Cogénération en chaufferie

Un moteur qui produit de l'électricité jette d'ordinaire sa chaleur. En chaufferie, on la reprend sur le réseau. Le gain n'existe que si cette chaleur sert vraiment, et si le retour d'eau reste assez froid pour que le moteur puisse la donner.

83.1 L'installation de l'exemple

On reprend la sous-station du chapitre 63, et on en met quatre-vingts derrière la même chaufferie de réseau. C'est une hypothèse d'exemple du 10 novembre 2026, pas un réseau réel : chaque immeuble est celui du chapitre, avec sa monotone d'heures prise au chapitre 58. À −7 °C l'appel vaut 3,19 MW ; à +5 °C, 1,53 MW. Le moteur est dimensionné sur ce second point, pour qu'il couvre le socle et que les chaudières ne fassent que la pointe.

Plaque d'exemple, sur PCI : 36 % électrique et 48 % thermique, soit 84 % au global. Cela donne 1 146 kW électriques et 1 528 kW thermiques. Trente-six pour cent est bas pour un moteur gaz de cette taille : l'ordre usuel est plutôt 40 à 43 %. On garde 36 % comme hypothèse d'exemple, et on le dit. L'eau moteur sort à 90 °C. La notice d'exemple interdit de la ramener au-dessus de 65 °C. L'échangeur a un pincement de 5 K : le retour moteur vaut le retour réseau plus ce pincement. Beaucoup de moteurs d'usage supportent plutôt 70 à 80 °C ; la plaque de cet exemple dit 65 °C, et c'est elle qu'on respecte. Ces rendements sont tenus constants, y compris à charge partielle : un moteur réel baisse, le chapitre le dit et ne le calcule pas.

83.2 Bilan et économie d'énergie primaire

L'économie d'énergie primaire compare le combustible du moteur à ce qu'il faudrait, séparément, pour la même électricité et la même chaleur utile. La directive (UE) 2023/1791 pose le principe ; les rendements de référence séparée sont ceux du règlement (UE) 2023/2104, le texte délégué applicable depuis 2024. Pour le gaz naturel, en unités mises en service à partir de 2024, l'annexe retient 53,0 % pour l'électricité et 92 % pour la chaleur sous forme d'eau chaude, les deux sur PCI, aux conditions ISO. On ne leur applique pas la correction climatique du règlement : le chiffre qui suit est donc celui des conditions ISO, pas celui d'un dossier déposé.

PES = 1 − 1 / (η_th / 0,92 + η_el / 0,53)

Exemple 1, PES de plaque. Les rendements de référence viennent du règlement (UE) 2023/2104. Le seuil, lui, est dans la directive (UE) 2023/1791, annexe III, pas dans ce règlement.

1. Chaleur : 0,48 / 0,92 = 0,522. Électricité : 0,36 / 0,53 = 0,679. Somme : 1,201.
2. PES = 1 − 1 / 1,201 = 16,7 %.
3. Au-dessus de 1 MW électriques, l'annexe III demande au moins 10 %. Sous 1 MW, un PES simplement positif suffit : on n'applique pas 10 % à une petite machine. L'exemple, à 1 146 kW, dépasse 10 %.
4. La même annexe ajoute, pour une unité neuve ou rénovée en profondeur, des émissions directes inférieures à 270 g de CO₂ par kilowattheure produit, chaleur, électricité et énergie mécanique réunies. Avec un facteur d'exemple de 0,202 kg/kWh PCI pour le gaz, 0,202 / 0,84 = 240 g/kWh. L'exemple est sous le seuil. Ce 0,202 est une hypothèse de combustion directe, distincte d'un facteur qui compterait aussi l'amont.

La chaleur jetée à l'aéroréfrigérant n'est pas de la chaleur utile. Elle sort du numérateur. Sur la monotone, en conduite « chaleur d'abord » et avec des sous-stations bien réglées, l'aéroréfrigérant ne tourne pas : le PES annuel retombe alors sur les 16,7 % de la plaque. Ce n'est pas une coïncidence à généraliser. Dès que le retour est trop chaud, ou dès qu'on fait tourner le moteur l'été pour l'électricité seule, le PES annuel baisse, et il peut passer sous le seuil alors que la plaque était belle.

83.3 Intégration hydraulique

Deux montages existent. En série sur le retour, en amont des chaudières, le moteur voit l'eau la plus froide et il a la priorité : les chaudières ne réchauffent que ce qu'il n'a pas couvert. C'est un montage courant, souvent le bon. En parallèle sur une bouteille, le moteur, les chaudières et le réseau se retrouvent côte à côte. Les débits n'ont plus à être égaux, mais ils ne sont pas libres pour autant. Seul l'échangeur sépare les deux eaux. La bouteille, l'aéroréfrigérant et les chaudières sont du côté réseau. La monotone de l'exemple, le refus nul et le PES annuel égal à la plaque supposent le montage en série, ou des chaudières à débit variable.

• L'échangeur à plaques découple les eaux. Le réseau peut être sale, traité, ou simplement à une autre pression. Le pincement de 5 K est l'hypothèse d'exemple.
• La bouteille de découplage n'est saine que si le débit des générateurs reste au plus égal à celui du réseau. Sinon l'eau chaude redescend dans la bouteille et réchauffe le retour moteur. On y arrive avec des chaudières à débit variable, ou isolées tant que le moteur couvre l'appel. À −7 °C, le moteur passe 14,6 kg/s (écart de 25 K sur son eau) et le réseau 19,1 kg/s. Le plus grand de ces deux-là, à 0,15 m/s, demande 410 mm. Ce n'est pas le débit à surveiller : voir l'exemple.
• L'aéroréfrigérant de secours ne produit rien. Il évacue la chaleur que le réseau refuse, pour tenir le retour moteur à 65 °C. Ce n'est pas un appoint de chauffage.
• Les chaudières prennent la puissance qui manque. Elles sont en aval de la priorité : on ne les allume pas pour « aider » un moteur qui pourrait encore donner.

Exemple 2, retour avec bipasse, et bouteille trop chargée.

1. Sous-stations réglées, −7 °C : retour réseau 55,0 °C, retour moteur 60,0 °C. L'aéroréfrigérant est arrêté, le refus est nul. Ce calcul suppose que le retour moteur est le retour réseau plus le pincement. Il ignore un court-circuit de bouteille.
2. Bipasse secondaire ouvert partout : le retour réseau monte à 62,1 °C et le retour moteur voudrait 67 °C. On le tient à 65 °C en jetant 8,4 % de la chaleur du moteur. Les chaudières tournent encore, puisque le moteur est déjà à fond. Un aéroréfrigérant en marche pendant que les chaudières brûlent, c'est un retour trop chaud, pas un moteur trop gros.
3. À −7 °C les chaudières de pointe ajoutent 10,0 kg/s aux 14,6 kg/s du moteur : 24,6 kg/s de générateurs face à 19,1 kg/s de réseau. L'excédent redescend. Le retour mélangé en bas de bouteille vaut 63,9 °C, et le retour moteur pincé 68,9 °C, au-dessus de 65 °C, alors que les sous-stations sont bien réglées. La condition est donc écrite : débit des générateurs au plus égal à celui du réseau.

83.4 La monotone

On classe les heures du chapitre 58, degré par degré, et l'on additionne. La saison donne 1 605 MWh de chaleur au réseau. Le moteur en fournit 1 252, tous utiles dans cette conduite. Les chaudières font les 353 MWh de pointe, sous +5 °C, là où l'appel dépasse 1 528 kW. Le moteur tourne 3 552 h, dont 1 366 h à pleine charge ; le chauffage du réseau dure 5 625 h. Il produit 939 MWh électriques.

En dessous de la moitié de sa puissance thermique, l'exemple arrête le moteur : le rendement réel s'écroulerait, et les démarrages usent. Au-dessus de 16 °C l'appel du chapitre 63 est nul, le moteur est arrêté. On ne fait pas ici de conduite « électricité d'abord » : elle remplirait l'aéroréfrigérant tout l'été et annulerait le PES. Le combustible moteur vaut 2 608 MWh PCI. La production séparée de référence, électricité à 53,0 % et chaleur à 92 %, en demanderait 3 132. L'écart est le PES annuel de 16,7 %. Il suppose le montage en série, ou des chaudières à débit variable : avec la bouteille trop chargée, le refus n'est plus nul.

83.5 Exploitation

Chaque jour on lit quatre nombres, dans cet ordre : puissance électrique, puissance thermique cédée au réseau, température de retour moteur, et marche de l'aéroréfrigérant. L'électrique sans le thermique, c'est un moteur qui tourne pour rien. Le retour qui s'approche de 65 °C, ce sont des sous-stations qui bipassent : on les reprend une à une, comme au chapitre 63, avant de toucher au moteur. L'aéroréfrigérant qui démarre alors que les chaudières sont allumées confirme le même défaut.

La mise en service se fait chaleur d'abord. On établit le débit réseau, on vérifie que le retour est sous la limite, on démarre le moteur à charge partielle, et l'on ne libère les chaudières de pointe qu'ensuite. Un arrêt moteur doit laisser les chaudières reprendre sans trou : la bouteille est là pour ça. On n'inverse pas l'échangeur « pour essayer ». On ne relève pas la limite de 65 °C parce que le réseau revient chaud : on refroidit le retour.

83.6 Classement de la chaufferie

La puissance qui classe l'installation est la puissance thermique nominale de plaque, sur PCI, des appareils qui peuvent brûler ensemble. Le moteur reçoit 3,18 MW de combustible. Les chaudières sont dimensionnées en secours sur tout l'appel à −7 °C (3,19 MW utiles), comme le demande la section 83.5 : un arrêt moteur doit les laisser reprendre sans trou. Créditées du rendement de référence de 92 %, leur plaque vaut 3,47 MW. Le cumul vaut 6,66 MW. Entre 1 et 20 MW, au gaz, l'ensemble relève de la rubrique 2910-A, en déclaration avec contrôle périodique. L'arrêté du 3 août 2018 modifié fixe les prescriptions générales, les valeurs limites d'émission, moteurs compris, et le contrôle périodique. On n'en recopie pas les seuils chiffrés : ils dépendent du combustible, de la date de mise en service et de la puissance unitaire. Le dossier réel reprend le texte consolidé, pas ce paragraphe.

À retenir

• Le PES de plaque, avec 36 et 48 % et les références gaz 2024 (53,0 et 92 %), vaut 16,7 %. Le seuil de 10 % est celui de la directive (UE) 2023/1791, annexe III. Les émissions directes de l'exemple, 240 g/kWh, restent sous 270 g.
• La chaleur de l'aéroréfrigérant ne compte pas. L'été en conduite électrique, le PES annuel s'effondre alors que la plaque n'a pas changé.
• On dimensionne le moteur sur le socle, ici l'appel à +5 °C, et l'on laisse la pointe aux chaudières.
• Pincement de 5 K : un retour réseau de 55 °C devient 60 °C côté moteur. À 62,1 °C de retour, l'exemple jette déjà 8,4 %.
• Priorité : le moteur d'abord, les chaudières ensuite, l'aéroréfrigérant seulement pour ce que le réseau refuse.
• La bouteille n'est saine que si le débit des générateurs reste au plus égal à celui du réseau. L'exemple suppose le montage en série, ou des chaudières à débit variable.
• Quatre lectures : électrique, thermique utile, retour moteur, aéroréfrigérant. Les deux derniers disent si le réseau est déréglé.

Sources publiques : directive (UE) 2023/1791, annexe III, pour le PES d'au moins 10 % au-dessus de 1 MW électriques et pour le plafond de 270 g de CO₂ par kilowattheure produit ; règlement (UE) 2023/2104, références gaz naturel en unités dès 2024, électricité 53,0 % et eau chaude 92 % sur PCI, sans la correction climatique ; rubrique 2910-A, déclaration avec contrôle entre 1 et 20 MW ; arrêté du 3 août 2018 modifié, prescriptions et valeurs limites, moteurs compris, sans reprise des seuils chiffrés. Rendements du moteur, facteur 0,202 kg/kWh, limite de 65 °C, pincement et seuil d'arrêt à mi-charge : hypothèses d'exemple du 10 novembre 2026. Trente-six pour cent est bas pour cette taille. Vitesse de 0,15 m/s dans la bouteille : ordre de grandeur usuel. Appel de puissance, retours et heures : sous-station du chapitre 63 et monotone du chapitre 58, multipliées par quatre-vingts immeubles identiques. Tous les nombres viennent du modèle du chapitre.