Systèmes de cogénération: principes et avantages

Systèmes de cogénération et fonctionnement

• La cogénération est l'utilisation d'une forme d'énergie pour produire au moins deux formes d'énergie.
• Le gaz naturel, l'essence, le diesel, l'huile, le charbon et les combustibles résiduaires des procédés industriels sont des combustibles possibles.
• Le type primaire d'énergie produite peut être de l'énergie mécanique, servant à entraîner un alternateur pour la production d'électricité ou de l'équipement rotatif.
• Le type secondaire d'énergie produite est l'énergie calorifique habituellement perdue, utilisée pour des procédés directs ou la production de vapeur, d'eau chaude ou d'eau réfrigérée.

Avantages de la cogénération

• La cogénération réduit les coûts énergétiques.
• Les installations traditionnelles ont un rendement global inférieur à 40%, tandis que la cogénération peut atteindre 60% à 90%.

Avantages au niveau local

• La cogénération réduit la facture énergétique totale lorsque l'électricité et la chaleur sont nécessaires sur place.
• L'économie augmente si l'excès d'électricité peut être vendu.
• Les installations de cogénération sont plus compactes et nécessitent moins d'entretien que les installations conventionnelles de même capacité.

Avantages au niveau global

• La cogénération réduit la demande de charge et l'émission de gaz à effet de serre.
• La combustion est plus propre que les installations fonctionnant au charbon.

Applications des installations de cogénération

• Les écoles, les hôpitaux, les hôtels, les universités, les collèges, les prisons, les centres commerciaux (demande de chauffage et d'électricité jour et nuit) peuvent utiliser un appareil de récupération de chaleur à température basse.
• Les usines de pâte et papier, les usines pétrochimiques, les raffineries, les usines de traitement des gaz, les usines de transformation des aliments (énergie à haute ou basse température).
• Les secteurs industriels, les centres-villes, (besoins en électricité, chauffage et refroidissement d'édifices ou de petites usines).

Systèmes de cogénération à cycle simple

• Turbine à vapeur à contre-pression : Le combustible est brûlé dans une chaudière, entraînant une turbine à vapeur qui alimente un alternateur et contrôle la pression de la vapeur d'échappement.
• Cogénération à chaleur perdue : Le combustible est brûlé pour produire de la chaleur, puis la chaleur perdue est utilisée pour produire de la vapeur qui alimente une turbine.
• Cogénération à moteur thermique : Le moteur thermique fait tourner une génératrice et les gaz d'échappement servent de source de chaleur pour un appareil de récupération de chaleur.
• Turbine à gaz : Une turbine à gaz fait tourner une génératrice et la chaleur perdue passe dans une chaudière à chaleur perdue, produisant de la vapeur pour le chauffage ou la réfrigération.

Cogénération à chaleur perdue (système)

• Le combustible est brûlé pour produire de la chaleur, utilisant la chaleur perdue pour produire de la vapeur.
• La vapeur alimente une turbine pour produire de l'électricité; la vapeur d'échappement est utilisée pour d'autres turbines ou des réchauffeurs d'eau.
• Processus impliquent l'incinération des déchets, offrant une solution écologique pour la gestion des déchets tout en produisant de l'énergie.
• Les usines de pâte et papier peuvent valoriser leurs déchets pour réduire leur consommation énergétique.

Cogénération à moteur thermique (système)

• Ce type de cogénération peut utiliser du gaz naturel, de l'huile, de l'essence ou du diesel.
• Un moteur thermique fait tourner une génératrice pour la production d'électricité.
• Le système est adapté aux installations de taille moyenne qui ont besoin à la fois d'électricité et de chaleur.
• L'avantage principal est sa flexibilité en matière de combustible et sa capacité à s'adapter aux demandes énergétiques spécifiques.
• Le moteur thermique brûle le combustible pour produire l'énergie mécanique.
• Les gaz d'échappement sont dirigés vers un appareil de récupération de chaleur produisant de la vapeur ou de l'eau chaude.
• L'énergie mécanique tourne une génératrice pour produire de l'électricité pour l'installation ou la vente au réseau.
• La vapeur ou l'eau chaude est utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour des procédés industriels spécifiques.

Système de cogénération à turbine à gaz

• La chaleur perdue passe dans une chaudière à chaleur perdue et peut chauffer/climatiser un édifice (bureaux, centre commercial ou institution publique).
• La turbine à gaz a une mise en marche rapide et une grande flexibilité opérationnelle.
• Le système est efficace si la demande pour l'électricité, la chaleur ou le refroidissement se présente simultanément, permettant une utilisation optimale de l'énergie primaire.
• La turbine à gaz brûle le combustible et produit de l'énergie mécanique, qui entraîne une génératrice pour produire de l'électricité.
• Les gaz d'échappement chauds de la turbine sont dirigés vers une chaudière à chaleur perdue, qui produit de la vapeur.
• La vapeur produite sert au chauffage des bâtiments ou alimente un système de réfrigération à absorption.

Systèmes à cycle combiné

• La cogénération à cycle combiné produit l'électricité à partir de deux sources avec une source de combustible.
• Le système comporte une turbine à gaz et son compresseur; le combustible de la turbine à gaz est brûlé dans les chambres de combustion de la turbine.
• L'échappement de la turbine sert d'air de combustion pour la chaudière, qui produit de la vapeur pour la turbine à condensation.
• La chaudière est chauffée par la turbine à gaz, éliminant ainsi tout besoin de ventilateur.
• Le procédé de combustion dans la chaudière est complètement indépendant de la turbine à gaz.
• Le combustible brûle lors de l'étape de turbine à gaz (produisant de l'énergie mécanique qui entraîne une première génératrice).
• Les gaz d'échappement chauds de la turbine à gaz sont dirigés vers la chaudière.
• La vapeur entraîne une turbine à vapeur, augmentant ainsi la production d'électricité.
• La vapeur purgée de la turbine est utilisée dans les réchauffeurs d'alimentation.

Système de cogénération pleinement allumé à cycle combiné

• Un système de cogénération pleinement allumé à cycle combiné comprend des turbines à gaz et à vapeur, des génératrices et un générateur de vapeur à récupération de chaleur.
• Les turbines à gaz et à vapeur sont reliées à une génératrice chacune.
• L'air ambiant est aspiré, filtré et dirigé vers le compresseur d'air de la turbine à gaz.
• L’air est comprimé, mélangé au combustible, puis allumé dans la chambre de combustion.
• Dans un cycle combiné, le générateur de vapeur extrait une grande partie de l'énergie restante pour produire la vapeur.
• Le générateur contient une série de brûleurs auxiliaires qui servent à maintenir les conditions de vapeur optimales.
• L'air ambiant est filtré et comprimé dans le compresseur de la turbine à gaz.
• L'air comprimé est mélangé au combustible, allumé, et les gaz chauds sont détendus dans la turbine.
• L'énergie mécanique de la turbine à gaz entraîne une première génératrice.
• Les gaz d'échappement passent dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur pour produire de la vapeur.
• La vapeur entraîne une turbine à vapeur reliée à une deuxième génératrice.

Centrales à cycle combiné à un arbre

• La centrale à cycle combiné à un arbre comporte un compresseur, une turbine à gaz et une génératrice sur un seul arbre.
• Cet agencement a une génératrice entre la turbine à gaz et la turbine à vapeur.
• L'énergie des turbines à gaz et à vapeur est appliquée à une génératrice commune.
• Les centrales à cycle combiné dans la gamme entre 100 MW et 300 MW sont préférables pour l'addition de capacité, facile à obtenir avec une grande turbine à gaz et une turbine à vapeur.
• L'exploitation et le rendement les plus intéressantes obtenu avec un cycle combiné à turbine à gaz/vapeur sur un arbre.
• Il y a le niveau de rendement thermique le plus élevé.
• Elle a des coûts d'investissement extrêmement bas.
• Elle a la flexibilité de marche la plus élevée.
• Les phases de projet et de constructions sont courtes.
• Les coûts d'exploitation et d'entretien sont bas.
• Un autre agencement à un arbre existe avec turbine à gaz reliée à la génératrice.
• Les gaz chauds d'échappement passent au générateur de vapeur, où la vapeur est produite et utilisée pour le travail de procédé.
• Ce type de centrale est adapté aux installations qui nécessitent 100-300 MW et qui valorisent l'efficacité énergétique et la flexibilité opérationnelle.

Centrale à cycle combiné à deux arbres

• L'agencement d'une centrale à cycle combiné à deux arbres comprend une turbine à gaz et une turbine à vapeur.
• Les gaz d'échappement acheminés au générateur de vapeur produit de vapeur surchauffée sans consommation additionnelle.
• Une génératrice est reliée à la turbine à vapeur et à la turbine à gaz pour produire l'électricité.
• Les endroits qui ont des réseaux plus petits ou des exigences de réseau spéciales valorisent celles à plusieurs arbres avec plusieurs turbines à gaz (petites).
• Le type à plusieurs arbres a un rendement élevé, ce qui le rend adapté aux installations avec une production d'électricité constante et fiable.

Stratégies de régulation

• La sélection d'une stratégie dépend de la fonction primaire du système et du type d'installation de cogénération.
• Le combustible peut d'abord produire de l'électricité et ensuite de l'energie thermique.
• La cogénération à cycle d'électricité peut servir les établissements institutionnels ou commerciaux (hôpitaux, collèges, usines).
• Ou le contraire avec les usines à gaz ou les installations pétrochimiques avec un générateur de vapeur à récupération de chaleur.
• L'analyse des besoins pour choisir le type de cycle approprié est essentielle.
• Il faut un stratégie de contrôle adaptée pour optimiser son efficacité selon les variations de demande.
• Il faut sélectionner Cycle d'électricité ou Cycle d'énergie thermique.
• Calculer de la taille optimale du système en fonction des charges électriques et thermiques.

Régulation de la charge électrique

• Le système pourrait être relié ou séparé du réseau électrique.
• Le système aliment toute l'électricité nécessaire au site si il n'est pas relié au réseau électrique.
• La chaleur perdue sera perdu à atmosphère ou il faut exigé systèmes de chauffage si sa production est inférieure à celle nécessaire.
• Un système relié au réseau électrique est à charge minimale ou à demande électrique déterminée du réseau et peut a besoin d'évacuer l'excès de chaleur perdue ou d'alimenter de la chaleur aditionnelle au procédé.
• Le système isolé fournit toute l'électricité nécessaire au site, incluait les systèmes de secours.
• Le système à charge minimale production électrique fixée au maximum, complément fourni par le réseau.
• Le système à demande déterminée fournir alimentation fixe du réseau, variations gérées par la cogénération.

Régulation de charge thermique

• Il y a la production fixe d'énergie thermique minimale ou l'exigence variable d'énergie thermique.
• La production est fixée aux exigences minimales du site et le fonctionnement en pleine charge (chaudière ou allumage auxiliaire).
• Exigences thermiques supplémentaires pour répondre aux exigences changeantes du procédé.
• La force motrice a une production variable dans ce cas.
• La flexibilité opérationnelle est optimale pour ajuster Les puissances d'achat ou de vente aux services en l'électricité à les deux.
• Optimisation globale: équilibre entre production thermique et électrique.
• Stratégie à exigence variable et qui adapte la production en raison de modifications des besoins.
• Stratégie à production fixe avec l'énergie thermique minimale est constante.

Régulation à dériveur et à brûleur à conduit

• Un système de régulation avec un brûleur à conduit et un dériveur peut réduire les exigences thermiques.
• Les exigences peuvent se passer au démarrage, la faible production pour un procédé ou lors de faibles exigences en électricité dans un cycle combiné.
• Les faibles exigences font fonctionner le robinet du dériveur (les gaz sont évacués), sinon il permet le passage.
• Après la fermeture des gaz d'échappement, le brûleur à conduit commence contrôler l'énergie thermique.
• Pour un dérivation complète à 0%, les gaz sont évacués à l'atmosphère.
• Pour un dérivation partielle à 50%, une partie va générateur.
• Pour un utilisation maximale à 100%, tous les gaz vont au générateur.

Générateur de vapeur à récupération de chaleur

• Le générateur est parfois appellé la chaudière de récupération des chaleurs perdues ou chaudière à gaz d'échappement de turbine, servant production de vapeur.
• Ce genre de générateur est adapté pour des exigences spécifique, en électricité et thermique.
• Le débit de gaz peut horzontal ou vertical.
• Il y a peut avoir plusieurs circulation:
• Circulation naturelle
• Circulation forcée
• Circulation forcée directe

Préoccupations environnementales

• L'impact environnemental dépend type de combustible et de de force motrice (turbine à gaz ou moteur à combustion interne): le charbon, l'huile, l'essence, le gaz naturel ou combustibles résiduaires.
• Chaque combustible a un propre impact environnemental à cause des gaz (oxydes nitreux, dyoxide de carbone, et l'acide sulfureux).
• Il y a des réglementations environnementales strictes varient selon les régions.

Oxydes nitreux (NOx)

• La première considération environnementale pour le gaz naturel est la formation d'oxydes nitreux en raison de la haute température de la combustion, mène à la pluie acide.
• Les conceptions de chambre de combustion les nouveaux ont diminué le NOx.
• Sinon, l'injection de vapeur est un alternative.
• La formation des NOx se forme lors combustion à haute température (Réaction entre l'azote et oxygène)
• Par conception, les nouvelles chambre sont optimisé pour que la formation des NOx soit mimisé (Mélage air-combustible et la géométrie de combustion optimisées)
• L’injection de vapeur les diminue diminuent en réduisant la température.
• Réduction catalytique sélective avec injection d'ammoniac pour réduire les oxydes nitreux

Dioxyde de carbone

• Le dioxyde de carbone réduise la consommmatiion de combustible de 35% est un avantage par rapport aux systèmes de production d'énergie conventionnels.

Acide sulfreux

• Les émissions d'acide sulfureux varient directement avec la teneur en soufre du combustible (négligeable avec le gaz naturel).
• Dans le cas que teneur en soufre dépasse la limite établie par le fabricant est une condition d'un nettoyage du combustible.
• Les système à acide sulfreux est un élément important à cosidérer lors design.
• Pour gaz naturel: le négligeable, permettant l'utilisation d'échangeurs de chaleur pour maximiser l'efficacité
• Pour diesel combustible: contient du, alors le nettoyage peut nécessité si teneur depasse la limite
• Pour biogaz: contient le soufre, et requiert des considerations especiales
• Pour un solution de filtration, l'emission peut doit réduits à certains installations.

Systèmes de cogénération moteur avec combustion internes

• Le moteur avec combustion interne avec une chaudière peut fournir l'électricité et l'énergie thermique.
• Les systemes de de combustion interne avec recuperation de chaleur peut efficace avec la condeption (chemises pour moteur).
• Le moteur à combustion avoir la possibilité de fonctionner selon le besoin et de pas avoir variations caussent par temperatura ambiante.
• Le schéma est en relation avec un schéma de cogénération de chaleur ( le moteur avec une génératrice avec les gaz passer au chaudière).
• L'installation inclut un moteur interne avec combustion installer à petite montrant le conection au recuperation
• Le système de recuperation de chaleur se capter l'enegie thermique de refroidssement

Chauffe-eau à récupération de chaleur

• Les montages sont utilisées comme les chaufferies de district or d'institutions dont des puissance entre 500 kW à 1500 kW sont nécéssaires/ demande de chaleur est relativement petite
• Les moteurs à combustion interne des generatrices à gaz or à huile léger sont utilisés afin l'echappement de chaque moteur passe dans un collecteur.
• L eau dans système se chauffe circulé au système et retournée au générateur et efficaces au batiment d'eau.
• Puissance minimale typiques 500kW
• Puissance maximale typiques 1500kW
• l'efficacité globales atteignent 85%

Procédure du demarrage

• Unique à la conception propre , consulter instructions et directives
• Pousser le bouton est simple
• Commencer la turbine à partir le control avec pilote.
• Initialiser depuis le control (les commandes au frequense)
• Mettre la turbine à 55% ( moteur électrique jusqu'au couple soit suffisant)
• purger et allumage (l'air passe dans la generateur de vapeur(25%), admission et allumage )
• Production electricite/ ( la generateur prend charge et le roibinet ouvert , gaz vont au générateur pour récupération)
• Production de vapur à la complete (si le bruleur auxiliar est demarrer, puis le turbine peut demarrer sur le charge)