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Filiere génie chimique & génie des procédés REPUBLIC OF CAMEROON -------------

Filiere génie chimique & génie des procédés REPUBLIC OF CAMEROON ------------- Peace – Work – Fatherland ------------- UNIVERSITY OF DOUALA ------------- NATIONAL HIGHER POLYTECHNIC SCHOOL OF DOUALA ------------- P.O.Box:2701 Douala Phone :(237) 697 542 240 Email: contact@enspd-udo.cm REPUBLIQUE DU CAMEROUN ------------ Paix – Travail – Patrie ------------- UNIVERSITE DE DOUALA ------------- ECOLE NATIONALE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DE DOUALA ----------- B.P. 2701 Douala Tél. (237) 697 542 240 Site web : www.enspd-udo.cm THEME : CONGENERATION ii DEPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES / DEPARTMENT OF PROCESS ENGINEERING Exposé UE: Déchets – Assainissement - Valorisation GROUPE Rédigé et présenté par  OLANGUENA EBOA ELIE JOHANES 17G97567  PANDJO NGALAKO MANUELLA SANDRA 19G00430 Sous l’encadrement du : DR KOUTEU Thème : cogénération ANNEE ACADEMIQUE 2020/2021 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION___________________________________________________________1 I. CRITERES ET CLASSIFICATION DE LA COGENERATION____________________2 1. Critères spécifiques___________________________________________________________2 2. Classification par puissance mécanique ou électrique_______________________________4 II. Intérêt de la cogénération.__________________________________________________4 1. Impact environnemental_______________________________________________________4 1- Impact économique___________________________________________________________5 II. DOMAINE D’APPLICATION ET CARACTERISTIQUES DES PRINCIPALES FILIERES DE COGENERATION._____________________________________________5 1. Filière chaudière-turbine à vapeur______________________________________________5 2. Filière turbine à gaz___________________________________________________________6 3. Filière moteur à combustion interne_____________________________________________7 II. Rappel et complément énergétique_________________________________________8 1- Formulation du premier principe_______________________________________________8 2- Formulation du second principe________________________________________________9 2- Inégalités de Clausius________________________________________________________11 3- Théorème de Carnot-Clausius. Rendement de Carnot._____________________________11 III. Exergie et rendement exergétique.________________________________________12 1- Définitions__________________________________________________________________12 2- Calcul de l’exergie d’un système non réactif______________________________________13 IV. Notion d’exergétique des combustions.____________________________________15 1- Définition de la combustion___________________________________________________15 2- Exergétique de la combustion__________________________________________________15 V. Etude et dimensionnement d’une installation de cogénération(Conception d’un système de cogénération pour la production de froid à partir d’une centrale hybride PV/Diesel)_________________________________________________________________17 1- Présentation des constituants du système________________________________________17 2- principe de fonctionnement du système de cogénération____________________________19 3- Bilan énergétique du système__________________________________________________20 4- Bilan exergétique des groupes électrogènes______________________________________21 CONCLUSION_____________________________________________________________24 REFERENCES_____________________________________________________________25 INTRODUCTION La cogénération, ou production d’énergie combinée, est une technique de production simultanée d’énergie électrique et de chaleur. Dans les cas où on produit de la chaleur, du travail, mais aussi du « froid » on parle de trigénération. Une cogénération consomme un combustible capable de libérer par combustion une énergie thermique C. Cette quantité de chaleur est calculée à partir du pouvoir calorifique inférieur du combustible déterminé en laboratoire par calorimétrie. L’énergie thermique C est transformée d’une part en travail W’ et d’autre part en énergie thermique Q’ utilisée pour le chauffage de fluides caloporteurs nécessaires à des procédés industriels et/ou au chauffage de locaux. Dans les applications les plus courantes de la gamme de puissance étudiée ici, la cogénération est réalisée à partir d’un moteur à explosion. Il s’agit d’un moteur alimenté au gaz naturel, à l'huile végétale ou au biodiesel. Celui-ci entraîne un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en électricité. La chaleur contenue dans les gaz d’échappement, dans l’eau de refroidissement et dans l’huile de lubrification peut être récupérée pour produire de l'eau chaude, sanitaire ou de chauffage. I. CRITERES ET CLASSIFICATION DE LA COGENERATION 1. Critères spécifiques Généralement, les systèmes de cogénération sont caractérisés par les ratios suivants : - le rendement mécanique Rm = W’/C (I.1) (Si l’énergie « noble » produite est de l’électricité, on parle de rendement électrique) - le rendement thermique Rth = Q’/ C (I.2) - le rendement global Rg = (W’+Q’) /C (I.3) - le rapport spécifique chaleur-force CF =Q′/W′ (I.4) Ou son inverse FC = W′/Q′ (I.5) Ces deux derniers ratio sont caractéristiques des différentes installations de cogénération et doivent être adaptés aux besoins du site. Pour choisir la technologie utilisée (moteurs, turbine à combustion, turbine à vapeur…) on tiendra compte, entre autres critères, du rapport CF souhaité pour le site. Ce rapport dépend, le cas échéant, des conditions de revente partielle ou totale de l’énergie électrique. A ces ratios s’ajoute la consommation spécifique équivalente, qui caractérise la consommation supplémentaire liée à la production de travail par rapport à une chaufferie classique de rendement sur PCI η : CE = (C-Q’/η) / W’ (I.6) Si la cogénération se substitue ou vient en appoint d’une chaufferie existante, le rendement de référence, η, est celui de cette chaufferie. S’il n’existe pas déjà une chaufferie, ou si la cogénération est un moyen de transformation énergétique isolé, on prend conventionnellement un rendement η égal à 0,90 ce qui correspond à une chaudière fuel classique bien réglée. La consommation spécifique équivalente est le ratio entre l’augmentation de consommation de combustible due à la production mécanique et l’énergie mécanique (ou électrique) produite. Elle mesure en quelque sorte le « coût » énergétique de l’énergie mécanique produite. L’inverse de la consommation spécifique équivalente est appelé rendement mécanique (ou électrique) équivalent. Dans un système sans cogénération (Q’ = 0) la consommation spécifique équivalente est égale à l’inverse du rendement mécanique du système moteur génératrice. Cette consommation spécifique dépasse couramment 3 : il faut plus de 3 kWh thermiques pour produire 1 kWh mécanique. Dans un système avec cogénération la consommation spécifique équivalente est généralement inférieure à 2. L’inverse de la consommation spécifique équivalente est appelé rendement électrique équivalent (ou rendement mécanique équivalent dans le cas d’une utilisation directe de la puissance mécanique pour entraîner une machine): Ree = W ' C−Q '/η ′ (I.7) Enfin nous évoquerons, sans entrer dans des considérations trop théoriques le rendement exergétique, grandeur plus fondamentale, mais pour le moment moins connue des professionnels : ηA = As/Ae (I.8) Il s’agit du rapport entre l’exergie sortant du système et l’exergie qu’on y introduit. Les professionnels de la cogénération utilisent parfois une expression approximative du rendement exergétique : Rx = W '+Q '∗(1−Tréf /Th) C (I.9) Où la température de référence, Tréf, doit logiquement être prise égale à la température ambiante et où Th est la température de sortie du fluide caloporteur. Bien entendu, ces températures doivent impérativement être exprimées en Kelvin. J’appelle cette grandeur, sur laquelle nous reviendrons plus loin « rendement exergétique simplifié ». Tableau 1 Tableau 1 : combustible en fonction du contenu énergétique 2. Classification par puissance mécanique ou électrique Grosse cogénération : W′ > 12 MW Moyenne cogénération : 1 MW < W′ < 12 MW Petite cogénération : 215 kW < W′ < 1 MW Mini cogénération : 36 kW < W′ < 215 kW Micro cogénération : W′ < 36 kW II. Intérêt de la cogénération. 1. Impact environnemental La production simultanée de travail et de chaleur permet d’exploiter au mieux le pouvoir énergétique des combustibles et ainsi de réduire la consommation d’énergie et la production de gaz à effet de serre (ici du CO2). Les cogénérations sont des installations suffisamment petites pour que les combustions y soient bien maîtrisées. L’émission de polluants est très réglementée donc réduite par différents dispositifs d’épuration des fumées (SO2, NOx). Il s’agit donc d’un procédé de chauffage particulièrement « propre ». Fondamentalement, la cogénération permet de mieux valoriser la part noble de l’énergie présente sous forme chimique dans un combustible. En ce sens, elle est beaucoup plus intéressante qu’une simple chaudière. Dans l’optique d’aller vers un « mix » énergétique majoritairement renouvelable, la cogénération est l’un des outils permettant de subvenir au manque hivernal d’énergie solaire. En effet le combustible est un moyen de stockage (quasi illimité dans le temps) de l’énergie sous forme chimique. Si nous réduisons de façon significative nos consommations énergétiques, la cogénération utilisant une part d’énergie fossile et une part croissante de combustible renouvelable permettrait d’assurer jusqu’à la fin de ce siècle une transition confortable vers une consommation assurée à 100% par des énergies renouvelables. 1- Impact économique La diminution des importations globales d’énergie primaire, l’Ouverture des marchés et la Production décentralisée d’énergie sont entre autre quelques retombées positive d’une mise en œuvre effective de la cogénération. Nous pouvons également noté comme intérêt : - meilleur rendement que la production séparée - moins de pertes d’énergie électrique par le réseau - augmentation de la capacité de production globale (différents effets suivant les pays) - possibilité de perturbations sur le réseau II. DOMAINE D’APPLICATION ET CARACTERISTIQUES DES PRINCIPALES FILIERES DE COGENERATION. 1. Filière chaudière-turbine à vapeur Le principal intérêt de cette filière est de permettre l’utilisation de tous les combustibles et notamment les combustibles solides (charbon, bois, ordures ménagères, déchets…) ainsi que le recyclage de chaleurs fatales. Cette filière est fréquemment utilisée dans des systèmes à cycles combinés derrière une TAC ou un MACI pour augmenter le rendement électrique. Nécessitant un personnel spécialisé, cette filière n’est plus envisagée sauf exception que pour les grosses voir moyennes cogénérations pour lesquelles la production électrique permet de rentabiliser l’investissement et les coûts de personnel de conduite. Cette filière est beaucoup rencontrée dans l’industrie (l’électricité étant le plus souvent un sous-produit de la production de vapeur), par nécessité dans les IUOM, ou dans les grands réseaux de chauffage urbain. On utilise fréquemment des turbines à contrepression donnant des rendements électriques faibles typiquement 14-15% et des CF élevés 5-6. Les performances électriques s’améliorent en abaissant la contrepression ou en complexifiant le matériel (soutirage, resurchauffe). Le rendement global est bon (~90%). Le rendement exergétique n’est pas très bon (~30%). La contrepression est en général imposée par les besoins thermiques (niveau de température) et les pertes de charge du réseau vapeur. uploads/Industriel/ congeneration-final-1.pdf