LUXEMBOURG CREATIVE 2015 2/2 : Vers une production d'énergie plus responsable

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Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE Mercredi 15 décembre 2015 Cogénération et micro-cogénération. Vers une production d'énergie plus responsable :

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Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE

Mercredi 15 décembre 2015

Cogénération et micro-cogénération. Vers une production d'énergie plus responsable :

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Projet « Smart micro cogen »

Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE

Projet financé par

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Contexte

Le réseau électrique d'aujourd'hui est face à des défis majeurs : le besoin d’assurer une source d’énergie continue et sans cesse croissante, malgré la production d'électricité de sources d'énergie renouvelables intermittentes et l’arrivée en fin de vie d’un grand nombre de centrales de production d’électricité. A cela s’ajoute l'urgence de moderniser les réseaux de transport et de distribution électriques européens. Une solution économique à ces problèmes est l’intégration de nouvelles technologies pour la production de l’électricité au niveau basse tension, notamment par des systèmes de micro-cogénération (μCHP), qui produisent simultanément de la chaleur et de l’électricité. Mais pour optimiser la production des systèmes de micro-cogénération, il est essentiel de les intégrer aux réseaux intelligents, qui permettent une gestion optimisée de la demande et de l’offre d’énergie.

OBJECTIF : L'objectif de cette étude est d'identifier des solutions pour l'intégration des μCHP dans les smart grids. La première phase du projet comprend la définition des bâtiments cibles dans le résidentiel et le petit tertiaire. L'objectif final est de définir des lignes directrices permettant la gestion des systèmes de micro-cogénération intégrés aux smart grids, en s’appuyant sur des critères techniques, économiques et environnementaux.

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Smart Grid

Problématique des smart grids :

Source : Gaz Electricité de Grenoble

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Consommation électrique

Profil de consommation journalière :

Demande de base -> facile à gérer

1. La « flexibilité »

Pics de consommation -> difficile à gérer

Solutions possibles :

Source : projet Flexipac

2. Injection aux « bons moments » => la cogénération Avantage de la cogénération : technologie commandable et contrôlable

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Micro cogénération

Définitions : Cogénération (selon l’ASHRAE): Production simultanée d’électricité ou d’énergie mécanique et d’énergie thermique utile à partir d’une seule source d’énergie comme le pétrole, le charbon ou le gaz naturel. Dans certains cas, la source d’énergie peut être le soleil, la géothermie, la biomasse ou un autre type d’énergie renouvelable Micro-cogénération: Cogénération couvrant des puissances électriques < 50 kWe selon la directive du Parlement européen 2004/8/CE, mais certains auteurs limitent cette puissance à 15 kWe, voire 10 kWe

« CHP » :

Co-Heating and Power

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Technologies de micro cogénération

Différentes technologies :

MOTEUR À COMBUSTION INTERNE (MCI)

Dénomination anglaise

« ICE » (Internal Combustion Engine)

ηe

ηth

25-35 % 80-90 %

+

- Technologie la plus mâture et la moins chère - Technologie, robuste et fiable - Durée de vie élevée

- - Maintenance régulière - Performance à charge partielle

Autres technologies : Micro turbine à gaz – Cycle de Rankine Organique (ORC) …

STIRLING

Stirling

12-25 % ~ 90 %

- Combustion continue bien contrôlée, faible émissions - Coûts de maintenance inférieurs - Bonne performance à charge partielle - Faible niveau de bruit et de vibration

- Faible rendement électrique - Coût d'investissement élevé

PILE À COMBUSTIBLE (PAC)

« FC » (Fuel Cell)

25–40 % 85-95 %

- Rendement électrique élevé - Faibles émissions

- Très peu d'expérience en micro-cogénération, R&D - Coût d'investissement élevé

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Solutions techniques de micro cogénération

Résidentiel unifamilial

1 kWe

Secteur résidentiel

5 kWe

Petit tertiaire

10 kWe

Tertiaire

> 100 kWe

Gamme de puissance en fonction du secteur :

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Whispergen (Vaillant)

Hybris Power (DeDietrich)

MEC (microgen)

Infinia (STC)

P électrique : 1kWe P thermique : 7 kWth 14.900 € (machine)

P électrique : 1kWe P thermique : 5.3kWth 13.000 € (machine)

P électrique : 1kWe P thermique : 3-24kWth

P électrique : 1kWe P thermique : 4-40kWth

EcoWill 1.0 (Honda)

EcoPOWER 1.0 (Vaillant )

Proenvis 2.0 Kirsch 1.9

P électrique : 1,2kWe P thermique : 3kWth 15.700 € (machine) 7600 € (installation)

P électrique : 1kWe P thermique : 2,5kWth 16.000 € (machine) 23.000 € (machine + installation)

P électrique : 1,3 - 2kWe P thermique : 3-5,5kWth 16.800 €

P électrique : 1,9kWe P thermique : 9kWth 10.900 € (machine)

Solutions techniques de « nano cogénération »

Maison unifamiliale ~ 1 kWe

Moteur à combustion interne :

Moteur à combustion externe :

Liste non exhaustive

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Solutions techniques de « nano cogénération »

Maison unifamiliale ~ 1 kWe

Hexis CFCL CERES POWER VAILLANT

P électrique 1 kWe P thermique 1.98 kWth

P électrique 1.5kWe P thermique 600Wth 25000 euros

P électrique 1kWe P électrique 1kWe P thermique 1.7kWth

KYOCERA AISIN SEIKI JX ENEOS TOPSOE

P électrique 1 kWe P thermique 1.98 kWth

P électrique 1.5kWe P thermique 600Wth

P électrique 1kWe P électrique 1kWe P thermique 1.7kWth

Solutions « nano » cogénération actuellement disponibles en Belgique : Aucune

Liste non exhaustive

Pile à combustible :

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Autre projet en cours sur la cogénération : ene.field

Projet européen:

• 9 fabricants, 4 énergéticiens, 26 partenaires, 12 pays • Projet lancé en 2012 pour une durée de 5 ans

Objectifs :

• Déployer jusqu’à 1000 piles à combustible • Evaluer les performances saisonnières d’un système pile à combustible • Préparer la filière : bureaux d’études, commerciaux et installateurs

Logapower FC10

Testée dans le bâtiment NeoBuild - Luxembourg

P électrique 700 We P thermique 700 Wth + chaudière 14/24 kWth

Exemple :

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Smart Micro Cogen : Simulations

LE PROJET SMART MICRO COGEN : Etude du potentiel de la cogénération dans le parc immobilier wallon existant

Projet « exploratoire » avec de nombreuse possibilités de simulations

• Technologie cogénération : MCI, stirling, PAC, … • Dimensionnement de la cogénération • Stockage de la chaleur ou de l’électricité • Pilotage de la cogénération • …

PRÉSENTATION DES RÉSULTATS POUR LES CAS SUIVANTS :

Cas de base. Chaudière Cas 1. Pilotage « chaleur » Cas 2. Pilotage « smart grid » Cas 3. Pilotage « chaleur » & stockage batterie Comparaison de 2 technologies de cogénération : MCI & Moteur stirling

MCI = Moteur à combustion interne PAC = Pile à combustible

Hypothèses de travail :

• Modélisation dynamique à l’aide du logiciel TRNSYS • Modélisation du bâtiment, climat, cogénération, scénario, système, contrôle … • Bâtiments : 4 bâtiments résidentiels représentatifs du parc de bâtiments existants • Cogénération : MCI – Stirling – PAC

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Cas 1. Pilotage « chaleur »

-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000 L -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint

Simulations

Analyse journée type :

ECS = Eau chaude sanitaire CHP = Co-heating and power

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Simulations

Cas 2. Pilotage « smart grid »

NRV : « Net Regulation Volume » Différence entre la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la hausse et la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la baisse demandées par Elia. Données disponibles sur le site Elia : http://www.elia.be/fr/grid-data/balancing/desequilibre-actuel-du-systeme

=> Valeur utilisée dans les simulations pour définir « l’état du réseau »

-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment (valorisation chaleur obligatoire) & quand le réseau à besoin d’aide -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000 L -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint

ECS = Eau chaude sanitaire

Comment déterminer quand le réseau à besoin d’injection ?

-> Problématique de manque de données…

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Simulations

Cas 2. Pilotage « smart grid » - Analyse journée type :

Rem : Nombre conséquent de ON/OFF au niveau de la cogénération = > usure machine plus importante

CHP = Co-heating and power

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Simulation

Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie

La révolution « Tesla » :

« Avec l'envolée de ses batteries à usage domestique, la firme Tesla amorce une révolution dans le stockage de l'électricité » Le vif l’express

« Alors qu’elle n’est même pas encore disponible à la vente, la nouvelle batterie de foyer de Tesla est déjà en rupture de stock sur le sol américain. Un succès qualifié de “monstrueux” par le PDG … » le soir

-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000 L -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis stockage batterie puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint

ECS = Eau chaude sanitaire

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Résultats

Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie - Analyse journée type :

CHP = Co-heating and power

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Résultats

Production électrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI

=> Achat électrique moindre dans le cas du MCI

Note : Résultat à confort égal dans le bâtiment

MCI = Moteur à combustion interne

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Résultats

Production électrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI

=> Gros rejet au réseau

MCI = Moteur à combustion interne

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Résultats MCI = Moteur à combustion interne

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Résultats

Hypothèses : - Prix achat électricité : 0.212

euros/kWh - Facture « fin d’année »

(compteur tourne à l’envers) - Certificat vert pris en compte

(64 euros/CV) (!) - Pas de prise en compte de

l’investissement système cogénération

Analyse : - Facture électrique plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière) - Facture identique avec ou sans batterie - Pilotage réseau :

- Légère augmentation avec MCI - Facture plus élevée avec moteur stirling

Analyse de la facture électrique annuelle avec le système de facturation actuelle :

MCI = Moteur à combustion interne

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Résultats

Hypothèses : - Prix achat électricité : 0.212

euros/kWh - Prix achat gaz : 0.053

euros/kWh - Facture « fin d’année »

(compteur tourne à l’envers) - Certificat vert pris en compte

(64 euros/CV) (!) - Pas de prise en compte de

l’investissement système cogénération

Analyse : - Facture totale légèrement plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière) - Facture identique avec ou sans batterie - Pilotage réseau :

- Facture plus faible avec MCI - Facture plus élevée avec moteur stirling

Analyse de la facture totale annuelle avec le système de facturation actuelle :

MCI = Moteur à combustion interne

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Résultats

Hypothèses : - Prix achat électricité : 0.212

euros/kWh - Prix vente électricité : 0.06

euros/kWh - Prix achat gaz : 0.053

euros/kWh - Pas de prise en compte de

l’investissement système cogénération

Analyse : - Facture plus basse (h/h vs annuelle) avec MCI mais plus élevée (h/h vs annuelle) avec stirling - Facture plus basse avec MCI (vs stirling) - L’ajout d’une batterie électrique est plus intéressante avec moteur stirling (environ 200 euros /an) - La facture en cas de « pilotage réseau » est plus élevée (vs facture annuelle)

Analyse de la facture totale annuelle avec un système de facturation h/h :

MCI = Moteur à combustion interne

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