Comment le cycle Reynst-Gulen (R-G) diffère-t-il du cycle Brayton en termes de performances thermodynamiques ?

Le cycle Reynst-Gulen (R-G), bien qu'étant conceptuellement similaire au cycle Atkinson sur un diagramme T-s, présente des différences notables en termes de performances. Il s'agit d'un système thermodynamique dans lequel l'ajout d'énergie au fluide de travail (l'air, dans ce cas) se fait par deux processus distincts : l'élévation de température (via la chaleur ajoutée) et l'élévation de pression (par travail mécanique). Ces deux éléments sont essentiels pour comprendre les avantages du cycle R-G par rapport au cycle Brayton traditionnel.

Les cycles Brayton et R-G partagent des caractéristiques communes, notamment la relation identique de l'énergie (enthalpie) ajoutée et des valeurs de rapport de pression (PR) globales. Cependant, une différence clé réside dans le processus de combustion sous pression constante dans le cycle Brayton et sous volume constant dans le cycle R-G. Dans ce dernier, la montée de pression pendant le processus de chaleur ajoutée à volume constant (CVHA) modifie de manière significative les performances du cycle.

Dans un moteur fonctionnant selon le cycle R-G, la combustion et l'ajout d'énergie se font en deux étapes : la première est un transfert de chaleur à pression constante, et la deuxième est un travail effectué sur le fluide de travail sous une pression croissante, ce qui augmente simultanément la température et la pression. Le processus de combustion CVHA est modélisé par l'équation de Gibbs modifiée, où l'enthalpie (dh) dépend à la fois du changement de température et du travail effectué sur le fluide de travail, ce qui est différent du cycle Brayton où l'enthalpie varie uniquement en fonction de la chaleur ajoutée.

L'avantage majeur du cycle R-G réside dans le fait qu'il atteint une température moyenne d'ajout de chaleur plus élevée que le cycle Brayton, malgré des entrées thermiques et un rapport de pression global similaires. Ce phénomène découle du fait que la variation d'entropie dans le processus CVHA est plus faible que celle dans le processus de combustion à pression constante (CPHA). Ce phénomène entraîne un rendement thermique plus élevé dans le cycle R-G, ce qui le rend plus efficace pour un même apport d'énergie thermique.

Pour un moteur fonctionnant selon le cycle R-G, l'efficacité thermique peut être exprimée par une formule simplifiée, qui varie en fonction de la température maximale du cycle (T3) et du rapport de compression. L’efficacité thermique d’un moteur utilisant le cycle Reynst-Gulen peut ainsi surpasser celle du cycle Brayton, en particulier lorsque l’on tient compte de l’effet combiné de la montée en pression et de la température au sein du processus CVHA.

En ce qui concerne les performances de turbine à gaz, les résultats obtenus pour un cycle R-G avec une entrée thermique identique à celle du cycle Brayton montrent une amélioration notable de l’efficacité. Par exemple, dans une analyse effectuée pour une turbine de classe J, les résultats ont montré que, pour un rapport de pression de 23:1, le cycle R-G permet une meilleure conversion de l'énergie chimique du carburant en travail mécanique, avec une estimation de température d'entrée de turbine (TIT) de 1 676°C.

Cela étant dit, il convient de comprendre que la supériorité du cycle R-G ne réside pas uniquement dans l'élévation de température, mais dans la manière dont l'énergie est introduite dans le système. En effet, la capacité à exploiter simultanément la chaleur et le travail effectué sur le fluide de travail dans un processus à volume constant représente un saut technologique significatif par rapport aux cycles traditionnels.

Quelles sont les limitations et évolutions des turbines à vapeur dans les centrales thermiques modernes ?

Les turbines à vapeur modernes sont au cœur des centrales électriques classiques, en particulier dans les cycles combinés où la chaleur résiduelle d'une turbine à gaz est utilisée pour produire de la vapeur, optimisant ainsi l'efficacité énergétique. Cependant, la conception et le dimensionnement de ces turbines sont soumis à des contraintes techniques et environnementales de plus en plus strictes.

Les turbines à vapeur modernes, notamment celles conçues pour être couplées avec des turbines à gaz de classe F, G, H, et J, sont capables de supporter des pressions de vapeur très élevées, allant jusqu'à 190 bars pour les parties à haute pression (HP), et des températures de vapeur pouvant atteindre 600°C. Ces turbines sont capables de générer jusqu'à 600 MWe, avec des dimensions d'aubes de dernière étape pouvant atteindre 56 pouces. Les matériaux utilisés, comme le titane pour les aubes LSB, sont essentiels pour garantir la durabilité et l'efficacité des turbines, en particulier dans les environnements de fonctionnement extrêmes.

Dans ces turbines modernes, plusieurs innovations technologiques permettent une meilleure efficacité thermodynamique. Par exemple, la conception aérodynamique des aubes, réalisée en 3D, permet d’optimiser l’alignement et le comportement vibratoire, ce qui se traduit par une plus grande performance globale. Les systèmes de conception à double coque et les joints labyrinthes à ressorts entre la coque intérieure et l'arbre tournant permettent de limiter les pertes de pression et d'augmenter la durée de vie des composants en réduisant les risques d’usure et d’érosion causés par la condensation de la vapeur.

Si, historiquement, les turbines à vapeur étaient utilisées dans des centrales au charbon de grande capacité, leur rôle a beaucoup diminué, surtout avec la montée en puissance des préoccupations écologiques. Les émissions de CO2 et d’autres polluants provenant des centrales à charbon ont conduit à une réduction de l'utilisation de ce type de technologie, en particulier dans les pays développés. En 2021, les centrales au charbon représentaient moins de 20 % de la production d’électricité aux États-Unis, bien que le charbon demeure la principale source d'énergie dans plusieurs économies asiatiques. Ce changement s'explique par la recherche incessante de technologies plus propres et plus efficaces, notamment les cycles combinés et les sources d'énergie renouvelables.

Cela étant dit, les centrales thermiques à vapeur, notamment celles fonctionnant selon le cycle Rankine, continuent d’offrir une base solide pour comprendre la dynamique des cycles thermodynamiques dans les centrales électriques. Contrairement au cycle Brayton utilisé pour les turbines à gaz, où l'ajout de chaleur est une partie intégrante de la turbine elle-même, dans le cycle Rankine, la chaleur est apportée par un équipement externe, le chaudières. Ce type de centrale est donc appelé moteur à combustion externe, tandis que la turbine à vapeur en elle-même représente une partie seulement du système.

Ainsi, l'analyse des centrales à vapeur s'avère particulièrement utile pour évaluer les systèmes énergétiques dans leur ensemble. Cependant, au-delà de la simple mécanique des turbines, il est primordial de comprendre l'impact environnemental des différentes technologies utilisées, ainsi que l'interdépendance avec d'autres systèmes tels que les condensateurs ou les tours de refroidissement. En raison des pressions environnementales croissantes, l’évolution vers des cycles plus respectueux de l'environnement, avec notamment la captation du carbone, devient incontournable pour la durabilité des centrales thermiques à vapeur.

Comment la gestion de la vapeur dans les centrales à cycle combiné influence les performances et la durabilité des équipements

L'information se propage en amont, telle une onde acoustique, à travers les tuyaux de vapeur et les superchauffeurs HRSG jusqu'aux tambours de vapeur de l'évaporateur HRSG. L'élément clé dans ce processus est le tambour de vapeur haute pression (HP) avec ses parois épaisses. Ce qui est plus crucial que la pression de vapeur dans le tambour, c’est le taux d'augmentation, c'est-à-dire le rapport qP/qt, qui joue un rôle déterminant dans le maintien des contraintes thermiques sur les parois du tambour à un niveau acceptable.

Dans les anciens systèmes de dérivation où la vapeur HP était directement envoyée au condenseur, les tubes des superchauffeurs de réchauffage étaient "secs", c'est-à-dire qu’aucune vapeur ne circulait à travers eux. Ce système présentait plusieurs inconvénients. Tout d'abord, l'absence de refroidissement de la vapeur nécessitait l’utilisation de matériaux en alliage coûteux pour les tubes des superchauffeurs de réchauffage, augmentant ainsi le coût du HRSG. Ensuite, la longueur des conduites en alliage coûteuses reliant le HRSG au condenseur était également un inconvénient majeur. Pour comprendre ce deuxième inconvénient, il faut se référer à l’illustration d’un système de dérivation de vapeur en cascade, où chaque système de dérivation est caractérisé par une vanne de réduction de pression (vannes de throttling) et une station de pulvérisation d’eau attemperante, installée près du condenseur. Ce système injecte une quantité contrôlée d'eau dans le flux de vapeur afin d’éviter que la température ou l’enthalpie de la vapeur régulée ne dépasse les limites de conception du condenseur (environ 1200 Btu/lb ou les spécifications de l'OEM du condenseur).

Le tuyau de dérivation direct de la vapeur HP entre la sortie du superchauffeur et l’entrée du système de conditionnement de dérivation serait donc relativement long et coûteux en raison de la température élevée de la vapeur. Comme le montre le schéma, la vapeur HP, avant d’être introduite dans la turbine à vapeur, traverse les segments de tuyaux du système de dérivation de vapeur, passant par des sections de réchauffage (superchauffeur de réchauffage) avant de rejoindre le condenseur.

Les temps de démarrage des turbines à vapeur varient en fonction de la configuration de la centrale et de l'état de la machine. Dans certains projets récents de cycle combiné, les temps de démarrage pour des centrales avec HRSG à tambour conventionnel peuvent être beaucoup plus longs que ceux indiqués dans la documentation commerciale des OEMs. Par exemple, pour un démarrage à froid, les temps peuvent dépasser les 3 heures, comparé à la promesse publicitaire de moins de 1 heure. La raison de cette divergence réside dans la réalité opérationnelle de l’industrie, où il n'y a souvent pas de besoin commercial immédiat pour des démarrages ultra-rapides après une longue période d'inactivité. De plus, les exploitants préfèrent souvent démarrer lentement, en accord avec les permis environnementaux, afin de réduire les risques de stress thermique sur les composants.

Il est essentiel de comprendre que ces temps de démarrage, même s’ils peuvent sembler longs, sont en réalité optimisés pour éviter tout dommage à l’équipement et garantir la conformité aux normes environnementales. Les exigences modernes en matière de perméabilité des émissions (comme celles liées à la réduction catalytique sélective ou SCR) influencent également cette approche de démarrage progressif, car les turbines doivent respecter des normes strictes concernant leurs émissions polluantes tout au long du processus de mise en service.

Enfin, l’opération efficace d’une centrale à cycle combiné dépend d’un équilibre délicat entre la performance de la turbine à gaz, la gestion de la vapeur et le contrôle des températures. Une gestion appropriée des gradients thermiques et des pressions dans l’ensemble du système est cruciale non seulement pour l’efficacité énergétique mais aussi pour prolonger la durée de vie des équipements et minimiser les risques de pannes imprévues.

Comment les systèmes hybrides contribuent-ils à la transition énergétique et à la décarbonisation ?

La transition énergétique mondiale repose sur un changement radical des sources de production d'énergie, notamment par le biais de l'intégration des énergies renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie. Parmi les technologies en développement, les systèmes hybrides, qui combinent des générateurs fossiles avec des sources renouvelables et des dispositifs de stockage d'énergie, émergent comme une solution efficace pour assurer la stabilité du réseau tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.

La décarbonisation, qui constitue le cœur de cette transition, vise principalement à éliminer l'usage des combustibles fossiles dans la production d'énergie. Cela passe par la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2), un gaz à effet de serre majeur responsable du réchauffement climatique. Dans ce contexte, les solutions technologiques à la fois performantes et durables, telles que les turbines à gaz modernes couplées aux systèmes de stockage, jouent un rôle central. Ces technologies permettent de compenser les périodes d'absence des sources renouvelables en fournissant une puissance rapidement disponible et ajustable.

Les turbines à gaz, en particulier les modèles aéroderivés, sont des dispositifs particulièrement adaptés à cette tâche. Leur capacité à démarrer rapidement, à moduler leur puissance et à s'adapter à des cycles fréquents de mise en route et d'arrêt est essentielle pour gérer la demande d'électricité lorsque les ressources renouvelables ne suffisent pas. Ces turbines, telles que les séries LM de General Electric (GE) et les moteurs Trent de Rolls-Royce, sont conçues pour une réactivité élevée, pouvant passer de l'état froid à une pleine capacité en moins de vingt minutes, voire trente minutes pour des modèles plus grands en cycle combiné. Leur rôle principal dans les systèmes hybrides est de compléter l'offre en électricité en fonction de la demande, tout en contribuant à la régulation du réseau et à la fourniture d'une puissance de secours.

Les défis rencontrés par ces technologies hybrides ne sont cependant pas négligeables. Bien que les turbines à gaz et les systèmes de stockage d'énergie puissent améliorer la flexibilité du réseau, la transition vers un modèle énergétique décarboné nécessite également un investissement massif dans l'infrastructure de transmission et de stockage d'énergie. L'extension des réseaux électriques, accompagnée de solutions de stockage efficaces, est cruciale pour permettre une gestion optimale de l'énergie et garantir l'approvisionnement constant des utilisateurs finaux. L'importance de la modernisation de ces infrastructures est donc essentielle pour que l’électrification des secteurs industriels, résidentiels et du transport devienne une réalité viable à grande échelle.

Un autre élément fondamental est la diversification des sources d'énergie utilisées. Si le solaire et l'éolien jouent un rôle central dans la transition énergétique, leur efficacité dépend largement de l’intégration d’autres ressources faibles en carbone, telles que le nucléaire, et d'innovations technologiques comme le stockage sous forme d’air comprimé (CAES) ou de liquide d'air (LAES). Ces systèmes de stockage à grande échelle offrent des perspectives intéressantes pour gérer des périodes prolongées de faible production d’énergie renouvelable, mais restent encore à développer et à déployer sur une large échelle.

Enfin, l'avenir de la décarbonisation repose sur la réduction des émissions de CO2, mais aussi sur la diversification des stratégies de production d'énergie et sur l'évolution des comportements énergétiques des consommateurs. La combinaison de ressources renouvelables et de systèmes de stockage intelligents avec des technologies comme les turbines à gaz et l'électrification des secteurs industriels et de transport constitue une voie prometteuse vers un avenir plus durable et moins dépendant des énergies fossiles. L'intégration harmonieuse de ces technologies permettra de répondre à la demande croissante d'énergie tout en minimisant l'empreinte carbone de la production d'électricité.