Trigénération

trigénération pour créer un réseau d’alimentation de chaud ou de froid par l’intermédiaire d’une machine frigorifique à absorption.

Si la cogénération connaît un large développement, la trigénération, plus performante, reste mal connue et peu utilisée pour une raison simple :

Malgré de meilleurs rendements, l’achat d’un groupe à absorption (qui permet de passer d’un système de cogénération à production de chaleur et d’électricité à un système de trigénération) représente un investissement considérable, qui ne sera pas rentabilisé rapidement (il n’augmente que faiblement le gain annuel net).

Le temps de retour sur investissement n’étant pas comparable, il est donc pour l’instant préférable d’installer des systèmes de cogénération.

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Comparatif entre une turbine classique (en bas) et un système de trigénération (en haut)

Pour un système de trigénération :

• 35% de la chaleur produite par la turbine est perdue

• 47% de cette chaleur est récupérée

• 18% est convertie en électricité par le générateur

Ce comparatif permet de mieux comprendre les hautes valeurs de rendements obtenues avec de la trigénération. En effet, en récupérant les vapeurs de la turbine, on passe de 67% de pertes à 35% dans cet exemple, soit des pertes quasiment réduites de moitié.

Par conséquent, par rapport à l’énergie primaire utilisée (souvent du gaz naturel), une centrale de trigénération permet de récupérer le maximum de cette énergie sous la forme de trois énergies secondaires. (Electricité, Froid, Chaud)

De plus, la trigénération permet de couvrir les différents besoins énergétiques, de par la diversité de ses productions :

Une énergie thermique pourra être utilisée en séchage, en eau chaude, en chauffage de bâtiment, de piscines, de serres, etc…

Une production de froid pourra servir à de la climatisation ou de la réfrigération.

L’électricité produite pourra être utilisée ou revendue à EDF.

II – Principe de fonctionnement

La production d’électricité

La production d’électricité est rendue possible par la présence d’un alternateur (courant alternatif) ou d’une dynamo (courant continu) associé à la turbine.

La turbine est une machine tournante de combustion qui a pour rôle de produire de l’énergie mécanique sous forme de la rotation d’un arbre, qui entraînera ensuite soit l’alternateur soit la dynamo ce qui transforma cette énergie mécanique en électricité.

Elle utilise pour cela l’énergie cinétique des gaz produits par la combustion d’un hydrocarbure (fuel, gaz naturel, gaz combustible…) qui subissent une détente dans la turbine. L’air, servant de comburant, est comprimé avant de pénétrer dans la chambre de combustion.

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Schéma d’une turbine au gaz naturel avec alternateur

La production de chaleur

La combustion des gaz dans la turbine étant une réaction exothermique, la turbine devient une source chaude idéale pour l’installation d’un système thermodynamique de type pompe à chaleur. Ainsi, cette énergie thermique peut permettre d’assurer des besoins en chauffage, en eau chaude ou même dans un procédé de séchage industriel.

Remarque : Avec seulement une production d’électricité et de chaleur, le système ne produisant que 2 énergies secondaires, on parle de cogénération et non de trigénération.

Le schéma ci-dessous permet d’observer l’installation d’un circuit thermodynamique sur un système de turbine à gaz classique. On observe qu’en plus d’échanger de la chaleur au niveau du condensateur, mettre une turbine à vapeur dans le détendeur permet de produire à nouveau une certaine énergie électrique.

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Schéma d’un cycle combiné de cogénération avec production de chaleur et d’électricité

Quel que soit le système de trigénération (une seule trigénératrice ou 2 cogénératrice), la production de chaleur est relativement simple à mettre en place car elle utilise les déperditions thermiques des éléments du système : Moteur, turbine et fumées. Il suffit en effet de mettre un système d’échangeurs afin de capter cette énergie thermique et pouvoir ensuite la réutiliser, pour produire de l’eau chaude ou encore du chauffage.

La production de froid

Nous avons vu les productions d’électricité et de chaleur, qui sont les deux productions principales des circuits combinés. Cependant, une trigénératrice permet également de produire une 3ème énergie, une énergie dite « frigorifique ».

En effet, pour assurer la totalité des besoins d’une exploitation, il faut également pouvoir assurer de mettre à disposition une puissance froide, associée aux besoins en climatisation ou encore en réfrigération.

L’ajour d’une machine frigorifique à absorption permet d’obtenir un réseau d’eau glacée (et donc une puissance frigorifique disponible) à partir de la chaleur en excédent de la trigénératrice (En effet une partie de cette chaleur risque de ne pouvoir être récupérée ou d’être en excès par rapport aux besoins en chaleur)

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Une cogénératrice (à gauche) et sa machine frigorifique à absorption (à droite)

En page suivante vous pouvez voir le schéma de principe d’une machine frigorifique à absorption.

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Schéma de principe d’une machine frigorifique à absorption

Exemple de trigénération

Les centrales de trigénérations sont encore très peu exploitées en France. Néanmoins la centrale du CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) est l’une des plus intéressantes implantées en France. Nous analyserons ici son fonctionnement.

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Site du CNES à Toulouse

Présentation du site

Etendue sur 57 Hectares, 2500 personnes y travaillent sur 150 000m².

Ce site est composé de 60 bâtiments.

Les besoins énergétiques du CNES :

• Electricité : 40 000 MWh par an

• Gaz Naturel : 29 000 MWh par

Le maintien des conditions de température et d'hygrométrie des installations nécessite une production simultanée d'eau chaude (95°C) et d'eau glacée (6°C), été comme hiver. Les deux productions sont centralisées.

La distribution vers les 60 bâtiments est réalisée par deux réseaux totalisant 8 km. L'eau chaude était initialement produite par trois chaudières au gaz naturel totalisant 15 MW, la puissance appelée évoluant entre 0,5 MW en août et 8 MW en décembre.

L'eau glacée était initialement produite par 5 groupes centrifuges et 2 groupes à pistons (utilisant du R 22) totalisant 17 MW, la puissance appelée évoluant entre 3 MW en février et 9 MW en juillet.

Schéma et photos

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Fonctionnement

D’une façon générale, une centrale de trigénération est une installation consommant du gaz naturel pour produire simultanément de l’électricité, de la chaleur et du froid.

• Electricité produite par un alternateur entrainé par un moteur alimenté en gaz naturel :

- 2 moteur Caterpillar dévellopant une puissance de 2140 KW pour une consommation de 5690 KW de gaz naturel.

- 2 alternateurs Caterpillar développant 2080 KW électrique pour une production électrique nette totale de 4000 KW.

✓ Rendement électrique de 35,5%.

• Les rejets thermiques du moteur font l’objet