TD 5 : Micro-cogénération

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1 TD 5 : Micro-cogénération Vous allez choisir le système de cogénération adapté à une maison de montagne située en Rhône Alpes, dont les caractéristiques sont les suivantes : 120 m² chauffés : 4 chambres, un bureau, une salle de bain, un séjour, Cette maison a été construite dans les années 1990, La chaudière au gaz, qui doit être remplacée, fonctionne d octobre à mai, La puissance de la chaudière à remplacer est de 25 kw, Le détail des consommations de cette chaudière est donné mensuellement dans le tableau ci-dessous. Mois Consommation en kwh th Octobre 1135 Novembre 2201 Décembre 2984 Janvier 2880 Février 2510 Mars 2082 Avril 1423 Mai 872 Total annuel La consommation électrique de cette maison est la suivante : Mois Consommation en kwh elec Janvier 700 Février 600 Mars 500 Avril 400 Mai 300 Juin 200 Juillet 300 Aout 400 Septembre 500 Octobre 600 Novembre 700 Décembre 800 Total annuel A) DIMENSIONNEMENT DE LA MICRO-COGENERATION : 1) Choisir dans la documentation en annexe une ou plusieurs cogénérations permettant d obtenir la même puissance thermique que la chaudière à remplacer. 15

2 2) On prendra en compte le prix d une chaudière à gaz de Comparer avec la solution précédente. Une analyse plus fine de la puissance de chauffe nécessaire lors de la journée la plus défavorable de décembre est donnée dans le graphique ci-dessous graphique en barres : puissance en kw, en fonction des heures de la journée, de l ancienne chaudière lors de la journée la plus défavorable du mois de décembre. Celle-ci varie de 6 à 25 kw, Courbe : température en fonction des heures de la journée (de -10 C à -2 C) ) Combien d heures faut-il maintenir 25 kw de puissance de chauffe? 4) En ne tenant pas compte des deux pointes de puissance de chauffe de 6h et 18h, choisir une cogénération qui conviendrait. ( Choisir une cogénération standard) 5) Un dispositif tampon est alors nécessaire pour restituer de la chaleur lors des pointes (thermiques). Ce dispositif sera «chargé» aux heures creuses (thermiques). Quel est le nom de ce type de dispositif tampon? 6) Le fluide caloporteur utilisé est l eau. La capacité massique thermique de l eau est C eau = 4.18 * 10 3 J/ K/Kg Quelle est la capacité massique de l eau en Wh/ K/Kg? 7) A partir de l unité de la capacité massique calorifique, en déduire la formule liant cette grandeur à l énergie. 16

3 8) On suppose que la température de l eau en sortie du dispositif tampon sera de 75 C et la température de retour de l eau de 55 C. En déduire le volume du ballon de stockage nécessaire afin de combler le manque d énergie entre l ancienne chaudière et la micro-cogénération. On adoptera un rendement de 90% pour le stockage et le «destockage» de l eau dans le ballon. B) ANALYSE DES PERFORMANCES DE LA MICRO-COGENERATION : La solution étudiée précédemment a été mise en place. Le tableau ci-dessous recense les énergies produites et consommées par la cogénération et l ancienne chaudière. BILAN ENERGETIQUE Besoins thermiques nets kwh Chaleur cogénérée kwh Electricité cogénérée 7123 kwh Energie primaire cogénérée kwh Energie primaire chaudière kwh classique BILAN ENVIRONNEMENTAL Economie CO Kg/an 9) Dessiner le synoptique de la cogénération faisant apparaître : La cogénération L énergie entrante et sa nature (gaz, fuel, élec, biomasse ) Les énergies sortantes et leurs natures (élec, thermique ) Les pertes Le dispositif tampon de stockage Un radiateur qui symbolisera l ensemble des chauffages Un circuit d eau aller et un circuit retour 10)Calculer le rendement de l ancienne chaudière 11)Calculer le rendement de la cogénération installée 12)On souhaite à présent connaître les gains apportés par la production électrique de la cogénération. Quel est le surplus d énergie électrique produite? 13)L énergie revendue s élève à 3123 kwh. Expliquer pourquoi cette énergie est différente de celle trouvée à la question précédente? 14)Calculer le gain annuel de la vente de cette énergie sachant qu elle est rachetée 8.37 c /kwh. 17

4 15)Un contrat de type tarif bleu, option heures pleines-heures creuses a été établi pour la consommation du logement. Une puissance de 9 kva a été souscrite kwh d électricité sont produits pendant les heures pleines et 1500 heures pendant les heures creuses. Calculer l économie réalisée par l autoconsommation de l énergie produite. 16)Quel est le gain financier total annuel? Penser à soustraire la surconsommation de gaz. Le contrat du gaz naturel est passé avec l entreprise GDF. 17)Calculer le temps de retour sur investissement lié au surcoût de la solution de microcogénération. 18)On suppose maintenant que la même maison, dans les mêmes conditions climatiques, se situe en Alllemagne. Le décalage temporel des consommateurs les plus énergivores permet d auto-consommer 5000 kwh des 7123 kwh d électricité produits. Calculer l économie réalisée par cette autoconsommation. C) TECHNOLOGIE DE LA GENERATRICE : La photo de la plaque signalétique de la génératrice utilisée par la cogénération est donnée ci-dessous. 19)Quelle est la technologie de la génératrice utilisée? 20)Déterminer son nombre de paires de pôles. 21)Calculer le glissement nominal de la génératrice. 22)D après les indications données par la plaque signalétique, déterminer : a. La puissance active nominale. b. La puissance réactive. 23)La puissance active est fournie par la génératrice, qu en est-il de la puissance réactive? a. Si on est connecté au réseau? b. Si on est en site isolé? 18

5 D) SYSTEME THERMIQUE : Un exemple de schéma électrique et thermique d une cogénération est donnée dans le synoptique ci-dessous. Dans ce cas, l eau de refroidissement du moteur apporte des calories à un premier échangeur avant que les calories des gaz d échappement soient fournies à un deuxième échangeur. 24)La photo ci-dessous a été prise dans le local de chauffage de l IUT1 de Grenoble. Identifier l alternateur, le moteur thermique et les tuyaux contenant le fluide caloporteur qui refroidit le moteur thermique. En s inspirant du synoptique ci-dessus, proposer un synoptique électrique et thermique de la cogénération de l IUT. 19

6 Documentation technique Cogénération Gaz naturel SENERTEC : Prix : Unité de 5.5 kwe et 12.5 kwth : Tarif de l électricité en France : 20

7 Tarifs de l électricité en Allemagne : Tarif du gaz en France : Comment connaître son option tarifaire? En fonction d'une estimation de votre consommation annuelle en gaz naturel, votre fournisseur vous orientera vers l'une de ces quatre options tarifaires distinctes suivantes : tarif Base : pour une consommation inférieure à 1 MWh (1 000 kwh = 1 MWh) par an. Cela correspond à un usage du gaz pour la cuisson seulement. tarif B0 : pour une consommation comprise entre 1 et 6 MWh par an. Cela correspond à un usage du gaz pour la cuisson et l'eau chaude. tarif B1 : pour une consommation comprise entre 6 et 30 MWh par an. Cela correspond à un usage du gaz pour chauffer votre logement, indépendamment du fait que vous vous serviez de cette énergie pour un autre usage (cuisson et/ou eau chaude). tarif B2i : pour une consommation comprise entre 30 et 150 MWh par an. Cela correspond à un usage du gaz pour chauffer votre logement de grande surface (plus de 200 m²), indépendamment du fait que vous vous serviez de cette énergie pour un autre usage (cuisson et/ou eau chaude). La zone dépend de la localisation géographique, afin de prendre en compte l'éloignement du point de desserte des grandes artères de distribution du gaz. Pour Saint-Martin d Hères, on se situe en zone 1. 21