Etat de i'Art Les actions de viiies europeennes sur i'utiiisation des nouveiies technoiogies de petite cogeneration contrat n°99.07.071 Cette etude a ete reaiisee par Peter SCHILKEN, Energie-Cites, pour ie compte de i'ADEME Vaibonne ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 2 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 SOMMAIRE RESUME 5 SYNTHESE GENERALE 7 1 - Objectif de l’etude 7 2 - Approche du sujet 7 3 - Resume d'un study tour sur la pile a combustible 8 4 - Diagnostic 9 5 - La situation en France 13 6 - Conclusion et Recommandations 14 7 - Tableau comparatif 16 8 - Orientations bibliographiques 17 ANNEXES 18 FICHES DE CAS Aachen (DE) 23 Armagh (UK) 27 Arnhem (NL) 31 Basel (CH) 35 Bielefeld (DE) 39 Berlin (DE) 43 Chelles (FR) 47 Frankfurt (DE) 51 Land Hessen (DE) 55 Ludwigshafen (DE) 59 3 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 4 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 RESUME Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne tailles, certaines municipalites europeennes, notamment en Allemagne, developpent actuellement des projets de petite cogeneration. Les objectifs principaux de cette etude sont d ’examiner en premier lieu les politiques et les experiences des municipalites et des compagnies municipales d ’energie en terme de technologie choisie, puis la fagon dont ces nouvelles installations ont ete integrees dans les systemes existants. En second lieu, il s'agit d'apporter des informations sur les aspects techniques et organisationnels, en particulier sur les difficultes rencontrees et les resultats constates. Dans la gamme de la petite cogeneration (d'une puissance electrique inferieure de 250 kW) la competition est ouverte entre les moteurs acombustion, les turbines acombustion, le moteur Stirling et les piles a combustible, qui en sont a des etapes variees de leur developpement technique et commercial. Toutes ces technologies sont decrites dans les differentes fiches. Les petits moteurs a gaz font deja preuve de leur fiabilite sur de nombreux sites. Dans la toute petite gamme en dessous de 10 kW, en fait la micro-cogeneration, on trouve actuellement deux modeles qui ont prouve leur fiabilite. Parmi eux, la societe allemande Senertec qui vend depuis 1999 ses petits moteurs de 5,5 kWe a environ 2.000 unites par an. Concernant les nouvelles technologies, ce sont celles relatives aux micro-turbines qui sont considerees comme les plus proche de la commercialisation, ce qui la rend donc particulierement attractive. Le marche a vu arriver en 2000 de nombreux modeles dans la gamme de puissance de 30 a 200 ou 300 kW. Les programmes de huit entreprises dans ce domaine ont ete recenses dont cinq sont representes par des fournisseur d'equipement de cogeneration en France. Grace au principe de combustion externe, connu depuis pres de 200 ans, la realisation effective du moteur Stirling se heurtait a des difficultes techniques serieuses. Differents modeles d'une puissance electrique de 0,8 a 40 kW sont en cours de developpement et des prototypes sont en cours de test dans les centres de recherche des grandes compagnies electriques ou des laboratoires universitaires. Malgre l’annonce qui en a ete faite depuis des annees, il est toujours impossible de trouver des moteurs Stirling sur le marche. A la difference des precedes classiques de production d ’electricite et utilises par les technologies mentionnes plus haut, le principe de la pile a combustible ne repose pas sur la conversion d ’energie mecanique en energie electrique, mais sur une conversion directe d ’energie chimique. Parmi les avantages d'une pile a combustible il faut notamment souligner un rendement electrique de 35 a 50 %, donc le plus eleve par rapport aux autres systemes de cogeneration, avec un taux de rendement croissant en charges partielles ainsi qu'une large palette d ’utilisations. C'est la raison pourquoi la pile a combustible est considere comme la technologie la plus prometteuse. On distingue 5 types de piles definies par la nature de leur electrolyte, 4 sur ces 5 types sont presentes dans les fiches de cas. Independamment du type de pile a combustible un peut actuellement distinguer deux lignes de developpement tres important pour des applications stationnaires: • le secteur de l'habitat individuel (0,1 - 5 kW), • le secteur de 100 a 250 kW (habitat collectif, secteur tertiaire). 5 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 En France, malgre un vive interet, Ce sont toujours les memes raisons qui bloquent le developpement de la petite cogeneration, a savoir: • la vide legislatif pour des installations d'une puissance electrique inferieur a 215 kW, • le systeme de tarification d'EDF en general (tres bas en ete et eleve en hiver) qui limite le fonctionnement des cogenerateurs a 3.624 heures alors qu'une utilisation rationnelle et efficace demande 5.000 heures de fonctionnement annuel, voire plus. Il est donc indeniable qu'un coup de pouce particulier devrait etre donne a la petite cogeneration y compris la micro-cogeneration si l'on veut assurer son developpement et si l'industrie frangaise ne veut pas rester a l'ecart d'un futur marche qui s'annonce comme relativement important. Il est egalement necessaire que les conditions techniques de raccordement au reseau, tout simplement en basse tension (BT) pour la petite cogeneration, soient elaborees en tenant compte de la specificite des ces installations. Tant que ces obstacles ne seront pas supprimes a l’aide de reglementations nationales adequates, la petite cogeneration ne parviendra pas a percer en France. Les dix exemples decrits dans les fiches de cas montrent clairement qu’actuellement, seules les installations equipees de moteurs agaz sont concurrentielles du point de vue economique en Europe par rapport ala production distincte de chaleur (par des chaudieres) et d ’electricite (par des centrales electriques). A la suite de la liberalisation des marches, le climat actuel en matiere de politique de l’energie contrarie toute nouvelle penetration sur le marche et les arguments environnementaux ne pesent pas d'un poids suffisant. Dans certains pays, y compris la France, les conditions de base, sont toujours aussi defavorables, de sorte que meme les moteurs a gaz ne peuvent pas fonctionner de maniere rentable en l’absence de subventions. Des couts d ’investissement encore eleves s’opposent a la reussite de la commercialisation de ces nouvelles technologies. Il est impossible de prevoir aujourd ’hui quand les piles a combustible ou les moteurs Stirling pourront etre proposes a des prix concurrentiels, mais tous les types de piles a combustible recelent de forts potentiels de reduction des couts. S’il est possible d ’etendre le savoir-faire (ainsi que la production) en Europe (France) les chances de reduire les couts sont grandes. Les developpeurs ont besoin de temps pour faire avancer leurs travaux, etudier et ameliorer les installations au stade pilote et dans des installations experimentales. S’ils sont soutenus par des politiques specifiques et au sein d ’une collaboration constructive avec des partenaires commerciaux et des utilisateurs potentiels, la pile a combustible en particulier sera un produit de pointe pour la production decentralisee d ’electricite et de chaleur d ’ici quelques annees. 6 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 PRESENTATION GENERALE 1 - Problematique Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne taille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris l’integration et la promotion de nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling, la mini-turbine a gaz ou la gazeification du bois. La cogeneration est un moyen prometteur pour atteindre les objectives ambitieux de reduction d ’emission de gaz a effet de serre fixes dans le protocole de Kyoto. Cette demarche est actuellement freinee par le contexte energetique europeen - et meme mondial - marque par l’ouverture a la concurrence des energies de reseau (electricite et gaz). En effet, on sent une forte reticence des compagnies energetique vis-avis des investissements dans ces nouvelles technologies, dans une periode fluctuante qui ne permet pas une visibilite suffisante. Et pourtant les etudes actuelles montrent que la production decentralisee pourrait representer plus de 40% de la production a l'horizon 2050. Dans les prochaines annees, c'est surtout la tranche de puissance 50 a 250 kW qui devrait se developper, ainsi que toutes petites installations de cogeneration a usage domestique. Des nombreuses experiences se deroulent en Europe, notamment en Allemagne, dans ce domaine. La France reste pour l'instant quasi absente de ce processus, en l'absence de procedures de soutien et de tarification de rachat. Pour demarrer cet etat de l'art de nombreuses recherches sur Internet ont ete faites ainsi qu’une sollicitation des membres d ’Energie-Cites par « Energie-Cites News ». A mi-parcours, nous devrons constater que la litterature disponible est relativement riche, notamment sur les piles a combustible mais ce sont generalement les aspects strictement techniques qui sont abordes. Le role des acteurs est plus difficile apercevoir et necessite des investigations approfondies. En dehors de la pile a combustible type OnSI PC 25 nous n'avons pas eu suffisamment d'information pour rediger une fiche. Les informations sont pour l’instant souvent traitees "top secret". C'est la raison pour laquelle nous avons decide d ’elargir le champ de l’investigation et d ’integrer des experiences avec la technologie classique, le moteur a gaz, dans cet etat de l’art. Cependant, sur ce point, nous nous sommes limites a des installations de micro-moteurs en dessous de 5 kWe. Une fiche est egalement redigee sur une unite de cogeneration fonctionnant a partir de la gazeification du bois, premiere installation de ce type en Europe.