Dans les systèmes de captation du CO2, un contrôle précis du débit des gaz de combustion est essentiel pour assurer le bon fonctionnement du processus et éviter des pertes d'efficacité. Ce contrôle repose sur des dispositifs tels que des registres d’entrée (dampers) qui permettent de réguler la pression et le flux des gaz dans le système, tout en minimisant les fuites de gaz à travers la cheminée de l'unité HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Il est crucial de maintenir la pression dans le conduit de gaz à un niveau optimal pour éviter l’infiltration d'air dans l'installation de captation et garantir que la centrale fonctionne comme prévu.

Le choix entre une configuration à deux unités de 50% ou une unité à 100% de capacité dépend principalement de l’analyse coût-performance et d’une étude de la RAM (fiabilité, disponibilité et maintenabilité) réalisée lors de la phase FEED (Front-End Engineering Design). Les conditions limites de conception de ces systèmes sont les températures des gaz de combustion à la sortie du HRSG et à l’entrée de la colonne d’absorption, ainsi que la pression ambiante. L’objectif majeur de cette conception est de minimiser la consommation d’énergie des ventilateurs (blower), qui est une fonction de la température d'entrée des gaz et de la perte de pression dans les canalisations.

Les pertes de pression dans les conduits de gaz sont cumulées à partir de différentes zones : le HRSG, le DCC (Direct Contact Cooler), le système d’absorption, et d’autres parties du conduit. La conception des conduits de gaz de combustion doit donc être optimisée pour réduire ces pertes de pression et, par conséquent, minimiser la consommation d’énergie des ventilateurs. Par exemple, chaque augmentation de la perte de pression de 10 mbar dans un ventilateur entraîne une augmentation de la consommation d’énergie d’environ 1,3 kJ/kg. De même, une amélioration de l’efficacité isentropique du ventilateur d’un point de pourcentage peut réduire la consommation d’énergie de 0,22 kJ/kg. Ces paramètres doivent être soigneusement optimisés pour garantir un fonctionnement économique du système.

Une autre caractéristique du système de capture du CO2 est le refroidissement des gaz de combustion. Il existe plusieurs méthodes de refroidissement qui peuvent être utilisées pour ajuster la température des gaz avant leur entrée dans la colonne d’absorption. Le refroidissement indirect à l’aide de serpentins tubulaires à eau, bien qu’efficace, est souvent coûteux et peut entraîner des problèmes de condensation. D’autres options comme le refroidissement par pulvérisation ou brumisation d’eau sont moins onéreuses et permettent une réduction efficace de la température, mais elles ne peuvent pas abaisser la température des gaz en dessous du point de rosée (environ 45-50°C). Un autre procédé, le refroidissement par contact direct dans un lit de packing, permet de descendre la température des gaz à environ 25°C, mais cette méthode dépend de la disponibilité d’une source d’eau froide suffisamment efficace, comme l’eau de mer.

Les matériaux utilisés dans la construction des conduits de gaz doivent être choisis en fonction des conditions spécifiques de chaque installation. Les conduits de gaz sont généralement fabriqués en acier au carbone, mais dans les systèmes de refroidissement humide ou de traitement chimique des gaz, l’acier inoxydable est privilégié, notamment dans les zones où une pulvérisation d’eau ou un système de brumisation est utilisé. L’utilisation de matériaux composites renforcés de fibres de verre (FRP) a également été envisagée pour certaines sections de conduit en raison de leur coût réduit et de leur durabilité, bien que leur résistance à la température soit inférieure à celle de l’acier inoxydable.

Une partie essentielle de l’architecture de ces systèmes est la présence de dispositifs d’isolement, tels que des registres guillotine, qui permettent de contrôler précisément l'entrée et la sortie des gaz dans les conduits. Ces registres sont essentiels non seulement pour assurer un arrêt positif des gaz de combustion lors de la maintenance, mais aussi pour garantir que le flux de gaz dans le conduit est parfaitement maîtrisé pendant toute la phase de captation. En cas de dysfonctionnement de ces dispositifs, des fuites peuvent se produire, mais, dans des conditions normales de fonctionnement, les émissions de gaz sont pratiquement nulles.

Un autre élément de la conception du système est l'intégration fluide des dispositifs de contrôle. Les registres d’entrée, les registres d’isolement et les ventilateurs doivent fonctionner de manière coordonnée pour assurer une gestion optimale du flux de gaz. Au démarrage de l’installation, le registre de la cheminée du HRSG est ouvert, permettant aux gaz de s’échapper dans l’atmosphère. Lorsque le système de captation devient opérationnel, le ventilateur est mis en marche et le registre de la cheminée est progressivement fermé, en synchronisation avec le système de contrôle pour éviter toute fuite de gaz.

Les considérations économiques jouent un rôle crucial dans le choix des différentes technologies et matériaux. Le refroidissement indirect est coûteux, mais pourrait être justifié dans des installations où la température des gaz doit être abaissée de manière significative. Les méthodes de refroidissement par brumisation et par contact direct, bien que moins chères, sont limitées par leur capacité à abaisser la température des gaz en dessous du point de rosée et doivent être soigneusement choisies en fonction des besoins spécifiques de chaque site.

Il est également essentiel de comprendre que l’efficacité du système de captation du CO2 dépend en grande partie de la conception intégrée de l’ensemble du processus. Chaque élément, de la conception des conduits à la gestion des températures et pressions, doit être optimisé pour fonctionner en harmonie. La prise en compte de ces facteurs dès les premières étapes de conception est essentielle pour assurer une solution rentable et durable sur le long terme.

Comment la température d’entrée de la turbine influence-t-elle l’efficacité des cycles combinés à gaz ?

L’efficacité des cycles combinés à turbine à gaz est étroitement liée à la température d’entrée de la turbine (TIT). Cette température, bien que souvent confondue avec la température de flamme dans le brûleur, se réfère en réalité à la température du gaz chaud à la sortie du système de combustion, une fois diluée par le flux de refroidissement, juste avant d’entrer dans la première étape de la turbine. La distinction entre cette température dite de "firing" ou température à l’entrée du rotor (RIT) et la température dite "fictive" normalisée selon la norme ISO 2314 est cruciale. En effet, la TIT réelle est généralement supérieure d’environ 100 °C à cette température fictive, utilisée comme indicateur technologique par certains fabricants européens.

Le contrôle de cette température est un enjeu majeur, car elle conditionne directement la production de travail par la turbine à gaz, ainsi que celle de la turbine à vapeur dans une centrale à cycle combiné. La règle empirique qui veut que la puissance produite par la turbine à vapeur représente environ la moitié de celle produite par la turbine à gaz s’est révélée pertinente pendant les décennies 1990-2000 avec les turbines de classe F et les cycles vapeur classiques. Avec l’évolution des technologies vapeur, notamment l’augmentation des pressions et températures de vapeur, ce ratio tend désormais vers 0,6. Ce constat illustre l’amélioration des cycles vapeur en complémentarité avec les cycles à gaz, optimisant ainsi le rendement global.

Le refroidissement des composants chauds du cycle, notamment la première étape de la turbine, est réalisé par des flux d’air extraits du compresseur, distingués en flux « chargeables » ou « non chargeables » selon qu’ils pénètrent dans la voie de gaz après ou avant la production de travail par la turbine. Cette différenciation est importante, car seuls les flux chargeables constituent une perte énergétique mesurable en travail perdu. Cette complexité illustre le défi technique de la gestion thermique dans les turbines modernes, où la température d’entrée, bien que critique, ne peut être considérée sans tenir compte des flux secondaires et de leurs effets.

Les turbines industrielles lourdes sont classées selon une hiérarchie liée à leur technologie de refroidissement et à leur architecture. Les classes E, F, H, HA et JAC, caractérisées par des cycles Brayton simples à arbre unique, se distinguent par leurs méthodes de refroidissement — à air ouvert ou à vapeur en circuit fermé — et leurs niveaux de performance thermique. Les turbines de classe H et J, apparues après 2010, représentent le summum de la technologie air-refroidie, atteignant des TIT de 1 600 °C et des rapports de pression élevés, ainsi qu’une puissance unitaire pouvant dépasser 500 MWe. Ces avancées ont permis de franchir des seuils d’efficacité inédits, avec par exemple la centrale d’Irsching en Allemagne dépassant 60 % d’efficacité en cycle combiné avec une turbine Siemens de classe H.

Il est essentiel de saisir que la définition et la mesure de la TIT ne sont pas uniformes et peuvent varier selon les normes, les fabricants et les configurations spécifiques des turbines. La précision dans la compréhension de ces définitions est impérative pour évaluer les innovations technologiques et leurs impacts sur les performances globales.

Les contraintes thermodynamiques, les exigences de refroidissement et l’évolution des cycles combinés illustrent une tension constante entre la recherche d’efficacité maximale et la durabilité des matériaux. La montée en température au sein des turbines impose des avancées continues en matériaux réfractaires, en systèmes de refroidissement sophistiqués et en conception aérodynamique des aubes. Comprendre cette dynamique est fondamental pour évaluer les progrès technologiques et anticiper les futurs développements dans la production d’énergie à partir de turbines à gaz.

La maîtrise de la température d’entrée de la turbine est donc bien plus qu’une simple donnée technique : elle est le pivot sur lequel s’articule l’ensemble du cycle combiné, conditionnant à la fois la puissance produite, la longévité des équipements et l’empreinte environnementale des centrales électriques. Au-delà de la température elle-même, la gestion des flux de refroidissement et la compréhension des différentes définitions normatives permettent de mieux cerner les possibilités d’optimisation et les compromis technologiques inhérents à ces systèmes complexes.

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