Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles organiques de Rankine (ORC)

Introduction

Les cycles organiques de Rankine (Organic Rankine Cycle, ORC, en anglais) sont des variantes des cycles à vapeur à eau, qui sont utilisés lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire de la puissance mécanique est à basse ou moyenne température.

Dans ces conditions, les performances des cycles à vapeur d'eau se détériorent, et il devient préférable de recourir à d'autres fluides thermodynamiques.

Comme beaucoup de ceux-ci sont de nature organique, on a coutume de qualifier ces cycles d'organiques, mais d'autres types de fluides, comme par exemple l'ammoniac ou le dioxyde de carbone, peuvent être employés.

Dans ces cycles, on utilise un fluide condensable qui est refroidi à une pression et une température suffisantes pour qu'il soit entièrement liquéfié avant compression. Dans ces conditions, le travail de compression devient quasiment négligeable devant le travail de détente (alors qu'il en représente environ 60 % dans une turbine à gaz). Le liquide comprimé est vaporisé et éventuellement surchauffé dans la chaudière par échange thermique avec la source chaude, puis détendu et condensé. L'état diphasique du fluide lors des phases de condensation et de vaporisation est très favorable pour les échanges de chaleur.

S'il n'y a pas de surchauffe, on parle de cycle de Rankine, et s'il y en a une, de cycle de Hirn.

Le schéma de principe d'un cycle organique de Rankine simple est donné figure ci-dessous. Il montre qu'une telle installation comprend quatre composants, traversés par le même débit de fluide :

Schéma d'un cycle ORC

Dans les grandes installations, la machine de détente est généralement une turbine. Dans les moyennes, on utilise de préférence des machines à vis, et, pour les toutes petites puissances, des scrolls.

Pour des explications détaillées sur le fonctionnement de ce type de cycle et ses variantes, référez-vous à la page du portail sur les cycles à vapeur à eau.

Architecture des cycles

Le cycle le plus simple est celui qui a été présenté ci-dessus, mais, comme pour le cycle à vapeur d'eau, des architectures plus complexes peuvent être utilisées, mettant en oeuvre les mêmes principes : régénération et réchauffes. La figure ci-dessous présente un cycle avec régénération.

Dans ce cycle, la vapeur sort de la turbine en 4, à l'état surchauffé. On récupère l'énergie correspondant à la désurchauffe (4 - 4bis) pour préchauffer le liquide condensé avant entrée dans le générateur de vapeur (2 - 2 bis).

Schéma d'un cycle ORC à régénération

De surcroît, les cycles ORC peuvent être associés à d'autres cycles, pour former des cycles combinés ou mixtes. La page du portail relative aux installations géothermiques en donne plusieurs exemples.

Signalons aussi que les cycles ORC peuvent être supercritiques. Les cycles au CO2 présentés dans une autre fiche thématique en sont un exemple.

Enfin, les cycles de Kalina peuvent aussi être considérés comme des cycles ORC.

A titre d'exemple, les figures ci-dessous montrent le schéma et le synoptique d'un cycle géothermique ORC, dit binaire, modélisé avec Thermoptim. On a supposé que l'on dispose de 310 kg/s d'eau chaude à l'état de liquide sous-refroidi à la température de 169 °C et à la pression de 20 bars.

Cette eau sert à vaporiser avec une très légère surchauffe (2 °C) du butane qui est ensuite détendu dans une turbine et condensé, comme indiqué plus haut. La puissance mécanique produite est de 18,9 MW.

Centrale géothermique binaire
Synoptique d'une centrale géothermique binaire

Applications des cycles ORC

Les cycles ORC suscitent un intérêt croissant dans le monde depuis la fin des années 1980, pour trois principales classes d'applications, qui représentent l'essentiel des réalisations, en terme de puissance installée et de nombre d'installations :

  • les centrales géothermiques ;

  • les installations de combustion de biomasse ;

  • la récupération de chaleur sur des effluents.

Les figures ci-dessous, extraites de la présentation Application of Organic Rankine Cycles (ORC), par A. Rettig & al., à la World Engineer's Convention de Genève de septembre 2011, fournissent quelques éléments quantitatifs. La figure de gauche donne la répartition de la puissance installée dans le monde, et celle de droite le nombre d'installations, classées par niveau de température (axe des ordonnées) et niveau de puissance (axe des abscisses).

Installations ORC dans le monde

Un nombre croissant d'industriels fabrique et installe des centrales ORC, notamment dans les pays anglo-saxons.

Fluides pour cycles ORC

Comme le montre la figure de droite précédente, les cycles ORC sont utilisés avec des sources chaudes de températures très différentes, de 100 à 350 °C environ. Au-dessus de 350 °C, les cycles à vapeur d'eau sont généralement les plus performants, et en dessous de 100 °C, sauf cas exceptionnels comme les cycles OTEC ou les étangs solaires, le rendement du cycle est si faible que la conversion en énergie mécanique de la puissance thermique de la source chaude ne se justifie pas économiquement.

Cette large gamme de températures a une incidence directe sur la sélection des fluides thermodynamiques, mais ce n'est pas le seul critère, loin de là. Pour une analyse plus poussée de la question, référez-vous à la page du portail qui traite de ce sujet.

Pour les cycles ORC, on a coutume de distinguer trois types de fluides : les fluides secs, les fluides isentropiques et les fluides humides.

Cette distinction se fait par la valeur de la pente δ de la détente dans le diagramme entropique, définie par δ=dS/dT sur la courbe de saturation vapeur.

  • si δ>0, le fluide est dit « sec » ;

  • si δ=0, le fluide est dit « isotropique » ;

  • si δ<0, le fluide est dit « humide ».

Concrètement, la courbe de saturation vapeur des fluides « secs » possède une pente positive ; celle des fluides «isentropiques » une pente infinie et les fluides « humides » ont une pente négative. Cela se traduit par les trois formes des courbes de saturation représentées dans la figure ci-dessous (fluide sec à gauche, isentropique au milieu, et humide à droite).

Pentes de détente dans le diagramme entropique

Pour les cycles ORC, on préfère généralement des fluides « isentropiques » ou « secs ». Remarquons toutefois qu'un fluide du type « sec » n'est pas forcément le fluide parfait,car il peut rester fortement surchauffé après détente. On doit alors envisager d'utiliser un régénérateur pour récupérer cette puissance thermique en désurchauffant le fluide jusqu'à la saturation, mais cela peut présenter des difficultés technologiques et induire des surcoûts.

La littérature récente comporte de nombreuses publications sur le choix du fluide optimal pour un cycle ORC donné, mais nous recommandons une certaine prudence quant à la confiance à accorder aux résultats annoncés, car très souvent les modèles des proprététés thermodynamiques retenus sont imprécis et les architectures de cycles simplifiées.

Pour une discussion sur ce sujet, référez-vous aux pages du portail qui présentent les modèles de fluides correspondant aux équations d'état cubiques et aux fluides associatifs.

Optimisation des cycles ORC

L'optimisation des cycles ORC peut se révéler un problème très complexe. C'est notamment le cas pour certaines installations géothermiques ou de récupération d'énergie sur des effluents.

Le problème se pose en effet alors de la manière suivante : la source chaude se présente sous forme d'un certain débit de fluide géothermique ou d'effluents, à une température donnée, et l'optimisation de l'installation conduit généralement à chercher à refroidir le plus possible cette source chaude, tout en maximisant la puissance mécanique produite par le cycle ORC.

Il s'agit d'un problème couplé, la maximisation du rendement du cycle ORC seul conduisant souvent à ne pas refroidir complètement la source chaude, du fait de l'existence d'un pincement au niveau de la sortie de l'économiseur du générateur de vapeur.

Cette problématique est exposée dans la page du portail qui analyse l'impact du pincement sur les performances d'un générateur de vapeur et la méthode qui permet d'aborder ce type de problème est présentée dans celle relative à l'intégration thermique.

copyright R. Gicquel

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