Microcogénération

Dans la majorité des applications de conversion d'énergie, de la chaleur est produite, on parle de "chaleur fatale" ou "chaleur secondaire". En particulier, dans un procédé de production d'électricité utilisant un combustible (fioul, gaz naturel, nucléaire, bois, charbon etc.) avec un cycle moteur (turbine à vapeur, turbine à gaz, moteur combustion interne, moteur combustion externe, cycle combiné etc.), la conversion est limitée par un rendement de cycle. De la chaleur "basse température" est inexorablement produite. Cette chaleur peut être utilisée pour le chauffage de locaux ou de production d'eau chaude sanitaire, à condition de ne pas devoir être transportée sur de longues distances. En effet, la chaleur, contrairement à l'électricité, se stocke bien mais se transporte assez mal (pertes thermiques, énergie de pompage). C'est pour cette raison que la chaleur produite par la plupart des centrales en France, souvent situées sur des sites éloignés des villes pour des questions de sécurité et de nuisance, n'est presque jamais valorisée. Cela représente une perte d'énergie considérable, près de deux fois la quantité d'électricité produite chaque année (554,4 TWh en 2007). Cette chaleur est généralement dissipée dans une tour de refroidissement, voire la mer ou une rivière...

Une façon de mieux utiliser ou valoriser cette chaleur est de produire de l'électricité plus proche du lieu de consommation, voire à l'intérieur du lieu de consommation (dans un logement ou une entreprise). Cela implique d'utiliser des systèmes de production plus petits. On parle aussi de production répartie d'énergie ou production décentralisée d'énergie.

C'est le principe de la « cogénération domestique » ou micro-cogénération, très actif chez l'inventeur et qui gagne en popularité dans tous les secteurs de l'économie de l'énergie, en raison de l'augmentation des coûts des carburants, en particulier les carburants à base de pétrole, et en raison de préoccupations environnementales, notamment le réchauffement climatique.

La cogénération, et en particulier la micro-cogénération, est donc un moyen simple et efficace d'augmenter la performance énergétique d'un pays, d'une région, d'un quartier ou tout simplement d'un logement. En effet, elle permet de produire de la chaleur et de l'électricité quasiment sans pertes. En comparaison, une centrale thermique (nucléaire, charbon, gaz etc) a un rendement de 20 % (très vieille centrale) à 55 % (cycle combiné construit dans les années 1990-2000), en passant par 30 % pour les centrales nucléaires françaises. En comparaison, la cogénération a un rendement de 80 % (cogénération moteur avec valorisation) à quasiment 100 % (pour les micro-cogénérations à moteur Stirling).

Les définitions des rendements utilisés (rendement énergétique, rendement électrique et rendement thermiques) sont précisées dans l'article cogénération. Les notions de rendement électrique et de rendement thermique sont des rendements partiels, c'est-à-dire que pris séparément, ils ne donnent pas d'indication sur la performance de la micro-cogénération. Ces deux rendements s'additionnent (au même titre que les pressions partielles) pour donner le rendement énergétique ou rendement global, dont la valeur est généralement comprise entre 80 et 95 % pour une micro-cogénération. On parle aussi de composante électrique et de composante thermique du rendement.

Pour traduire la valeur de la production d'électricité d'une micro-cogénération, on utilise aussi la notion d'efficacité sur énergie primaire. En France, le coefficient de conversion de l'énergie primaire en électricité est pris par l’État par convention à 2,58[3] - [4]. Il traduit l'efficacité globale des moyens de production et d'acheminement d'électricité jusque chez l'utilisateur. Compte tenu du rendement moyen des centrales en France (33 %) et de l'efficacité du transport et de la distribution (92,5 %), ce coefficient atteint près de 3,3 (soit l'inverse de 0,33 x 0,925).

L'efficacité en énergie primaire d'une micro-cogénération se définit comme la somme du rendement électrique et du rendement thermique, pondérée du coefficient de conversion : Eff Ep = (Rendement thermique) + 2.58 * (Rendement électrique). Le lot chauffage de la Directive écoconception utilise une notion très proche.

Une notion souvent rencontrée est le ratio électricité / chaleur (E/C), qui traduit le rapport entre l'électricité et la chaleur utile produite.

Les principaux systèmes de microcogénération commercialisés ou en développement, s'appuient sur les technologies de conversion thermo-mécanique suivantes.

Moteur Stirling à piston libre entraînant un alternateur linéaire.

Les systèmes de cogénération sont développés depuis la crise énergétique des années 1970. Pendant trois décennies, les grands systèmes de cogénération étaient économiquement plus justifiables que les systèmes de microcogénération, en raison de l'économie d'échelle. Après l'an 2000, la microcogénération est devenue rentable dans de nombreux marchés à travers le monde, en raison de la hausse des coûts de l'énergie. Le développement de la microcogénération a également été facilité par les progrès technologiques récents sur de petits moteurs thermiques comme le moteur Stirling, le moteur à vapeur ou la turbine à gaz.

Aujourd'hui, on voit apparaître en Europe de plus en plus de chaudières à micro-cogénération à moteur Stirling, Au Royaume-Uni, en Allemagne et aux Pays-Bas, pays qui sont attentifs à ne pas gaspiller d'énergie.

De nombreuses déclinaisons ont été proposées[6] : ainsi un générateur à piston libre et à alternateur linéaire, a été inventé par le thermodynamicien Hubert Juillet et breveté à l'INPI le 4 septembre 1967 sous le n^o P.V.190063. Ce générateur a été modifié par la suite en remplaçant des pièces mécaniques par des pièces élastiques et opérant sous un cycle Stirling (dessin de la NASA).

En 2015, ce générateur Stirling-Juillet est produit industriellement, par la société Microgen Engine Corporation limited et commercialisé pour la micro-cogénération par Wiessmann[7] et De Dietrich[8]. C'est actuellement le système de micro-cogénération le plus utilisé.

En France, quelques opérations de démonstration ont débuté il y a deux ans et se poursuivent avec des écogénérateurs de marque De Dietrich et Chappée. En parallèle, la commercialisation de chaudières Whispergen (construites par Corporation Mondragon) a commencé en novembre 2011.

Pour les particuliers, les chaudières micro-cogénération bénéficient, en France, en 2012 :

• d'un crédit d'impôt (de 17 % pour la chaudière seule, et de 26 % en cas de bouquet de travaux) ;
• d'une prime éco-énergie dans le cadre d'un certificat d'économie d'énergie[9].