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Le cycle Rankine à CO2 supercritique avec recompression du flux divisé, comme le montre le diagramme de température-entropie (T-s) dans la Figure 10.1, présente une architecture complexe mais performante pour la production d'énergie. Ce cycle implique plusieurs échanges thermiques et une manipulation minutieuse des flux de CO2 supercritique à différentes étapes du processus. Examinons les principales étapes et l'impact de ce processus sur l'efficacité énergétique globale du cycle.
Le cycle commence par l'ajout de chaleur dans l'échangeur thermique entre les points d'état 6 et 3, où le CO2 supercritique est chauffé. La température moyenne efficace d'ajout de chaleur (METH) est définie par la formule :
Cet échange thermique est essentiel, car il détermine l'efficacité de l'addition de chaleur au fluide de travail. Le CO2, à une pression de 250-300 bars et à une température de 500-760°C, s'étend dans la turbine pour atteindre l'état 4, où la pression est réduite à environ 65-85 bars, en fonction de la source de réfrigération. Ce processus d'expansion est suivi d'une étape de récupération thermique dans un récupérateur haute température (HTR), où le CO2 comprimé à l'état 6 est préchauffé avant de passer par un second récupérateur à basse température (LTR). Le CO2, à l'état 5, est ensuite envoyé à travers un compresseur de recompression, créant un flux divisé dans lequel une partie du CO2 est envoyée vers le condenseur tandis que l'autre est envoyée vers le compresseur principal.
L'avantage de ce cycle à flux divisé réside dans la réduction de la quantité de chaleur rejetée, ce qui améliore de manière significative l'efficacité thermique du cycle. L'optimisation de ce flux divisé, avec un facteur de fraction y d'environ 0.7, permet d'atteindre des rendements plus élevés que ceux d'un cycle Rankine classique. En effet, le fractionnement du flux réduit la quantité de CO2 devant passer par le condenseur et augmente ainsi l'efficacité du processus de récupération thermique.
L'efficacité du cycle est liée à la différence entre les températures de rejet de chaleur (METL) et d'addition de chaleur (METH), selon la formule :
Cependant, cette approximation de l'efficacité n'est valable que si le flux de fluide de travail reste constant tout au long des étapes d'addition et de rejet de chaleur, ce qui n'est pas le cas lorsque y est différent de 1. En effet, lorsque y ≠ 1, les flux de chaleur ajoutée et rejetée diffèrent, ce qui modifie les calculs de l'efficacité. La relation devient alors :
Il est important de noter que lorsque y = 1, le cycle revient à un cycle classique à récupération. En revanche, pour des valeurs de y inférieures, l'efficacité du cycle diminue, et un maximum est atteint autour de y ≈ 0.5. De manière contre-intuitive, l'efficacité réelle du cycle est inférieure à celle calculée par la formule idéale, avec une diminution du rendement net du cycle lorsque y diminue au-delà de 0.5.
Les études de performance du cycle, basées sur des simulations avec des valeurs de y variant de 0.25 à 0.95, montrent un rendement énergétique nettement supérieur dans la plage intermédiaire. Cependant, cette approche idéale ne prend pas en compte les pertes réelles de chaleur, les inefficacités des composants, ni la dynamique complexe du fluide de travail dans des conditions réelles. Ainsi, bien que les résultats théoriques montrent des rendements élevés avec des valeurs optimales de y, ces résultats doivent être interprétés avec prudence, en prenant en compte la réalité des systèmes thermodynamiques.
Enfin, il est essentiel de souligner que les cycles à CO2 supercritique à flux divisé et recompression ne se contentent pas d'augmenter l'efficacité thermique en réduisant le rejet de chaleur. Ils nécessitent également des technologies avancées de gestion thermique et de récupération de chaleur, ainsi qu'une optimisation du contrôle de la pression et de la température à travers le système pour maximiser l'efficacité du cycle. La gestion de la recompression, en particulier, représente un défi technique, car elle implique un compromis constant entre la récupération thermique et la stabilité du système.
Quels sont les paramètres clés dans la conception et l'efficacité des turbines à gaz industrielles et combinées ?
Les turbines à gaz industrielles, en particulier celles utilisées dans les centrales électriques combinées, fonctionnent selon des principes thermodynamiques bien établis, qui influencent leur efficacité, leur coût d’exploitation et leur conception. Toutefois, plusieurs aspects techniques restent essentiels pour comprendre les choix faits lors de la sélection ou de l'optimisation d'une turbine à gaz. Parmi ceux-ci, les vitesses de rotation, les températures maximales du cycle et les cycles thermodynamiques jouent des rôles cruciaux dans la performance générale des unités.
Les turbines industrielles sont souvent conçues pour tourner à des vitesses standards de 3 000 ou 3 600 rpm, en fonction de la fréquence du réseau (50 Hz ou 60 Hz). Cependant, pour des turbines fonctionnant à des vitesses différentes, par exemple 6 100 rpm pour certaines turbines dérivées de l’aéropropulsion comme les unités LM-2500 de General Electric, des dispositifs supplémentaires complexes et énergivores sont nécessaires, tels que des réducteurs de grande taille. De telles modifications impliquent des coûts considérables et un surcroît de consommation énergétique.
La vitesse de rotation n’est pas le seul critère affectant l'efficacité d'une turbine à gaz. En effet, l’efficience globale d’un cycle combiné, où l’on utilise à la fois une turbine à gaz et une turbine à vapeur, varie en fonction des paramètres de la turbine à gaz, notamment la température d'entrée des gaz de combustion. Il existe une distinction importante entre ce que l'on appelle la température de combustion (ou température d'entrée dans la turbine de première étape), parfois aussi appelée température de tir (TIRE). Cette température, bien qu’elle soit plus basse que la température réelle des gaz au niveau de la sortie du brûleur, détermine directement la performance de la turbine. Pour des turbines à gaz de plus grande taille, cette température sera plus élevée, ce qui permet une plus grande production de vapeur dans un cycle combiné, rendant l’ensemble du système plus efficace.
À noter qu’il est essentiel de ne pas confondre des termes comme température de combustion et température d’entrée dans la turbine. Bien que ces termes soient parfois utilisés de manière interchangeable, en réalité, la température réelle d’entrée dans la turbine, c’est-à-dire la température du gaz avant qu'il n'atteigne la première étape de la turbine, est toujours plus basse en raison de l’utilisation de flux de refroidissement.
Il existe aussi une différence significative entre les turbines à gaz industrielles et les turbines à vapeur. Tandis que les turbines à gaz sont généralement classées selon leur température d'entrée (TIT) et la pression du cycle thermodynamique (PR), les turbines à vapeur sont définies principalement par des paramètres tels que la pression d'admission de la vapeur, les températures de vapeur surchauffée et réchauffée, et la pression de la vapeur intermédiaire et basse. Ces paramètres ont une influence majeure sur la performance de la turbine à vapeur et la configuration du cycle vapeur.
Dans le cadre des turbines à vapeur modernes, notamment les turbines à triple pression et réchauffage (3PRH), des paramètres comme la pression de la vapeur haute pression (HP), qui dépasse souvent les 170 bars, ainsi que les températures pouvant atteindre 600°C, sont cruciaux. Ces caractéristiques affectent directement la capacité de génération de vapeur et, en conséquence, l'efficacité du cycle global.
L’optimisation de ces cycles nécessite une compréhension approfondie des "deltas de température", qui font référence aux différences de température entre les diverses sections d'échangeurs de chaleur dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG). La gestion des températures à l’entrée et à la sortie des sections d’évaporateur, ainsi que les températures de surchauffe et de condensation, conditionne l'efficacité de la production de vapeur, et donc, l’ensemble de l’installation de production d'énergie.
Il est donc essentiel de comprendre que l’efficacité d’un système de turbine à gaz dépend de nombreux facteurs interconnectés. La conception de la turbine elle-même, la manière dont elle est intégrée dans un cycle combiné avec une turbine à vapeur, ainsi que l’optimisation des températures et pressions de chaque cycle, jouent tous un rôle dans la performance globale. Ces décisions ne sont pas uniquement influencées par des impératifs économiques, mais aussi par des considérations techniques détaillées.
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Quelle est l'intégration optimale entre l'énergie solaire concentrée et les cycles combinés à turbine à gaz (GTCC) dans une centrale ISCC ?
L’énergie solaire concentrée (CSP), tout comme la plupart des technologies de production d’énergie renouvelable, souffre d’une intermittence et d’une imprévisibilité qui rendent la technologie non dispatchable. Bien qu’il existe des moyens pour atténuer ce problème, comme l'utilisation de systèmes de stockage d’énergie thermique (TES), cela augmente considérablement la taille de la centrale et les coûts en capital, bien que cela n'affecte pas nécessairement le coût de production de l'énergie. Une solution évidente à ce problème est de compléter l'apport thermique solaire par la combustion d'un combustible fossile, ce qui, bien sûr, va à l'encontre de l'objectif initial des technologies renouvelables. Dans la pratique industrielle actuelle, l'approvisionnement en énergie renouvelable se fait lorsque cette dernière est disponible, et en l'absence de celle-ci, l’énergie fossile (principalement des centrales combinées à turbine à gaz en réserve tournante ou non tournante) entre en jeu pour satisfaire la demande en énergie, notamment lors des périodes où les sources d'énergie renouvelables ne sont pas disponibles, telles que la nuit, lors d’une couverture nuageuse ou d’un manque de vent.
Les concepts traditionnels de systèmes hybrides solaire-fossile utilisent généralement l’énergie thermique solaire comme apport thermique complémentaire. Un exemple bien connu est la centrale combinée solaire intégrée (ISCC). Dans ce concept, de l'eau à haute ou moyenne pression (HP ou IP, respectivement) provenant du générateur de récupération de chaleur (HRSG) est envoyée vers la chaudière solaire (par exemple, sur le sommet d’une tour solaire), où la vapeur générée est ensuite renvoyée vers l’HRSG. Un autre exemple est l’utilisation d’une tour solaire ou d’un système de miroirs paraboliques pour chauffer l’eau d’alimentation ou compléter la vapeur de chaudière dans une centrale à turbine à vapeur de type Rankine fonctionnant au charbon. Un autre exemple encore est le cycle combiné solaire hybride (SHCC), également appelé turbine à gaz solaire hybride (HSGT), où l'ajout de chaleur du cycle de Brayton de la turbine à gaz via la combustion est complété par l’énergie thermique solaire.
Le SHCC peut être considéré comme un type particulier d’ISCC, avec une intégration entre les technologies solaire et thermique qui se déplace vers le cycle de surchauffe, bien qu'ils soient traités comme deux systèmes distincts et étudiés séparément. Il existe également des propositions d'injection de chaleur thermique solaire entre les cycles de Brayton et de Rankine. Pour une compréhension approfondie des technologies CSP existantes, il est recommandé de se référer aux travaux de Kalogirou. Un récapitulatif concis de la technologie des centrales thermiques augmentées au solaire et de la littérature pertinente peut également être trouvé dans les références disponibles.
L'intégration solaire-combinée dans le cadre d’une centrale ISCC représente une technologie disponible, bien qu’encore en développement et non totalement mature. Les variantes comme le SHCC et la réchauffe des gaz d’échappement de la turbine à gaz présentent des défis techniques importants, comme la conception de récepteurs volumétriques à haute pression et température pour chauffer l'air comprimé dans le SHCC. Ces systèmes nécessitent encore de nombreux développements avant de pouvoir attirer l'attention des développeurs, des fabricants d'équipements d’origine (OEM) et des ingénieurs responsables de la conception, de l'approvisionnement et de la construction (EPC). En raison de ces défis, ces concepts ne sont pas abordés ici, ce qui est principalement destiné aux ingénieurs praticiens.
L’interaction entre les centrales CSP et GTCC peut être simplifiée en deux flux d'eau/vapeur principaux : le premier étant l'eau d’alimentation de la chaudière provenant du HRSG vers le générateur de vapeur solaire à température et pression spécifiques, et le second étant la vapeur saturée ou surchauffée du générateur de vapeur solaire vers le HRSG. Ces systèmes hybrides offrent ainsi une approche pratique pour intégrer l'énergie solaire à une infrastructure énergétique existante, tout en faisant face aux défis technologiques, économiques et opérationnels qu'implique cette intégration.