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On parle de plus en plus de cogénération: comment se chauffer et produire de l'électricité en plus?
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En ces temps de précrise économique, où le prix des carburants ne cesse de grimper, il devient de plus en plus interessant d'utiliser l'énergie dont nous disposons de façon la plus économique et rationelle possible. Une utilisation possible est la cogénération à partir d'une chaudière équipée d'un moteur Stirling.

Moteur Stirling

Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe (les moteurs classiques utilisés dans les groupes électrogènes, les voitures,... sont des moteurs à combustion interne). Le moteur Stirling travaille en cycle fermé et forme un tout étanche où un gaz inerte est chauffé, se dilate, fait déplacer un piston (production d'énergie mécanique). Le gaz est ensuite poussé dans la zone froide où il se comprime et le cycle peut recommencer. Le moteur n'a pas besoin d'entretien.

Le moteur a un rendement un peu inférieur au moteur Diésel (mais supérieur au moteur à essence), mais peut fonctionner avec toute source de chaleur. Par contre il a une grande inertie thermique, ce qui fait qu'on ne peut pas l'utiliser directement dans un véhicule. De plus, il ne fonctionne efficacement qu'à un régime donné. On pourrait éventuellement l'utiliser comme "range extender" dans un véhicule électrique: il produit alors de l'électricité pour recharger les batteries pendant que le véhicule roule.

Attention, le but d'une chaudière à cogénération est de produire de la chaleur pour se chauffer. La production d'électricité est secondaire, même si le bruleur principal chauffe d'abord le moteur et utilise les gaz de combustion encore chauds pour chauffer l'eau. Le bruleur est commandé par la demande de chaleur, la production d'électricité vient ensuite.

Il n'y a aucun intérêt à allumer la chaudière pour produire uniquement de l'électricité: le rendement de la chaudière est trop mauvais (elle n'est pas conçue pour fonctionner de cette manière).

Chaudière à cogénération

La chaudière à cogénération se trouve à droite. Elle contient un moteur Stirling qui produit de l'énergie mécanique (mouvement) à partir d'une différence de température. La différence de température est celle entre l'arrivée d'eau froide et la température du bruleur principal. Avec la chaleur du bruleur, la centrale produit d'abord de l'électricite, et la chaleur résiduelle sert à réchauffer l'eau.

Pour vous donner un ordre d'idée, le générateur produit environ 1kW quand la chaudière est en fonctionnement (bruleur principal). Pour obtenir un rendement élevé, il est nécessaire que le bruleur principal fonctionne pendant de longues périodes (au minimum 30 minutes). Après l'arrêt du bruleur, la circulation de l'eau doit continuer pendant quelques minutes pour refroidir le moteur Stirling et éviter sa déterioration.

Le bruleur principal fournit une puissance fixe, qui est suffisante pour maintenir la maison à la bonne température. Un bruleur auxiliaire peut être enclenché en cas de forte demande de chaleur (réchauffage d'une maison froide ou production d'eau chaude sanitaire).

Le second schéma montre comment la chaudière fonctionne, mais pour cela il faut d'abord indiquer les composants.

  1. Arrivée d'air
  2. Arrivée de gaz
  3. Arrivée eau (froide)
  4. Boitier électronique de connection au réseau
  5. Générateur électrique (alternateur)
  6. Commande bruleur auxiliaire
  7. Commande bruleur principal
  8. Moteur Stirling
  9. Bruleur principal
  10. Bruleur auxiliaire
  11. Sortie eau chaude

L'eau froide en provenance des radiateurs est utilisée comme "source froide" dans le moteur. L'eau refroidit le moteur et devient tiède.

Le bruleur principal chauffe le moteur Stirling à une température d'environ 300 à 350°. La chaleur résiduelle des gaz brulés est utilisée pour chauffer l'eau. La chaudière est en fait d'abord un moteur, et on chauffe l'eau avec l'air de combustion chaud.

Le second schéma est plus correct (placement des éléments de la chaudière). On voit que le bruleur principal chauffe surtout le moteur et la chaleur résiduelle chauffe l'eau froide, d'abord par refroidissement du moteur, ensuite dans l'échangeur (10) qui reçoit les gaz brulés (mais encore chauds).

S'il y a une forte demande de chaleur, un bruleur auxiliaire est mis en route (une sorte de post-combustion). Ce mode de fonctionnement est à éviter si possible, car il n'y a pas production d'électricité.

Les chaudières à cogénération sont très interessantes là où il y a constamment une demande de chaleur (hôpitaux, maisons de soin et de repos, blocs sanitaires (douches) d'usines,...) pour rentabiliser au plus vite l'installation. Le chauffages de serres est souvent réalisé par une chaudière à cogénération. Mais même chez les particuliers, l'installation d'une chaudière à cogénération peut être interessante sur le long terme (avec les prix de l'énergie qui vont continuer à grimper).

Avantages

Utilisation de toute l'énergie du carburant. Dans l'industrie, il peut récupérer l'énergie de la production. Il produit une énergie "riche" et fort demandée (de l'électricité) à partir d'une énergie de peu de valeur (la chaleur).

Il produit de l'énergie là où elle est demandée (sur des sites industriels, dans des habitations), contrairement aux éoliennes où il faut transporter l'électricité sur de longues distances (personne ne veut avoir une éolienne près de chez soi).

Il produit de l'électricité quand elle est fort demandée: quand l'usine tourne, chez les particuliers le matin et le soir, quand il y a justement un pic de consommation électrique. La production est plus importante en hiver et la nuit, quand les panneaux solaires ne produisent rien et que la demande en électricité est plus importante.

La production d'électricité est limitée (mais continue) et ne nécessite pas de renforcement de l'installation. Des panneaux solaires placés sur une maison particulière peuvent produire des pics de 10kW et nécessitent un renforcement de l'installation électrique.

Pratiquement toutes les chaudières peuvent être construites pour inclure un moteur Stirling. Il n'est pas possible d'adapter une chaudière existante. C'est avec le gaz que le fonctionnement est le plus souple.

Inconvénients

Le moteur Stirling ne fonctionne bien qu'à un régime donné. Une chaudière domestique à moteur Stirling produit environ 1000W électriques pendant la phase de chauffe. Si l'apport de chaleur est insuffisant, il faut enclencher le bruleur auxiliaire.

Pour éviter des mises en routes et des arrêts répétitifs de la chaudière, il faut parfois installer un boiler séparé qui va récolter l'eau chaude pendant la production et la distribuer selon la demande.

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