Estimation du potentiel Suisse de production d énergie électrique des chauffages à cogénération Rudolf Dinger rdengineering, 1971 Nax Résumé Les centrales électriques thermiques rejettent une partie substantielle de l énergie thermique dans l environnement (par les tours de refroidissement ou par un refroidissement direct par l eau de rivière). Dans un système de chauffage par cogénération l énergie thermique rejetée par la machine thermique est utilisée pour le chauffage du bâtiment, l énergie primaire est de ce fait entièrement utilisée. Le remplacement des systèmes de chauffage à chaudière classique par des chauffages par cogénération permet une production significative d énergie électrique avec une consommation additionnelle de combustible (et rejet additionnel de CO 2 ) faible par rapport aux émissions des chaudières existantes [1]. L énergie électrique produite par les chauffages à cogénération est produite en fonction des besoins en chaleur des immeubles c'est-à-dire d une manière dominante en hiver et pendant la journée et elle est de ce fait le complément idéal à la production solaire et aux centrales produisant de l énergie de bande et permet de couvrir la demande additionnelle en hiver. L énergie produite par un système de chauffage à cogénération est considérable, s il s agit d un immeuble d habitation elle dépasse la consommation des personnes y habitant significativement [1]. Le présent article estime le potentiel de production d énergie électrique lié au remplacement des chauffages à chaudière par des chauffages à cogénération des immeubles d habitation en Suisse. La conversion des immeubles utilisés exclusivement pour l habitation offre un potentiel annuel d environ 16 TWh. A titre de comparaison: la totalité de l énergie produite par nos centrales nucléaires en 2010 s élevait à 25.2 TWh, on constate que la conversion des immeubles à habitation permettrait de remplacer la production de nos centrales nucléaires en hiver. Introduction Les systèmes de cogénération, également connues sous la désignation de systèmes à couplage chaleur force, sont des systèmes thermiques de génération de courant électrique. Tout système de génération thermique ne peut transformer qu une partie de l énergie thermique primaire en énergie électrique, dans nos centrales nucléaires par exemple le rendement n est que d environ 35%. Le reste (dans ce cas la majorité) de l énergie primaire est la chaleur «déchet» inhérent au procédé de conversion d énergie thermique en énergie mécanique (puis électrique) qui est rejetée dans l environnement par les tours de refroidissement (dans les anciennes installations directement dans les rivières utilisées pour refroidir les centrales). Les systèmes de cogénération se distinguent des centrales classiques essentiellement par le fait que la chaleur rejeté par le procédé de conversion d énergie est entièrement (ou tout au moins d une manière importante) utilisée pour couvrir les besoins locales en chaleur. Comme la chaleur ne se laisse (d une manière économiquement défendable) que transporter sur des distances courtes, les systèmes de cogénération sont normalement plus petits, souvent beaucoup plus petits que des centrales électriques classiques. Les systèmes actuellement disponibles sont basés sur des moteurs à combustion (moteurs Otto ou Diesel) pour la conversion de l énergie thermique en énergie mécanique et des systèmes «clé en main» sont disponibles commercialement à partir d une puissance électrique de quelques kw. Des informations 1
détaillées d un exemple d une petite machine utilisée pour le chauffage d une villa se trouvent dans [1]. La discussion sur les avantages et inconvénients des systèmes à cogénération par rapport aux grandes centrales thermiques est ouverte, si l on ne considère que l aspect de la production d énergie électrique et fait abstraction de la chaleur rejetée, les centrales combiné à gaz - actuellement en planification - offrent un meilleur rendement. Dans des conditions favorables ces centrales arrivent à un rendement électrique dépassant 50%. Malgré la discussion intensive sur notre approvisionnement électrique dans les décennies à venir il convient de considérer cependant que l énergie utilisé pour les besoins de chauffage et pour la préparation d eau chaude sanitaire dépasse nos besoins en énergie électrique de loin. L aperçu de l utilisation de l énergie en Suisse en 2010 de l OFEN [2] montre une consommation totale d énergie électrique de 59.8 TWh, la consommation en mazout de chauffage est indiquée avec 53.2 TWh et celle du gaz avec 32.1 TWh. Le gaz est aussi utilisé pour d autres applications (cuisine et applications industrielles), si l on part de l hypothèse conservatrice que la moitié du gaz est utilisée pour le chauffage on obtient un total d énergie pour le chauffage provenant de combustibles fossiles de 69.3 TWh comparé aux 59.8 TWh de consommation en énergie électrique. En plus, il convient de remarquer qu une part non négligeable de l énergie électrique est utilisé pour des besoins de chauffage (chauffage résistif ou par pompe à chaleur) ce qui renforce le constat susmentionné. La part d énergie utilisé pour le chauffage et pour l eau chaude est très élevée, elle est - comme le trafic motorisé - de l ordre d un tiers de notre consommation totale d énergie. Les options techniques retenues pour le chauffage influencent de ce fait les scenarios de production d énergie électrique très largement: si on favorise le chauffage électrique (chauffages résistifs ou par des pompes à chaleur) la demande pour la capacité de production d énergie électrique augmentera fortement, si par contre on favorise les systèmes de chauffage par cogénération, une partie significative de notre consommation électrique actuelle peur être produite par ces chauffages réduisant ainsi la demande pour des centrales classiques. Le chauffage par cogénération L utilisation habituelle des combustibles fossiles dans les chaudières pour la création d eau chaude de 40 C à 70 C est en fait un gaspillage énorme. Comme l utilisation des mêmes combustibles dans les moteurs à combustion prouve quotidiennement, une partie significative de l énergie primaire (provenant de la combustion) peut être transformée en énergie mécanique qui se laisse transformer en énergie électrique avec un très bon rendement. Tandis que les gaz de combustion se refroidissent simplement à la paroi d une chaudière, ils se refroidissent dans un moteur thermique par l expansion du gaz causé par le mouvement du piston dans le cylindre du moteur. Le gaz pousse le piston dans le sens de l augmentation du volume ce qui permet de transformer l énergie thermique en énergie mécanique [3]. Les principes de base de la physique montrent que la transformation d énergie thermique en énergie mécanique ne peut se faire que partiellement, le meilleur rendement théorique possible est le rendement de Carnot [4]. En pratique le rendement de Carnot ne peut pas être atteint pour des raisons techniques et une machine à combustion stationnaire a un rendement pratique de 35% dans des conditions favorables. Ceci signifie que la partie majeure de l énergie primaire est rejetée à l environnement par l eau de refroidissement et par les gaz d échappement comme on constate à chaque moteur de 2
G ) engineering voiture. Une machine de cogénération utilise cette énergie rejetée pour chauffer de l eau permettant de chauffer une maison d une manière analogue au chauffage d une voiture par l eau de refroidissement du moteur. Au lieu d une simple combustion dans une chaudière ce qui n est en fait qu une manière techniquement moderne du feu ouvert des hommes des cavernes, il est avec une installation de cogénération possible de créer de l eau chaude en utilisant la chaleur rejetée par une machine de combustion. Cette machine de combustion entraine une génératrice et devient alors un chauffage qui produit de l électricité pendant qu elle chauffe la maison. La quantité d énergie électrique ainsi produite correspondant à un tiers environ de l énergie primaire contenue dans le combustible. Comme le chauffage est principalement utilisé en hiver, la production électrique se fait d une manière dominante en hiver ce qui est un avantage significatif pour l approvisionnement du pays car la consommation électrique est substantiellement plus élevée en hiver (notamment à cause des chauffages électriques) et l énergie solaire permettra une production significative qu en été. La figure 1 montre le schéma d un chauffage par cogénération. réseau el E prim. E prim. cogén E el a) b) Figure 1: Schéma d un chauffage par cogénération (b) en comparaison avec un chauffage par chaudière classique (a). Pour des explications voir le texte. La figure 1a) montre un bâtiment d habitation à deux étages équipé d un chauffage par chaudière classique. L énergie contenue dans les combustibles fossiles (Eprim) est transmise (partiellement) en chaleur contenue dans l eau chaude du circuit de chauffage (rouge). Une partie de l énergie primaire est rejeté à l environnement par la cheminée. La figure 1b montre un chauffage par cogénération. L énergie contenue dans les combustibles fossiles fait tourner le moteur qui entraine la génératrice (verte), l énergie contenue dans les gaz d échappement et dans l eau de refroidissement chauffe l eau pour le circuit de chauffage. L énergie électrique (vert, Eel) alimente la maison, le surplus est injecté dans le réseau électrique (vert, réseau el). Si la machine de cogénération est en marche elle produit habituellement (substantiellement) plus d énergie électrique que les habitants du bâtiment en consomment de sorte que l injection de courant dans le réseau est assez importante. Si la machine de cogénération ne marche pas (quand la maison n a pas besoin de chaleur) l énergie électrique pour le bâtiment est entièrement tiré du réseau comme c est le cas pour le bâtiment en figure 1a). La différence entre un chauffage classique à 3
chaudière et une machine de cogénération est essentiellement dans le fait que la machine de cogénération refroidit les gaz de combustion d abord pour en faire de l énergie mécanique (puis électrique) tandis que la chaudière les refroidit simplement aux parois de la chaudière. Combien d énergie électrique produit un chauffage par cogénération et combien de combustible fossile utilise-t-elle pour cette production? Comme tout autre chauffage un chauffage par cogénération ne marche que quand la maison a besoin d énergie thermique pour la production d eau chaude sanitaire ou pour le chauffage. La quantité d énergie électrique produite est de ce fait directement donnée par les besoins de chaleur de l immeuble. Les données pour ma maison à Saint-Aubin (NE) pour l année (typique) 2008/09 montrent une production totale d énergie électrique de 7969 kwh et une consommation propre de 5244 kwh. Il en résulte une livraison nette de 2725 kwh qui ont été injectés dans le réseau. La figure 2 montre la production d électricité et la fourniture au réseau au cours de l année. Selon les habitudes de l industrie électrique l année commence au 1 er octobre et finit au 30 septembre de l année suivante. kwh 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 Année Eté Hiver Janvier 2008/2009 Figure 2: Résumé des données de production d électricité de mon chauffage par cogénération de 5.3 kw pour l année 2008/9. Bleu : production de la machine, brun : énergie électrique fournie au réseau public [1]. On constate qu au mois de janvier deux tiers de l énergie électrique produite sont injectées dans le réseau tandis que l immeuble est consommateur net durant l été. Les données montrent également que la production en énergie électrique est considérable: elle dépasse la consommation de la maison substantiellement. On s aperçoit aussi, que l énergie électrique est produite surtout en hiver (et pendant la journée). Le potentiel de production d énergie est de ce fait important, la question se pose combien d énergie primaire (de combustible) est nécessaire pour la production de l énergie électrique dans un chauffage par cogénération. 4
Il est bien connu de la physique qu il est impossible de créer de l énergie, les énergies ne se laissent que transformer d une forme à une autre [5]. On en déduit que l énergie électrique produite par la cogénération doit venir de l énergie primaire (des combustibles). Une machine de cogénération transforme en effet environ 35% de l énergie primaire en électricité, elle a un «rendement électrique» de 35 %, très similaire à une centrale électrique thermique. Un chauffage par chaudière ne transforme cependant pas la totalité de l énergie contenue dans les combustibles en chaleur de chauffage non plus: une partie de l énergie des combustibles quitte la maison par la cheminée avec les gaz de combustion (pendant que le brûleur marche) et en forme d air passant par la chaudière et montant dans la cheminée (si le brûleur est arrêté). Le scénario discuté ici est le remplacement d un chauffage à chaudière classique par une machine de cogénération. Il faut de ce fait considérer la consommation additionnelle en combustible qui résulte de ce changement de système. J exploite mon chauffage par cogénération depuis 2004 et la comparaison avec mon chauffage à chaudière que j exploitais pendant 20 ans est résumée dans la tabelle 1 ci-après. Système de chauffage Consommation de mazout moyenne Commentaires Chaudière 2588 Litres / an Moyenne sur 20 années Cogénération 2678 Litres / an Moyenne sur 7 années Tabelle 1: Comparaison de la consommation moyenne de mazout de ma maison entre le chauffage par chaudière et le chauffage par cogénération. On constate que la surconsommation du chauffage par cogénération par rapport au chauffage à chaudière est de 90 L/an, ce qui correspond à 3.5%. Comme j avais déjà optimalisé mon ancien chauffage pour réduire sa consommation (en optimalisant ses paramètres de service) le potentiel d économie de combustible en remplaçant mon ancien chauffage par une nouvelle chaudière etc. était modeste, je l estime à 10 15% au maximum. On en déduit qu une surconsommation de 20% d un chauffage par cogénération par rapport à une chaudière moderne est une estimation prudente. Ceci signifie qu en remplaçant les chauffages à chaudière par des chauffages à cogénération on produit avec une surconsommation de 20% (au maximum) 30 35% d énergie électrique. Le remplacement d un chauffage classique par une cogénération permet donc d obtenir au moins 1.5 fois plus d énergie électrique qu on doit investir en énergie primaire additionnelle. A titre de comparaison : les centrales combinées à gaz actuellement planifiées sont les centrales thermiques offrant le meilleur rendement électrique mais ils ne sont capables de transformer qu environ la moitié de l énergie primaire en énergie électrique (52 à 58 % dans le cas de Cornaux II [6]). Le remplacement de chauffages à chaudière par des systèmes de cogénération permet donc de transformer l énergie primaire avec un rendement global trois fois supérieur au meilleures centrales connues (planifiées) et il est de toute évidence la méthode la plus efficace de produire de l énergie électrique à partir de combustibles fossiles et de ce fait aussi celle produisant le moins de CO 2. Comparé aux conditions de combustion dans une chaudière les gaz d échappement sont également plus propres: ma machine de cogénération est équipée d un filtre à particules et le tuyau d échappement est propre tandis que nous savons tous qu une chaudière a besoin d un ramoneur. 5
Quel est le potentiel de production d énergie électrique en remplaçant les chauffages à chaudières actuelles par des systèmes de cogénération? Selon les données de l office fédéral de la statistique [7] il y avait en 2009 en Suisse 1'623'000 immeubles d habitation dont 1'330'000 immeubles exclusivement utilisées pour l habitation. L estimation suivante du potentiel ne considère que les bâtiments exclusivement utilisés pour l habitation. De ceux-ci la majorité soit 934'000 sont des maisons à un seul appartement (des villas), les bâtiments contenant plusieurs appartements sont avec 413'000 unités la minorité, ils contiennent cependant la majorité des appartements (3'074'000). Les bâtiments d habitation sont majoritairement chauffées au mazout ou au gaz (66.7%). Les villas ont en moyenne une surface habitable de 127 m 2, les appartements une de 98 m 2. De ces données on déduit qu un bâtiment contenant plusieurs appartements en a en moyenne 7.4. Pour l estimation du potentiel de production d énergie électrique des chauffages par cogénération nous comparons d abord l énergie de chauffage nécessaire pour une villa avec celle d un bâtiment à appartements moyen selon la figure 2. E1 E1 10.8 m E2 5.3 m 63.5 m² E2 98 m² 30 m² 8 x 8 m 15.6 x 15.6 m a) b) Figure 2: Comparaison de l énergie de chauffage entre la villa moyenne (a) et le bâtiment à appartements moyen (b). Pour des explications voir texte. La figure 2 montre les dimensions des bâtiments utilisés pour l estimation de l énergie de chauffage et pour la préparation de l eau chaude sanitaire. Les pertes en chaleur sont données par les surfaces sous le toit (E 1 ) ainsi par les surfaces verticales du bâtiment (E 2 ). On déduit les dimensions des bâtiments à partir de la surface d habitation moyenne des appartements et en supposant des bâtiments à longueur et largeur égale. Pour l immeuble contenant plusieurs appartements on suppose une surface de 30m 2 pour la cage d escalier 6
et l ascenseur et 8 appartements. Avec ces hypothèses on arrive aux dimensions des immeubles selon la figure 2 et les surfaces extérieures se comparent comme indiquées en tabelle2. Type d immeuble / surface Villa Immeuble appartements Rapport des surfaces Surfaces extérieures 169.6 m 2 674 m 2 3.97 Surface galetas 64 m 2 243.3 m 2 3.8 Tabelle 2: surfaces contribuant aux pertes de chaleur de la villa moyenne et un immeuble à appartements moyen. On constate que l immeuble à appartements a une surface extérieure quatre fois plus élevée que la villa, mais il contient huit appartements. La consommation d énergie de chauffage d un appartement serait de ce fait que la moitie de celle d une villa. L énergie de chauffage est cependant également utilisée pour compenser les pertes dues à l aération ainsi que pour la production d eau chaude sanitaire. Les deux mécanismes dépendent du nombre d habitants et non pas de l enveloppe de l immeuble. En plus de ceci, les méthodes de facturation forfaitaires pour les frais de chauffage souvent appliquées pour les appartements causent une consommation plus élevée. Pour ces raisons nous utilisons pour l estimation présente une consommation d énergie de chauffage dans les appartements de 65% de celle d une villa. L estimation de la consommation d une villa typique se base sur les mesures à ma maison à Saint-Aubin. Il est évident que les immeubles modernes réalisées selon les standards Minergie sont nettement meilleures que ma maison datant de 1979. J ai cependant à l époque appliqué partout le double des valeurs recommandés pour l isolation et installé des fenêtres à triple vitrage de sorte que la maison est très bien isolée pour sa période de construction. Selon les indications du lexique statistique de la Suisse [8], la partie dominante des villas en Suisse datent de la période de construction 1946 1980, directement suivies par les immeubles datant de la période 1981-2000. Les maisons plus récentes sont très nettement en minorité. On en déduit que la consommation d énergie de chauffage de ma maison est plutôt inférieure à la moyenne Suisse. Dans l esprit d une estimation prudente du potentiel de la cogénération et parce que je dispose de données précises de ma maison j utilise la valeur moyenne sur sept années d exploitation de ma machine de cogénération pour ce qui suit. Celle-ci est de 7'639 kwh/an. Le potentiel de production d énergie électrique inhérent au remplacement des chauffages conventionnels par des chauffages à cogénération est résumé dans la tabelle 3 ci-après. 7
Type d immeuble Nombre total d immeubles [1000 unités] Pourcentage chauffage mazout ou gaz Nombre total d immeubles à chauffage mazout ou gaz [1000 unités] Production d énergie électrique par immeuble [MWh/an] Production d énergie électrique des immeubles en Suisse [TWh / an] Villas 934 66.7% 623 7.64 4.76 Immeubles à appartements 413 66.7% 275.5 39.73 10.95 Total 1 350 66.7% 898.5 15.7 Tabelle 3: Estimation du potentiel de production d énergie électrique inhérent au remplacement des chauffages à chaudière par des chauffages à cogénération dans les immeubles exclusivement utilisés pour l habitation. L estimation résumée en tabelle 3 est basée sur les hypothèses discutées dont il n y a dans certains cas pas de données statistiques (disponibles). Le résultat final peut cependant être vérifié avec une estimation du potentiel de la cogénération de chauffage en partant de la consommation globale de l énergie primaire pour le chauffage (de la consommation des combustibles à chauffage). La quantité totale de mazout de chauffage consommée en Suisse correspond à une énergie totale de 53.2 TWh [2]. Si cette énergie primaire serait transformée avec un rendement de 30% en énergie électrique (hypothèse prudente pour une installation de cogénération) on obtiendrait 15.9 TWh d énergie électrique. Dans cette estimation on a négligé la consommation de gaz pour le chauffage. La consommation des bâtiments industrielles et publics également chauffées au mazout est d autre part comprise tandis que ces immeubles sont exclus de la statistique des immeubles d habitation (et de ce fait pas considérés dans la première estimation). Les deux différences par rapport à l estimation partant de la statistique des immeubles d habitation se compensent (partiellement) de sorte qu on peut malgré les différences comparer les résultats finaux des deux méthodes. Les résultats finaux des deux méthodes correspondent avec une précision raisonnable (pour une estimation basée sur des données statistiques) et donnent une image fiable du potentiel de production d énergie électrique inhérent au remplacement des chaudières par des systèmes de cogénération qui se situe pour les immeubles exclusivement utilisés pour l habitation à 16 TWh/année environ. Conclusions Le remplacement des systèmes de chauffage à chaudière par des systèmes à cogénération permet la production environ 16 TWh d énergie électrique par année. La production d énergie électrique des systèmes de cogénération de chauffage suit la demande en chaleur, la production est de ce fait dominante en hiver et pendant la journée. L énergie produite par des chauffages à cogénération peut faire une contribution 8
importante à l approvisionnement en hiver et au moins réduire notre dépendance des importations d électricité hivernales. A titre de comparaison : la production totale de nos centrales nucléaires était en 2010 de 25.2 TWh. A cause de la demande plus élevée en hiver, les travaux de révision etc. des centrales nucléaires se font en été, la production en hiver est de ce fait plus élevée qu en été. Malgré ceci les chiffres montrent clairement que le potentiel de production inhérent au remplacement des chaudières par des chauffages à cogénération dépasse en hiver la production de nos centrales nucléaires! Il convient d ajouter que la présente estimation est basée sur la statistique des immeubles exclusivement utilisés pour l habitation. Il va de soi que la technologie est applicable pour les immeubles industriels et publics également. Comme ces bâtiments ont généralement des besoins énergétique plus importants les installations deviennent plus grandes et de ce fait les coûts de l électricité produite plus basses. L état technique actuel des machines de cogénération permet d entreprendre cette conversion. Des petites machines de quelques kw électrique sont commercialement disponibles, pour des machines plus importantes des entreprises spécialisées existent également. Des machines plus performantes et surtout plus économiques seront sans doute développées dans l avenir, les coûts de production de l énergie électrique a cependant déjà aujourd hui atteint la parité réseau. References [1] R. Dinger: Heating with mini-cogeneration systems and ist potential for the electric energy generation in Switzerland, Communications de la Société Suisse de Physique, 31, 2010, p.39 [2] Bundesamt für Energie: Überblick über den Energieverbrauch der Schweiz in 2010. BFE Publikation Nr. 805.006.10 [3] La pression crée par la combustion dans le cylindre d une machine thermique pousse le piston contre la charge extérieure dans le sens de l augmentation du volume. La machine fournit de l énergie mécanique à la charge extérieure, cette énergie est tiré du gaz qui se refroidit dans ce processus [4] voir p. ex. http://fr.wikipedia.org/wiki/cycle_de_carnot [5] voir p. ex. http://fr.wikipedia.org/wiki/conservation_de_l'%c3%a9nergie [6] 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, Novembre 2008. [7] Office fédéral de la Statistique: Gebäude- und Wohnstatistik 2009, Publication OFS Nr. 1175-0900. [8] Office fédéral de la Statistique, www.bfs.admin.ch 9