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La cogénération nucléaire : une formidable économie d’énergie


mardi 20 mars 2012

Cet article a remporté le concours "Génération énergies", organisé par "la chaîne Energie", SIA-Conseil et RTE.


La cogénération nucléaire : une formidable économie d'énergie



Contrairement aux idées reçues, l'industrie n'est pas le premier consommateur d'énergie en France, mais elle est très nettement devancée par les secteurs de l'habitat et du tertiaire (qui représentaient 68% de la consommation finale d'énergie en 2010). Le chauffage, qui compte pour 80% de la consommation d'énergie des ménages, est donc un axe d'amélioration de la consommation énergétique extrêmement important. Or de très grandes sources de chaleur se perdent lors de la production d'électricité, puisque le rendement des centrales thermiques à flamme ou nucléaire n'est que de 30% à 50%. En France, pays dont le mix électrique est très fortement dominé par le nucléaire (près de 80%), il serait possible de récupérer la chaleur produite lors de la production nucléaire d'électricité. La Commission européenne et l'AIEA ont commandé parallèlement des études auprès de tous les pays nucléarisés sur la cogénération nucléaire pour 2012, ce qui témoigne de l'intérêt très vif des institutions face à cette économie d'énergie.


Une économie d'énergie colossale


Seule une partie de l'énergie thermique produite par la réaction de fission est transformée en électricité, le reste est rejeté sous forme de chaleur dans l'environnement (mer, rivière, tour de réfrigération). La cogénération nucléaire permettrait d'optimiser ces pertes en utilisant cette chaleur résiduelle qui peut être exploitée au sein d'un réseau de chaleur urbain ou pour de la chaleur de process à destination de l'industrie.
 























Figure 1: Exemple d'application de la cogénération - alimentation d'un réseau de chaleur urbain

Sur le schéma présenté ci-dessus, on observe deux flèches qui partent du circuit secondaire de la centrale nucléaire et qui acheminent la chaleur récupérée jusqu'à un réseau de chauffage urbain, qui lui-même alimente des logements individuels ou collectifs.
On peut prendre l'exemple de la centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine pour illustrer l'intérêt de la cogénération nucléaire. Le site de Nogent-sur-Seine est implanté à 120 km de Paris, et la chaleur pourrait être transportée jusqu'à Paris, moyennant des pertes faibles (6% de l'énergie totale). Si cette centrale était convertie en centrale à cogénération nucléaire, on pourrait produire jusqu'à 9 TWh thermiques par an1, soit une fois et demie la chaleur annuellement injectée sur le réseau parisien, en récupérant la chaleur perdue. Cela correspondrait à une économie de 1,4 million de tonnes de CO2 par an, pour la seule centrale de Nogent-sur-Seine. L'adaptation de la centrale diminuerait certes sa production annuelle d'électricité de 2 TWh (une baisse d'environ 10%), mais cette perte serait largement compensée par les gains. L'énergie récupérée correspondrait à une véritable économie d'énergie, dans la mesure où elle se substituerait à la production de chaleur par du gaz par exemple.


Une des façons de valoriser la récupération de cette chaleur est de l'acheminer jusqu'à un réseau urbain. Le chauffage urbain desservait 2,1 million d'équivalents-logements en 2009 en France, avec un objectif de triplement d'ici à 2020. De plus, le chauffage urbain ne constitue pas l'unique utilisation possible pour la cogénération nucléaire puisque l'industrie a également de forts besoins en chaleur de process. En effet, la chaleur constitue 72% de la consommation d'énergie de l'industrie (30 Mtep en 20102), soit 21,6 Mtep. La cogénération nucléaire permettrait de fournir de la chaleur, ce qui éviterait d'avoir recours au gaz ou au pétrole.


Comment mettre en œuvre la cogénération nucléaire à court terme ?


La cogénération nucléaire est déjà utilisée dans de nombreux pays comme en République Tchèque (centrale de Temelin), en Russie, en Chine. La Finlande l'étudie actuellement (projet de Lovisa III) et elle a failli voir le jour en France avec le projet Thermos à Grenoble. Elle pourrait être relativement facilement implantée en France, car elle ne nécessiterait pas de changements techniques majeurs : modification des turbines haute et basse pression, installation de tuyaux caloporteurs pour conduire la chaleur jusqu'au réseau urbain ou jusqu'à l'industrie concernée. Un rapport de l'AIEA écrivait dès 1997 qu'il n' « y avait aucun obstacle technique à la cogénération nucléaire ».


Nous pouvons décomposer les investissements à réaliser en trois catégories :
  • l'investissement sur place au niveau de la centrale (installation de soutirage de la chaleur) : Il faut prévoir une pompe et un local de contrôle à côté de la centrale d'une part et dans la ville à chauffer d'autre part, ce qui n'est ni très complexe techniquement ni très cher (estimation à 10-20 millions d'euros, négligeable vu l'ampleur du projet.)
  • l'investissement dans la conduite de transport de chaleur du site de production vers les lieux à chauffer : ce coût correspond à la pose des tuyaux, il est plus ou moins proportionnel à la distance entre la centrale et le lieu d'utilisation de la chaleur, avec éventuellement des ouvrages spéciaux si nécessaires pour le franchissement de routes, montagnes ou rivières. Créer un réseau de 150 km entre Nogent et Paris coûterait environ 10 millions d'euros par kilomètre, soit environ 1,5 milliard d'euros.
  • l'investissement dans le réseau de chaleur: Le rapport de M. Henri Prévot3 estime le coût de la pose des tuyaux à 1000€/mètre en ville et à 300€/m en zone rurale. Accroître le réseau parisien coûterait donc environ 500 millions d'euros.
  •  
    Ainsi, pour fournir 8,1 TWh (9 TWh - 10% de pertes de transport, ce qui correspond à une fourchette de pertes haute), le coût serait de 2 milliards d'euros (ces coûts sont cohérents avec ceux observés à Lovisa III, en Finlande). La chaleur est actuellement vendue à 60€/MWh sur le réseau parisien, soit 486 millions pour 8,1 TWh. La perte de 2 TWh électrique (à 50€/MWh) reviendrait à perdre 100 millions par an, soit un gain de 386 millions pour la totalité du projet par an. Le retour sur investissement se ferait donc sur sept ans et demi (taux d'actualisation conservateur à 10%). Les bénéfices se partageraient entre distributeurs de la chaleur (la CPCU notamment) et les consommateurs qui verraient leur facture baisser. Au bout de sept ans, dix tout au plus, les habitants de Paris auraient du chauffage quasi gratuitement.


    Conclusion
    La récupération des chaleurs dites fatales, au premier rang desquelles celle des réacteurs nucléaires, permettrait de récupérer 30 Mtep/an, soit 25% de la consommation énergétique de la France. La cogénération nucléaire pourrait être mise en œuvre à l'horizon 2020, soit à relativement court terme. Il n'existe ni obstacles financiers ni techniques sérieux, mais il faut que les pouvoirs publics soient capables de mobiliser la population autour de ce projet ambitieux qui nécessiterait des investissements importants et un changement de mode de consommation (installation de réseaux de chaleur urbain notamment).


    Sources
    • Cogeneration with District Heating and Cooling de H. Safa (CEA), December 2011
    • Article « Applications de l'énergie nucléaire : chauffage domestique et production industrielle », bulletin de l'AIEA 2/1997
    • La chaudière des réacteurs à eau sous pressions de Pierre Coppolani, Collection Genie Atomique
    • Site de l'AEPN de M. Bruno Comby
    1 Etude réalisée par M. Henri Safa, chercheur au CEA dans le cadre d'un congrès de l'AIEA en décembre 2011
    2 Chiffres INSEE, 2010
    3 Rapport sur « les réseaux de chaleur » pour le ministère de l'industrie, mars 2006 de MM. Henri Prévot et Jean Orselcet arrticle li
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    16 commentaire(s)
    [1]
    Commentaire par Monnier
    mardi 20 mars 2012 22:00
    Beaucoup de parisiens seraient-ils d'accord pour installer un réacteur nucléaire au Forum des Halles ?

    Car pour les tuyaux de chauffage, il ne faut pas que la chaufferie soit à 20 ou 50 kilomètres.

    Depuis Nogent, 150 km, la perte serait beaucoup plus importante qu'indiqué et cela ne serait pas du tout rentable d'un point de vue énergétique.

    Dans le rapport cité de 2006, le coût augmente de 5 euros le MWh par tranche de 10 kilomètres. Pour 150 km, cela fait déjà 75 euros de plus par MWh.

    D'un point de vue financier, ce n'est pas rentable non plus.

    Mais avec la biomasse (bois-énergie) ou le bigaz (comme en Allemagne), cela est intéressant non seulement pour la chaleur mais aussi pour la cogénération. C'est ce qui se fait dans plusieurs villes en France et est en développement concret.
    [2]
    Commentaire par JARDAT
    mardi 20 mars 2012 22:33
    D'autres solutions sont possibles!

    Il faut surtout commencer par remplacer tous les chauffages électriques à bas prix comme on nous a poussé à installer depuis des années!

    Ensuite, on pourra trouver d'autres sources de chaleur dans le milieu urbain (notamment la biomasse).

    Il faut penser également aux solutions de microcogénération (chaudières génératrices pour les particuliers), qui permettent d'éviter notamment les pertes de 10% dans les réseaux de transport d'électricité.

    Il faut rappeler également que la Région Parisienne peut bénéficier de chauffage par géothérmie, moyen presque gratuit de se chauffer et pas suffisamment développé. Pourquoi? Comment expliquer le manque de volonté politique pour développer les solutions les plus écologiques?
    [3]
    Commentaire par Hervé
    mardi 20 mars 2012 23:41
    Bonjour,
    Il est assez atypique d'envisager un réseau de chaleur de cette taille.
    Pouvez vous nous donner des informations complémentaires comme la nature des pertes sur la distance, (pertes thermiques, puissance necessaire pour les pompes...), et les diverses températures envisagées (température de condensation à la centrale, température au point de livraisons ...)
    Merci
    [4]
    Commentaire par un physicien
    mercredi 21 mars 2012 14:50
    Nogent sur Seine est loin de Paris mais Gravelines proche de Dunkerque, Cherbourg de Flamanville, Fessenheim de Mulhouse, Bugey de Lyon.

    Il y a quelques décennies il avait été envisagé à Grenoble de construire un réacteur calogène dédié au chauffage urbain.
    Le plus gros problème semble le coût du réseau urbain.
    [5]
    Commentaire par Deuf
    mercredi 21 mars 2012 17:44
    Les pertes thermiques sont largement sous-estimées.

    Il faut savoir que pour un réseau de chaleur dont la source de production est en plein centre-ville, on compte un minimum de 10% de pertes, et encore, uniquement dans le cas d'un réseau neuf et dense.

    Or là, dans le cas évoqué, il y a 120km rien que pour arriver en centre-ville! Ce qui pourrait très facilement supposer des pertes dépassant les 20%, voire 30%...

    Illusoire à mon avis pour des centrales aussi éloignées, ou alors uniquement pour raccorder des zones industrielles proches. Pour les réseau en centre-ville, il vaut mieux viser sur des sources de chaleur plus proches.
    [6]
    Commentaire par patrig k
    mardi 27 mars 2012 21:31
    Ben voyons ...

    Seulement 40 ans après le début du programme, que l'on découvre que le nucléaire à un aussi médiocre rendement, et que c'est seulement au bout de 40 ans que l'on réfléchit à améliorer celui ci ... Et pourquoi ne pas déplacer les centrales dans les centres villes ... 120 km de réseau caloporteur ???


    Et d'écrire que le chauffage serait gratuit au bout de 7 à 10 ans, c'est d'oublier une seconde fois, que les démantèlements de ces engins sont pour le moins mal provisionnés selon la cdc , tout au moins il y a des doutes ; que les réacteurs ont en moyenne 25 ans d'age, et que la plus part sont fabriqués pour fonctionner 30 ans , donc des travaux gigantesques pour ce type de programme suspendus à des visites techniques dont en principe nous ne pouvons à cette date de présumer de leur viabilité, de plus qu'ils seraient exploitables à nouveau pour si peu de temps, sauf à changer de chaudière ...........


    C'est un peu n'importe quoi, quant à la sécurité ? Hum !
    [7]
    Commentaire par jmdesp
    mardi 03 avril 2012 12:55
    Le problème que ne voient pas la majorité des commentateurs est que les
    ressources disponibles en biomasse/biogaz sont minimes, ça n'est presque
    rien en volume. Toute solution basée là dessus, que ce soit microcogénération ou autre,
    sera donc très limité ou augmentera la consommation d'énergie fossile, de
    gaz (des fois on se demande si les vendeurs de solution "écologiques" ne cachent pas en réalité un badge GDF/Gazprom sous leur manteau. Par exemple quand on voit qu'avec
    les règles anti-électrique de la RT2012, 60% des nouvelles constructions sont passées
    au chauffage au gaz. Or même lors d'une vague de froid, 72% de l'électricité reste générée hors CO2 (nucléaire+hydraulique)).

    Donc ici le nucléaire gâche une quantité d'énergie thermique égale à 160%
    de l'ensemble de l'énergie électrique de la France. Même si seule une petite
    partie peut-être récupérée, même avec de grosse pertes en ligne, ce qui reste est encore tellement considérable, et gratuit puisque entièrement gâché aujourd'hui. Même élevé le pourcentage de pertes n'est pas vraiment le facteur pertinent.

    Le coût économique de 150 km de canalisation lui l'est plus effectivement, du coup les
    autres sites, l'utilisation de la chaleur déjà en premier lieu pour l'industrie, sont très
    certainement plus adéquates.
    [8]
    Commentaire par Hervé
    vendredi 20 avril 2012 00:35
    Il existe déja des installations similaires dans d'autres pays qui semblent donner de bons résultats. Les finlandais envisagent la construction d'un réseau de 100Kms. La solution s'avere etre plus performante que la solution actuelle au charbon ou une solution à base de biomasse.
    [9]
    Commentaire par François De Saedeleer
    lundi 07 mai 2012 18:42
    Le mieux serait de ne pas gaspiller toute cette énergie en perdant moins de chaleur et en en transformant plus en électricité : si cela intéresse quelqu'un j'ai un concept qui va dans ce sens..
    [10]
    Commentaire par Lance
    mardi 29 mai 2012 23:27
    On peut toujours calculer en puissance récupérée , sans tenir compte de l'entropie du système ,et de la température du fluide que l'on veut employer et avec des approximations grossières . Mais aujourd'hui la seule solution pour récupérer de la chaleur est le soutirage à certains niveaux des turbines , cela fait partie des devoirs d'école qu'ont fait tous les thermiciens.
    [11]
    Commentaire par Jack
    vendredi 20 juillet 2012 12:19
    Pour cela, il faudrait qu'EdF se fasse botter les fesses. Par le passé, conscient que les 2/3 de l'énergie thermique de la centrale partait aux petits oiseaux, j'avais interpellé un ponte de l'état major d'EdF sur ce thème et sa réponse reflétait bien son absence de passion sur le sujet : "EdF a pour objectif de vendre de l'électricité et pas de l'eau chaude". Dans ma commune, la centrale alimentait une partie des bâtiments publics en eau chaude selon le procédé décrit par l'auteur de l'article (piscine, mairie, gymnases..). Cette livraison d'eau chaude a été arrêtée en 2010 car le procédé ne répondait plus aux "contraintes environnementales". Comprenne qui pourra ! Une chose est certaine, il ne faut pas compter sur la volonté d'EDF pour se saisir du sujet car les finances de l'entreprise, si il en reste, sont dédiées à la sauvegarde de l'outil nucléaire.
    [12]
    Commentaire par Jack
    vendredi 20 juillet 2012 12:20
    Pour cela, il faudrait qu'EdF se fasse botter les fesses. Par le passé, conscient que les 2/3 de l'énergie thermique de la centrale partait aux petits oiseaux, j'avais interpellé un ponte de l'état major d'EdF sur ce thème et sa réponse reflétait bien son absence de passion sur le sujet : "EdF a pour objectif de vendre de l'électricité et pas de l'eau chaude". Dans ma commune, la centrale alimentait une partie des bâtiments publics en eau chaude selon le procédé décrit par l'auteur de l'article (piscine, mairie, gymnases..). Cette livraison d'eau chaude a été arrêtée en 2010 car le procédé ne répondait plus aux "contraintes environnementales". Comprenne qui pourra ! Une chose est certaine, il ne faut pas compter sur la volonté d'EDF pour se saisir du sujet car les finances de l'entreprise, si il en reste, sont dédiées à la sauvegarde de l'outil nucléaire.
    [13]
    Commentaire par Jack L.
    vendredi 20 juillet 2012 12:21
    Pour cela, il faudrait qu'EdF se fasse botter les fesses. Par le passé, conscient que les 2/3 de l'énergie thermique de la centrale partait aux petits oiseaux, j'avais interpellé un ponte de l'état major d'EdF sur ce thème et sa réponse reflétait bien son absence de passion sur le sujet : "EdF a pour objectif de vendre de l'électricité et pas de l'eau chaude". Dans ma commune, la centrale alimentait une partie des bâtiments publics en eau chaude selon le procédé décrit par l'auteur de l'article (piscine, mairie, gymnases..). Cette livraison d'eau chaude a été arrêtée en 2010 car le procédé ne répondait plus aux "contraintes environnementales". Comprenne qui pourra ! Une chose est certaine, il ne faut pas compter sur la volonté d'EDF pour se saisir du sujet car les finances de l'entreprise, si il en reste, sont dédiées à la sauvegarde de l'outil nucléaire.
    [14]
    Commentaire par Jack L.
    vendredi 20 juillet 2012 12:22
    Pour cela, il faudrait qu'EdF se fasse botter les fesses. Par le passé, conscient que les 2/3 de l'énergie thermique de la centrale partait aux petits oiseaux, j'avais interpellé un ponte de l'état major d'EdF sur ce thème et sa réponse reflétait bien son absence de passion sur le sujet : "EdF a pour objectif de vendre de l'électricité et pas de l'eau chaude". Dans ma commune, la centrale alimentait une partie des bâtiments publics en eau chaude selon le procédé décrit par l'auteur de l'article (piscine, mairie, gymnases..). Cette livraison d'eau chaude a été arrêtée en 2010 car le procédé ne répondait plus aux "contraintes environnementales". Comprenne qui pourra ! Une chose est certaine, il ne faut pas compter sur la volonté d'EDF pour se saisir du sujet car les finances de l'entreprise, si il en reste, sont dédiées à la sauvegarde de l'outil nucléaire.
    [15]
    Commentaire par Saint Jacut
    lundi 21 janvier 2013 09:56
    Quel manque de bon sens élémentaire : pourquoi les centrales sont-elles (un peu) éloignées des villes ? Même EDF savait en les construisant que si elles pétaient, il valait mieux qu il n y ait pas trop de monde autour !
    [16]
    Commentaire par Saint Jacut
    lundi 21 janvier 2013 13:44
    ...sans parler de la distribution généralisée à domicile des béquerels dans nos radiateurs en quelques heures en cas de Fukushima !
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