Réalisation

Rénovation d’une unité de cogénération au gaz naturel au CHU de Poitiers (86)

Mis à jour le

Carte d'identité

Date des travaux :
juillet-octobre 2009
Localité :
Poitiers
Type de bâtiment :
hôpital
Superficie :
190 000 m² dont 71 000 au sol
Maître d'ouvrage : CHU Poitiers
Bureau d'études thermiques : Gilbert Pajot

Contexte

De plus de 57 ha, le site de la Miletrie accueille le centre hospitalier universitaire de Poitiers. Composé de 30 bâtiments pour une surface cumulée de 71 000 m2, le CHU a la capacité d’accueillir et de soigner près de deux mille patients. Les besoins en eau chaude sanitaire et en électricité n’ont cessé de croitre au fur et à mesure de l’agrandissement du centre. La direction a inauguré le nouveau service des urgences, l’hôpital de jour gériatrique, ou encore le tout nouveau pôle régional de cancérologie en 2010.

A la suite d’un premier audit énergétique, le CHU s’est équipé en 1994 d’une unité de cogénération au gaz naturel. Cette technique permet, à partir du gaz naturel, de produire simultanément de l’électricité et de la chaleur. Les résultats de l’ancienne centrale de cogénération étaient largement positifs en termes de confort, d’économie et de fiabilité. Cependant, en 2006, lorsque le contrat d’achat d’électricité signé avec ErDF pour douze années arrive à terme, la question du choix technique est de nouveau soulevée. Jean-Yves Bareau, le responsable fluides et énergies du CHU, est alors confronté à deux alternatives : soit rénover l’installation pour renforcer son efficacité et répondre aux nouvelles obligations, soit changer de mode de production de chaleur.

La solution retenue : unité de cogénération au gaz naturel

Rénovation complète de l’unité de cogénération

Un pré-audit énergétique de l’installation existante a été réalisé et a permis d’identifier différents niveaux d’amélioration possibles. Les résultats obtenus ont incité Jean-Yves Bareau, le maître d’ouvrage, à préserver l’unité de cogénération gaz, tout en rénovant l’ensemble des équipements. Sous l’assistance d’un consultant spécialisé en génie climatique et cogénération, le CHU s’est donc lancé dans le renouvellement de la quasi-totalité des équipements pour une durée de quatre mois : juillet-octobre 2009. Seul le bâtiment abritant la cogénération est resté identique.

 

Les quatre moteurs thermiques de l’ancienne unité de cogénération ont été remplacés par deux moteurs thermiques fonctionnant au gaz naturel d’une puissance unitaire électrique de 2 000 kWe et thermique de 2 100 kW. Les éléments périphériques suivants ont également été changés :

  • Les transformateurs
  • Les armoires électriques et leurs régulations
  • Les liaisons hydrauliques des échangeurs vers les collecteurs départ et retour
  • Les aéro-refroidisseurs

Afin de répondre aux exigences de sécurité actuelles, l’électrovanne de gaz naturel a été doublée. A l’extérieur, une nouvelle cheminée autoportée a été installée.

Une puissance thermique délivrée prioritairement par la cogénération

La cogénération fonctionne du 1er novembre au 31 mars. Durant cette période, la chaleur est valorisée à deux niveaux de l’unité de cogénération :

  • Deux échangeurs à plaques récupèrent la chaleur issue des circuits de refroidissement des blocs moteurs.
  • Deux échangeurs de chaleur valorisent la chaleur des fumées de combustion qui passent ainsi de 460 à 115 °C.

Sur 4 200 kW produits, 55 % sont récupérés sur les fumées et 35 % sur les blocs moteurs, soit 90% de chaleur récupérée.

La chaleur produite par la centrale de cogénération est ensuite transmise à la chaufferie du CHU par un réseau de chaleur enterré. Afin de délivrer la puissance thermique dont le site a besoin, l’automate gère la régulation de l’ensemble des équipements afin de maintenir une température constante du réseau vers les échangeurs de chaleur, tout en optimisant l’efficacité de la cogénération.

Placée sur le circuit hydraulique en sortie de l’unité de cogénération, la vanne trois voies maintient une température constante du réseau vers les échangeurs de chaleur. Elle délivre également un débit variable vers la chaufferie, afin de limiter la température de retour à 70 °C. En cas de température de retour inférieure à 65°C, elle assure un mélange en reprenant une partie du fluide provenant de la cogénération.

Lorsque la température extérieure est supérieure à 10 °C, l’intégralité des besoins en chaleur peut être couverte par la cogénération. Si la température s’abaisse durablement en dessous de 8 °C, la chaudière principale de la chaufferie gaz assure l’appoint de production de chaleur. En dehors de la période de cogénération, la chaufferie gaz assure l’ensemble des besoins en ECS et en chauffage du CHU. Egalement rénovée en 2008, elle est composée de trois chaudières gaz dotées de brûleurs modulants. La chaudière la plus puissante est prioritaire, et les autres prennent le relais si nécessaire.

Le fluide caloporteur est distribué selon les besoins de chaque bâtiment, qui sont équipés de sondes extérieures et intérieures. Les radiateurs et les centrales de traitement de l’air émettent la chaleur produite pour le chauffage. L’eau chaude sanitaire est produite de manière semi-instantanée grâce à des échangeurs à plaques et ballons de stockage, situés dans les différents étages des bâtiments.

Une production complémentaire d’électricité

En parallèle de la production de chaleur, chacun des trois moteurs de l’unité de cogénération est associé à un alternateur, qui produit de l’électricité à 400 V. Un transformateur élève alors la tension électrique de 400 à 15 000 V. L’électricité est ensuite transférée à la boucle interne du CHU en 15 kV, puis est injectée sur le réseau haute tension d’ErDF. Le comptage électrique déduit la consommation des équipements auxiliaires (ventilateurs, pompes, circulateurs…), afin de comptabiliser l’énergie électrique nette achetée par ErDF.

Cependant, la réglementation n’autorise pas une cogénération à moteur gaz naturel d’assurer le secours électrique car une cogénération nécessite un certain temps de démarrage avant de produire de l’électricité. Une centrale fioul assure ainsi ce secours électrique ainsi que les 22 jours d’EJP (Effacement Jours de Pointe) réglementaires.

Equipements choisis

  • Moteur thermique de l’unité de cogénération : 3 moteurs de marque Caterpillar, distribués par la société Eneria, puissance unitaire électrique de 2 000 kW, puissance unitaire thermique de 2 100 kW
  • Chaudière gaz naturel : 3 chaudières Viessmann  à brûleurs modulants, Vitomax 200 de 7 800 kW, Turbomat R de 7 000 kW, Vitomax 200 de 3 200 kW

Bilan de la réalisation

70 % de la chaleur assuré par la cogénération gaz

Sur sa période hivernale de fonctionnement, la cogénération permet de couvrir environ 70 % des besoins de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire du CHU. Le reste de la puissance thermique est délivrée par la  chaufferie gaz, qui intervient seulement en appoint. Le rendement élevé d’une cogénération permet de limiter la consommation de gaz pour la production de chaleur. Les besoins en gaz sont ainsi réduits de moitié pour la chaufferie.

Toutefois, la consommation en gaz augmente par rapport à une hypothèse sans cogénération. En effet, la cogénération produit environ 17 GWh électrique par saison.

Consommations énergétiques - saison 2009/2010
  BESOINS REELS HYPOTHESE SANS COGENERATION
GAZ NATUREL  ( en MWh PCS) DONT :  65 000 44 300
  • COGENERATION
39 300 -
  • CHAUFFERIE
19 600 38 200
  • BLANCHISSERIE
6 100 6 100

 

Consommations énergétiques - CHU Poitiers
Consommations énergétiques - CHU Poitiers

Un bilan économique positif de plus de 500 k€TTC pour la saison 2009/2010

Le coût global de l’investissement est de 2,76 M€ TTC. Le premier bilan après une saison de fonctionnement montre que les recettes liées à la vente de la production électrique au tarif réglementé s’équilibrent presque avec le coût d’approvisionnement en gaz. Par rapport à une hypothèse sans cogénération, le bilan affiche un gain positif de 528 k€ TTC sur la saison 2009/2010. Ce bilan comprend également l’amortissement prévu sur une période de 10 ans de l’installation.

Bilan économique -saison 2009/2010

en k€ TTC

COUTS REELS

HYPOTHESE SANS COGENERATION

ACHAT GAZ NATUREL

2 055

1 400

AUTRES COUTS LIES A LA COGENERATION : 

725

-

  • Maintenance

290

-

  • Financement

330

-

  • Taxe professionnelle

25

-

  • Taxe CO2

80

-

RECETTES ELECTRICITE

1908

-

BILAN

872

1 400

 

tableau des investissements
CHU Poitiers - tableau des investissements

Témoignages

Un CHU est un établissement qui a des besoins permanents de chaleur et d’eau chaude sanitaire. Le rendement élevé d’une cogénération permet d’abaisser le montant des charges d’exploitation, notamment par la chaleur récupérée sur les moteurs couvrant entre 60 et 100 % des besoins en hiver. Par ailleurs, la vente de l’électricité produite permet de rentabiliser ce lourd investissement. La gestion des fluides d’un CHU est complexe, surtout quand celui-ci est doté d’une cogénération. Nous avons donc préféré superviser toute la boucle : achat du gaz naturel et du fioul à un prix négocié, valorisation de la chaleur produite par la cogénération et la chaufferie, ainsi que de l’électricité de la centrale de secours en période EJP, vente de l’électricité produite par la cogénération. Déléguer la maintenance oui mais assurer moi-même la gestion des fluides m’a notamment permis de me conforter dans ce choix, et ainsi d’aider le Directeur Général dans sa décision de renouveler la cogénération. Tout s’est passé le mieux possible. En amont, j’ai pu m’appuyer sur des experts, Gilbert Pajot notamment ; leurs études et conseils m’ont permis de mener à bien cette rénovation thermique. Nathalie Sassus, responsable administrative des marchés publics au CHU, a lancé un marché unique, construction et maintenance sur douze ans. Le chantier a pu se dérouler en un temps record : quatre mois. Et aujourd’hui les résultats, en termes de production de chaleur et d’électricité, sont meilleurs que les estimations.
Par Jean-Yves Bareau
Responsable fluides et énergie au service construction et patrimoine du CHU de Poitiers en 2010
Outre qu’il s’agit d’un équipement très performant et particulièrement bien adapté aux besoins d’un hôpital, une cogénération présente également l’avantage d’être un point de production autonome d’électricité auquel peut faire appel RTE lors de problèmes de surconsommation, et ce même hors période de fonctionnement de la cogénération. Par exemple, cela a été le cas lors de la canicule de 2003 et le prix de vente peut alors monter jusqu’à 3 000 euros le MWh. En revanche, je regrette que le coût de vente de 110 euros le MWh soit inférieur à celui du photovoltaïque (500 €/MWh) et surtout que la cogénération soit pénalisée par les quotas de CO2 alors qu’elle permet une nette réduction d’émission de CO2 par kWh électrique produit.
Par Gilbert Pajot
Consultant génie climatique et cogénération, AMO pour le renouvellement de cette cogénération en 2010
Les deux moteurs thermiques gaz naturel de l’unité de cogénération
Poitiers CHU - Les deux moteurs thermiques gaz naturel de l’unité de cogénération
Poitiers CHU - Echangeurs à plaques assurant la récupération de la chaleur
Poitiers CHU - Deux chaudières gaz naturel à brûleurs modulants
Poitiers CHU Echangeurs à plaques assurant la récupération de la chaleur
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