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

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.

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.

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.

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.

• 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

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.

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.