Le chauffage par mini-cogénération et son potentiel pour la production d’énergie électrique en Suisse

Rudolf Dinger, rd engineering

La consommation d’énergie électrique augmente continuellement et les producteurs [1] prévoient un déficit substantiel dans notre approvisionnement indigène et proposent la construction de nouvelles centrales nucléaires ou thermiques à combustible fossile. L’augmentation de la consommation est essentiellement causée par l’utilisation croissante d’énergie électrique pour le chauffage et conduit à une augmentation de nos importations d’électricité. En hiver particulièrement, une partie importante de cette énergie importée est produite dans des centrales thermiques à combustible fossile.

Notre besoin en énergie de chauffage est très substantiel, en 2005 notre pays a brulé 6’238 millions de litres de mazout et en équivalents d’énergie plus de la moitié de cette quantité en gaz. [2]. A titre de comparaison: le débit du Rhin à Bâle est en moyenne d’environ un million de litres par seconde; la quantité annuelle de combustibles fossiles utilisée pour le chauffage est plus importante que le débit du Rhin pendant deux heures !

Si cette quantité énorme d’énergie devait être couverte par de l’énergie électrique, la demande fluctuante durant l’année accentuerait sensiblement le problème. A titre d’illustration j’ai mesuré hebdomadairement la quantité d’énergie utilisée pour le chauffage et la production d’eau chaude dans ma maison à Saint-Aubin (NE). Appliquant la distribution mensuelle de la consommation d’énergie de ma maison sur la quantité totale d’énergie provenant de combustibles fossiles utilisée pour le chauffage de 78'731 GWh [3], on obtient la consommation énergétique mensuelle et la puissance moyenne correspondante comme illustrée en figure 1.

La figure 1 illustre la quantité énorme d’énergie utilisée pour le chauffage et la production d’eau chaude. En janvier, nous brulons du mazout et du gaz pour plus de 15 TWh ce qui correspond à une puissance moyenne de plus de 21 GW. Pour un approvisionnement électrique la situation est pire encore car la figure ne considère ni les fluctuations annuelles, ni l’effet de la semaine la plus froide. La puissance nécessaire aux jours les plus froids est de ce fait encore plus élevée. Une comparaison permet de mieux illustrer l’ampleur des quantités d’énergie: la production annuelle de nos centrales nucléaires dans la même année était de 20 TWh [2] ; elle correspond au besoin en énergie de chauffage des premières 6 semaines de l’année !

Les chiffres montrent que la substitution des combustibles fossiles par de l’électricité demandera des investissements très importants dans la capacité de production et de distribution d’électricité. Considérant ces faits la substitution des systèmes de chauffages résistifs par des pompes à chaleur pour les nouvelles installations attenue le problème substantiellement. Selon [4,5] le coefficient de performance annuel (COP, rapport entre énergie thermique produite et énergie électrique consommée) de ces systèmes à pompes à chaleur en Suisse est d’environ 3. L’utilisation de pompes à chaleur pour substituer les combustibles fossiles réduirait la puissance additionnelle électrique moyenne en janvier à 7 GW ce qui est toujours plus que la puissance moyenne de notre production électrique (qui était de 6.3 GW en 2005). Comme le potentiel de production hydraulique est pratiquement déjà exploité, cette demande de production additionnelle impliquerait des investissements dans des centrales nucléaires ou à combustible fossile. Les deux types de centrales sont des centrales thermiques et sont de ce fait soumises aux limitations du rendement thermodynamique (Carnot) et aux pertes de rendement techniques. Le rendement limité des machines thermiques est la cause pour laquelle les tours de refroidissement des centrales rejettent environ 2/3 de l’énergie primaire dans l’environnement.

A titre d’illustration: la centrale nucléaire de Leibstadt a une puissance électrique de 1.2 GW, environ le double de cette puissance est rejeté dans l’environnement à des températures qui correspondent aux besoins de chauffage. Il serait théoriquement possible de chauffer même en janvier 10% des maisons aujourd’hui chauffés par des combustibles fossiles avec la chaleur rejeté par la tour de refroidissement de Leibstadt! Pourquoi ne profitons-nous pas de ce potentiel énorme d’économie d’énergie ? La réponse est simple: la chaleur ne se laisse pas transporter sur des distances importantes d’une manière économique.

Les conclusions de cette situation sont évidentes: comme il n’est pas possible de transporter l’énergie thermique perdue de la centrale au consommateur il faut produire l’énergie électrique directement chez le particulier qui peut utiliser l’énergie thermique. Ceci demande cependant un changement de paradigme aussi bien chez les entreprises électriques que chez les consommateurs: le consommateur devient (aussi) producteur et fournisseur et le réseau de distribution sera utilisé au niveau basse tension dans les deux sens (il transportera de l’énergie d’un consommateur à l’autre).

Afin d’obtenir des données d’exploitation concrètes et de l’expérience pratique pour l’idée susmentionnée, j’ai remplacé ma chaudière à mazout conventionnelle par une petite machine de cogénération chaleur-force (ci-après CCF) en 2004. Plusieurs fabricants offrent des systèmes CCF brulant du mazout ou du gaz et le système est bien connu dans d’autre pays (par exemple en Allemagne). Le principe d’une installation CCF est simple: le mazout (ou gaz) est brulé dans un moteur à combustion qui est couplé à une génératrice. La chaleur de l’eau de refroidissement de la machine et du gaz d’échappement est utilisée pour chauffer la maison et l’énergie électrique produite alimente la maison, le surplus est injecté dans le réseau. La machine étant gérée selon les besoins en chaleur de la maison, il n’y a de ce fait pas d’énergie thermique déchet. Le produit „déchet“ est l’énergie électrique qui est bien sûr utilisée entièrement soit dans la maison ou par les autres consommateurs branchés au réseau.

Environ 30% de l’énergie primaire E crée par la combustion est transformée dans le moteur et la génératrice G en énergie électrique E_el. Le reste passe dans le circuit d’eau de refroidissement (bleu). Un échangeur de chaleur récupère l’énergie contenue dans les gaz d’échappement. La figure 4 montre une machine concrète ouverte.

J’ai opté pour une machine brulant du mazout car je disposais de l’infrastructure mazout de mon chauffage conventionnel. La machine a une puissance électrique de 5.3 kW et elle est la seule source de chaleur pour mon chauffage et pour l’eau chaude sanitaire. Les données d’exploitation pour l’année 2008/09 sont résumées en figure 3. L’année commence – selon les habitudes des entreprises électriques – le 1er octobre et finit le 30 septembre suivant.

La figure montre que
     1. la CCF produit en moyenne annuelle 50% plus de courant électrique que j’en utilise dans ma maison,
     2. la fourniture d’énergie au réseau est à 120% en hiver, au mois de janvier 2/3 de l’énergie produite est injectée dans le réseau, en été je suis un consommateur net d’énergie électrique,
     3. la production de courant permettrait de chauffer une maison équivalente avec une pompe à chaleur d’un COP de 3, le courant injecté dans le réseau au mois de janvier chaufferait toujours une maison équivalente avec une pompe à chaleur d’un COP de 4.

Considérations économiques et écologiques

Par rapport à une chaudière, une machine CCF devrait théoriquement consommer un surplus de mazout correspondant à la production d’énergie électrique. La pratique montre cependant que ceci n’est de loin pas le cas: mon chauffage conventionnel brulait 2588 litres de mazout (moyenne sur 20 années) tandis que la CCF brulait en 2007/08 2600 litres et en 2008/09 2800 litres, ce qui correspond à une surconsommation nettement plus faible. Malgré mes données plus favorables, je me base pour l’exemple d’illustration ci-après sur une surconsommation de 20% par rapport à une chaudière. Remplaçant une chaudière par une CCF on produit 30% de courant électrique avec une surconsommation de 20% ce qui correspond à un rendement de production pour l’énergie électrique de 150%. Il s’avère que la CCF de chauffage est de très loin la méthode la plus efficace pour produire de l’énergie électrique à partir de combustibles fossiles. Pour illustrer le potentiel de la CCF de chauffage pour la Suisse on suppose que la moitié des chaudières actuelles seraient remplacées par des CCF. Celles-ci sont capables de produire le courant électrique pour chauffer l’autre moitié des maisons par des pompes à chaleur. On arriverait de cette manière à une réduction de la consommation de combustibles de 40%, réduisant les émissions en CO₂ dans la même proportion ce qui correspond aux buts les plus ambitieux actuellement discutés pour la réduction des émissions de CO₂.

L’investissement pour une mini - CCF se chiffre à 30’000 CHF environ. Ce prix paraît élevé si l’on ne considère que sa production électrique. La comparaison avec la centrale de Leibstadt montre toutefois que les investissements par kW de puissance sont du même ordre. En comparant les investissements, il convient de considérer que la technologie de la CCF est pratiquement inconnue (en Suisse) et que cette technologie a un potentiel considérable de réduction des coûts si elle est utilisée à grande échelle.