Dans le cadre de la conception des systèmes hybrides intégrant des centrales solaires à concentration (CSP) et des turbines à gaz à cycle combiné (GTCC), l’optimisation de l’efficacité thermique et exergetique est essentielle pour maximiser la production d’électricité. L’objectif ultime dans ces systèmes, appelés ISCC (Integrated Solar Combined Cycle), est d’extraire le maximum d’énergie thermique utile à partir de l’énergie solaire tout en optimisant l’utilisation de la turbine à vapeur (ST) qui génère de l’électricité supplémentaire à partir de la chaleur solaire.

Le principe thermodynamique sous-jacent à cette combinaison est une application directe de la deuxième loi de la thermodynamique, plus précisément le principe de l'exergie maximale. Le flux d’énergie thermique solaire, Q_IN, absorbé par la centrale solaire est une fraction de l'irradiation normale directe (DNI) reçue par le champ solaire. Cette énergie thermique est ensuite utilisée pour générer de la vapeur dans le générateur de vapeur. La quantité d’énergie thermique qui peut être exploitée par le système CSP dépend de plusieurs paramètres, notamment l'efficacité optique (EOPT), l’absorption par le récepteur (a) et l'efficacité du récepteur (EREC).

L'efficacité thermique du système solaire (ETHM) se définit comme le produit de ces facteurs : ETHM = EOPT × EREC × a. En d’autres termes, l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en chaleur utile est déterminée par ces trois éléments. Une fois que la chaleur est absorbée par le récepteur, elle est utilisée pour produire de la vapeur et alimenter la turbine à vapeur, augmentant ainsi la production d’électricité du système GTCC.

Le rendement maximum théorique de ce processus est donné par l'exergie solaire (EX_IN), qui peut être exprimée en fonction de Q_IN. Ce rendement est gouverné par la température de référence ambiante et la température effective moyenne d'ajout de chaleur (METH), qui dépend des différences d’entropie entre les conditions de vapeur et les conditions de l'eau. La relation entre l’énergie thermique solaire (Q_IN), l’enthalpie (H), et l’entropie (S) des fluides permet de déterminer le flux énergétique transféré au cycle Rankine et, par conséquent, l’efficacité de la turbine à vapeur.

En pratique, l’efficacité réelle de conversion de l’énergie thermique solaire en travail utile est une fraction de l’efficacité Carnot (E_CNT), représentant le rendement théorique maximum. Ce rendement réel (EACT) est crucial pour le dimensionnement du système et l'optimisation des performances globales de l’ISCC. Pour maximiser la contribution de l'énergie solaire, il est impératif de concevoir le système de manière à ce que les températures de la vapeur (TSTM) et de la pression (PSTM) soient aussi élevées que possible, ce qui améliore l’efficacité du cycle Rankine.

L’efficacité de la conversion est également influencée par la température d’entrée de l’eau dans la chaudière (TFW), qui doit être proche de la température de la vapeur (TSTM) pour maximiser l’efficacité thermique. Ce principe est similaire à celui du chauffage de l'eau dans les turbines à vapeur fossiles. Le concept d'« efficacité incrémentale du cycle Rankine » (ERINC) est essentiel dans la conception de systèmes ISCC, car il permet d’identifier la meilleure façon d’optimiser l’énergie solaire utilisée dans la production de vapeur et d’électricité.

L'une des principales sources de coût et de complexité dans un système ISCC est le champ solaire, qui comprend le récepteur et le miroir réfléchissant la lumière. La conception optimale de ce champ solaire est un compromis entre la maximisation de la surface d'absorption de la radiation solaire (AAPT) et les considérations économiques liées à l'installation et à l'entretien. Par conséquent, le principal défi pour les concepteurs de ces systèmes est d’obtenir la plus grande contribution possible à partir de chaque watt d’énergie solaire reçu, tout en minimisant la taille du champ solaire, et donc les coûts associés.

Pour que le rendement d’un ISCC soit optimal, il est crucial de maximiser l'efficacité de conversion de l’énergie thermique (ERINC) et de concevoir le système pour qu’il fonctionne à la température la plus élevée possible tout en maintenant l'équilibre économique et opérationnel. Cela permet d’augmenter la puissance de sortie du générateur de vapeur, et par extension, de la turbine à gaz combinée, tout en respectant les limites de faisabilité économique et technologique.

Dans ce contexte, il est fondamental de comprendre que la conception et l’optimisation d’un ISCC ne se limitent pas à l'intégration de la technologie CSP avec une turbine à gaz. La compréhension des principes thermodynamiques, ainsi que de l'exergie solaire et des conditions thermiques optimales, est essentielle pour maximiser l'efficacité énergétique tout en prenant en compte les contraintes économiques et techniques spécifiques au site d’implantation du système. Une approche réfléchie et une évaluation continue des performances du système permettront d’atteindre un équilibre entre l’innovation technologique et la rentabilité économique.

Comment évaluer l'efficacité d'une centrale électrique à vapeur et de la géothermie ?

Lorsqu'on parle de l'efficacité d'un cycle thermique, comme celui utilisé dans les centrales électriques à vapeur, il est essentiel de comprendre que les chiffres seuls ne révèlent qu'une partie de la réalité. Prenons, par exemple, un calcul d'efficacité pour une machine réelle : l'efficacité du cycle Rankine, dans ce cas, est de 47 %. Cependant, ce chiffre ne constitue qu'une approximation et mérite une analyse plus approfondie. Il est fréquent que les articles et les études ne fournissent pas une liste détaillée des hypothèses utilisées pour arriver à ce calcul. Cela peut être dû à un manque de rigueur, à une négligence ou même, dans certains cas, à une tentative délibérée de masquer les véritables caractéristiques technologiques.

Dans l'industrie, les définitions précises sont cruciales pour évaluer correctement l'efficacité d'une centrale. La convention dans de nombreux pays, tels que les États-Unis, est de rapporter l'efficacité en termes de pouvoir calorifique supérieur (HHV), tandis qu'en Europe et au Japon, on préfère le pouvoir calorifique inférieur (LHV). Le HHV, qui inclut l'énergie de condensation de la vapeur d'eau, peut être jusqu'à 10 % plus élevé que le LHV, mais cette différence est souvent négligeable d'un point de vue de la production d'énergie. Ainsi, il est souvent plus pertinent d'utiliser le LHV comme référence dans les calculs d'efficacité pour obtenir une valeur plus réaliste du rendement énergétique.

L'efficacité du cycle Rankine de 47 %, calculée précédemment, repose sur plusieurs critères. Tout d'abord, le dénominateur de la formule d'efficacité correspond à la chaleur absorbée par l'eau d'alimentation et la vapeur dans la chaudière. Le numérateur, quant à lui, est constitué de la sortie de la turbine à vapeur, à laquelle on soustrait la consommation d'énergie des diverses pompes du cycle. Cependant, il existe une hiérarchie dans la manière de calculer cette efficacité, et il est nécessaire de corriger les valeurs de base pour obtenir un chiffre plus précis.

Une fois que l'on applique une correction pour la consommation d'énergie de la chaudière, en supposant une efficacité de chaudière de 92 %, l'efficacité de la centrale devient 43,3 %. Si l'on tient également compte des pertes dues à la charge auxiliaire du site (pompes, ventilateurs, etc.) et des pertes des transformateurs, ce chiffre se réduit à 42,4 %. C'est ce dernier chiffre qui est véritablement important, car il représente la puissance nette fournie au réseau électrique. Cette puissance nette est largement influencée par des facteurs externes tels que les conditions ambiantes du site, les critères de financement du projet, les exigences réglementaires en matière d'environnement et de permis, ainsi que les conditions économiques générales.

Il est donc crucial de comprendre que l'efficacité énergétique d'une centrale électrique à vapeur ne se limite pas à un simple calcul théorique. De nombreux facteurs influent sur la performance réelle d'une installation, et une évaluation correcte de l'efficacité nécessite une prise en compte des pertes et des inefficacités qui se produisent tout au long du cycle de production d'énergie.

En ce qui concerne les centrales géothermiques, celles-ci utilisent des turbines à vapeur, et elles se divisent en trois types principaux : les centrales à vapeur sèche, les centrales à vapeur flash et les centrales à cycle binaire. Les centrales à vapeur sèche utilisent la vapeur directement provenant d'un réservoir géothermique, tandis que les centrales à vapeur flash extraient de l'eau chaude à haute pression pour la convertir en vapeur et générer de l'électricité. Les centrales à cycle binaire, quant à elles, exploitent la chaleur de l'eau géothermique pour chauffer un liquide secondaire, qui est ensuite vaporisé pour faire tourner une turbine.

L'énergie géothermique est une ressource renouvelable. Grâce à une gestion adéquate des réservoirs, le taux d'extraction d'énergie peut être équilibré avec la capacité de recharge thermique naturelle du réservoir. Les centrales géothermiques modernes n'émettent pas de gaz à effet de serre, et leur empreinte carbone est bien inférieure à celle des autres sources d'énergie, comme le solaire photovoltaïque ou le gaz naturel. De plus, les centrales géothermiques consomment beaucoup moins d'eau sur l'ensemble de leur cycle de vie par rapport aux technologies de production d'énergie conventionnelles.

En 2020, la capacité mondiale de production d'énergie géothermique était d'environ 14 GW, avec une production d'électricité avoisinant les 92 000 GWh. Cela correspond à un facteur de capacité de 75 %. En plus de la production d'électricité, l'énergie géothermique peut également être utilisée pour le chauffage. Par exemple, en Islande, plus de 90 % des besoins en chauffage sont satisfaits par l'énergie géothermique. Un projet intéressant de production d'hydrogène vert utilisant l'énergie géothermique a été lancé en Islande en 2021. Ce projet consiste à produire de l'hydrogène vert pour fabriquer du méthanol vert destiné à alimenter le secteur maritime et les véhicules privés et commerciaux.

Enfin, une nouvelle approche innovante de l'énergie géothermique consiste à utiliser le CO2 supercritique dans un cycle quasi-fermé pour exploiter la chaleur souterraine. L'idée repose sur le fait que le CO2 capturé dans une centrale énergétique est injecté dans un réservoir géothermique, où il est chauffé par l'activité géothermique. Ce CO2 chauffé est ensuite utilisé pour faire tourner une turbine, générant ainsi de l'électricité. Cette méthode présente l'avantage de réutiliser le CO2 tout en exploitant les ressources géothermiques profondes.

Les performances des centrales géothermiques dépendent fortement des conditions du réservoir. Par exemple, une augmentation de la profondeur du réservoir ou de sa perméabilité peut entraîner une hausse significative de la production d'énergie. L'optimisation de ces paramètres peut ainsi améliorer considérablement l'efficacité des centrales géothermiques et les rendre plus compétitives par rapport à d'autres sources d'énergie renouvelable.

Comment garantir la fiabilité des joints de soudure au second niveau dans les applications électroniques et automobiles ?
Comment choisir les meilleures plantes pour votre jardin toute l'année ?
Comment optimiser votre environnement de développement pour Angular et gérer les installations sur Mac
Qu'est-ce que la variation totale et les chemins rectifiables ?