Les centrales combinées de chaleur et d'électricité produisent de la chaleur et de l'électricité en même temps. Cela résout deux problèmes dans le ménage. L'État promeut également un chauffage moderne et écologique. Mais pour qui une unité combinée de chaleur et d'électricité vaut-elle la peine? Dans notre guide, nous expliquons comment cela fonctionne, les exigences d'installation et les coûts.
Centrale combinée de chaleur et d'électricité comme chauffage: les éléments les plus importants en un coup d'œil
- Une centrale combinée de chaleur et d'électricité produit simultanément de l'électricité et de la chaleur selon le principe de la chaleur et de l'énergie combinées, après quoi la chaleur de la production d'électricité s'écoule dans le circuit de chauffage. Pour cette raison, l'efficacité du système est d'environ 90%. À titre de comparaison: une centrale électrique au gaz moyenne s'élève à environ 40%.
- Les systèmes compacts se composent d'un entraînement (moteur, turbine ou pile à combustible), d'un générateur et d'un échangeur de chaleur.
- Les centrales combinées de chaleur et d'électricité peuvent fonctionner au gaz, au mazout, aux granulés de bois ou au charbon, selon la technologie installée. Avec le biogaz ou le bois comme combustible, vous pouvez travailler complètement neutre en CO2.
- En fonction de la taille et de la puissance, les systèmes combinés de chaleur et d'électricité sont divisés en unités de chaleur et d'électricité combinées nano, micro, mini et standard. Les nano centrales combinées de chaleur et d'électricité sont également économiques pour les familles.
- L'utilité d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité dépend de l'utilisation de sa capacité. Outre une longue durée de vie, le prix de l'électricité du gestionnaire de réseau est également déterminant pour une courte période d'amortissement.
- L'Office fédéral de l'économie et du contrôle (BAFA) soutient l'installation de centrales mixtes de chaleur et d'électricité avec des subventions fixes et des surtaxes sur le tarif de l'électricité. La Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) et certains États fédéraux offrent également des incitations financières et des prêts bon marché.
Comment fonctionne une centrale combinée de chaleur et d'électricité?
Une centrale combinée de chaleur et d'électricité est un système qui produit à la fois de l'électricité et de la chaleur. Il utilise le principe de la chaleur et de la puissance combinées, selon lequel l'énergie mécanique d'un moteur (puissance) est utilisée pour produire de l'électricité et ses gaz d'échappement chauds fournissent de la chaleur. Cela signifie que les centrales thermiques et électriques combinées atteignent des rendements élevés de 90% et plus. L'énergie produite se compose en moyenne d'un tiers d'électricité et de deux tiers de chaleur. Cependant, ces chiffres varient en fonction du système et de la conception. La technologie d'une unité combinée de chaleur et d'électricité s'intègre dans un boîtier qui a à peu près la taille d'un réfrigérateur. Le nom de la centrale thermique de type bloc est dérivé des dimensions compactes.
Certaines centrales au charbon et au gaz utilisent également la chaleur et l'électricité combinées. En 2017, leur part de la production nette d'électricité en Allemagne était de 21%. Cependant, dans une grande centrale électrique, les canalisations transportent la chaleur jusqu'au lieu de consommation, car les zones résidentielles et les entreprises sont éloignées. Les pertes sont inévitables en cours de route. La spécialité des centrales thermiques de type bloc est que l'électricité et la chaleur sont produites localement et de manière décentralisée. Cela augmente considérablement leur efficacité par rapport aux systèmes centralisés.
En raison de leurs faibles pertes et de la possibilité de les exploiter au biocarburant, les centrales thermiques de type bloc sont un pilier de la transition énergétique. Le gouvernement fédéral encourage les propriétaires de centrales thermiques de type bloc avec différents modèles de rémunération depuis 2000. Ces dernières années, le nombre d'unités de chaleur et d'électricité dites nano et micro combinées sur le marché a augmenté. Les systèmes d'une puissance allant jusqu'à 15 kilowatts sont également intéressants pour les particuliers sous certaines conditions.
Le processus en un coup d'œil
Une centrale combinée de chaleur et d'électricité fonctionne selon la séquence suivante:
- Un moteur à essence, diesel ou à vapeur entraîne un générateur à l'aide d'un arbre. Les plus grandes centrales thermiques et électriques combinées utilisent également des turbines à gaz au lieu de moteurs. Le gaz est comprimé et atteint des températures élevées. Le gaz chaud entraîne alors des turbines plus petites, qui transfèrent l'énergie mécanique à un générateur.
- Le générateur produit de l'électricité. Il est soit consommé dans le ménage ou dans l'entreprise, soit s'écoule dans le réseau électrique public.
- Un échangeur de chaleur transfère la chaleur des gaz d'échappement à l'eau de chauffage.
- L'eau de refroidissement du moteur et l'huile moteur chaude transfèrent également la chaleur à l'eau de chauffage via un échangeur de chaleur.
Construction d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité
Le type de chauffage se compose des éléments suivants:
- Moteur
Les moteurs les plus courants pour les centrales thermiques et électriques combinées sont les moteurs à gaz, diesel, à vapeur et Stirling. Chaque type de moteur présente des avantages et des inconvénients. Les moteurs à essence à essence sont considérés comme efficaces et durables, mais nécessitent un entretien régulier. Les moteurs diesel ont le meilleur rendement, mais sont plus chers que les moteurs à essence. Dans le cas des moteurs Stirling, contrairement aux moteurs Otto et diesel, la chaleur est fournie de l'extérieur. Ils peuvent fonctionner avec du bois ou des granulés et sont donc particulièrement respectueux de l'environnement et nécessitent également peu d'entretien. Cependant, le rendement électrique est inférieur à celui des moteurs à essence. - Turbine à gaz (comme alternative au moteur)
Un compresseur comprime l'air ambiant à une haute pression. Le mélange air-gaz brûle dans une chambre de combustion et atteint des températures élevées. Le gaz chaud entraîne le générateur. En raison des coûts élevés, une turbine à gaz ne vaut la peine que pour les grandes centrales de production combinée de chaleur et d'électricité. - Pile à combustible (comme alternative au moteur)
Dans les piles à combustible, l'hydrogène et l'oxygène réagissent lors de ce que l'on appelle la combustion froide. Ce faisant, ils produisent de l'électricité et de la chaleur. Les centrales thermiques et électriques combinées à pile à combustible représentent une technologie relativement nouvelle, puisqu'elles fonctionnent de manière neutre en CO2, elles se répandent de plus en plus, en particulier dans les nano et micro centrales thermiques et électriques combinées. - Générateur
Le générateur pour produire de l'électricité peut être à la fois synchrone et asynchrone. Il génère un courant alternatif triphasé et est généralement connecté au système basse tension du bâtiment. Les propriétaires d'une centrale thermique de type bloc utilisent l'électricité eux-mêmes ou l'introduisent dans le réseau public. Dans le second cas, ils perçoivent une rémunération du gestionnaire de réseau et une surtaxe fixe supplémentaire au titre de la loi sur la production combinée de chaleur et d'électricité.
Comment fonctionne une unité combinée de chaleur et d'électricité à moteur.
- Échangeur de
chaleur L'échangeur de chaleur a pour mission de transférer la chaleur des gaz d'échappement, de l'eau de refroidissement du moteur et de l'huile moteur vers l'eau de service du circuit de chauffage. Les échangeurs de chaleur les plus couramment utilisés sont les échangeurs de chaleur à calandre et tube et les échangeurs de chaleur à plaques. - Contrôle
Le contrôle permet aux opérateurs d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité de configurer divers paramètres. Entre autres, vous définissez le mode de fonctionnement avec lui. Les centrales modernes combinées de chaleur et d'électricité peuvent être contrôlées via une application sur l'ordinateur portable ou même sur le smartphone. - Chaudière de
pointe La chaudière de pointe n'appartient pas à la centrale thermique de type bloc. Cependant, si nécessaire, le fonctionnement se fait en parallèle afin de couvrir les pics de consommation de chaleur. Dimensionner une centrale thermique de type bloc en fonction des pics de charge n'a pas de sens économique car le nombre d'heures de fonctionnement resterait trop faible. Une centrale combinée de chaleur et d'électricité qui couvre la charge de base est beaucoup plus efficace. Tous les types de chaudières tels que les chaudières à condensation au gaz et au fioul conviennent en complément de l'unité combinée de chaleur et d'électricité. - Stockage
tampon Un stockage tampon n'est pas obligatoire dans une centrale combinée de chaleur et d'électricité, mais il est économiquement sensé, en particulier pour les consommateurs privés, car la consommation d'eau chaude varie fortement tout au long de la journée. Le récipient contient de l'eau de chauffage et est utilisé pour stocker l'excès de chaleur. Si le système ne peut pas répondre à la demande pendant les pics de charge, l'eau chaude s'écoule dans le circuit de chauffage. Pour une unité combinée de chaleur et d'électricité d'une puissance de 50 kilowatts, le stockage tampon est idéalement de 3 000 litres, pour une nano unité combinée de chaleur et d'électricité dans une maison familiale, 1 000 litres sont généralement suffisants.
Combustible pour le chauffage
Les carburants suivants sont utilisés dans une centrale thermique de type bloc, en fonction de la technologie d'entraînement:
- Gaz naturel, y compris le gaz liquide
- Biogaz des fermes
- L'huile de chauffage
- Huile végétale telle que l'huile de colza ou l'huile de palme (uniquement pour certains moteurs diesel)
- Granulés de bois (uniquement pour les moteurs Stirling et à vapeur)
- Copeaux de bois / gaz de bois (uniquement pour les grandes centrales de production combinée de chaleur et d'électricité)
- Houille ou lignite
Les granulés de bois sont un moyen écologique d'exploiter des centrales de production combinée de chaleur et d'électricité.
Classification des centrales thermiques et électriques combinées en fonction de leurs performances
Le tableau suivant donne un aperçu des types d'unités de production combinée de chaleur et d'électricité:
|
la désignation |
Puissance |
utilisation |
La technologie |
|---|---|---|---|
|
Nano |
Jusqu'à environ 2,5 |
Maisons unifamiliales |
Moteur Stirling, moteur à vapeur, |
|
Centrales thermiques de type micro -bloc |
2,5 à 15 |
Tours d'appartements |
Moteur Stirling, moteur diesel et gaz, piles à combustible |
|
Mini |
15 à 50 |
Petites entreprises manufacturières, |
Moteur à gaz, moteur à vapeur, |
|
Unités de cogénération |
50 à 250 |
Grandes usines de fabrication, |
Turbines à gaz, moteurs diesel et à |
interprétation
Les centrales thermiques et électriques combinées peuvent être conçues avec de l'électricité ou de la chaleur. Dans la première variante, la production d'électricité est déterminante. Cependant, étant donné que les systèmes produisent plus de chaleur que l'électricité et qu'il y a un manque de stockage de chaleur, une grande partie de la chaleur reste inutilisée. C'est pourquoi la plupart des unités de cogénération sont dimensionnées en fonction de la demande de chaleur.
Distribution et avenir des centrales de production combinée de chaleur et d'électricité
La plupart des composants d'une unité combinée de chaleur et d'électricité ne sont pas des inventions nouvelles. Le moteur Stirling existe depuis 1816. Les générateurs produisent également de l'énergie électrique depuis la seconde moitié du 19e siècle. Le principe de la production combinée de chaleur et d'électricité est également connu depuis longtemps. Dès 1902, des turbines à vapeur produisaient de l'électricité dans la centrale de chauffage urbain de Beelitz-Heilstätten, tandis que la chaleur de la vapeur chauffait le bâtiment.
Néanmoins, pendant longtemps, il n'y avait aucun moyen de réduire la technologie de sorte que les systèmes compacts pour la production d'énergie privée valaient la peine. Les premières centrales combinées de chaleur et d'électricité sont apparues sur le marché au milieu des années 1980. En 2000, la première version de la loi sur la production combinée de chaleur et d'électricité est entrée en vigueur. Pour la première fois, il a accordé des subventions aux propriétaires d'unités de production combinée de chaleur et d'électricité. Des ajustements ont été effectués en 2009 et 2016.
Le Danemark joue un rôle de premier plan dans l'installation de centrales de production combinée de chaleur et d'électricité dans toute l'Europe. Dès 2005, 50 pour cent de l'énergie produite là-bas provenait de centrales combinées de chaleur et d'électricité.
En Allemagne également, le nombre d'unités de cogénération à usage privé a augmenté ces dernières années. Cependant, ce type de chauffage n'est toujours pas l'un des plus courants. Il y a principalement des raisons historiques à cela. En particulier, la production d'électricité décentralisée n'a pris de vitesse qu'au tournant du millénaire grâce à la loi sur les sources d'énergie renouvelables. Dans le contexte de la transition énergétique, les centrales mixtes de chaleur et d'électricité joueront probablement également un rôle de plus en plus important.
Exigences pour l'installation du chauffage
- Si vous souhaitez installer une unité combinée de chaleur et d'électricité, la température de retour de votre système de chauffage doit être inférieure à 70 degrés Celsius. S'il est plus élevé, l'échangeur de chaleur ne peut plus dissiper complètement la chaleur du moteur. Dans ce cas, le système ne fonctionne pas de manière économique. Si le moteur devient trop chaud, le système s'arrête également.
- Une autre exigence est une connexion au gazoduc local si un moteur à gaz entraîne le générateur. Cependant, certaines centrales thermiques de type bloc peuvent également fonctionner avec du gaz liquide.
- Lors de l'installation d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité, deux compteurs d'électricité supplémentaires sont nécessaires. Alors que le premier mesure l'électricité produite, le second enregistre la proportion qui s'écoule dans le réseau public. Ceci est important, entre autres, pour que vous receviez un tarif d'achat de la part de l'opérateur du réseau.
Vous pouvez demander des compteurs d'électricité supplémentaires pour votre unité de cogénération auprès de votre opérateur de réseau.
Efficacité et domaines d'application d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité
Les centrales thermiques et électriques combinées sont utilisées dans les maisons individuelles et multifamiliales, les entreprises et les installations publiques telles que les écoles et les piscines. Comme le temps d'amortissement diminue avec la taille du système, des systèmes d'une puissance de 50 kilowatts ou plus sont installés dans de nombreux hôpitaux, immeubles de bureaux et écoles.
En principe, une centrale combinée de chaleur et d'électricité atteint un degré d'efficacité plus élevé que tous les autres types de chauffage grâce à la combinaison de la production de chaleur et d'électricité. Si vous ne regardez que la production d'électricité, le rendement électrique se situe entre 25 et 40%. Cependant, une centrale combinée de chaleur et d'électricité n'utilise qu'une partie de l'énergie pour produire de l'électricité. Les fiches techniques et les statistiques indiquent donc l'efficacité globale.
Les centrales thermiques et électriques combinées produisent de l'électricité beaucoup plus efficacement que les centrales électriques au charbon ou au gaz classiques. Une centrale thermique moyenne atteint un rendement de 45 à 50 pour cent. 50 à 55 pour cent de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. D'autres pertes énergétiques de 3 à 6 pour cent proviennent du transport d'électricité.
Les centrales électriques au charbon et au gaz combinant chaleur et électricité atteignent des rendements globaux de 86% et plus. Cependant, 10 à 15 pour cent de la chaleur récupérée sont perdus dans les longs pipelines.
Le graphique ci-dessous montre pourquoi la combinaison de la production d'électricité et de chaleur est si efficace. Avec 100 unités d'énergie, dans l'exemple avec une centrale thermique de type bloc, vous obtenez 36 unités d'électricité et 51 unités de chaleur. Pour la même quantité d'électricité, vous devrez calculer 80 unités d'énergie avec une centrale électrique conventionnelle avec un rendement de 45%. Un système de chauffage au gaz décentralisé avec un rendement de 84% nécessite 60 unités d'énergie supplémentaires pour le chauffage. Le total est de 140 unités d'énergie. Grâce à l'unité combinée de chaleur et d'électricité, vous économisez 40% d'énergie dans cet exemple.
Une centrale combinée de chaleur et d'électricité utilise l'énergie de manière optimale avec des pertes minimales.
D'un point de vue écologique, une centrale thermique de type bloc peut être exploitée de manière totalement neutre en CO2 ou à faible émission de CO2 si des combustibles tels que le biodiesel, le biogaz ou les granulés de bois sont utilisés. Même lorsqu'elle est exploitée avec des combustibles fossiles, une centrale combinée de chaleur et d'électricité est écologique en raison de son haut niveau d'efficacité.
Quand une centrale combinée de chaleur et d'électricité vaut-elle la peine? Comparaison avec d'autres appareils de chauffage
En ce qui concerne les systèmes de chauffage conventionnels tels que le chauffage au gaz, le rendement d'une unité combinée de chaleur et d'électricité n'est que légèrement supérieur à première vue. Les chaudières modernes atteignent une efficacité de 90% et plus. En termes de chauffage uniquement, les unités de production combinée de chaleur et d'électricité ne sont pas nécessairement plus efficaces. L'avantage est qu'ils produisent également de l'électricité bon marché en même temps. Les propriétaires réduisent leurs coûts en utilisant l'électricité du secteur moins chère.
Le fait qu'un achat en vaille la peine ou non dépend de votre consommation de chaleur et d'électricité. En raison des coûts d'acquisition plus élevés par rapport à une chaudière conventionnelle, les centrales thermiques de type bloc sont particulièrement intéressantes pour les ménages et les installations qui ont une demande de chaleur constante toute l'année. Une centrale thermique de type micro ou mini bloc doit être en service pendant au moins 5 000 heures par an pour fonctionner de manière économique.
Les autres facteurs qui influencent l'efficacité d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité sont les coûts d'investissement, la technologie, les prix actuels de l'électricité et des combustibles du réseau et les changements dans les programmes de subvention. Si vous avez l'intention d'installer une unité combinée de chaleur et d'électricité, nous vous recommandons des conseils professionnels indépendants. Le conseiller en énergie travaillera avec vous pour faire un calcul comparatif prenant en compte tous les paramètres.
Conseil: comparez le rendement et les coûts de l'unité de production combinée de chaleur et d'électricité avec d'autres types de chauffage dans notre aperçu du chauffage compact.
Coût d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité
Les coûts d'une unité combinée de chaleur et d'électricité varient en fonction de la taille du système et de la technologie installée. Pour une nano centrale combinée de chaleur et d'électricité, ils démarrent à 15 000 euros. Il faut s'attendre à 20 000 à 25 000 euros pour une unité de micro-cogénération. Ce n'est pas seulement le prix d'achat qui est déterminant. Le raccordement au réseau de gaz et d'électricité et les accessoires tels que le stockage tampon coûtent également plusieurs milliers d'euros.
En plus des coûts d'investissement, vous devez également prendre en compte les coûts de maintenance lors du calcul de la rentabilité d'une unité combinée de chaleur et d'électricité. Pour les centrales thermiques de type nano et micro bloc, elles sont comprises entre 500 et 1 000 euros soit 3 centimes par kilowattheure d'électricité produite par an. Les fabricants de centrales combinées de chaleur et d'électricité proposent souvent des contrats de maintenance complets.
Les coûts d'exploitation d'une centrale combinée de chaleur et d'électricité dépendent du combustible. Avec une nano unité combinée de chaleur et d'électricité alimentée au gaz naturel, selon vos besoins, la consommation est similaire à celle d'un chauffage au gaz classique. À cela s'ajoutent les frais de fonctionnement de la chaudière de pointe.
Réglementations légales et financement
La version actuelle de la loi sur la production combinée de chaleur et d'électricité de 2016 réglemente la promotion des centrales combinées de chaleur et d'électricité. Il comprend à la fois des subventions fixes pour l'installation et la rémunération de l'électricité produite par le chauffage.
Les petites centrales thermiques de type bloc d'une puissance allant jusqu'à 20 kilowatts (puissance électrique) reçoivent une subvention échelonnée par étapes de la BAFA. Par exemple, un système de 10 kilowatts coûte 3 400 euros. Les centrales combinées de chaleur et d'électricité particulièrement efficaces avec un deuxième échangeur de chaleur des gaz d'échappement pour utiliser le pouvoir calorifique reçoivent 25 pour cent supplémentaires de la subvention de base. L'État récompense les systèmes à haut rendement électrique avec 60% de la subvention de base.
Pointe:Soumettez la demande de financement pour votre unité combinée de chaleur et d'électricité d'ici le 31 décembre 2020, car ce programme de financement expirera à la fin de l'année!
La Kreditanstalt für Wiederaufbau soutient également l'achat de centrales de production combinée de chaleur et d'électricité. Avec les programmes 271 et 281 pour les grandes centrales thermiques de type bloc et 270 pour les petits systèmes, il accorde des prêts à taux d'intérêt avantageux et des années sans remboursement pouvant également couvrir l'intégralité des coûts d'acquisition. Le programme 433 peut être utilisé pour les mini-systèmes avec un entraînement à pile à combustible. Il existe une subvention pouvant aller jusqu'à 28 200 euros par pile à combustible.
En plus des paiements ponctuels et des prêts à faible taux d'intérêt lors de l'achat, la loi sur le chauffage et l'électricité combinés prévoit également des subventions pour toute la durée de fonctionnement de l'unité combinée de chaleur et d'électricité. En plus de la rémunération du gestionnaire de réseau, les propriétaires reçoivent une prime supplémentaire pour l'électricité injectée dans le réseau public. En fonction de la production électrique du système, elle varie de 8 cents le kilowattheure pour les systèmes jusqu'à 50 kilowatts de sortie à 4,4 cents le kilowattheure pour les grandes centrales combinées de chaleur et d'électricité d'une puissance supérieure à 250 kilowatts. La subvention est limitée à une certaine période. Avec des unités de mini-cogénération jusqu'à 50 kilowatts, c'est 60 000 heures complètes d'utilisation.
