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La trigénération, bien que fiable et performante, reste encore marginale en France. Des deux systèmes de production frigorifiques aujourd'hui disponibles, seule l'utilisation de groupes à absorption permet de valoriser la chaleur excédentaire d'une cogénération. Le coût d'investissement est néanmoins plus élevé que la simple trigénération par machine à compression.

Une conférence organisée par l'Association Française du Froid (AFF) et l'Institut Français du Froid Industriel (IFFI) a permis de faire le point sur les perspectives de développement de tels systèmes lors du dernier salon Interclima.
La trigénération est une technique confidentielle qui peine à s'imposer et à faire valoir ses atouts sur le marché de l'énergie français. Les installations se comptent sur les doigts de la main et seuls deux grands sites disposent à ce jour de telles unités de production simultanée d'énergie mécanique - transformée le plus souvent en électricité -, calorifique et frigorifique : Michelin et l'aéroport de Bordeaux. Si la rentabilité économique de la trigénération reste soumise à examen, un fait est néanmoins acquis : la viabilité de cette technique, qui se décline en deux modes distincts qui utilisent, pour l'une la chaleur non valorisée, pour l'autre l'électricité directement produite par la turbine ou le moteur d'une cogénération.

GROUPES A COMPRESSION ET A ABSORPTION
L'utilisation de groupes frigorifiques à compression, qui sont de fait de simples machines thermodynamiques, est bien connue. Cette technique, qui permet de refroidir une source froide, se base sur la compression électrique d'un fluide frigorigène, dont le choix est dicté par le niveau de température de froid voulu. Le compresseur utilisé est alimenté, dans le cadre d'une trigénération, par l'électricité directement produite par la cogénération.

La trigénération par groupe à absorption utilise la chaleur non valorisée de la turbine ou du moteur d'une cogénération. Aucun système d'alimentation électrique n'est requis pour ce faire. L'absorption, qui peut être directe (utilisation d'un brûleur à gaz comme source chaude) ou indirecte (utilisation d'eau chaude ou de vapeur), utilise le principe de l'affinité de la vapeur d'eau avec une solution aqueuse de bromure de lithium ou d'ammoniac. Lip mélange bromure de lithium - eau est utilisé pour les applications de climatisation. Il ne permet pas de production de froid négatif, contrairement au mélange ammoniac - eau tout particulièrement adapté aux applications de froid industriel. Dans le cas d'une absorption eau bromure de lithium, la chaleur de la cogénération chauffe un générateur dans lequel se trouve une solution concentrée de bromure de lithium (concentration d'environ 58%). L'effet de la chaleur permet d'entrainer de la vapeur d'eau dans une tour de refroidissement où il y a condensation et extraction de chaleur. L'eau vient ensuite réagir avec la solution aqueuse de bromure de lithium concentrée (62%). La réaction endothermique permet alors de refroidir au niveau d'un échangeur l'eau qui sera utilisée pour la climatisation. L'absorption eau - ammoniac repose sur le même principe à la différence que l'ammoniac est ici le frigorigène.

Il existe actuellement des groupes à absorption à simple, à double et à triple effet. En moyenne, car cela varie selon les constructeurs, les groupes à simple effet nécessitent une température de chaleur initiale de 100°C permettent la transformation de 35% de l'énergie primaire en froid et ont un COP de 0,7 (COP = puissance de froid de l'unité / chaleur consommée par l'unité). De même les groupes à double effet se caractérisent par une température de chaleur initiale de 150°C, une transformation de 50% de l'énergie primaire en froid et un COP de 1,2. Enfin, les groupes à triple effet, au point techniquement mais qui ne sont pas commercialisés du fait du coût d'investissement élevé qu'ils mobiliseraient, se caractérisent par une température de chaleur de 180°C une transformation de 75% de l'énergie primaire en froid et un COP de 1,5.

LES CRITERES DE CHOIX
Si la technologie mise en oeuvre par la trigénération par groupe frigorifique à compression est comparativement d'un coût d'investissement plus faible que par machine à absorption, elle a l'inconvénient de mobiliser une partie de l'électricité produite par la cogénération. La trigénération par machine à absorption apparaît donc plus intéressante d'utilisation dans le sens où elle ne consomme pas l'électricité directement produite par la turbine ou le moteur de la cogénération. Si bien ue l'on peut bel et bien parler ici de réelle synergie et non plus, comme c'est le cas pour les machines à compression, d'une production frigorifique utilisant simplement l'électricité de la cogénération.

L'utilisation de fluides frigorigènes doit aussi être prise en compte. Désormais sujets à caution, les CFC sont interdits et les HCFC sont en cours d'interdiction. L'avenir des HFC, et notamment du R 1 34a qui est majoritairement utilisé dans les groupes frigorifiques à compression, semble encore incertain. Neutres vis à vis de la couche d'ozone, ils n'en contribuent en effet pas moins à accroître l'effet de serre. Les machines à absorption, où n'intervient ni CFC, HCFC ou HFC, permettent donc seules d'avoir une visibilité à long terme.

En revanche, il apparaît qu'actuellement, "le rendement optimum de production d'électricité des groupes Moteurs thermiques alternateurs est de 0,35 à 0,37, et ceux des groupes turbines à gaz alternateurs est de 0,32 à 0,42" indique Joël Moisy dans son mémoire d'ingénieur au Conservatoire national des arts et métiers en énergétique, option froid industriel et climatisation soutenu le 7 juillet 99. Ainsi, si l'on considère les turbines à gaz, plus performantes que les moteurs, “ Le coefficient de performance [des groupes frigorifiques à compression] étant en moyenne de 4, on obtient une efficacité de 1,28 à 1,68 (0,32x4 et 0,42x4)". Si l'on compare ces résultats avec ceux des machines à absorption (dont les COP sont de 0,7 pour les groupes à simple effet, de 1,2 pour les groupes à double effet et de 1,5 pour les groupes à triple effet), il apparaît que les performances des machines à absorption à triple effet sont les meilleures. Viennent ensuite : par ordre décroissant, les groupes frigorifiques à compression puis les machines à absorption à double et à simple effet.

Concernant le choix de la technique à adopter, Joël Moisy fait l'analyse suivante : "L'utilisation des groupes frigorifiques électriques et des machines à absorption est fonction des rapports entre les demandes frigorifiques et calorifiques sur la demande électrique. Le rapport chaud (demande calorifique sur production électrique) est le plus important. S'il est inférieur à 1,5, la production frigorifique sera assurée en hiver par une machine à absorption, s'il est supérieur à 1,5, la production sera assurée par un groupe électrique (si le moteur ou la turbine qui l'alimente n'est pas réquisitionné pour la vente d'électricité). Si les moteurs ou les turbines fonctionnent en été (sous réserve de rentabilité), les besoins calorifiques sont négligeables. Le rapport froid devient prépondérant (demande frigorifique sur demande électrique à l'installation de trigénération). [..] Pour des valeurs du rapport froid inférieures à 1,2, des machines à absorption assureront seules la production. Pour des valeurs supérieures à 2, la production sera mixte. Pour des valeurs intermédiaires, les rendements de l'installation de trigénération permettront de déterminer quelle est la solution à adopter. "

ATOUTS DE LA TRIGÉNÉRATION
La trigénération se heurte aujourd'hui à la singularité française où le nucléaire occupe le tout premier rang de l'approvisionnement énergétique (76%). Mais si la rentabilité économique doit être étudiée avec attention, la trigénération n'en apparaît pas moins comme un complément particulièrement intéressant à la cogénération. En effet, la décision d'installer une cogénération est aujourd'hui en partie limitée par des besoins en chaleur trop peu importants. Le couplage d'un système de production de froid permet de valoriser cette chaleur qui ne trouve pas d'application. Elle permet aussi d'assurer la valorisation de la chaleur produite en été, ce cas de figure faisant notamment référence au secteur tertiaire où les locaux seraient chauf fés en hiver et climatisés en été. L'accessibilité des consommateurs de froid à la cogénération est donc par ce biais facilitée.

Le coût de production du kilowatt heure de froid est en partie dicté par les tarifications EDF et GDF, et notamment par les périodes horotarifaires. Les tarifs de l'électricité se déclinent aujourd'hui selon des périodes été / hiver, heures pleines / creuses selon l'abonnement souscrit auprès du distributeur. C'est l'une des principales entraves au développement de la trigénération dans le secteur tertiaire aujourd'hui pour qui "certains tarifs de GDF, réservés aux industriels sous certaines conditions (S2S) permettant une rentabilité suffisante, ne sont pas accessibles ” indique Joël Moisy. Une optimisation de la trigénération est néanmoins possible par un décalage des consommations nuit/jour grâce à un stockage, chimique ou non, de froid. Le stockage de froid peut intervenir simultanément au fonctionnement d'un groupe frigorifique à compression ou à absorption. Le système repose sur l'utilisation de bâches ou de bassins qui stockent l'énergie sous forme d'eau glacée, de glace ou de solution eutectique. De nombreuses pertes par les parois sont néanmoins à déplorer. Un stockage chimique du froid est aussi possible dans le cadre de l'utilisation d'une machine à absorption. La solution eau - bromure de lithium, ou eau - ammoniac, peut dans ce cas stocker de l'énergie frigorifique sous forme chimique si elle est contenue dans une bâche. Les pertes par les parois sont plus faibles que par le stockage non chimique de froid. L'énergie peut aussi être stockée plus longtemps bien que cette voie de stockage soit plus contraignante de par la technicité mise en oeuvre. Le stockage de l'énergie frigorifique permet aussi de désouscrire en pointe EDF. Si l'on considère l'absorption, un système de secours froid peut même être mis en place si la cogénération est indisponible : dispositif d'air frais sur turbine (FAF) ou alimentation de l'absorption indirecte en fluide caloporteur depuis la chaufferie (eau surchauffée ou vapeur), voire même recourir à l'utilisation d'un groupe électrogène pour alimenter un compresseur si l'on ne désire, ou ne peut, utiliser un groupe à absorption.

L'un des atouts de la trigénération est aussi de ne mobiliser qu'une mainte-nance réduite. Un calendrier d'inter-vention précis doit être établi pour ré-viser périodiquement les équipe-ments. Jean-Daniel Rongières, direc-teur technique de GES (Gestion des Energies et des Services) indique d'ailleurs à ce sujet, en évoquant la trigénération à groupe à absorption de l'usine Michelin de Cholet, que la maintenance ne nécessite qu'un ar-rêt tous les mois et demi pour laver à froid les turbines. Christian Fortune, adjoint au directeur du développe-ment de GEE International, fait quant à lui part de l'absence de pièces en mouvement dans le circuit de refroi-dissement des machines à absorption indirecte. La maintenance se li-mite alors, indique-t-il, au contrôle du vide et à l'évacuation des inconden-sables. Il est parfois aussi nécessaire de vérifier les quantités d'additifs contenues dans les solutions de bro-mure de lithium ou d'ammoniac.

PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT
L’installation d'une trigénération ne semble aujourd'hui accessible qu' aux grosses industries dont la pro-duction frigorifique est suffisamment importante pour avoir un effet de masse sur le volume des consomma-tions de gaz, un effet d'échelle sur les investissements et un gain potentiel sur la facture de revente à EDF. Dans son analyse pour le secteur tertiaire, Joël Moisy indique qu'en France, à l'inverse des pays où la climatisation s'est généralisée, la trigénération reste peu accessible. Le temps de re-tour sur investissement est supérieur à 9 ans pour les unités équipées de moteurs. Quant aux trigénérations à turbines, quelques installations exis-tent de par le monde mais elles res-tent limitées au grand tertiaire. Ma-rie-Hélène Fulachier est plus optimis-te. Elle fait part de "l'installation d'une unité de puissance froide de 120 kW, produisant de l'eau froide à 4°C à partir du circuit de refroidis-sement 85°C / 70°C de deux moteurs à gaz de 40 kW pour la réfri-gération d'un entrepôt de primeurs." L’avenir de la trigénération en France devrait d'ailleurs sensiblement évo-luer dans les mois à venir et profiter des diminutions des tarifs de l'électri-cité et du gaz consécutifs à la trans-cription des directives dans le droit français. Sans oublier que la trigéné-ration par groupe à absorption, voi-re par groupe à compression, ne peut que devenir à terme plus perfor-mante et rentable, ne serait ce que par les évolutions inhérentes à chaque technologie. Une technique soumise à condition donc, mais fina-lement pleine d'avenir.
Article publié dans le numéro 237 d'ENERGIE PLUS du 15 décembre 1999
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