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DOSSIER COGÉNÉRATION Le procédé de cogénération est constitué par l’ensemble des opérations nécessaires à la production simultanée d’énergie mécanique (électrique) et d’énergie thermique (chaleur utilisable), à partir d’une même source d’énergie primaire. La cogénération se caractérise par la récupération d’une partie de l’énergie thermique qui, dans la production traditionnelle limitée à l’énergie électrique, est libérée dans l’environnement; le processus correspond donc à une utilisation plus

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rationnelle de l’énergie primaire.

ne installation ayant pour finalité la production d’énergie électrique a une efficacité de conversion énergétique qui peut varier de 20% pour les installations les moins performantes, à environ 60% pour les cycles combinés gaz-vapeur plus récents. 40 à 80% de l’énergie primaire utilisée est cédée sous forme de chaleur à l’environnement. Dans une installation de cogénération au contraire, la chaleur produite par la combustion n’est pas dispersée mais elle est récupérée pour d’autres usages. Grâce à ce procédé, l’efficacité de conversion peut atteindre 90% avec par conséquent une économie d’énergie primaire ainsi qu’une réduction des émissions polluantes et des coûts de production de l’énergie. Les différences entre les flux énergétiques dans les systèmes traditionnels de production séparée d’énergie électrique et thermique et les flux dans un système de cogénération sont représentées schématiquement dans la figure 1. La cogénération permet une économie d’énergie, et elle représente en outre un avantage pour l’environnement par rapport à la production sé pa r é e d e s m ê m e s quan tités d’énergie électrique et de chaleur. En réunissant dans une seule installation la production d’énergie électrique et la production de chaleur, la cogénération exploite au maximum l’énergie primaire des combustibles : la fraction d’énergie à la température la plus haute est convertie en énergie électrique et la fraction à la température la plus basse, au lieu d’être dissipée dans l’environnement, est rendue disponible pour des applications thermiques appropriées. La réduction de l’impact environnemental est due à la fois à la diminution des émissions de gaz à effet de serre et à la diminution de la pollution thermique.

Figure 1 : Conversion d’énergie primaire pour la production séparée et combinée d’énergie électrique et thermique

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DOSSIER COGÉNÉRATION

L’utilisation du bois comme combustible pour la cogénération Umberto Desideri Département d’Ingénierie Industrielle - Université de Pérouse

Le processus de cogénération se propose d’aboutir à une utilisation plus rationnelle de l’énergie chimique primaire par rapport aux systèmes séparés de génération des deux formes énergétiques, dont la production s’effectue dans ce cas de manière interconnectée. Nous analysons les avantages et les limites de la cogénération, les principaux types d’installation et les possibilités liées à l’emploi du bois comme combustible.

Les applications de la cogénération concernent aussi bien le secteur industriel que le domaine civil. En ce qui concerne la chaleur, elle peut être utilisée sous forme de vapeur ou d’eau chaude, pour usages industriels ou collectifs (par exemple chauffage urbain par réseaux de chaleur1, refroidissement par systèmes frigorifiques à absorption) ou sous forme d’air chaud (par exemple pour des processus industriels de séchage). Il faut que les installations de cogénération soient proches des sites de consommation de chaleur, du fait des difficultés liées au transport de celleci, qui ne peut se faire que sous forme de fluide à haute température. D’autre part, le transport de la chaleur a besoin de réseaux de fluides non existants et donc spécialement dimensionnés. Le transport d’énergie électrique est beaucoup plus simple car il peut utiliser les lignes électriques déjà largement pré-

sentes sur le territoire et arrivent pratiquement à tous les sites de consommation d’électricité. Dans tous les cas, la distribution d’installations de production d’énergie sur le territoire a l’avantage de réduire les pertes de transmission et de distribution pour le réseau électrique national. Les modalités de prélèvement des deux composantes, électrique et thermique, de l’énergie produite sont souvent caractérisées par des profils indépendants et variables dans le temps (procédés continus, discontinus sur base journalière ou saisonnière). Dans certains secteurs industriels, la cogénération constitue une option de production largement éprouvée. Elle pourra avoir un poids encore plus important, aussi bien en termes d’apports pour subvenir à la demande électrique nationale qu’en termes d’économie d’énergie, suivant les effets induits par le changement technologique dans le

La chaleur produite par l’installation de cogénération peut en effet être transportée par un réseau de chaleur où le fluide caloporteur est de l’eau sous pression à une température de 120°C. De cette manière, il est possible de satisfaire les besoins thermiques de nombreux édifices ou de quartiers entiers, en remplaçant les chaudières traditionnelles par des échangeurs de chaleur chez chaque client servi.

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domaine de la production d’électricité. Il n’y a pas de doutes sur les avantages, sur le plan du rendement énergétique, que la cogénération a par rapport à la production séparée d’énergie électrique et thermique. Toutefois, justement parce que ces avantages dérivent d’une production combinée, il est important que l’énergie thermique disponible puisse être utilisée dans le cycle de production de l’usine dans laquelle elle se trouve, car il n’est pas nécessaire dans ce cas d’investir pour réaliser un réseau de chaleur et tous les raccords nécessaires pour distribuer la chaleur aux nombreux sites de consommation présents dans le territoire. En moyenne, une installation de cogénération alimentée au méthane permet pour chaque kWhe produit, une économie de 450 g de CO2, comparée à une production séparée d’énergie électrique (centrale thermoélectrique) et d’énergie thermique (chaudière conventionnelle).

AVANTAGES ET LIMITES DE LA COGÉNÉRATION Les principaux avantages de la production d’énergie avec des systèmes de cogénération peuvent être évalués du point de vue : • économique : la cogénération permet une meilleure exploitation de l’énergie contenue dans le combustible, c’est-à-dire que pour la même énergie électrique et thermique utilisée, on consomme moins de combustible. • environnemental : la réduction de Pour chaque kWhe produit, une installation de cogénération évite une émission de CO2 égale à 450g par rapport à la production séparée d’énergie électrique ou thermique. La photo illustre une installation de cogénération.

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Figure 2 : Schéma d’une installation à vapeur

Il existe cependant quelques limitations à l’adoption de systèmes de cogénération, qui doivent être considérées surtout en phase d’étude de faisabilité. • La principale limite de la cogénération concerne essentiellement la correspondance entre la production et la demande, aussi bien électrique U. DESIDERI

Figure 3 : Installation à vapeur à extraction et condensation

la consommation de combustible implique une moins grande quantité d’émissions nocives dans l’environnement et par conséquent, une diminution des coûts sociaux de la pollution. • sauvegarde des ressources d’énergie primaire : la cogénération permet une utilisation plus efficace des ressources énergétiques traditionnelles (pétrole, charbon, gaz naturel), et en réduit le gaspillage. • financier : en Italie la cogénération est même considérée comme une source d’énergie assimilable aux sources renouvelables et bénéficie donc de nombreuses primes et aides prévues par la loi et par le Plan Énergétique National.

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que thermique. Une installation de cogénération sera d’autant plus efficace que les besoins électriques et thermiques seront adaptés, du point de vue temporel et qualitatif, à la capacité de l’installation à produire les quantités demandées. • Les sites de consommation absorbent l’énergie électrique et la chaleur suivant des lois substantiellement indépendantes. Vu que l’électricité n’est pratiquement pas accumulable et que la chaleur l’est seulement pour de courtes périodes, la cogénération n’est rentable que lorsque les demandes d’énergie électrique et thermique coïncident. • Les sites de consommation thermiques et électriques doivent se trouver à proximité du système de production d’énergie, en particulier en ce qui concerne le réseau de distribution de la chaleur. • Jusqu’à présent, la diffusion des systèmes de cogénération a été limitée surtout par les frais initiaux d’investissement élevés, imputables à la complexité des installations, si on les compare aux coûts des systèmes traditionnels. De ce point de vue, moins l’installation est puissante et plus sa complexité est difficile à gérer. • Il est nécessaire, pour une meilleure rentabilité de l’investissement, de générer aussi du froid durant les mois d’été, au moyen de machines à absorption : les cycles à eau et bromure de lithium à un étage produisent de l’eau glacée à 5-7°C en utilisant dans le générateur de l’eau chaude à 80-95°C ou de l’eau surchauffée à 110-140°C ou encore, de la vapeur saturée à 1,5-2 bar.

LES TYPOLOGIES D’INSTALLATIONS Les technologies utilisées pour la cogénération d’énergie électrique et de chaleur dérivent substantiellement des technologies pour la production d’énergie électrique uniquement, utilisant des appareils de récupération thermique en aval des moteurs (turbines à vapeur, turbines à gaz et moteurs à combustion interne). Cela signifie, entre autre, que pour la même production d’énergie électrique, l’installation de cogénération demande de plus gros investissements unitaires et présente une plus grande complexité de gestion et d’exploitation que les installations qui n’utilisent pas la cogénération. Au niveau des installations, les technologies de cogénération sont clas-

sées sur la base du type de moteur utilisé. Chacune de ces technologies présente des rapports différents entre les quantités d’énergie électrique et de chaleur utile produites, et les caractéristiques de souplesse de ces rapports sont très différenciées par rapport à la demande. Du point de vue historique, la production thermoélectrique s’est développée avec le cycle thermodynamique de Rankine sur lequel sont basés les cycles fermés à la vapeur. Le cycle de Rankine le plus simple est constitué de quatre éléments fondamentaux : le générateur de vapeur, la turbine, le condenseur et une pompe (Figure 2). Le générateur de vapeur est l’élément dans lequel s’effectue le processus de combustion du combustible et dans lequel la chaleur développée par la combustion est utilisée pour réchauffer, vaporiser et surchauffer de la vapeur à haute pression. La turbine produit le travail utile qui est transformé généralement en énergie électrique, tandis que le condenseur est un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur soustraite à la condensation de la vapeur est cédée à l’environnement, lorsqu’elle n’est pas récupérée. La pompe sert à fermer le cycle et à reporter le fluide condensé à la pression à laquelle il est introduit dans le générateur de vapeur. Dans ces installations, le rendement thermodynamique augmente, aussi bien en augmentant la température et la pression maximum de la vapeur qu’en diminuant la température de la source froide. Toutefois, si nous souhaitons utiliser une partie de la chaleur, rejetée autrement dans l’environnement, pour un processus industriel ou pour un réseau de chaleur, nous devrons augmenter la température de condensation. Les processus industriels devant être approvisionnés en chaleur utile à température moyenne (120250°C) récupèrent la chaleur par soutirage de la vapeur à différents stades de détente, cela provoque une réduction de la production d’énergie électrique mais augmente le rendement global de conversion de l’énergie primaire du combustible. On peut facilement comprendre que plus la température à laquelle s’effectue le soutirage de chaleur du cycle thermodynamique est élevée et moins il y aura d’énergie électrique produite. Il existe deux types d’installations à la vapeur utilisées pour la cogénération : • installations à vapeur à contrepression, dans lesquelles la turbine à vapeur injecte la vapeur dans le condenseur à une pression supérieure


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Les premières sont caractérisées par de hautes valeurs de récupération énergétique par rapport à la production séparée et par un rapport élevé entre la quantité d’énergie thermique produite par rapport à l’énergie électrique. Les secondes présentent des re nde m e n t s d e c o n v er s io n d e l’énergie primaire du combustible semblables à celles d’une installation thermoélectrique conventionnelle. En 1986, plus de 97% de la puissance électrique installée en Italie par des installations de cogénération (4 505 MW) était basée sur des cycles à vapeur, la partie restante étant représentée par des moteurs à combustion interne, à cycle Otto ou Diesel, et des turbines à gaz. Les cycles de Rankine cèdent de la chaleur à des températures à peine supé rie u re s à l a t e m p ér a t ure ambiante tandis que les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz évacuent de la chaleur à des températures nettement supérieures à la température ambiante. C’est la raison pour laquelle la récupération de

chaleur dans ces installations ne provoque pas de réductions de la production électrique, mais permet d’utiliser une quantité de chaleur qui autrement serait perdue. Dans les moteurs à combustion interne, à cycle Otto ou Diesel, la récupération de chaleur s’effectue à des températures variant de 70° à 90°C, du circuit de refroidissement du moteur et de l’huile et de l’éventuel refroidisseur intermédiaire (intercooler). Si le moteur est suralimenté, la chaleur des gaz d’échappement (environ 400-500°C) peut elle aussi être récupérée. On peut estimer la chaleur récupérable du refroidissement du moteur et de l’huile à environ 35% de l’énergie primaire introduite et celle qui est récupérée à partir des gaz d’échappement à environ 30% de l’énergie primaire introduite. Dans les turbines à gaz, la chaleur cédée à l’environnement l’est sous forme de grand volumes de gaz brûlés, à haute température (450550°C), qui peuvent être utilisés pour générer de la vapeur, de l’eau chaude à haute température et de l’air chaud utilisable dans les processus de séchage. Les rendements de conversion de l’énergie primaire dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz sont de l’ordre de 60-70%. Vu que la récupération d’énergie thermique n’influence pas et ne diminue pas la

production électrique, on peut avoir de bons rapports entre énergie thermique utile et énergie électrique produite. Depuis la fin des années soixante-dix, des installations à cycle combiné ont été développées ; elles présentent, en cascade, une turbine à gaz et un cycle Rankine. Les gaz d’échappement des turbines à gaz génèrent de la vapeur qui alimente une turbine à vapeur avant d’être utilisée comme effet utile. En général, les installations à cycle combiné sont destinées uniquement à la production d’énergie électrique et représentent même l’une des solutions les plus efficaces, avec des rendements nominaux, pour les installations les plus grandes, d’environ 55% et avec des objectifs à moyen terme de 60%. La diffusion des cycles combinés entraîne une évolution radicale dans les modalités d’application de la cogénération : alors que dans les cycles à vapeur traditionnels avec turbines à contrepression, la production d’énergie thermique l’emporte sur la production d’énergie électrique, dans le cas des moteurs à combustion interne ou des turbines à gaz avec chaudière de récupération, ces productions sont relativement indépendantes et dans les installations à cycle combiné la production d’énergie électrique prédomine nettement en posant, généralement, des problèmes de cession de l’énergie électrique au réseau.

Installation de cogénération (Alholmens Kraft Finlande) avec turbine à vapeur de 240 MW alimentée avec différents types de combustibles ligneux, qui produit environ 100 MW de process pour l’usine à papier UPMKymmene Pietarsaari et environ 60 MW pour le chauffage urbain de Pietarsaari.

MR HANNU VALLAS / LENTOKUVA VALLAS OY

à la pression atmosphérique ; • installations à vapeur à condensation avec soutirage, dans lesquelles le prélèvement de vapeur pour des usages technologiques ou pour le chauffage est partiel est effectué durant la phase de détente dans la turbine (Figure 3).


DOSSIER COGÉNÉRATION

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Les typologies d’installation varient de quelques dizaines à quelques milliers de kW, comme dans le cas des moteurs à combustion interne, jusqu’à quelques centaines de MW avec les turbines à gaz.

DOMAINES D’APPLICATION DES TYPES D’INSTALLATION Les moteurs à combustion interne sont utilisés dans les applications nécessitant une puissance de quelques dizaines à quelques milliers de kW (2000-5000 kW) et des fluides caloporteurs à une température inférieure à 100 °C. La chaleur est récupérée par l’eau de refroidissement, par l’huile de lubrification, par l’air de suralimentation (à des températures inférieures à 90°C) et par les gaz d’échappement. Les moteurs à combustion interne sont caractérisés en particulier par le fait que la chaleur récupérée est à basse température et ils sont donc adaptés à l’utilisation de fluides caloporteurs tels que l’eau à 90°C. Il est important de souligner que pour l’intégrité du moteur, il faut assurer la récupération de la chaleur du moteur et de l’huile quand le moteur est en marche. Les turbines à gaz sont disponibles dans des tailles comprises entre 30 et 80 kW (micro-turbines) et quelques centaines de MW pour chaque machine et elles sont utilisées pour TABLEAU 1 Technologie

Moteurs à combustion interne Turbine à gaz Turbine à vapeur Cycles combinés TABLEAU 2 Technologie

Turbine à vapeur Turbine à gaz Moteurs alternatifs

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des applications avec des fluides caloporteurs à des températures supérieures à 100°C. En effet, la chaleur provenant des gaz d’échappement à haute température, jusqu’à 500°C, est récupérée et stockée dans une chaudière spéciale. Les principales caractéristiques des différents systèmes de cogénération énumérés ci-dessus sont résumées dans le tableau 1. Dans le domaine de la petite cogénération, les valeurs moyennes de rendement en puissance électrique, par rapport au combustible brûlé, sont généralement comprises dans les plages du tableau 2. Considérant par contre le rendement global du système (énergie thermique et énergie électrique produites par rapport à celle qui est introduite comme combustible), on obtient les valeurs du tableau 3.Généralement, les combustibles utilisés dans la cogénération sont des hydrocarbures liquides ou gazeux. L’emploi d’hydrocarbures gazeux comme le méthane est préféré actuellement pour différentes raisons telles que, entre autres, le prix modéré et le moindre impact environnemental. Les turbines à vapeur peuvent être également actionnées par la vapeur produite par la combustion de combustibles solides comme le charbon, les biomasses et les déchets ménagers. Le choix du moteur le plus adapté dépend de nombreux facteurs. Les plus importants sont : A. l’entité des puissances en jeu, B. le rapport entre puissance électrique et puissance thermique demandées par les sites de consommation, C. les températures d’utilisation et le type de fluide chaud demandés par les sites de consommation thermiques. Pour pouvoir comparer les performances des différents types de cogénérateurs, on définit un paramètre Z (indice électrique), comme le rapport entre la puissance élec-

trique et la puissance thermique (Z = Pe/Pt). Pour le cogénérateur, Z est fixe et dépend des données figurant sur la plaque de l’installation en question. Pour les sites de consommation, Z est variable suivant la période de l’année, le jour de la semaine et les heures de la journée. Pour choisir le cogénérateur idéal, il faut confronter l’indice électrique caractéristique de chaque machine avec l’indice moyen du site de consommation que l’on veut desservir. Plus ces deux valeurs seront proches et meilleurs seront les rendements de production énergétique de l’installation et par conséquent, les résultats économiques. Nous résumons ci-après les principales caractéristiques et les domaines d’application les plus courants pour les systèmes de cogénération utilisés.

TURBINES À VAPEUR 

Possibilité d’obtenir des valeurs relativement hautes de rendement thermique global, en fournissant en même temps de la chaleur de récupération à haute température. Vu que ces machines utilisent la vapeur provenant d’un générateur adéquat, elles permettent l’adoption de n’importe quel combustible, en particulier les combustibles solides et de qualité plus médiocre.  Puissance électrique moyenne ou élevée, allant de 1 à 250 MWe.  Indice électrique Z = 3 à 14 (Z = 14 signifie que la puissance électrique produite par la machine est 14 fois la puissance thermique).  Frais initiaux d’investissement élevés.  Complexité de l’installation (longs délais de livraison).  Capacité limitée de s’adapter à des conditions de fonctionnement différentes de celles du projet.  Présence continue de personnel spécialisé.

Puissance (MW)

Rendement électrique

Rendement termique

0.05 − 10 0.08 − 180 0.5 − 250 >5

0.25 − 0.40 0.20 − 0.38 0.10 − 0.35 0.40 − 0.55

0.25 − 0.45 0.35 − 0.50 0.60 − 0.75 0.10 − 0.45

Rendement moyen en puissance électrique

18 − 20% 23 − 33% 32 − 40%

TABLEAU 3 Technologie

Turbine à vapeur Turbine à gaz Moteurs alternatifs

Rendement global

80 − 90% 70 − 85% 65 − 90%

Les valeurs indiquées sont des valeurs moyennes qui servent seulement à donner une idée générale.


DOSSIER COGÉNÉRATION TURBINES À GAZ

MOTEURS À COMBUSTION INTERNE  Rendements élevés même dans les régimes de fonctionnement partiel.  Gamme de combustibles utilisables large : aussi bien liquides (fiouls lourds) que gazeux (méthane, GPL) y compris les gaz pauvres, les gaz de hauts fourneaux, gaz synthétiques de gazéification des biomasses, gaz émis par les déchets et gaz de charbon.  Grande modularité de réalisation qui facilite la maintenance en réduisant les risques d’interruptions totales du service tout en garantissant la flexibilité d’installation et d’exploitation.  Plage d’application très vaste, puissances électriques comprises entre 15 kWe et 10 MWe.  Indice électrique Z = 0,4 à 2,2.  Faible capacité à satisfaire des sites de consommation thermiques demandant de la chaleur à haute température (plus de 140 °C).  Émissions significatives de NOx, à limiter avec des dispositifs spécifiques, suivant les normes en vigueur.  Augmentation de l’incidence des coûts de maintenance (en particulier pour l’huile de lubrification) dont le pourcentage peut représenter de 2 à 4% des coûts d’investissement.

TURBODEN TURBODEN

 Rapport poids/puissance réduit et encombrement modeste.  Fonctionnement qui ne demande pas de systèmes de refroidissement si le site de consommation thermique ne demande pas de chaleur.  Grande indépendance de la puissance thermique disponible par rapport à la puissance électrique, ce qui se traduit par une plus grande flexibilité d’exploitation.  Simplicité de construction et délais de réalisation et de livraison relativement courts.  Puissances électriques comprises entre 80 kWe et 180 MWe.  Indice électrique Z = 0,2 à 4.  Nécessité d’utiliser des combustibles de bonne qualité (gaz, huiles légères) pour éviter les phénomènes d’encrassement et de corrosion des aubes de la turbine. L’une des applications de la turbine à gaz est dans le cycle combiné, c’està-dire dans l’association avec chaudière de récupération pour la production de vapeur saturée.

L’utilisation de combustibles renouvelables comme le bois, peut représenter une incitation importante à la diffusion de la cogénération dans les zones où ce combustible est facilement disponible sur le marché et à des prix modérés.

LE BOIS COMME COMBUSTIBLE POUR LES INSTALLATIONS DE COGÉNÉRATION Comme nous l’avons dit précédemment, les installations de cogénération peuvent utiliser tous les combustibles disponibles sur le marché. Le bois, en tant que combustible solide, peut être utilisé directement dans les générateurs de vapeur avec différents processus de combustion : à grille, à lit fluidisé, à lit bouillonnant, etc. C’est la raison pour laquelle l’installation à vapeur est le type d’installation de cogénération dans laquelle l’utilisation du bois comme combustible est la plus simple. De nombreuses études ont été présentées ces dernières années sur la combustion externe de biomasses dans des turbines à gaz. Il n’existe toutefois pas encore de réalisations commerciales de cette technologie. Il existe par contre de nombreuses installations de cogénération à vapeur, alimentées au bois, dans les pays de l’Europe du Nord et dans les régions alpines. Pour utiliser le bois comme combustible de moteurs à combustion interne ou de turbines à gaz, il faut lui faire subir une transformation physico-chimique à travers des processus de gazéification et de pyrolyse

rapide et lente. Ces processus transforment les combustibles solides en combustibles gazeux ou liquides qui peuvent être utilisés dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz.

CONCLUSIONS La cog é né r a ti on re pr é se nte la méthode la plus rationnelle pour utiliser les sources énergétiques primaires. Une étude de faisabilité correcte basée sur les besoins des usagers et sur la situation économique du marché de l’énergie électrique et des combustibles est à la base du développement de la cogénération. L’utilisation de sources renouvelables comme le bois peut représenter une incitation importante à la diffusion de la cogénération dans les zones où ce combustible est disponible sur le marché. Une plus grande utilisation du bois comme combustible pour les installations de cogénération est fortement liée au développement d’un réseau de collecte et de commercialisation en mesure de satisfaire les exigences des usagers en garantissant un prix de marché sûr et comparable aux autres sources d’énergie et une qualité du combustible satisfaisante et constante dans le temps.  BOIS ENERGIE N°1/2003 21

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Le processus de cogénération se propose d’aboutir à une utilisation plus rationnelle de l’énergie chimique primaire par rapport aux systèmes...