération Economiques (montants HTVA) Situation «avant» cogénération (factures 2005) Facture combustible Facture électrique Situation «après» cogénération (simulations COGENsim) Facture combustible Facture électrique (dont revente d'électricité) Facture des entretiens et d assurance Gain de la vente des certificats verts Gain annuel Valeurs Moteur au gaz naturel 230 kw thermique et 150 kw électrique heures / an kwh primaire PCI / an kwh é / an kwh primaire PCI / an kwh primaire PCI / an kwh th / an kwh é / an /an / an / an /an / an / an ( /an) / an / an / an Investissement net (tout compris) Temps de retour simple (TRS) Taux de rentabilité interne (TRI) Environnementaux Emissions de CO 2 évitées Objectif Kyoto satisfait pour Nombre de certificat vert (1 CV = 217 kg CO 2 ) 3.2 années 22 %/an kg CO 2 / an 405 bruxellois (312 kg CO 2 /bruxellois) 582 CV / an Economie en gaz naturel kwh / an (16 %) Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.4 / 35

5 Synthèse des hypothèses de l étude de faisabilité d une cogénération Outre les résultats, il est important de présenter, de manière synthétique, les hypothèses prises lors de l étude. Dans le choix des hypothèses, nous avons tâché de nous situer du côté de la «sécurité», afin que le home puisse prendre la décision d'investir avec le maximum de garanties. On distingue 4 types d hypothèses : techniques, énergétiques, économiques et environnementales. Il est important de préciser que ces hypothèses n ont un impact que sur le calcul de la rentabilité du projet de cogénération et non sur son dimensionnement. Techniques Rendements de l unité de cogénération Charge du moteur Energétiques Besoins thermiques Rendement annuel de la chaufferie Réductions pour futures actions URE 10% Année de référence Evolution en fonction de la charge Fonctionnement jusqu'à 75 % de sa charge nominale 100 % du combustible pour la production de chaleur 85 % pour la chaufferie actuelle au mazout (estimation) 2005 (année chaude de + 12,4 % que l'année normale) Type de combustible Gaz naturel PCI = 10.8 kwh PCI/m 3 Isolation du ballon de stockage Economiques Durée de vie économique Investissement Investissement supplémentaire Prix mentionnés Facteur de sur-investissement 15 cm de laine de roche soit diminution de 1.01 C/24h h (env 10 ans) Tout compris (moteur, échangeurs, connexion électrique, conteneur acoustique, régulation, génie civil) Ballon de stockage de 10 m 3 tout compris (cuve, isolation, jaquette, supports, pompes, vannes) HTVA Taux de subside 20 % Prix du gaz et évolution Prix de l électricité Gain sur la facture d électricité Régime "heures pleines" Prix des entretiens Taux d actualisation (= taux d emprunt) Prix de vente du certificat vert Environnementales Coefficient d émission en CO2 10 % (pour éventuels imprévus) Prix décembre 2005 (30,9 /MWh) & + 5 %/an Prix 2005 (92,76 /MWh) & + 2 %/an Réduction de puissance quart horaire non considérée de 7 heures à 22 heures, les jours ouvrables Contrat tout compris (huile, assurance bris de machine et dépannage) hors inspection journalière visuelle + 5 % / an 90 / CV pendant 10 ans 217 kg CO 2 / MWh de gaz naturel Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.5 / 35

6 Synthèse du dimensionnement de la cogénération L'utilisateur d'une cogénération, pour qu'elle soit de qualité ou à haut rendement, doit valoriser toute la chaleur et toute l'électricité produites. Si la production d'électricité est supérieure aux besoins, il y aura revente sur le réseau électrique. Par contre, il est plus difficile de le faire pour la chaleur excédentaire. C'est pourquoi, une cogénération est dimensionnée sur les besoins thermiques des bâtiments. C'est lors de l'optimisation économique de la taille que l'on tient compte des besoins électriques, en évaluant la part d'électricité auto-consommée et celle qui est revendue. Afin de connaître avec précisions l'évolution dans le temps des besoins thermiques et électriques, des compteurs ont été placés durant le mois de janvier. Ensuite, pour la partie thermique, grâce aux degrés jours de la station météo d'uccle, une extrapolation du profil a été réalisée. Pour la partie électrique, Sibelga nous a fourni gracieusement les puissances ¼ heure par ¼ heure pour toute l année 2005, l'extrapolation n'était pas nécessaire. La mesure électrique a permis de valider les données reçues. Ainsi, les profils thermique et électrique sont connus pour une année entière. Ensuite, grâce au logiciel COGENsim, nous avons simulé le fonctionnement de plusieurs tailles de cogénération pour finalement choisir la plus rentable : une cogénération par moteur au gaz naturel de 230 kw th et 150 kw é. EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance ,5 Années , ,2 3,5 3,0 2,5 Certificats Verts * V.A.N ,0 Temps de retour ,5 1, , * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur 0,0 kw é Optimisation économique de la taille de cogénération à installer au home En outre, différents scénarios de fonctionnement ont été testés. Celui qui est le mieux adapté au home consiste à faire fonctionner la cogénération 24h/24, 12 mois par an et d'y accoupler un ballon de stockage de chaleur de 10 m 3. L'intégration de la cogénération et de son ballon de stockage de chaleur est aisé, vu la place disponible dans la chaufferie et la facilité d'acheminement. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.6 / 35

7 Avant-propos En 2005, la Région de Bruxelles-Capitale a mandaté l'icedd pour effectuer une étude du potentiel de développement de la cogénération sur son territoire. Les résultats montrent, qu'au niveau industriel, une entreprise sur 5 pourrait installer une cogénération rentable (temps de retour inférieur à 3 ans) tandis qu'un établissement sur 2 dans le secteur tertiaire pourrait installer une unité de cogénération rentable (temps de retour inférieur à 5 ans). Un home de la commune d'anderlecht figure parmi ces établissements propices à la cogénération. Suite à ces bons résultats, le home a été invité à fournir des données plus précises pour réaliser une étude dite "de pertinence". L'étude de pertinence permet, suite au pré-dimensionnement et aux calculs de rentabilité "à la grosse louche" de savoir s'il est pertinent d'installer une cogénération ou non dans le bâtiment étudié. Cette étude de pertinence, remise en décembre 2005, a confirmé l'intérêt d'une cogénération, mais elle n'est cependant pas suffisamment précise pour que les gestionnaires puissent décider, en connaissance de cause, l'achat d'un tel équipement. Il est nécessaire de savoir s'il y a de la place disponible et si l'acheminement du module de cogénération est possible. Il est également indispensable de pouvoir simuler le fonctionnement de cette cogénération selon les profils des besoins thermiques et électriques tel que mesurés dans le bâtiment étudié. Des simulations qui permettent d'optimiser et de fiabiliser les résultats du dimensionnement et de la rentabilité. Ces réponses sont apportées par l'étude de faisabilité, étape ultime avant la décision d'investir. Vu l'intérêt et la motivation des gestionnaires des bâtiments, la Région de Bruxelles-Capitale a offert une étude de faisabilité gratuite, objet du présent rapport. L étude de faisabilité a été effectuée par le Facilitateur en Cogénération financé par la Région de Bruxelles Capitale. Pour toute information complémentaire, n'hésitez pas à contacter le Facilitateur en Cogénération (coordonnées en couverture). Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.7 / 35

8 Méthodologie d une étude de faisabilité d'une cogénération L'étude de faisabilité d'une unité de cogénération pour le home a pour objectif d'évaluer l'intégration technique, de proposer la meilleure solution technologique et de dresser l'impact d'un tel projet. L'intégration technique consiste à déterminer si, en fonction des caractéristiques du bâtiment (type de demande en chaleur et électricité, contraintes et opportunités techniques et/ou architecturales, compatibilité avec les autres équipements, acheminement, ), s'il est possible d'intégrer facilement une unité de cogénération dans la chaufferie et l'installation électrique existantes. Dans certains cas, il sera nécessaire de réaliser des aménagements supplémentaires qui devront être pris en compte dans le calcul de la rentabilité. La meilleure solution technologique consiste à trouver la taille de l unité de cogénération et la technologie qui, en fonction de la demande en chaleur et en électricité du bâtiment, maximalisent la rentabilité financière d'un tel projet. Pour ce faire, il s'agira de simuler le fonctionnement de plusieurs tailles et types de cogénérateurs pour finalement choisir la solution qui est la plus rentable. La cogénération dont il est question est bien sûr une cogénération de qualité, qui permet une économie relative de CO 2 de minimum 5 %. Les demandes de chaleur ont été mesurées pendant deux semaines, puis ont été extrapolées sur une année entière. Le profil électrique annuel a été gracieusement transmis par le Gestionnaire du Réseau de Distribution Sibelga. L'impact d'une cogénération consiste à dresser le bilan d'un tel projet, tant du point de vue énergétique (consommation, production, gains, ), que du point de vue économique (coûts, gains, rentabilité, ) et environnemental (économie d'énergie primaire et de CO 2 ). Le présent rapport suit la démarche indiquée ci-dessus pour aboutir à des résultats chiffrés, fiables et indépendants des fournisseurs d'unités de cogénération, qui donnent au maître d'ouvrage les éléments nécessaires pour prendre une décision fondée sur des critères technico-économiques et environnementaux objectifs et quantifiés. Ces arguments seront par ailleurs très précieux pour lancer les offres et mener à bien les négociations avec différents fournisseurs de services ou pour discuter des options à prendre par le bureau d'études final pour l'élaboration du cahier spécial des charges et des plans. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.8 / 35

9 1. Présentation du home 1.1. Type d établissement Le home est une maison de repos et de soins avec 209 places. Installation de chauffage Le chauffage des bâtiments est assuré actuellement par 3 chaudières au gaz naturel avec des puissances thermique de 466 kw th, 494 kw th et 494 kw th respectivement. Dans le cadre de cette étude de faisabilité, une mesure des besoins thermiques à été effectuée en mesurant les temps de fonctionnement (à chaque demi-heure) des chaudières durant deux semaines, permettant d obtenir un profil des besoins thermiques du bâtiment. Cette étape est en effet indispensable pour pouvoir dimensionner le plus judicieusement possible l unité de cogénération Installation électrique Le home est alimenté en électricité par une cabine haute tension ( V) et alimente un transformateur. La consommation électrique est télé-relevée par Sibelga tous les quarts d'heure. Ce profil quart horaire a généreusement été transmis par Sibelga pour l'année Cette donnée est indispensable pour connaître la quantité d'électricité produite par la cogénération qui sera effectivement auto-consommée par le home ainsi que la part qui sera revendue sur le réseau électrique. Le TGBT électrique, en aval de la cabine haute tension, est situé juste à côté de la chaufferie. La distance de câble entre le TGBT et la chaufferie où serait située la cogénération a été estimée à 15 mètres. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.9 / 35

10 2. Intégration de la cogénération Le premier objectif d une étude de faisabilité est d estimer l intégration de l unité de cogénération, tant dans l installation thermique que dans l installation électrique. Il serait en effet vain de dimensionner une cogénération et de calculer sa rentabilité s il n est pas possible de l installer. Il ne s agit cependant pas d un métré précis, mais bien d une estimation Emplacement et acheminement La visite effectuée sur le site a permis de dégager les commentaires suivants. Il y a suffisamment de place disponible dans la chaufferie existante. Nous proposons d installer l unité de cogénération à côté des autres chaudières, à l emplacement d une ancienne chaudière qui n est plus utilisée. De cette manière l évacuation des gaz d échappement pourra se faire facilement par le conduit de cheminé existant et la cogénération pourra profiter de l arrivé du gaz naturel déjà présent. D autre part, la dalle de béton existante de 1,85 m x 1,4 m pourra être utilisée, mais devra être agrandie pour recevoir l unité de cogénération (ayant un poids d'environ 4 tonnes). Les dimensions d une telle unité de cogénération sont approximativement : longueur: 3,4 m largueur: 1,0 m hauteur: 2,0 m L'acheminement du module de cogénération et du ballon de stockage de 10 m 3 jusqu'à la chaufferie devra se faire via la trappe (3,2 m x 2,0 m) qui donne directement à l extérieur. Il faudra prévoir le démontage du pan vitré qui sépare la chaufferie de la trappe. Il faudra peut-être prévoir le démontage du module de cogénération (le moteur et l'alternateur) en fonction du modèle choisi. Le ballon de stockage de chaleur devra être installé le plus proche possible de la cogénération, par exemple à côté de la production de l eau chaude sanitaire. Il est important de bien isoler le ballon de stockage afin de limiter les pertes. Lors de la simulation nous avons opté pour une isolation de 15 cm de laine de verre (chute de 1 C par 24h). Un volume de 10 m 3 correspond à deux cuves de litres ayant une hauteur de 2.2 m et un diamètre de 1.7 m (hors isolation). L'option entre plusieurs petites cuves verticales reliées entre elles ou une seule grosse cuve pourra être laissé au choix des fournisseurs lors de l'appel d'offre. Il faudra, dans les deux cas, veiller à favoriser la stratification de température au sein du stockage de chaleur. Ces coûts supplémentaires sont pris en compte dans le poste "investissement". Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.10 / 35

11 Emplacement de la cogénération à la place de la 3 ème chaudière pour l'instant hors service Emplacement du ballon de stockage de chaleur à côté de la production d'eau chaude sanitaire Le panneau vitré devra probablement être démonté pour l'acheminement à travers la trappe d'accès Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.11 / 35

12 2.2. Intégration dans l installation thermique Pour que, à l'avenir, le home puisse installer une chaudière à condensation, nous préconisons un raccordement en parallèle sur les chaudières plutôt qu'un raccordement en série. Il faut en effet veiller à ce que la température de retour à l entrée des chaudières soit la plus basse possible, afin de permettre un maximum de condensation, et donc éviter un raccordement en série qui suppose que l'eau chaude de la cogénération entre ensuite dans les chaudières. Un by-pass, au moyen d'une vanne trois voies mélangeuse, permet la charge partielle ou la mise à l'arrêt du cogénération. Connexion de la cogénération en parallèle sur les chaudières Il va de soi que la régulation permettra à l unité de cogénération de fonctionner en priorité sur les chaudières afin qu un maximum de chaleur (et donc d électricité) soit produite par celle-ci. Même si l intégration finale devra être évaluée avec précision par le bureau d études en charge du projet final, à ce stade nous pouvons déjà dire qu il est possible d intégrer, assez facilement, une unité de cogénération au home. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.12 / 35

13 2.3. Intégration dans l installation électrique L'objectif du raccordement électrique de l'unité de cogénération est d'apporter le courant de la génératrice vers le réseau électrique existant, avec toutes les protections nécessaires. Le raccordement se fera au niveau du TGBT qui se situe dans le local électrique. La distance qui sépare ce local de la chaufferie a été estimée à environ 15 mètres. Par ailleurs, il existe, sur une grande partie du trajet, un chemin de câbles qui pourrait encore accueillir les câbles de connexion à la cogénération. Il faudra prévoir les éléments suivants : La protection du moteur contre un dysfonctionnement interne ou du réseau électrique et, inversement, la protection des installations internes et du réseau électrique contre un dysfonctionnement de la cogénération (sur-charges, court-cirtuit, régime de neutre, tension de raccordement, ) ; La protection de découplage permet, au moyen d'une série de relais, de déconnecter la cogénération du réseau électrique si ce dernier est en sur-tensions ou hors tension. Dans le premier cas, ce découplage protège la cogénération des sur-tensions du réseau électrique. Dans le deuxième cas, il permet au gestionnaire du réseau de distribution d'y travailler sans risques d'électrocution ; Le dispositif de synchronisation, composé d'un double fréquence-mètre et d'un double voltmètre, et relié à la régulation de l'unité de cogénération, permet d'ajuster la puissance du moteur pour adapter sa vitesse, et donc sa fréquence, ainsi que d'ajuster le courant d'excitation du moteur pour adapter la tension. Dès que les tensions et les fréquences sont égales en grandeur et en phase des deux côtés (cogénération et réseau électrique), le couplage est actionné pour que la cogénération fonctionne en parallèle réseau ; Le comptage actuel devra être adapté pour mesurer, outre l'électricité consommée, l'énergie électrique revendue sur le réseau (compteur à double cadran). Par ailleurs, le module de cogénération sera équipé des compteurs (électriques et thermiques) conforme au code de comptage pour l'obtention des certificats verts de l'ibge. Eléments nécessaires pour la connexion électrique de l'unité de cogénération Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.13 / 35

14 3. Les consommations d électricité et de chaleur Afin d effectuer un dimensionnement fin et précis de l unité de cogénération, il est primordial de bien connaître les consommations d'énergie de l'établissement étudié. Il s'agira des consommations d'électricité et de chaleur (chauffage et eau chaude sanitaire), étant donné que la cogénération permet de produire ces deux types d'énergie. Par "bien connaître", il faut entendre connaître la quantité d'électricité et de chaleur consommée annuellement, mais aussi la variation mensuelle, hebdomadaire et journalière de ces consommations jusqu'à une précision au quart d'heure Les consommations annuelles a) Le choix de l année de référence : 2005 Les consommations annuelles peuvent facilement se déduire des factures mensuelles. A ce stade, il est important de choisir une année de référence. L année la plus récente pour laquelle toutes les factures sont disponibles est l année Toutefois, concernant la consommation de chaleur, il s agit d une année «chaude». En effet, les degrés-jour à la station météorologique d'uccle, en 2005, étaient égaux à 1 829, soit 12.4 % en moins que l année climatique normale (2 088 degrés-jour). Autrement dit, choisir 2005 permet d avoir une image récente de l activité du home tout en s assurant une marge de sécurité contre le sur-dimensionnement de 12.4 %. Car s il fait plus froid à l avenir, la cogénération pourra tourner plus longtemps que ce qui est estimé dans le cadre de cette étude, ce qui augmentera d autant sa rentabilité. b) La consommation d électricité en 2005 D après le relevé de Sibelga, le home a consommé kwh d électricité en La pointe quart-horaire annuelle maximum était de 249 kw é. Cette consommation se répartit de la manière suivante, en fonction des plages horaires : kwh ont été consommés en heures pleines, soit 15 heures par jour en semaine, hors congés kwh ont été consommés en heures creuses, soit le reste du temps. kwh électrique Consommations électriques en Home Van Hellemont kw électrique Consommation heures pleines Consommation heures creuses Puissance mensuelle janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre Evolution mensuelle de la consommation d'électricité (énergie et puissance) en 2005 Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.14 / 35

15 c) Les besoins en chaleur en 2005 En 2005, le home a consommé KWh de gaz (PCI) pour satisfaire les besoins de chaleur (chauffage et eau chaude sanitaire). En multipliant cette consommation par le rendement thermique estimé à 85 %, et en tenant compte d un facteur de 10% pour d éventuelles réductions grâce à des actions d URE, les besoins en chaleur nets sont estimés à kwh par année. D'après les factures mensuelles reçues pour l'année 2005, nous pouvons constater que les besoins thermiques du home sont proportionnels aux rigueurs climatiques comme l'indique l'évolution mensuelle ci-dessous. kwh PCI Consommations en combustible en Home Van Hellemont janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre Evolution mensuelle de la consommation en gaz naturel selon les factures 2005 Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.15 / 35

16 3.2. Les variations hebdomadaires et journalières Les factures ne permettent pas de connaître les variations hebdomadaires et journalières de la consommation en chaleur et en électricité. Or, la rentabilité de l'unité de cogénération sera conditionnée par le nombre d heures de fonctionnement de celle-ci : il est préférable de la faire fonctionner durant un maximum d heures. Il est donc primordial de savoir si, durant toutes ces heures, la chaleur et l'électricité produites par cogénération pourront être valorisées dans les bâtiments. Nous pourrons le savoir grâce aux profils de consommation hebdomadaire et journalière. La seule manière de connaître ces profils de manière précise et fiable est de mesurer la consommation de chaleur et d'électricité ¼ h par ¼ h (en raison de la facturation de la pointe quart horaire électrique). C est ce qui a été fait pour le home. a) Profil électrique Outre la mesure du profil électrique du 5 au 25 janvier 2006, effectuée par Denorme Energy System, Sibelga a gracieusement transmis, à la demande du home, les puissances électriques ¼ h par ¼ h pour toute l année La figure ci-dessous illustre ce profil. Nous constatons que la puissance maximale augmente. kw électrique 250 Profil électrique mesuré - Van Heelemont janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre Profil de consommation électrique pour l'année 2005 mesuré par Sibelga kwé 300 Mesures électriques par DES du 4 au 25 janvier nb 1921 quart 2017 d'heure Profil de consommation électrique mesuré par DES Nous pouvons constater une certaine régularité pour chaque jour de la semaine, avec une baisse pour le week-end. Il existe une base d environ 50 kw é consommés en permanence. La forte consommation reste concentrée durant les heures pleines de la journée avec un pic d'environ 250 kw é au démarrage de la journée. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.16 / 35

17 b) Profil thermique mesuré Tout comme pour l électricité, il est nécessaire d obtenir le profil des besoins de chaleur. Puisque aucune donnée était disponible, il fallait effectuer des mesures. Ce qui a été fait entre le 4 et le 17 janvier 2006, à l'aide d'un automate programmable qui a enregistré le temps de fonctionnement de chacun des brûleurs des deux chaudières au gaz. Ainsi, par période d'une demi-heure, nous obtenons un certain pourcentage de fonctionnement de la chaudière. En tenant compte de la consommation de gaz sur cette période ( kwh), nous obtenons, par multiplication, l'évolution de la consommation en combustible et donc, en tenant compte du rendement des chaudières estimé à 85 %, nous obtenons une image de la production de chaleur. kw th Fonctionnement des chaudières mesuré du 4 au 17 janvier janv 5-janv 6-janv 7-janv 8-janv 9-janv 10-janv 11-janv 12-janv 13-janv 14-janv 15-janv 16-janv 17-janv Chaudière 1 Chaudière 2 Profil thermique mesuré du 4 au 17 janvier 2006 La signature énergétique du home, càd la classification de sa consommation en fonction des degrés-jour mensuels, sera très utile pour l extrapolation du profil thermique. Nous pouvons constater une bonne corrélation entre les besoins en chaleur et la rigueur climatique. Les points de consommation sont fort proches de la droite de régression linéaire. Il s agit donc bien d une consommation climatique. kwh PCI y = 718.8x R 2 = Signature énergétique - Home Van Hellemont Degrés-jour par mois Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.17 / 35

18 c) Profil thermique hebdomadaire type Nous allons choisir une semaine type de consommation thermique pour effectuer l'extrapolation. La figure ci-dessous illustre le profil de la semaine type, tel que mesuré du lundi 9 janvier 2006 au dimanche 15 janvier Par ailleurs, nous tenons compte du profil des jours fériés (que nous considérons identiques à celui du dimanche). kw thermique Profil thermique mesuré du 9/1/2006 au 16/1/ Home Van Hellemont lundi mardi mercredi jeudi vendredi samedi dimanche 673 jour férié Profil thermique type (mesuré du 9 au 16 janvier 2006) d) Profil thermique extrapolé pour 2005 Sur base des factures de combustible, de la signature énergétique et du profil thermique type mesuré, il est possible de reconstituer, quart d heure par quart d heure, le profil des besoins de chaleur pour l année Nous nous baserons sur un besoin thermique de kwh pour une consommation en gaz de kwh PCI. Le résultat de cette extrapolation est illustré ci-dessous. L axe des abscisses est gradué par mois. Nous constatons que le profil thermique suit assez bien les rigueurs climatiques. kw thermique Profil thermique extrapolé - Home Van Hellemont janvier février mars avril mai juin juillet août septembre octobre novembre décembre Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.18 / 35

19 3.3. Factures énergétiques e) Les factures d électricité En 2005, le home a consommé kwh d électricité 1 pour une facture totale de soit un coût moyen du kwh électrique de 92,76 / MWh é. Généralement, la cogénération permet de réaliser un gain sur les termes proportionnels et, plus rarement, sur les termes fixes. Les simulations quart horaires permettront d'évaluer avec précision le gain "électrique" apporté par la cogénération. f) Les factures de gaz En 2005, le home a consommé kwh PCS de gaz naturel 2, ce qui représentent kwh PCI. Le montant total de la facture a été de , soit un coût moyen de 26.3 /MWh PCS ou de 29.2 /MWh PCI. Précisons qu'en février 2005 le prix du gaz était à 23.7 /MWh PCS et en décembre à 30.9 /MWh PCS soit une augmentation de 30 %! Dans le cadre de cette étude de faisabilité, nous allons considérer le coût le plus élevé, à savoir : 30.9 /MWh PCS ou 34.3 /MWh PCI. 1 Environ, car nous n avons pas reçu les factures de juin, juillet et novembre. Mois pour lesquels nous avons du faire des estimations. 2 Environ, car nous n avons pas reçu les factures de janvier, mai et juin. Mois pour lesquels nous avons du faire des estimations. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.19 / 35

20 4. Recherche de la solution optimale 4.1. Méthodologie Le deuxième objectif de l'étude de faisabilité est de trouver la meilleure solution technologique pour l'unité de cogénération à installer au home. Il s'agira de choisir celle qui maximalise la rentabilité du projet c'est-à-dire une combinaison entre un temps de retour minimum et un gain annuel net maximum. Précisons que seul le combustible gaz naturel sera considéré. En effet, une cogénération au mazout ne recevra pas de certificats verts de la part de l'ibge, étant donné qu'elle ne réalise pas d'économie en CO 2 par rapport à une centrale électrique et une chaudière performantes. Or les certificats verts apportent un gain supplémentaire à ne pas négliger. Ensuite, il s agira de simuler le fonctionnement «réel» de cette unité de cogénération dans le home sur base des profils thermiques et électriques extrapolés pour La simulation permet de connaître précisément à quel moment le moteur tourne et donc de calculer les différents gains (facture électrique, facture chaleur et certificats verts) et dépenses (consommation de gaz et entretiens) associés à cette unité de cogénération. Le logiciel de simulation utilisé est COGENsim, réalisé par DES et l ICEDD pour le compte de la Région wallonne (juin 2003), et mis à jour pour le compte de la Région de Bruxelles-Capitale (mars 2006). Le choix de la puissance du module se fera en simulant plusieurs tailles pour l unité de cogénération et en choisissant celle qui maximalise la rentabilité financière selon différents scénarios de fonctionnement. Pour le home, la gamme couverte se situe entre 50 et 250 kw é, par pas de 25 kw é. Les données technico-économiques de ces moteurs sont les moyennes issues d une étude de marché réalisée en Par ailleurs, nous affinons les résultats en prenant les données technico-économiques réelles (offres d'octobre 2005) du module de cogénération le plus proche de l'optimum trouvé. Finalement, une optimisation sera réalisée en jouant sur d autres paramètres tel que la durée de fonctionnement, l ajout d un ballon de stockage, afin de proposer la meilleure solution technologique qui permettra de maximaliser les gains financiers. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.20 / 35

21 4.2. Hypothèses pour le calcul de la rentabilité Pour le calcul de ces gains financiers, il est important de se situer du côté de la sécurité. Une cogénération fonctionnera généralement pendant au minimum 10 ans. Or il est pratiquement impossible d estimer avec fiabilité quels seront les gains dans les années à venir sur base des gains calculés pour la première année. Surtout dans un contexte où l énergie est en cours de libéralisation, les prix pouvant aussi bien monter que descendre au cours des prochaines années. Pourtant, les résultats de cette étude doivent permettre de prendre une décision fondée quant à l installation (ou non) d une unité de cogénération. Les résultats présentés doivent donc être précis et fiables. C est pourquoi, nous allons prendre des hypothèses dites «conservatives» telle que reprise dans le tableau de synthèse ci-dessous et développées en détail dans l'annexe 1. Techniques Rendements de l unité de cogénération Charge du moteur Energétiques Besoins thermiques Rendement annuel de la chaufferie Réductions pour futures actions URE 10% Année de référence Evolution en fonction de la charge Fonctionnement jusqu'à 75 % de sa charge nominale 100 % du combustible pour la production de chaleur 85 % pour la chaufferie actuelle au mazout (estimation) 2005 (année chaude de + 12,4 % que l'année normale) Type de combustible Gaz naturel PCI = 10.8 kwh PCI/m 3 Isolation du ballon de stockage Economiques Durée de vie économique Investissement Investissement supplémentaire Prix mentionnés Facteur de sur-investissement 15 cm de laine de roche soit diminution de 1.01 C/24h h (env 10 ans) Tout compris (moteur, échangeurs, connexion électrique, conteneur acoustique, régulation, génie civil) Ballon de stockage de 10 m 3 tout compris (cuve, isolation, jaquette, supports, pompes, vannes) HTVA Taux de subside 20 % Prix du gaz et évolution Prix de l électricité Gain sur la facture d électricité Régime "heures pleines" Prix des entretiens Taux d actualisation (= taux d emprunt) Prix de vente du certificat vert Environnementales Coefficient d émission en CO2 10 % (pour éventuels imprévus) Prix décembre 2005 (30,9 /MWh) & + 5 %/an Prix 2005 (92,76 /MWh) & + 2 %/an Réduction de puissance quart horaire non considérée de 7 heures à 22 heures, les jours ouvrables Contrat tout compris (huile, assurance bris de machine et dépannage) hors inspection journalière visuelle + 5 % / an 90 / CV pendant 10 ans 217 kg CO 2 / MWh de gaz naturel Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.21 / 35

22 4.3. Choix du mode de fonctionnement optimum Le fait que la cogénération ne fournira qu'une partie des besoins thermiques et électriques du home nous donne la possibilité de choisir le meilleur mode de fonctionnement afin de rentabiliser au maximum l'investissement. Dans tous les cas, les deux chaudières ainsi que le réseau électrique assureront toujours le complément énergétique qui ne pourra être assumé par la cogénération. L'analyse du profil électrique indique une forte consommation durant les heures pleines de la journée, période où l'électricité est chère. Produire l'électricité soi-même avec la cogénération durant ces moments est donc judicieux. Vu le mécanisme de certificats verts, faire fonctionner la cogénération durant les heures creuses peut aussi s'avérer rentable, même si cela implique de revendre de l'électricité au réseau. Le prix plus faible de la revente sera compensé par le gain en certificats verts. Et l'augmentation du nombre d'heures de fonctionnement est synonyme d'une meilleure rentabilité. L'ajout d'un ballon de stockage permet d'avoir un degré de liberté supplémentaire : un découplage plus important entre la production de chaleur et les besoins thermiques, donne la possibilité de mieux suivre le profil électrique. La chaleur excédentaire peut être stockée pour, ensuite, être restituée lorsque la cogénération sera à l'arrêt, par exemple. Fonctionner à charge partielle permet aussi de mieux suivre le profil des besoins thermiques et électriques. Et donc de fonctionner plus longtemps. Cependant, le rendement électrique est moins bon à charge partielle et les frais de maintenance (calculés par heure de fonctionnement) sont plus élevés si on les ramène au MWh électrique produit. Toutes ces combinaisons permettant l'optimisation de l'investissement dans une unité de cogénération méritent d'être étudiées, afin de dégager le meilleur scénario. C'est l'objet des simulations successives menées grâce au logiciel COGENsim dont les résultats synthétiques sont représentés dans les graphiques suivants. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.22 / 35

23 Scénario 1 : fonctionnement durant les heures pleines uniquement à pleine puissance EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance 9.0 Années Résultats : 100 kw é & 160 kw th qui fonctionne durant heures/an dont le temps de retour est de 4.5 années et la valeur actualisée nette des gains de kwé Certificats Verts * V.A.N. Temps de retour * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur Scénario 2 : fonctionnement durant les heures pleines et creuses à pleine puissance EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance 6.0 Années 5.0 Résultats : 100 kw é & 160 kw th qui fonctionne durant heures/an dont le temps de retour est de 3.2 années et la valeur actualisée nette des gains de Certificats Verts * V.A.N. Temps de retour * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur kwé Scénario 3 : fonctionnement durant les heures pleines et creuses à puissance variable (jusqu'à 75 %) Résultats : 150 kw é & 230 kw th qui fonctionne durant heures/an dont le temps de retour est de 3.2 années et la valeur actualisée nette des gains de EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur 5.0 Années kw é Certificats Verts * V.A.N. Temps de retour Le scénario 3 est le plus intéressant : pour un temps de retour minimum (identique au scénario 2), le scénario 3 permet d'augmenter significativement la valeur actualisée nette des gains (+ 65 %!). Ce scénario 3 sera donc choisi dans le cadre de cette étude de faisabilité et nous allons essayer d'encore l optimaliser. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.23 / 35

24 4.4. Le ballon de stockage de chaleur : une option intéressante En analysant plus en détail le fonctionnement de la cogénération préconisé dans le cadre de cette étude, quart d heure après quart d heure, nous remarquons qu elle s arrête souvent en raison de baisse des besoins en chaleur, comme illustré ci-dessous pour le moteur de 150 kw é et 230 kw th. Fonctionnement simulé de la cogénération optimale le 27 septembre 2005 L utilisation d un stockage de chaleur permet d'avoir un degré de liberté supplémentaire. Non seulement pour permettre un fonctionnement plus souple et plus long de l unité de cogénération, mais également pour permettre un fonctionnement à puissance maximale plutôt qu à puissance variable. Le même investissement devient donc plus productif et permet d'augmenter l'économie en énergie primaire et en CO 2. La figure ci-dessous illustre le fonctionnement avec un stockage de chaleur de 10 m³ pour la même journée. Fonctionnement simulé de la cogénération ET du stockage de chaleur de 10 m 3 pour le 27 septembre 2005 Lorsque la puissance thermique de l unité de cogénération est supérieure aux besoins, le ballon de stockage se charge de cet excédent de chaleur. Dès que le ballon est chargé à moitié, la cogénération fonctionne à charge partielle (75%) jusqu'à ce que le ballon soit rempli au maximum. Ensuite, il assure seul les besoins thermiques, ce qui permet d arrêter l unité de cogénération. Dès que le ballon est vide, la cogénération redémarre et recommence le cycle. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.24 / 35

25 Ainsi, le ballon de stockage de chaleur permet d'augmenter significativement le temps de fonctionnement de l'unité de cogénération, de heures/an sans stockage à heures/an avec stockage de chaleur. Les productions de chaleur et d'électricité, et donc l'économie en CO 2, se trouvent augmentées, synonyme d'un gain plus important suite à la vente d'un nombre plus élevé de certificats octroyés à la cogénération de qualité. La répercussion financière est immédiate. Le ballon de stockage de chaleur permet d'augmenter le gain annuel net apporté par la cogénération. Alors que la cogénération de 150 kw é et 230 kw th permet une économie financière de /an sur la facture énergétique annuelle du home, l'ajout d'un stockage de 10 m 3 permet d'accroître le gain annuel à /an. Grâce à l'augmentation du gain financier, le surcoût non négligeable du stockage de chaleur (environ ) se récupère durant le même temps de retour. Précisons que la valeur actualisée nette des gains est légèrement plus faible car elle est calculée sur la période avant la révision générale, plus courte vu que la cogénération fonctionne plus longtemps sur une même année. Par ailleurs, le stockage de chaleur confirme la position de l'optimum économique vers 150 kw é et 230 kw th. EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance EUR Optimisation des cogénérateurs par puissance Années Années Certificats Verts * V.A.N. Temps de retour Certificats Verts * V.A.N. Temps de retour * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur 0.0 kw é * Certificats verts en sur toute la durée de vie du cogénérateur 0.0 kw é Optimisation sans stockage de chaleur Optimisation avec stockage de chaleur Pour le home, c'est donc le scénario 3 avec stockage de chaleur qui est le plus intéressant. Pour une rentabilité identique, l'impact énergétique et environnemental est plus favorable lorsqu'un ballon de stockage de la chaleur est ajouté à la cogénération. Ce scénario suppose un fonctionnement durant les heures pleines et creuses, en acceptant un taux à charge partielle de 75 %. Cette cogénération est couplée à un stockage de chaleur de 10 m 3. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.25 / 35

26 5. Caractéristiques techniques de la solution proposée Selon ce scénario, la cogénération par moteur au gaz naturel optimale pour le home, possède une puissance thermique de 230 kw th et donc une puissance électrique de 150 kw é. Les autres caractéristiques techniques (thermiques et électriques) sont décrites dans le tableau ci-dessous, selon différents modes de fonctionnement (charge nominale et partielle), ainsi que la valeur moyenne sur l'année de simulation. Caractéristiques techniques Cogénération au gaz naturel A charge nominale Puissance thermique 230 kw th Rendement thermique 52.6% Puissance électrique 150 kw é Rendement électrique 34.4% Puissance primaire 436 kw prim Sur l'année entière Ballon de stockage 10 m 3 Rendement thermique moyen 52.6% Rendement électrique moyen 33.9% Rendement global 86.5 % Durée de fonctionnement heures Production thermique nette kwh th /an y compris les pertes thermiques du stockage kwh th /an Production électrique nette kwh é /an Consommation en combustible kwh prim /an Encombrement approximatif (L x l x h) 3.6 m x 1.0 m x 2.0 m Poids 3.5 tonnes Niveau sonore 65 dba à 1 m Emission CO maximale (norme TA Luft) 325 mg/ N m 3 Emission NO x maximale (norme TA Luft) 250 mg/ N m 3 Lors de l'éventuel appel d'offres, les caractéristiques technico-économiques des offres devront être comparées avec celle présentées ci-dessus. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.26 / 35

27 6. Calcul des gains et dépenses annuelles Les caractéristiques techniques de la cogénération au gaz étant à présent connues, tant au niveau thermique qu'électrique, il est possible de calculer les gains et les dépenses annuelles associés au fonctionnement de cette unité de cogénération. La différence permettra d'aboutir au gain annuel net Montant d'investissement et aides financières Le montant d'investissement de l'unité de cogénération au gaz s'entend "tout compris" : équipement (moteur, échangeurs, connexion électrique, conteneur acoustique, régulation, ballon de stockage), livraison, montage, connexions, mise en service et génie civil, ainsi qu un forfait de 7 % pour l étude finale (élaboration du cahier des charges pour l'appel d'offres et suivi de chantier). Les frais de connexion avec le GRD ont été estimés à Par ailleurs, pour tenir compte de certains imprévus, nous avons volontairement pris un facteur de sur-investissement de 10%. La Région de Bruxelles-Capitale soutient la cogénération par le mécanisme des certificats verts, mais également par des Primes Energies Ce mécanisme octroi un subside de 50% sur le montant de l étude de faisabilité et de 20% sur le montant de l investissement. Dans le cas présent, l'étude de faisabilité est financée à 100 % par la Région de Bruxelles-Capitale. Dans le cadre de cette étude nous avons considéré une aide de 20% sur le montant de l investissement, soit Le montant net du projet "tout compris" devient ainsi égal à HTVA. Le tableau ci-dessous reprend les postes en détail. Certains postes, comme le génie civil, ont été estimés plutôt à la hausse. Postes Montant [ HTVA] Module de cogénération complet (livré en container) Installation, raccordement et mise en service (10%) Frais de génie civil (ouverture dalle béton supports : 10%) Stockage de chaleur Frais de l'étude finale (forfait de 7 %) Frais de connexion électrique (GRD : 7%) TOTAL Facteur de sur-investissement (imprévus) 10% TOTAL "tout compris" Montant des aides financières (20%) TOTAL net "tout compris" Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.27 / 35

28 6.2. Gain sur la facture d'électricité Sans cogénération, le home avait, en 2005, une facture d'électricité de Ramené à la consommation électrique totale de kwh, le prix moyen de l'électricité était de 92,76 /MWh. Le fournisseur est Electrabel et le gestionnaire du réseau de distribution (GRD) est Sibelga. Le gain sur la facture d'électricité sera égal à la différence entre la facture sans cogénération et la facture qui serait payée pour la consommation électrique résiduelle suite à la production locale d'électricité par cogénération. Afin de pouvoir comparer la situation avec et sans cogénération, nous avons recalculé la facture selon une structure libéralisée (2005). Pour cela, nous avons déduits des termes qui pouvaient être retrouvés à partir des formules tarifaires publiques (GRD, GRT et surcharges), les termes à attribuer au fournisseur (formules tarifaires non publiques). La facture après cogénération s'élève à /an soit un gain de /an. Par ailleurs, la cogénération optimale produira de temps en temps trop d'électricité par rapport aux besoins. Ce surplus d'électricité sera revendu au réseau, au fournisseur le plus offrant voire au GRD Sibelga. Généralement, le prix oscille entre 20 à 50 /MWh pour une cogénération. Ainsi, les MWh d'électricité revendus au prix moyen de 30 /MWh procurent un gain de /an Gain sur la production de chaleur De même, la chaleur produite par cogénération ne devra plus être fournie par les chaudières actuelles, ce qui représente un gain sur la facture d'achat en combustible. La cogénération permet de produire kwh th /an entièrement valorisé. Si les chaudières actuelles avaient dû produire cette chaleur, elles auraient consommé kwh prim PCI de gaz naturel, en tenant compte que leur rendement supposé égal à 85 %. Au prix du combustible actuel (janvier 2006), c'est-à-dire de 34.5 /MWh PCI, cela représenterait un gain de /an Gain sur la vente des certificats verts Produire de l'électricité verte, c'est-à-dire issue d'une source d'énergie renouvelable ou d'une cogénération de qualité, permet de recevoir des certificats verts de l IBGE. Certificats verts qui pourront se revendre au fournisseur d électricité le plus offrant. L économie relative en CO 2 dépend des rendements électriques et thermiques de la cogénération ainsi que du type de combustible utilisé. La quantité de certificats verts octroyés s'obtient en divisant l'économie en CO 2, réalisée par l'installation considérée, par le coefficient d'émission de CO 2 du gaz naturel. En considérant un coefficient d'émission de 217 kg de CO 2 /MWh prim, pour le gaz naturel et sa mise en oeuvre, le home recevra, pour les kg de CO 2 évités chaque année, 582 certificats verts de l IBGE. En supposant un prix de 90 par certificat vert (prix estimé à partir de 2007), le gain réalisé par la vente des certificats verts serait donc de /an. Etude faisabilité cogénération gaz home 31/03/2006 p.28 / 35