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cogénération
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Cas pratique d’une installation de cogénération
• Introduction – Rappel principes de base cogénération
• Circuit de valorisation thermique (intégration hydraulique)
– Organes de régulation hydrauliques (dimensionnement, …) et équipements
– Schéma de principe (cas : hôtel, bâtiment mixte bureaux et appartements, chocolaterie)
– Ballon tampon ?
• Intégration électrique (raccordement au réseau électrique)
• Conduit d’évacuation des gaz de combustion et ventilation
• Comptage : chaleur et électricité
• Étude de faisabilité : points d’attention (accessibilité, …)
• Exploitation et maintenance
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Introduction
• La cogénération intègre les composants pour :
– Produire de l’électricité
– Récupérer l’énergie thermique
– Réguler le fonctionnement du groupe
• Rendement global annuel de 85 à 90%
• Courant alternatif BT de 20 kW à 1 MW
• Puissance thermique = 1,2 à 2 fois la puissance électrique
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Introduction
• A partir de quand envisager une étude de pertinence pour la cogénération :
– Quand le rapport entre le coût des consommations électriques et le coût des consommations en combustible > à 2,5
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Introduction - Dimensionnement
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Introduction – Profils type
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Introduction – Valoriser les temps de fonctionnement
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Introduction – Valoriser les temps de fonctionnement
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Introduction – composants de l’installation
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Introduction – composants de l’installation
• Six composants fondamentaux :
– Moteur pour la production mécanique
– Génératrice pour la production électrique
– Système de récupération de chaleur
– Système d’évacuation des gaz de combustion
– Armoire électrique
– Enceinte insonorisée
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Introduction – moteur
• Moteur gaz ou moteur diesel converti au gaz / moteur alimenté en huile de colza
• Vitesse de rotation constante : 1500 tr/min
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Introduction – alternateur
• Alternateur synchrone ou asynchrone
• Production courant alternatif triphasé basse tension
• Le module fournit sa puissance en 1 à 2 minutes entre environ 50 à 100% de la puissance électrique
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Introduction – Récupération thermique sur 3
postes• Circuit de lubrification moteur par échangeur huile - eau
• Circuit de refroidissement moteur par échangeur eau –eau (récupère la majeure partie de la chaleur émise)
• Tubes air – eau qui récupèrent la chaleur des produits de la combustion
• Séparation entre circuit de distribution et circuit récupération bloc moteur (échangeur de chaleur à plaques)
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Introduction – Récupération thermique sur 3
postes
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Introduction – Récupération thermique sur 3
postes
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Introduction – Récupération thermique sur 3 postes
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Introduction – Armoire de commande
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Introduction – Enceinte insonorisée• Les bruits émis par le moteur en fonctionnement sont de l’ordre de 100 à 110 dB
• Réduction debruit possible au niveau des gaz d’échappement possible par le placement d’un silencieux (réduction à 50 dB)
• Placement de plots anti-vibratoires entre cogénérateur et socle (évite les transmissions de bruit à la structure du bâtiment)
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Introduction – Enceinte insonorisée
Silencieux placé sur cogénérateur
de 207 kW th / 140 kW électriques
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Énergie thermique valorisée sur un réseau hydraulique :
– Chauffage des bâtiments avec ou sans production d’ECS
– Circuit hydraulique de process (industrie)
• Critères d’intégration d’une cogénération sur installation exisante :
– Pas de perturbation de l’installation existante par augmentation des pertes de charge
– Assurer le débit exigé par le constructeur quels que soient la charge et le fonctionnement du circuit d’utilisation
– Ne pas générer de mélange qui augmenterait ou diminuerait la t° de retour au dessus ou en deçà des valeurs prescrites par le fabricant
– Si besoins thermiques non constants prévoir un ballon de stockage : énergie y est stockée pour être valorisée ultérieurement
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Privilégier l’indépendance hydraulique du module de cogénération par rapport aux chaudières : ballon tampon ou bouteille de découplage (permet de travailler à débit constant et de maîtriser les t° d’entrée vers la cogénération)
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Contrôle de la t° de retour avec vanne mélangeuse placée en relèvement de t°(PID géré par l’automate de commande) plutôt que circulateur à débit variable ou circulateur à fonctionnement « séquentiel » - meilleure maîtrise de la t° de retour, pas de trains de chaleur et débit constant dans l’unité de cogénération = même principe que celui appliqué aux chaudières gaz ou mazout qui nécessitent des t° supérieures au point de rosée
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Contrôle de la t° de retour avec vanne mélangeuse placée en relèvement de t°
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Placement de vannes de réglage pour contrôler les débits et assurer la compatibilité des débits :
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique
• Soin particulier à apporter au dimensionnement et à la sélection de la vanne 3 voies et des pompes:
– Calcul de l’autorité des vannes 3 voies (33 à 50%)
– Sélection des pompes sur base des débits et HMT (voir caractéristiques cogénération)
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• Soin particulier à apporter au dimensionnement des pompes: point de fonctionnement 8,9 m³/h et HMT 5,96 m
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique : cas d’un hôtel bruxellois
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique :
cas d’un hôtel bruxellois
• Envisager l’intégration de l’ensemble cogénération - ballon tampon comme une « seule » chaudière et les placer en tête de cascade
• Veiller à ce que le cogénérateur mais aussi toutes les chaudières de la cascade puissent être isolés de la cascade par l’installation de vannes d’isolement motorisées (limite les pertes à l’arrêt et évite d’avoir un « radiateur » de plusieurs centaines de kW en chaufferie)
• Si absence de ballon de stockage :
– risque de surchauffe momentanée au moment de la mise en route d’une des chaudières avec arrêt pour cause de t° de retour trop élevée
– L’eau chaude issue de la cogénération circule dans la chaudière (quand chaudières et cogénération fonctionnent en parallèle) avec pour effet une augmentation des pertes à l’arrêt et une incompatibilité avec les chaudières basse t° et à condensation…
– Puissance chaudière permet d’apporter un appoint thermique et doit permettre une grande plage de modulation pour couvrir de manière optimale les besoins (si chaudière trop puissante = risque surchauffe et donc fonctionnement « stop and go » de la cogénération
DONC
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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique :
cas d’un hôtel bruxellois
• Intégration d’un ballon tampon car plus de flexibilité: s’il y a des
besoins électriques sans demande de chaleur l’excédent peut être
stocké…
– Si stockage chargé : priorité à la cuve tampon lors de la demande de
chaleur; ensuite appoint généré par la cogénération; et enfin si demande
chaleur se poursuit on engage la 1re chaudière en modulation de base,
puis la 2e chaudière en modulation de bas,… PRIORITÉ AU
COGÉNÉRATEUR , PUIS FAIRE TRAVAILLER les chaudières en
parallèle à la plus petite charge possible (pic de rendement pour les
chaudières à condensation vers 15 à 20% de charge)
• Adéquation entre cogénération et capacité de stockage : calcul de la
cuve tampon sur base de la courbe des besoins thermiques
journaliers (ex hôtel : 6 m³ pour 207 kW th / bâtiment mixte : 3 m³
pour 63 kW th)
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Circuit de valorisation thermique (ex: application industrielle
et logements)
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Intégration électrique
L’armoire électrique comprend :
-Le circuit de puissance sur lequel se
raccorde le câble de puissance
-Le système de couplage
-Principe de base: autoconsommer
et éviter de revendre au réseau pour
valoriser l’électricité produite au
meilleur tarif
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Intégration électrique – protection de
découplageProtection du réseau de
distribution par placement d’un
relais de découplage : déconnecte
le module du réseau en cas
d’anomalie (absence de tension,
valeurs de tensions anormales,
…):
- Découplage de l’alternateur du
réseau lors d’un incident sur le
réseau de distribution
- maintenir la qualité du réseau
- assurer la sécurité des
personnes travaillant sur la ligne
amont
MAIS ENCORE
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Intégration électrique – protection de
découplage- Protection de la cogénération car évite son couplage au réseau quand il se
« remet en place » (le choc pourrait détruire l’alternateur
- Différents types de relais de découplage en fonction du nombre de paramètres
surveillés – La protection à installer dépend :
- De la puissance électrique fournie par le module
- Du mode de fonctionnement (fonctionnement comme générateur de
secours ou non)
- Du raccordement sur le circuit HT ou BT
- Approbation du module par SIBELGA
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Conduit d’évacuation des gaz brûlés et
ventilation- Les gaz de combustion sont en pression dans le conduit:
- le module doit disposer de son propre conduit
- le conduit doit être étanche
- les méthodes usuelles de calcul des cheminées ne sont pas d’application
- la sélection du conduit se fait en fonction de la vitesse d’écoulement des
fumées, de leur débit (donnée constructeur) et de leur t° en sortie du
récupérateur (130 – 140°C)
- Exemple : module de 36 kW thermiques – diam. 150 et hauteur 35 mct
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Conduit d’évacuation des gaz brûlés et
ventilation- La ventilation doit :
- assurer la ventilation en air comburant de la cogénération et des chaudières
- évacuation chaleur + air vicié
- Débit d’air comburant : 2,18 m³/h / kW P utile
- si les pertes par ventilation et par rayonnement = 10% de la puissance utile
du module, le débit ventilation nécessaire au refroidissement du local :
-0,1 * Pu / Cp * r * Dt d’où 20 * Pu
-Exemple : pour 200 kW – 35 dm² (basse) et 31 dm² (haute)
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Comptage
- Ne pas oublier de comptabiliser :
- la quantité de chaleur produite par le cogénérateur
- la consommation en combustible
- la quantité d’électricité produite
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Réalisation
- Attention particulière à :
- la possibilité de rentrer facilement le cogénérateur et le ballon de stockage
(coûts de manutention trop élevés risquent d’augmenter les temps de
retour…)
- la taille du compteur de gaz (débit chaudières + cogénération) et la perte de
charge dans la conduite calculée selon NBN 51-003 (pression gaz à l’entrée
du bloc de minimum 20 mbar autrement risque de mise en sécurité au
démarrage + mauvaise autorité clapet gaz)
- prévoir siphon pour l’évacuation des condensats
- prévoir des pièges à boues sur circuit hydraulique
- prévoir des compensateurs sur les raccordements hydrauliques
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Exploitation et maintenance
- Souscrire impérativement à un contrat de maintenance:
- coût varie entre 2 € et 2,70 € /h de fonctionnement suivant formule retenue
- pour la cogénération, les raccordements hydrauliques, alimentation gaz et
cheminée et raccordements électriques
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Exploitation et maintenance
- Enjeux de la maintenance:
- minimiser les risques encourus (viser à atteindre les objectifs énergétiques
et de rentabilité enisagés à la conception)
- pertes d’exploitation (perte de puissance électrique, perte de puissance
thermique ou surconsommation liée à un mauvais réglage)
- Usure prématurée du matériel (coûts + indisponibilité de la
cogénération) : respecter les critères de temps de fonctionnement (min
120 minutes / démarrage) et limiter le nbre de démarrages
- mise à l’arrêt de la cogénération la plus courte possible
- télésurveillance (relevé et archivage des paramètres, déclenchement
alarme à distance et reset à distance)
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Exploitation et maintenance
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Exploitation et maintenance
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Exploitation et maintenance
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Merci pour votre attention