Moteur CHP dans une unité de méthanisation : efficacité électrique, thermique et fonctionnement en charge partielle

Un moteur à pistons alimenté par du biogaz dans une unité de cogénération (CHP) convertit généralement 36–44 % de l'énergie chimique du combustible en énergie électrique, tandis que 40–50 % supplémentaires sont récupérés sous forme de chaleur issue de l'eau de refroidissement, des gaz d'échappement et de l'huile. L'efficacité totale atteint donc environ 85–90 %, mais uniquement si la chaleur est effectivement utilisée. L'efficacité électrique diminue en cas de fonctionnement à charge partielle, avec une faible teneur en méthane et des réglages inadéquats du moteur.

Composition du bilan énergétique

L'énergie apportée par le combustible se répartit en quatre flux : la puissance électrique aux bornes du générateur, la chaleur issue du refroidissement du carter et de l'huile, la chaleur des gaz d'échappement et les pertes (rayonnement, chaleur non récupérée des gaz d'échappement, frottements, pertes du générateur). Les fabricants indiquent l'efficacité dans des conditions nominales, avec une composition de gaz et une température de l'air définies. Les valeurs en exploitation peuvent être inférieures de quelques points de pourcentage.

Les fourchettes indiquées sont approximatives et dépendent de la puissance de l'agrégat : les moteurs plus grands ont généralement une efficacité électrique plus élevée.

Comment calculer l'énergie issue du biogaz

Le pouvoir calorifique du méthane est d'environ 35,8–35,9 MJ/m³ dans les conditions normales (0 °C), soit environ 9,95–9,97 kWh/m³ ; dans les exemples, nous prenons 9,97 kWh/m³, et dans les calculs approximatifs, on arrondit à 10 kWh/m³. Pour un biogaz contenant 52 % de CH₄, cela donne environ 5,2 kWh/m³ (en négligeant la contribution des composants traces).

Exemple avec des hypothèses explicites : débit de biogaz de 250 m³/h, teneur en CH₄ de 52 %, efficacité électrique de 40 %, thermique de 44 %.

• puissance combustible : 250 × 0,52 × 9,97 ≈ 1 296 kW,
• puissance électrique : 1 296 × 0,40 ≈ 518 kW (un agrégat d'une puissance nominale d'environ 500–530 kW est un choix approprié),
• puissance thermique : 1 296 × 0,44 ≈ 570 kW,
• après déduction de la consommation propre de chaleur pour le chauffage des digesteurs (par exemple 150–250 kW en hiver, moins en été), le reste est disponible pour une valorisation.

Charge partielle

L'efficacité électrique d'un moteur à gaz est maximale à une charge proche de 100 %. À 75 % de la puissance, la baisse est généralement d'environ 1–2 points de pourcentage, et à 50 %, de plusieurs points, voire plus, selon la conception. De plus, un fonctionnement à faible charge favorise le dépôt de calamine et l'encrassement des bougies. Par conséquent, si l'installation dispose de deux agrégats, il est plus avantageux de faire fonctionner un seul à pleine puissance plutôt que deux à mi-puissance. Lors de la conception, il est raisonnable de dimensionner la puissance en fonction de la production moyenne de gaz, et non du pic.

Influence de la qualité du gaz

Température et conditions ambiantes

Une température élevée de l'air et l'altitude au-dessus du niveau de la mer réduisent la puissance du moteur (appelé derating, c'est-à-dire réduction de puissance). La plupart des fabricants fournissent des courbes de réduction de puissance. Dans les localisations en Pologne, un été typique ne provoque pas de perte drastique, mais une mauvaise ventilation de la salle des machines peut aggraver la situation.

Comment évaluer votre agrégat

1. Mesurez l'énergie électrique au compteur de cogénération ainsi que la quantité de gaz (débitmètre) et la teneur en CH₄ — calculez l'efficacité sur une période d'un mois par exemple.
2. Mesurez la chaleur restituée (compteur de chaleur) et comparez avec l'efficacité thermique.
3. Comparez avec les valeurs du catalogue : un écart supérieur à 2–3 points de pourcentage indique généralement un problème (qualité du gaz, réglage, usure).
4. Vérifiez le temps de fonctionnement et le nombre de démarrages ; des démarrages fréquents détériorent le bilan.

Erreurs d'évaluation

• comparer l'efficacité électrique avec l'efficacité totale,
• calculer la chaleur « produite » et non « utilisée »,
• omettre la consommation propre d'énergie électrique de l'unité de méthanisation (agitateurs, pompes, soufflantes), qui réduit l'efficacité nette,
• ne pas corriger le pouvoir calorifique du gaz en cas de variation de la teneur en méthane.\n Un bilan énergétique rigoureux est la base des décisions de modernisation : parfois, une meilleure utilisation de la chaleur apporte plus qu'un remplacement du moteur par un modèle plus efficace de 1–2 points de pourcentage.

Liste de contrôle pour l'achat ou la modernisation d'un agrégat

• Demandez l'efficacité électrique à 100 %, 75 % et 50 % de charge, et pas seulement la valeur nominale.
• Vérifiez les exigences relatives au gaz : teneur minimale en CH₄, teneur maximale en H₂S, humidité relative, plage de pression.
• Renseignez-vous sur la disponibilité garantie (en % annuel) et les conditions de garantie, y compris les limites de qualité du gaz.
• Vérifiez les émissions de gaz d'échappement (NOₓ, CO) et la nécessité d'un catalyseur ou d'une postcombustion, si les autorisations l'exigent.
• Comparez les coûts totaux du cycle de vie : prix d'achat, maintenance par kWh, révisions, consommation d'huile.

Pourquoi il est important de calculer l'efficacité nette

Une unité de méthanisation consomme sa propre énergie électrique pour les agitateurs, pompes, soufflantes, convoyeurs et automatismes — généralement quelques pour cent à une dizaine de pour cent de la production. L'efficacité électrique nette est donc inférieure à l'efficacité de l'agrégat. Lors de la comparaison d'installations, il faut toujours préciser si le chiffre concerne les bornes du générateur ou le point de raccordement au réseau.