La cogénération biomasse

Mis à jour le 03/02/2022

Les productions d’électricité et de chaleur peuvent être couplées en cogénération. Les centrales vapeur sont des centrales thermiques classiques produisant de l’électricité et de la chaleur en cogénération à partir d’un combustible (la biomasse).

La production d’électricité par cogénération est encouragée en Europe, notamment par des tarifs de rachat avantageux.

Tarifs 2011 de rachat (sous réserve d’évolution des législations) de l’électricité à partir de biomasse pour une centrale avec une efficacité énergétique de 60 % et consommant des plaquettes forestières. 

En France, les installations de cogénération utilisant la biomasse sont soutenues principalement par deux mécanismes d’aide distincts :

• les appels d’offres CRE, dont le dernier en date (CRE4) porte sur des installations de puissance supérieure à 12 MW électriques (MWe) ;
• le tarif d’achat, selon l’arrêté du 27 janvier 2011, portant sur des installations de puissance supérieure à 5 MWe.

Un projet de cogénération doit veiller au respect de deux points essentiels afin d’optimiser l’utilisation de la ressource biomasse :

• une efficacité énergétique moyenne annuelle élevée supérieure à 70 % pour respecter les préconisations de la directive européenne sur la cogénération à haut rendement ;
• un plan d’approvisionnement garantissant la mobilisation des ressources biomasse nécessaires au fonctionnement de l’installation dans le cadre d’une gestion durable.

En Europe, deux types d’installations vapeur sont principalement mis en œuvre, selon les besoins : à partir de 3 MWe pour des applications vapeur ; jusqu'à plusieurs dizaines de MWe pour des applications vapeur ou eau chaude.
L’énergie contenue dans la biomasse est convertie en vapeur haute température et haute pression dans une chaudière. La vapeur ainsi produite est ensuite :

• détendue au travers d’une turbine transmettant un travail mécanique à l’arbre de la turbine qui, couplé à un alternateur, produit de l’électricité ;
• valorisée à travers un consommateur de chaleur sous forme d’eau chaude ou de vapeur.

Il existe deux types de turbine à vapeur pour la cogénération.

Les turbines à condensation avec extraction

La quantité de vapeur requise est soutirée entre l’entrée et l’échappement de la turbine au niveau de pression souhaité. Cette vapeur est envoyée au procédé pour couvrir les besoins thermiques. Le reste de la vapeur poursuit sa détente dans la turbine jusqu’à une pression très basse (se rapprochant du vide). La vapeur à l’échappement est alors condensée dans un condenseur. L’eau ainsi formée est pompée et renvoyée à la chaudière.

Schéma de principe d’une centrale avec turbine à condensation.

Les turbines à contre-pression

La vapeur sort de la turbine à une certaine pression, qui est imposée par le procédé en aval et est mise à la disposition de l’utilisateur final. La vapeur dans la turbine est donc détendue jusqu’à une pression supérieure à la pression atmosphérique, puis est envoyée directement au procédé (ou via un échangeur pour des besoins en eau chaude) qui sert donc de condenseur. La détente de la vapeur est moins poussée et le rendement électrique est par conséquent plus faible.

Schéma de principe d'une centrale avec turbine à contre-pression.

Les installations ORC

À partir d’une centaine de kilowatts (kW) électriques et jusqu’à 2/3 MWe, pour des applications eau chaude jusqu’à 110 ℃ (ECS/chauffage urbain, différentes applications de séchage dans l’industrie…).
Pour des unités alimentant des applications d’eau chaude (réseau de chaleur, séchage, serres…) et/ou ayant à leur disposition des sources de température plus faibles, des applications utilisant d’autres fluides thermodynamiques (notamment organiques) ont été développées. Aussi, la technologie des cycles organiques de Rankine (ORC) est très proche de la technologie utilisée dans les cycles vapeur : un fluide de travail est chauffé et vaporisé grâce à une source chaude. La vapeur est ensuite détendue dans une turbine pour produire de l’électricité. Le fluide est enfin condensé pour fermer le cycle thermodynamique. La différence entre les cycles classiques vapeur et les cycles organiques réside donc dans le choix du fluide de travail : un fluide organique (par exemple de type huile, qui ne se dilate pas et reste sous forme liquide à la température de 350 ℃) est préféré à l’eau pour bénéficier de caractéristiques (température de vaporisation, pression…) mieux adaptées aux applications visées.

 

Schéma de principe d’une centrale de cogénération biomasse avec cycle ORC.