La cogénération est la production simultanée de deux formes d’énergie différentes dans la même centrale. Le cas le plus fréquent est la production simultanée d'électricité et de chaleur utile par des moteurs thermiques ou des turbines à gaz.
La cogénération est une technique efficace d'utilisation des énergies fossiles et renouvelables, qui valorise une énergie généralement rejetée dans l'environnement, comme la chaleurC'est le cas des chaudières à condensation..
thumb|upright=1.5|Centrale locale de cogénération de Masnedø au Danemark, produisant de l'électricité et de la chaleur pour un réseau local, à partir de paille. upright=1.5|thumb|Transport de chaleur par-dessus une autoroute, en Allemagne. Pour le chauffage de bâtiments ou de serres attenantes à la centrale à cogénération, un réseau de chaleur évite les pertes d’énergie liées successivement à la conversion de l'énergie thermique en électricité et inversement.
Principe de la cogénération upright|vignette|Unité de cogénération d'une usine de sucre de canne valorisant un déchet (la bagasse) comme combustiblePrès de Saint-Louis (La Réunion). Du gaz de méthanisation pourrait aussi être utilisé en produisant un résidu utile comme amendement. Ici, la matière organique et les minéraux sont en grande partie perdus pour le sol. Le processus permet de récupérer aussi ce qu'on nomme « l'écume » ou boue résiduelle qui, combinée avec la chaux utilisée pour clarifier le jus, permet de constituer un fertilisant adapté aux sols réunionnais. Cette écume est restituée aux planteurs qui viennent s'approvisionner à l'usine pour l'épandre dans leurs champs. La filière est à ce titre un modèle de cogénération.. upright|thumb|Cycle d'une machine thermique parfaite dans un diagramme entropie-température. TI, TII : températures absolues des sources respectivement chaude et froide. La courbe 1-2-3-4-1 représente le cycle de la machine, parcouru dans le sens horaire pour un moteur. L'aire verte représente alors le travail fourni au cours d'un cycle ; l'aire bleue représente la chaleur nécessairement cédée à la source froide et généralement perdue. Le principe de la cogénération est de trouver un usage simultané à cette chaleur. L'énergie thermique totale dépensée à la source chaude, somme des deux précédentes, est représentée par l'aire hachurée.
L'idée de cogénération repose sur le fait que la production électrique dégage une grande énergie thermique à température moyenne, habituellement dissipée dans l'environnement. En réponse à une demande thermique (chauffage, eau chaude sanitaire, processus industriel), elle propose de valoriser la chaleur du cycle de génération électrique comme source thermique.
Pour l'illustrer dans la pratique, dans un cas de besoin simultané d'électricité et de chaleur : une configuration classique pourrait être une turbine à gaz (productions d'électricité) et une chaudière à gaz naturel (production de chaleur) séparées ; une configuration de cogénération serait une turbine à gaz couplée à un récupérateur de chaleur alimenté par les gaz d'échappement (productions d'électricité et de chaleur cogénérées).
Alors que dans une centrale électrique, c'est le rendement électrique maximum qui est recherché (rendement électrique de l'ordre de 40 % avec un cycle simple et atteignant 58 % avec un cycle combiné), dans la cogénération, on vise un rendement global accru par l'utilisation prioritaire de l'énergie thermique, soit dans un processus industriel, soit dans une chaufferie ; la cogénération d'électricité (ou de force) n'est plus dans ce cas le but mais une conséquence, améliorant le bilan économique de l'équipement dont le rendement global peut alors atteindre en moyenne 85-90 %, voire plus de 95 % (du pouvoir calorifique inférieur du gaz), avec une micro-cogénération gaz utilisant un moteur Stirling couplé à un récupérateur de chaleur à condensation.
Dans un équipement de cogénération, l'énergie électrique est soit auto-consommée, soit réinjectée sur le réseau électrique public de transport (haute tension) ou de distribution (moyenne ou basse tensions), suivant des conditions économiques fixées par les pouvoirs publics (dans le cadre des tarifs d'achat) ou suivant les conditions de marché de l'électricité (prix spots).
L'énergie thermique sert le plus souvent au chauffage de bâtiments, à la production d'eau chaude sanitaire et/ou à des procédés industriels (vapeur moyenne ou haute pressions, mettant en œuvre dans ce cas des turbines à vapeur).
Intérêt La cogénération fonctionne au plus près de l’utilisateur de chaleur pour valoriser l’ensemble de la production d'énergie en limitant les pertes. Le stockage de chaleur permet un suivi de la charge électrique qui produit l’électricité au moment précis des besoins. L’appoint de pompes à chaleur, généralisé en trigénération voire en quadri-génération, permet en cogénération normale d’augmenter la production de chaleur tout en amenant le fluide caloporteur aux températures voulues. L’appoint de pompes à chaleur améliore le rendement comme celles qu’on intègre aux sèche-linges domestiques modernes beaucoup plus économes. On valorise les températures résiduelles issues de la combustion, la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées, les pertes par rayonnement du système thermique, et, en mode trigénération, un appoint en chaleur venant du milieu, typiquement géothermique, qu’on combine à la cogénération pour produire plus de chaleur utile. Le total de l’énergie utile produite avec la même quantité de gaz brûlé représente le double de celle d’une chaudière à condensation. On valorise ainsi d'un facteur 1,8 à 2,3 l’énergie correspondant au pouvoir calorifique inférieur (PCI) du combustible brûlé, suivant la disponibilité de l’appoint géothermique ou du milieu, parfois nul (site urbain) et parfois illimité (cours d’eau à gros débit). Cette efficience énergétique est très similaire à celle des piles à combustibles en développement mais avec un rapport « électricité / chaleur » inférieur pour la cogénération.
Interprétation du rendement Les hauts rendements affichés par les unités de cogénération sont calculés de la façon suivante :
où : est la puissance électrique produite ; est la puissance thermique extraite des gaz d'échappement ; est la puissance thermique fournie par le combustible : pouvoir calorifique supérieur.
Physiquement, l'addition d'une grandeur électrique et thermique est licite car ce sont deux formes d'énergie, mesurées en joules.
Avec l'inéquation : ( + ) <
Une approche consiste à considérer deux rendements, respectivement électrique et thermique. Cela permet également de garder l'information concernant le ratio d'électricité et de chaleur.
et
Comme on ne peut pas obtenir plus d'énergie que l'énergie consommée, une chaudière de cogénération fournissant électrique et thermique, consomme d'énergie en négligeant les pertes.
Dans le cas d'une pompe à chaleur, l'énergie électrique consommée, ou l'énergie thermique consommée dans le cas d'un système à absorption, représente l'énergie nécessaire pour déplacer la chaleur de la source froide vers la source chaude. Ce qui n'est en rien comparable à la fabrication de chaleur par une réaction chimique de combustion.
; la cogénération consiste à produire dans une chaudière de l'électricité et de la chaleur. Ce qui peut être intéressant dans certains cas, par exemple en Suède pour les maisons isolées.
Technologies Énergie primaire L'énergie primaire est celle contenue dans un combustible utilisable dans les moteurs et les turbines : essence, fioul, bois, gaz, biogaz, gaz « fatal » produit par certaines industries (souvent détruit, par exemple gaz des torchères industrielles chimiques et pétrolières), hydrogène
Cogénération électrique L'électricité est produite par la conversion de l'énergie mécanique d'un moteur ou d'une turbine, au travers d'un alternateur, comme un groupe électrogène. Elle peut également être directement produite par une pile à combustible. Selon la puissance concernée, l'électricité est produite à une tension allant de (application domestique en Europe), à (réseau basse tension triphasé) voire ou plus sur certaines très grosses unités à cycle combiné.
Suivant les besoins, la tension électrique est ensuite éventuellement élevée au travers d'un transformateur.
Cogénération thermique Un moteur électrique possède un rendement d'environ 20 à 90 % selon son type ; une turbine, un rendement électrique d'environ 35 à 40 %, et celui d'une pile à combustible se situe aux alentours de 40 à 60 % (sans compter le rendement de la production d'hydrogène ; le rendement global, dans le cas de la production d'hydrogène par électrolyse, est de l'ordre de 20 %). La quasi-totalité du solde de l'énergie consommée est transformée en chaleur.
La cogénération consiste à récupérer au mieux l'énergie perdue, afin de l'exploiter pour atteindre un rendement global pouvant aller jusqu'à 80-90 %. . En effet une production électrique de par exemple implique la dissipation d'environ de chaleur. C'est la puissance permettant théoriquement de chauffer, soit de construits avant 1975, soit plus récents de même surface. En pratique, comme la chaleur se transporte beaucoup moins bien que l'électricité, elle est souvent considérée comme un déchet industriel. Lorsque, grâce à la cogénération, cette option peut être évitée, les principaux moyens d'utilisation de cette énergie sont la production d'air chaud, d'eau chaude et/ou de vapeur.
Dans le cas de turbine à gaz comme de moteurs à combustion, il est possible de récupérer une partie de la chaleur en sortie sous forme de vapeur haute pression et température. L'utilisation de cette vapeur au travers d'une turbine à vapeur permet d'accroître fortement la production électrique de l'ensemble et atteindre un rendement électrique de l'ordre de 55 %. Cette technique de production électrique s'appelle le cycle combiné. Elle sert en France de référence pour le calcul des tarifs de revente à EDF de la production électrique des cogénérations. Ces tarifs de revente dépendent aussi de nombreux autres critères et sont définis en France par .
Ces techniques de récupération sont valables s'il y a localement un besoin important de chaleur et d'électricité (à proximité de ville ou de grosse industrie).
Cogénération par moteur Les moteurs de cogénération sont disponibles dans une gamme de puissance allant de quelques dizaines de kW à environ . Ce sont donc surtout les petites installations et les applications domestiques qui sont concernées par ce type de technologie. Leurs rendements électriques se situent généralement entre 30 et 40 %.
Un moteur produit en part à peu près égales 2 types d'énergie thermique : une énergie "basse température" (environ ), récupérée sur les huiles et les eaux de refroidissement une énergie "haute température" (environ ), sur les gaz d'échappement
L'utilisation pratique de cette chaleur n'est pas simple, du fait notamment des différents niveaux de température. En plus, la chaleur est disponible à des températures assez basses, avec comme conséquence que la chaleur est généralement produite sous forme d'eau chaude. La production de vapeur n'est cependant pas exclue pour des moteurs, mais limite la transmission de chaleur, car le pouvoir calorifique de la vapeur d'eau est inférieur à celui de l'eau liquide (moins de molécules d'eau).
La forte proportion d'énergie basse température implique, pour obtenir un bon rendement, d'avoir à proximité une utilisation sous forme d'air ou d'eau chaude, tels que par exemple des réseaux de chauffage urbain ou industriel. En cas de surplus de chaleur, celle-ci peut être évacuée par des tours de réfrigération, qui dissipent la chaleur directement dans l'atmosphère. Mais cette solution n'est pas très respectueuse de l'environnement. Une alternative consiste à stocker le surplus de chaleur pour pouvoir le redistribuer plus tard selon les besoins, par exemple par hydro-accumulation.