La cogénération nucléaire, une formidable économie d’énergie

Cet article a obtenu le 1er prix au concours étudiant Génération Energies sur le thème « Réduire la consommation énergétique de 20% d’ici 2020, une illusion ? », organisé par Sia Conseil, L’Expansion et RTE.

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 :

      a.

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.)

 

      b.

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.

 

      c.

l’investissement dans le réseau de chaleur

      : Le rapport de M. Henri Prévot

3

    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).

Alexandra de Maussion et Marion Manhes

PARCOURS
Alexandra de Maussion et Marion Manhes sont étudiantes à l’Institut Français du Pétrole.

Notes :
(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 Orselli

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

Cet article de Alexandra de Maussion et Marion Manhes a obtenu le premier prix au Concours étudiant sur le thème de la réduction énergétique, organisé par Sia Conseil, L’Expansion et RTE. Vous pourrez également retrouver les articles des dix lauréats du Concours sur la Chaine Energie de l’Expansion ainsi que le témoignage des lauréats du concours sur le blog de RTE : Au delà des lignes.

Génération Energies
Génération Energies, un concours étudiant créé par Sia Conseil en partenariat avec RTE et la chaîne énergie de l’Expansion, ouvert à 18 Grandes Ecoles de Commerce et d’Ingénieurs et aux universités de 5 pays. Le thème de cette année invitait les étudiants à écrire des articles de type journalistique sur « Réduire la consommation énergétique de 20% d’ici 2020. Une illusion ? ». Pour sa quatrième édition, le concours a rencontré un très vif succès, illustrant ainsi l’importance pour les étudiants des enjeux liés à l’avenir du secteur de l’énergie. Après une remise des prix dans les locaux de l’Expansion en présence d’un jury prestigieux, les 10 meilleurs articles se sont partagés une somme de 6400€ et seront publiés sur les blogs de Sia Conseil et de l’Expansion.

Articles dans : Concours Etudiant,Evénements,Générations Energies Saison IV,Métiers,Types

6 Commentaires » | 21 mars 2012 | Envoyer Envoyer | Print This Post

6 Commentaires to “La cogénération nucléaire, une formidable économie d’énergie”

  1. [...] article, à lire sur le site Sia Conseil, a obtenu le 1er prix au concours étudiant Génération Energies sur le thème « Réduire la [...]

  2. Marc dit :

    En ce qui concerne le projet finlandais Loviisa 3, l’étude menée par Pöyry pour le compte de Fortum concluait certes positivement sur le bénéfice économique et environnemental, mais elle a été menée dans l’hypothèse d’installation d’une nouvelle centrale nucléaire (point essentiel).
    Le gouvernement finlandais n’a pas donné son accord, cet article détaille le projet :
    http://www.cospp.com/articles/print/volume-11/issue-3/features/carbon-free-nuclear.html

    Si l’hypothèse de récupérer l’énergie sur les réacteurs existants (et il y en a deux à Loviisa, prolongés de 20 ans en 2007) n’a pas été étudiée, c’est que ce n’est pas rentable. Le temps de retour évoqué dans l’article est fantaisiste.

    En effet, le 60€/MWh, ce n’est pas le prix de production d’énergie du CPCU, c’est le prix de vente en incluant le transport et la distribution au sein de Paris. Pour que le projet soit valable, il faudrait diminuer de moitié le prix d’achat de l’énergie thermique, arrivée à Paris.

    L’article ne dit rien sur le mode de transport de l’énergie. C’est une clé de ce type d’étude (fluide caloporteur, températures…). CPCU est un réseau vapeur (contrairement à Helsinki ou autres). Prévoirait-on de transporter de la vapeur sur 150 km ? A quelle pression ? Pour quels coûts d’entretien et de maintenance ?

    Si l’existence de centrales nucléaires sans récupération thermique est de fait un gaspillage qui mérite réflexion sur le principe, on se heurte à 2 pb contradictoires : pour que ce soit rentable, il faut que la centrale nucléaire soit proche d’une grosse agglomération, or précisément l’acceptabilité d’un projet de nouvelle centrale à faible distance d’une agglo est aujourd’hui à peu près nulle.

  3. jmdesp dit :

    @marcv : Aïe, s’il y a vraiment de telles faiblesse dans c cette idée, c’est un peu dommage d’être allé aussi loin sans les remarquer. Mais j’ai un peu du mal à comprendre pourquoi c’est encore plus difficile sur une centrale existante que sur une nouvelle, à moins d’envisager de créer une nouvelle centrale à proximité d’un ville importante, ce qui semble comme noté très peu réaliste. Les Finlandais envisageais déjà le transport sur 100km, et d’après les chiffres données, le rétrofit de le centrale est une part mineur du coût. Même s’il reste tout à fait vrai qu’une réflexion de rentabilité basé sur le prix de vente et non de production, ce n’est pas très sérieux.

    Le CEA a eu un projet de centrale nucléaire thermique sur le plateau de Saclay dans les années 70, ça n’est pas allé très loin. Leur idée était de profiter de la puissance et température réduite pour alléger nettement le cahier des charges sur les mesures de sécurité.

    La Suède est le pays qui a le plus développé les réseaux de chaleur urbain, 82% des immeubles en sont équipés, cela fournit 50% de la chaleur du pays, la clé c’est que le développement de ce réseau s’est étalé très progressivement dans le temps, et en fonction des périodes a pu être adapté à une variété de sources primaires d’énergie différentes, en fonction de ce qui était le plus pertinent dans le temps.

    Le point le plus intéressant est peut-être l’idée d’une utilisation industrielle. Gravelines serait peut-être le site le plus intéressant :
    - la zone comporte de nombreux sites industriels, dont plusieurs serait peut-être capable d’utiliser cette chaleur efficacement
    - Les villes de Calais et de Dunkerque sont à proximité, ne demandant pas un réseau de transport de chaleur à grande distance
    - le climat est plus froid, la consommation d’énergie de chauffage est donc importante sur une période plus importante

  4. JobRomain dit :

    On pourrait pourquoi pas faire autre chose de cette chaleur, je ne suis pas un expert mais je crois que d’ici peu de temps les besoins en eau potable vont augmenter, ainsi que les besoins en hydrogène liquide. On pourrait donc récupérer la chaleur des centrales pour dessaler l’eau de mer ou fabriquer de l’hydrogène, en effet il me semble que ces deux procéder soient gourmand en énergie thermique.

  5. Bruno dit :

    @ JobRomain

    bonne idée, sauf qu’ici c’est de l’énergie thermique basse température. Les centrales nucléaires ont été optimisées pour faire bouillir de l’eau, faire de la vapeur et faire tourner une turbine entrainant un alternateur…
    Donc avec l’énergie thermique restante :
    - tu ne fais pas bouillir de l’eau (même sous vide à priori) -> pas de dessalinisation possible par distillation
    - encore moins pour l’hydrogène ! le procédé thermique est par vaporéformage de gaz naturel (haute température et énergie fossile !)

  6. RICAVY dit :

    Sur Cadarache (un de sites du CEA en France), la récupération de chaleur sur des réacteurs servant à la formation des sous-mariniers, a servi à chauffer tout le Centre, pendant presque vingt ans. Les périodes de chauffe n’étaient pas constantes, mais peu importe, car il y a en gros un facteur 10 sur le prix du gaz naturel.

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