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FICHE TECHNIQUE ADEME 1 Les chaudières à micro-cogénération (écogénérateurs) Septembre 2016 Référent : ANNE LEFRANC Service Bâtiment Direction Villes et Territoires durables ADEME Résumé Les chaudières à micro-cogénération, ou écogénérateurs, sont des chaudières fonctionnant au gaz naturel qui produisent de l’électricité en même temps que la chaleur pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire des logements. Cette électricité est produite sur place et est directement autoconsommée par le logement. L’ADEME et GrDF ont souhaité caractériser les performances de ces chaudières et ont chargé le COSTIC de réaliser l’instrumentation et le suivi de 18 logements équipés de chaudières à micro-cogénération. Cette fiche technique reprend les principaux résultats de la campagne d’instrumentation. Le prix des énergies et la faible valorisation de l’autoconsommation, en plus du prix de l’équipement (30% de plus en coût global sur 15 ans 1 par rapport à une chaudière à condensation) , freinent aujourd’hui le déploiement de cette technologie. Pour autant, cette technologie peut avoir certains atouts, notamment lorsqu’on « valorise » l’électricité produite et que l’on bascule le rendement en énergie primaire, il peut aller alors jusqu’à 115%, ce qui en fait un système énergétique performant pour la production de chauffage et d’eau chaude des logements et permet de produire localement de l’électricité au moment où l’électricité soutirée au réseau est plus fortement carbonée (pointes hivernales). Cette chaudière doit cependant être installée dans des logements où les besoins thermiques et électriques sont importants (logements existants principalement) car la quantité d’électricité produite est étroitement liée aux besoins thermiques des bâtiments. De plus, l’autoconsommation de l’électricité produite dépendra des besoins électriques du logement. On peut s’attendre en moyenne et en fonction des besoins électriques du logement à une économie de 20 % sur la facture d’électricité (on peut aller jusqu’à 40% pour des logements avec une f orte demande électrique). 1 Avis de l’ADEME : Modes de chauffage dans l’habitat individuel

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FICHE TECHNIQUE ADEME

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Les chaudières à micro-cogénération (écogénérateurs)

Septembre 2016

Référent : ANNE LEFRANC – Service Bâtiment – Direction Villes et Territoires durables ADEME

Résumé

Les chaudières à micro-cogénération, ou écogénérateurs, sont des chaudières fonctionnant au gaz naturel qui produisent de l’électricité en même temps que la chaleur pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire des logements. Cette électricité est produite sur place et est directement autoconsommée par le logement. L’ADEME et GrDF ont souhaité caractériser les performances de ces chaudières et ont chargé le COSTIC de réaliser l’instrumentation et le suivi de 18 logements équipés de chaudières à micro-cogénération. Cette fiche technique reprend les principaux résultats de la campagne d’instrumentation. Le prix des énergies et la faible valorisation de l’autoconsommation, en plus du prix de l’équipement (30% de plus en coût global sur 15 ans1 par rapport à une chaudière à condensation), freinent aujourd’hui le déploiement de cette technologie. Pour autant, cette technologie peut avoir certains atouts, notamment lorsqu’on « valorise » l’électricité produite et que l’on bascule le rendement en énergie primaire, il peut aller alors jusqu’à 115%, ce qui en fait un système énergétique performant pour la production de chauffage et d’eau chaude des logements et permet de produire localement de l’électricité au moment où l’électricité soutirée au réseau est plus fortement carbonée (pointes hivernales). Cette chaudière doit cependant être installée dans des logements où les besoins thermiques et électriques sont importants (logements existants principalement) car la quantité d’électricité produite est étroitement liée aux besoins thermiques des bâtiments. De plus, l’autoconsommation de l’électricité produite dépendra des besoins électriques du logement. On peut s’attendre en moyenne et en fonction des besoins électriques du logement à une économie de 20 % sur la facture d’électricité (on peut aller jusqu’à 40% pour des logements avec une forte demande électrique).

1 Avis de l’ADEME : Modes de chauffage dans l’habitat individuel

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1. Définition, contexte et marché de la micro-cogénération

1.1. Qu’est-ce que la micro-cogénération ? La cogénération consiste à produire en même temps et dans la même installation, à partir d'une énergie primaire combustible, de l'énergie thermique (chaleur) et de l'énergie électrique grâce à un générateur électrique. L'énergie thermique est directement utilisée pour le chauffage et la production d'eau chaude. Les installations de cogénération fonctionnent à partir de gaz naturel, de fioul ou toute forme d'énergie locale (géothermie, biomasse, …) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères...). L'installation de cogénération fait partie des techniques les plus efficaces énergétiquement pour l'utilisation des énergies fossiles et renouvelables. La cogénération, surtout destinée au marché du tertiaire et du logement collectif, est aujourd’hui assurée par moteur au gaz naturel (puissance électrique maximale de 400 kW). En dessous d’un certain seuil de puissance électrique (seuil fixé par la directive européenne 2004/8/CE de 50 kW électrique), on parle de micro-cogénération. Cette gamme de puissance permet alors de proposer des technologies adaptées au résidentiel individuel ou au petit tertiaire. Quatre technologies différentes permettent aujourd’hui cette production locale d’électricité en cogénération : la combustion interne, la combustion externe (le moteur Stirling principalement), la turbine et la pile à combustible. Pour l’individuel, le moteur Stirling est la technologie la plus répandue sur le marché français. La quatrième technologie, la moins mature, est la pile à combustible qui est en fin de développement et est déjà en expérimentation chez des consommateurs français. Le lancement commercial de cette technologie, largement répandue au Japon avec plus de 100 000 unités installées chez des particuliers, est attendu en France à l’horizon de 20172. NB : Les résultats et les recommandations présentés dans cette fiche technique ne concernent que les chaudières à microcogénération à moteur Stirling (appelés également écogénérateurs).

1.2. Les micro-cogénérateurs, producteurs d’électricité à domicile à partir de gaz naturel

Les chaudières à micro-cogénération intègrent un moteur Stirling et fonctionnent au gaz naturel (combustion externe), elles portent également le nom d’écogénérateurs. Ces chaudières permettent une production combinée de chaleur et d'électricité avec une puissance d’environ 1 kW électrique. C’est l’alternateur intégré dans cette chaudière qui transforme l’énergie mécanique issue du moteur Stirling (à piston) en électricité. Les différents composants de la chaudière sont régulés pour assurer en priorité l’ensemble des besoins thermiques du logement (chauffage avec ou sans production d’eau chaude sanitaire). De plus, l’électricité ainsi produite permet d’être utilisée directement par le logement (on parle alors d’auto-consommation), l’excédent pouvant être injecté sur le réseau (avec ou sans revente). En réalité, le tarif de revente du kWh électrique (dit « petites installations » et égal au tarif bleu de vente hors taxe) et le coût engendré par le compteur supplémentaire incitent plutôt les particuliers

2 Le projet EPILOG, cofinancé par l’ADEME, coordonné par GrDF et en partenariat avec Viessmann, le Costic et le

Crigen, vise à tester 3 piles basse température dans des logements et petit tertiaire, ainsi qu’à préparer la réglementation

relative aux bâtiments (Titre V) à l’arrivée de ces nouvelles technologies.

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possédant un écogénérateur à ne pas établir de contrat d’achat pour cette énergie produite. Seule la part auto-consommée de l’électricité produite présente alors un intérêt économique pour le client final. L’économie d’énergie réalisée par le ménage sur sa consommation totale d’électricité est en moyenne de 20% (pouvant aller jusqu’à 40%).

1.3. Une offre constructeur existante mais encore limitée

Les premiers systèmes de micro-génération sont arrivés sur le marché, en Allemagne et au Royaume-Uni. En Allemagne, la microcogénération connaît un certain succès grâce à une incitation importante des pouvoirs publics (aide à l'investissement et tarif de rachat de l'électricité) et à un coût de l’énergie faible pour le gaz en comparaison du prix de l’électricité. Les constructeurs commencent à proposer de plus en plus de machines, pour la plupart basées sur le principe du moteur à combustion interne ou du moteur Stirling.

En France, on trouve des chaudières avec la technologie du moteur Stirling depuis fin 2015 chez des constructeurs « chaudieristes » comme Viessmann ou De Dietrich. Le marché est aujourd’hui encore assez confidentiel (on compte à peine 200 installations en France). Ce marché pourrait à terme se developper dans une perspective d’augmentation du coût de l’énergie électrique par rapport au prix du gaz ou si par exemple les conditions de rachat de l’électricité évoluent à la hausse.

Il est vrai que le prix d’achat d’une chaudière à micro-cogénération peut pour le moment décourager certains acheteurs (le prix est deux à trois fois supérieur à celui d’une chaudière à condensation). Ce coût pourrait être revu à la baisse dans le cadre d’un developpement de la technologie à plus grande échelle.

2. Résultats des campagnes de mesure des performances des écogénérateurs

2.1. Descriptif de la campagne En décembre 2009, l’ADEME et GRDF ont chargé le COSTIC de réaliser l’instrumentation et le suivi de 18 logements équipés de chaudières à micro-cogénération. L’objectif principal de cette étude était d’observer le fonctionnement d’écogénérateurs in situ durant un an, afin d’évaluer les performances réelles de ce système de production de chauffage, d’eau chaude sanitaire et d’électricité. Mais aussi, de détailler les spécificités d’intégration dans le neuf comme dans l’existant. Les performances sont évaluées sur plusieurs critères :

Performance énergétique Confort de l’occupant (thermique et acoustique) Fiabilité du système

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Nous disposons pour cette étude d’un panel de logements de tailles très variées, du 3 pièces de 65 m² à plus de 6 pièces et 230 m².

2.2. La production d’électricité est étroitement liée au besoin thermique du logement

La production thermique et électrique annuelle de chaque site est représentée sur les graphiques suivants. On

peut constater que la production électrique se corrèle directement à la production thermique (superposition des

deux graphes).

(n) logements neufs (besoins thermiques faibles), les autres sites sont des logements existants

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Répartition neuf et existantNeuf Existant

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Répartition des sites par typeMaison Individuelle Logement collectif

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Le fonctionnement d’un écogénérateur est régulé en fonction du besoin de chaleur du logement où il est installé. Il ne produit pas d’électricité s’il n’y a pas de besoin de chauffage ou d’eau chaude sanitaire. Il est alors logique d’observer une corrélation entre la production électrique et le besoin thermique, représenté

par la production thermique de l’écogénérateur.

Comme le montre le graphique ci-dessus, il est possible d’extrapoler une loi permettant d’estimer la production électrique d’un site en connaissant son besoin thermique. La loi obtenue se base sur la moyenne des résultats annuels des 18 sites. En première approche, un ratio de 1/10 peut être utilisé sans risque.

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2.3. Un rendement global sur énergie primaire supérieur à une chaudière à condensation récente

Le rendement thermique des écogénérateurs est calculé comme suit,

𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 é𝑐𝑜𝑔𝑒𝑛 (𝐸𝑝𝑟𝑜𝑑)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑔𝑎𝑧 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 𝑒𝑛 𝑃𝐶𝐼 (𝐸𝑔𝑎𝑧)

Le rendement électrique « installation » des écogénérateurs est calculé comme suit :

𝑅𝑒𝑛𝑑. é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑢𝑟 é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 é𝑐𝑜𝑔𝑒𝑛 (𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑔𝑎𝑧 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 𝑒𝑛 𝑃𝐶𝐼 (𝐸𝑔𝑎𝑧)

𝑅𝑒𝑛𝑑. é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑢𝑟 é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = (𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 é𝑐𝑜𝑔𝑒𝑛 (𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐)𝑥 𝑐𝑜𝑒𝑓 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 2.58)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑔𝑎𝑧 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 𝑒𝑛 𝑃𝐶𝐼 (𝐸𝑔𝑎𝑧)

Le rendement global de l’écogénérateur est la somme algébrique de ces deux rendements (thermique et électrique). Il faut souligner le fait que ce rendement global additionne deux énergies de nature différente qui n’ont pas le même coefficient de conversion énergie finale - énergie primaire. Ainsi, si l’on souhaite comparer différents systèmes de chauffage entre eux, il faut établir une comparaison sur la base de rendements sur énergie primaire. Toutefois, les résultats sont présentés ici sur énergie finale afin d’établir les économies attendues sur la facture d’électricité pour l’utilisateur final (ainsi les graphes sont présentés en énergie finale). Le graphique suivant montre le rendement global annuel des sites en détaillant la part thermique (en rouge) et la part électrique en énergie finale (en bleu).

Le rendement global annuel sur PCI des écogénérateurs est compris entre 86% et 100%. En dehors du cas particulier du site 18 pour lequel un défaut sur le moteur a été détecté, le rendement électrique annuel système est compris entre 5.1 % et 10.6 % (PCI). La valeur annuelle moyenne des sites (hors site 18) s’établit à 8.1 % sur PCI.

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A noter que depuis cette campagne, les fabricants ont amélioré le procédé de fabrication et la fiabilité des moteurs Stirling et recommandent l’installation de ballon tampon. Ces ballons permettent de réduire significativement le cyclage, ce qui permet de gagner 3 à 4 points de rendement électrique.

Malgré la grande variété de sites, on retrouve globalement le même niveau de performance pour tous les écogénérateurs. Ce rendement global annuel sur énergie finale est correct et au moins équivalent à un rendement de chaudière à condensation moderne. Si on valorise la production électrique en basculant le rendement en énergie primaire celui-ci peut s’élever jusqu’à 115 % qui est donc supérieur au rendement d’une chaudière à condensation moderne.

2.4. Valorisation de la production électrique Le principe du couplage électrique entre écogénérateur et logement est schématisé ci-dessous

A = électricité soutirée au réseau EDF - Consommation électrique du logement - mesurée

B = électricité injecté sur le réseau EDF - Electricité perdue par le logement - mesurée

C = électricité consommée par l’écogénérateur - mesurée (pour faire fonctionner les auxiliaires de l’écogénérateur)

D = électricité produite par l’écogénérateur - mesurée

E = électricité auto-consommée par le logement - calculée = D – B

Il est intéressant de regarder, non plus sur une année mais sur une journée, la production électrique de l’écogénérateur au regard des besoins électriques du logement.

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Figure 1 : Production électrique d'une chaudière à micro-cogénération sur une journée type.

Les graphes montrent la production de l’électricité d’un écogénérateur sur une journée type. Ainsi, les besoins électriques du logement peuvent varier fortement et sont dépendants notamment de la présence des occupants (sauf pour le talon de base correspondant aux veilles électriques, réfrigérateur, etc.) L’autoconsommation dépend directement de la simultanéité de la production et du besoin électrique (voir graphe ci-dessous).

Figure 2 : La part autoconsommée de la production électrique sur une journée type

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Les résultats montrent un pourcentage d’auto-consommation très variable d’un site à l’autre. Ce pourcentage dépend de la simultanéité entre la production électrique et le besoin électrique du logement mais aussi de la puissance électrique de base du logement (consommation des veilles et des équipements fonctionnant 24h/24h). Le pourcentage d’autosuffisance (ou auto-production) équivaut au pourcentage d’économie réalisé sur la consommation d’électricité. Il s’agit du rapport entre l’électricité autoconsommée sur le besoin électrique du logement. Il est calculé comme suit,

𝑃𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑑′𝑎𝑢𝑡𝑜𝑠𝑢𝑓𝑓𝑖𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 [%] = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 (𝐷 − 𝐵)

𝐵𝑒𝑠𝑜𝑖𝑛 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑜𝑔𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 (𝐴 + 𝐸)

Le pourcentage d’autosuffisance prend en compte la production électrique et le pourcentage d’auto-consommation par rapport au besoin électrique du logement. Il peut aussi être obtenu en multipliant le taux de couverture par le pourcentage d’auto-consommation. Le pourcentage d’autosuffisance des sites est représenté sur le graphique suivant.

Les résultats de l’étude donnent une autosuffisance annuelle comprise entre 1,5 % et 39 % pour les sites évalués. La moyenne des sites se situe vers 20 % d’autosuffisance.

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3. Conclusions et recommandations Malgré les incitations fiscales et réglementaires, les chaudières à micro-cogénération à moteur Stirling peinent à trouver un marché, le nombre d’installations est encore assez limité (200 actuellement) pour plusieurs raisons :

- Le coût d’installation de la machine est important, et les économies d’énergie réalisées sur la facture d’énergie ne permettent pas toujours de rentabiliser l’achat

- L’écart de prix entre le gaz et l’électricité n’est pas suffisamment important en France en comparaison d’autres pays européens où la microcogénération trouve sa place plus facilement (ex : Allemagne) ; cet écart est néanmoins en augmentation et a atteint la barre symbolique des 10 c€/kWh en février 2016 pour la première fois

- Il n’y a pas de tarif de rachat spécifique dédié et avantageux de l’électricité revendue (comme pour le photovoltaïque), et les démarches pour la revente peuvent parfois décourager les autoproducteurs. Un tarif « petites installations » reste cependant accessible.

Pour autant, cette technologie peut avoir certains atouts, notamment lorsqu’on « valorise » l’électricité produite et que l’on bascule le rendement en énergie primaire, il peut aller alors jusqu’à 115%, ce qui en fait un système énergétique performant pour la production de chauffage et d’eau chaude des logements. En effet, produire de l’électricité localement permet notamment de limiter les pertes liées au transport et à l’absence de récupération des pertes de chaleur de l’électricité produite de manière centralisée. Le bilan est donc positif sur énergie primaire en comparaison de la solution chaudière seule. Sur les aspects de gestion de réseau, la micro-cogénération permet une production d’électricité lors de périodes hivernales de forte demande (liées aux spécificités du parc en chauffage électrique), et contribue donc à un lissage des pointes de demande électrique en hiver. Cette technologie peut être également pertinente dans les zones de péninsule électrique (Bretagne, Paca…). En termes de recommandations, la chaudière micro-cogénération à moteur Stirling est principalement et presque exclusivement dédiée aux logements existants avec des besoins thermiques et électriques importants. En effet, la production d’électricité est fortement corrélée aux besoins thermiques du logement (plus le logement est ancien, plus les besoins thermiques sont importants et donc plus la production d’électricité sera conséquente). De plus, l’autoconsommation de l’électricité produite dépend des besoins électriques du logement. On peut s’attendre en moyenne et en fonction des besoins électriques du logement à une économie de 20 % sur la consommation d’électricité du logement (on peut aller jusqu’à 40% pour des logements avec une forte demande électrique). Même si cette technologie a du mal à se positionner actuellement, on peut s’attendre dans les années à venir à un déploiement plus important qui dépendra étroitement du contexte énergétique (prix des énergies) et des incitations réglementaires et/ou fiscales (incitation à l’autoconsommation ou tarif de rachat spécifique). Ce déploiement permettra certainement de baisser les coûts de production et d’assurer une meilleure rentabilité de l’achat. En dehors de la technologie du moteur Stirling qui se positionne sur le marché de l’existant, les technologies à combustion interne voire les piles à combustible, qui ont un rendement électrique beaucoup plus important (de l’ordre de 30 à 50%), devraient pouvoir répondre aux besoins d’équipement dans le neuf où les besoins thermiques sont nettement plus faibles et où la part des besoins électriques augmente face à celle des besoins thermiques.

Pour en savoir plus Guide RAGE du COSTIC (conception et dimensionnement dans l’habitat individuel existant) http://www.costic.com/sites/default/files/upload/telechargements/RAGE/autres_sujets/moteur_stirling_reno/guide_-_chaudieres_micro_cogeneration_moteur_stirling_habitat_individuel_01conception_reno.pdf

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L’ADEME EN BREF

L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de

l'Énergie (ADEME) participe à la mise en œuvre des

politiques publiques dans les domaines de

l'environnement, de l'énergie et du développement

durable. Afin de leur permettre de progresser dans

leur démarche environnementale, l'agence met à

disposition des entreprises, des collectivités locales,

des pouvoirs publics et du grand public, ses capacités

d'expertise et de conseil. Elle aide en outre au

financement de projets, de la recherche à la mise en

œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion

des déchets, la préservation des sols, l'efficacité

énergétique et les énergies renouvelables, la qualité

de l'air et la lutte contre le bruit.

L’ADEME est un établissement public sous la tutelle

conjointe du ministère de l'Écologie, du

Développement durable et de l'Énergie et du ministère

de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.