Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles à oxycombustion

Généralités

Réaliser une oxy-combustion consiste à remplacer le comburant habituel, à savoir l'air, mélange principalement d'oxygène et d'azote (resp. 21 % et 78 % en volume) par de l'oxygène pur. Les techniques d'oxycombustion permettent à la fois d'obtenir des fumées composées presque exclusivement d'eau et de gaz carbonique, et de réduire très fortement les émissions d'oxyde d'azote. Il s'agit de technologies déjà utilisées dans l'industrie, notamment verrière et sidérurgique.

La séparation du CO2 et de H2O se fait ensuite très simplement par simple condensation de l'eau, et l'absence d'azote permet de plus de réduire fortement les émissions de NOx et le volume des fumées.

Les rendements des cycles présentés ci-dessous sont généralement supérieurs à ceux que l'on obtient en réalisant des combustions avec de l'air, mais il ne faut pas oublier qu'ils ne tiennent pas compte du travail nécessaire à la production de l'oxygène pur, qu'il faudrait réintégrer dans le bilan global.

En effet, malgré leurs avantages, ces technologies n'ont jusqu'ici quasiment pas été employées pour la génération d'électricité compte tenu des difficultés et des coûts induits par la production d'oxygène. Plusieurs solutions techniques existent, mais la plus développée aujourd'hui, appelée Unité de Séparation d'Air, consiste à séparer l'oxygène et l'azote de l'air par voie cryogénique, opération à la fois coûteuse et consommatrice d'énergie.

Quatre dispositifs d’oxycombustion utilisant cette technique de séparation ont été récemment proposés : les cycles dits "Oxyfuel" et "Water cycle" et ceux de Graz et de Matiant, qui sont présentés dans cette fiche.

Ce procédé n'est toutefois pas le seul, et des innovations sont actuellement à l'étude, comme par exemple l'utilisation de membranes perméables à l'oxygène (tel le cycle AZEP qui fait l'objet d'une fiche guide de TD) ou l'utilisation d'un transport de l'oxygène par voie chimique en réalisant en présence d'air un oxyde métallique, qui est ensuite réduit avant combustion (on parle alors de Chemical Looping Combustion (CLC)).

Cycle à oxygène Oxy-fuel

On dispose, en entrée du condenseur, de fumées contenant CO2 et H2O, à une pression de 1 bar. Elles sont refroidies par une source froide externe, jusqu'à une température suffisamment basse pour que presque toute l'eau soit condensée. L'eau condensée est extraite du cycle.

Cycle oxy-fuel

En sortie de condenseur, une fraction du gaz composé principalement de CO2 est extraite, le débit restant, égal à 35 kg/s, étant comprimé jusqu'à la pression de 40 bars dans un compresseur, avant d'être mélangé à de l'oxygène pur (environ 4,4 kg/s). Ce mélange est ensuite utilisé comme comburant dans la chambre de combustion stoechiométrique dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant voisine de 1350 °C.

Les fumées sont détendues dans une turbine jusqu'à 1 bar, puis refroidies dans un générateur de vapeur récupérateur avant d'entrer dans le condenseur, fermant ainsi le cycle.

Un cycle à vapeur, travaillant entre les pressions de 0,03 bar et de 150 bars et 530 °C et mettant en jeu un débit d'eau de 10 kg/s, est couplé au cycle précédent pour former un cycle combiné.

Synoptique du cycle OxyFuel

Cycle à eau Water cycle

On dispose, en entrée du condenseur (9), de fumées contenant CO2 et H2O, à une pression de 0,1 bar. Elles sont refroidies par une source froide externe, jusqu'à une température suffisamment basse pour que presque toute l'eau soit condensée. L'eau condensée (1) est comprimée à 4 bars (2), et l'excédent par rapport à 125 kg/s est extrait du cycle. En sortie du séparateur, le gaz composé principalement de CO2 est extrait.

Water cycle

L'eau liquide est comprimée à 83 bars (3) avant son entrée dans le récupérateur (en fait un générateur de vapeur), dont elle sort à la saturation à 300 °C environ, à l'état de liquide (4).

L'eau est mélangée à de l'oxygène pur (environ 33 kg/s), le mélange servant de comburant dans une première chambre de combustion (stœchiométrique) dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant de l'ordre de 900 à 1000 °C (5). Lors de la modélisation, on prendra garde à ce qu'il est impossible de mélanger l'oxygène avec l'eau liquide pour former de la vapeur, car on ne dispose pas de suffisamment d'enthalpie dans l'oxygène pour assurer la vaporisation de l'eau. Dans la réalité, cette énergie est prélevée sur la chaleur disponible dans la chambre de combustion. On pourra soit, comme indiqué sur le schéma Thermoptim proposé ci-dessous, bâtir un thermocoupleur entre la chambre de combustion et la transfo "vaporiseur", soit modéliser  l'ensemble comme une transfo combustion suivie par une transfo échange destinée à vaporiser l'eau avant mélange avec l'oxygène.

Les gaz brûlés sont détendus dans une turbine haute pression jusqu'à la pression de 8,3 bars (6), puis mélangés à de l'oxygène pur (environ 25 kg/s). Ce mélange est ensuite utilisé comme comburant dans une deuxième chambre de combustion, elle aussi stoechiométrique, dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant l'ordre de 1200 à 1300 °C (7). Les fumées sont détendues dans une turbine basse pression jusqu'à la pression de 0,1 bar (8), puis refroidies dans le générateur de vapeur, fermant ainsi le cycle.

Synoptique du Water cycle

Cycle de Graz

Dans le cycle de Graz, on dispose, en entrée du condenseur, de fumées contenant CO2 et H2O. Elles sont refroidies par une source froide externe, jusqu'à une température suffisamment basse pour que presque toute l'eau soit condensée. L'eau condensée est comprimée à 12 bars, et l'excédent par rapport à 110 kg/s est extrait du cycle.

Cycle de Graz

En sortie de condenseur, le gaz composé principalement de CO2, à une pression égale à 0,25 bar, est comprimé jusqu'à la pression de 40 bars dans un compresseur à trois étages à refroidissements intermédiaires (C1, C2 et C3). Une fraction du CO2 est extraite après C2, le débit restant étant égal à 200 kg/s. Les refroidissements intermédiaires se font par échange avec l'eau liquide, qui est comprimée à 180 bars avant son entrée dans le générateur de vapeur récupérateur (GVR sur le schéma), dont elle sort à l'état surchauffé et à 560 °C.

Le gaz en sortie de C3 est mélangé à de l'oxygène pur (environ 0,5 kg/s) et à la vapeur sortant de la turbine H2O T, le mélange servant de comburant dans la chambre de combustion (stœchiométrique) dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant égale à 1328 °C.

Les gaz brûlés sont détendus dans une turbine haute pression jusqu'à la pression de 1 bar, puis refroidis dans le générateur de vapeur récupérateur. Ils sont enfin détendus dans une turbine basse pression jusqu'à la pression de 0,25 bar, puis refroidis dans le condenseur, fermant ainsi le cycle.

Un modèle Thermoptim d'un cycle de Graz est proposé ci-dessous.

Synoptique du cycle de Graz

Cycle de Matiant

Au point 1, un gaz composé principalement de CO2, à une pression que nous supposerons initialement égale à 1 bar, est comprimé jusqu'à la pression de 110 bars (point 2) dans un compresseur à quatre étages à refroidissements intermédiaires à 30 °C.

Une fraction du CO2 est alors extraite, le débit restant, égal à 50 kg/s, étant réchauffé dans un régénérateur (point 3), avant d'être mélangé à de l'oxygène pur (environ 2,5 kg/s). Ce mélange est ensuite utilisé comme comburant dans une première chambre de combustion dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant égale à 1300 °C (point 4).

Cycle de Matiant

Les gaz brûlés sont détendus dans une turbine haute pression jusqu'à la pression de 40 bars, puis mélangés à de l'oxygène (environ 5 kg/s). Ce mélange (point 5) est ensuite utilisé comme comburant dans une deuxième chambre de combustion dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant égale à 1300 °C (point 6). Les fumées sont détendues dans une turbine basse pression jusqu'à la pression de 1 bar (point 7), puis refroidies dans le régénérateur jusqu'au point 8.

Elles sont ensuite refroidies par une source froide externe, jusqu'à une température suffisamment basse pour que presque toute l'eau soit condensée. L'eau condensée est extraite du cycle, tandis que le gaz résiduel principalement composé de CO2, dont le débit-masse est supérieur à 1 kg/s, entre dans le compresseur multi-étagé, fermant le cycle.

Synoptique du cycle de Matiant

Cycle AZEP

Schéma de la membrane

Dans un tel cycle(figure ci-dessous), de l'air est aspiré par le compresseur d'une turbine à gaz modifiée, où la chambre de combustion est remplacée par une enceinte à deux compartiments séparés par une membrane en céramique perméable à l'oxygène (Mixed ionic-electronic conducting MIEC membrane). Dans l'une des enceintes, l'air est appauvri en oxygène du fait de la différence de pression partielle en oxygène entre les deux milieux. Dans l'autre, se déroule la combustion de cet oxygène avec un combustible, en présence d'un gaz inerte qui n'est autre qu'une recirculation des gaz brûlés, composés principalement de CO2 et d'H2O, plus des gaz inertes si le combustible en contient.

Cycle AZEP

A haute température (supérieure à 700 °C), la membrane céramique (figure ci-dessus) est un conducteur mixte ionique et électronique, qui laisse passer simultanément des ions O2- et des électrons, l'oxygène étant adsorbé en surface.

L'air appauvri est détendu dans une turbine, puis utilisé comme source chaude pour un cycle à vapeur. La partie des gaz brûlés qui n'est pas recirculée est détendue dans une turbine, puis utilisée elle aussi comme source chaude pour le cycle à vapeur, avant d'être condensée pour extraction de l'eau. Le CO2 restant peut alors être capturé. La partie des gaz brûlés qui est recirculée est préalablement légèrement refroidie pour assurer la préchauffe de l'air.

La plus grande partie des gaz sortant de la chambre de combustion est recyclée, afin en particulier que la fraction molaire moyenne d'oxygène dans le comburant reste suffisamment faible pour que l'oxygène puisse traverser la membrane.

Bien que ce ne soit pas la seule solution possible, le générateur de vapeur peut être scindé en deux parties, l'une chauffée par l'air appauvri, et l'autre par les gaz brûlés.

Le synoptique Thermoptim d'un tel cycle est donné figure ci-dessous. Il conduit aux performances suivantes : puissance 360 MW, efficacité brute 49 %.

Une fiche-guide de TD propose la modélisation de ce cycle.

Cycle CLC

De l'air (environ 50 kg/s) est comprimé (1-2) entre 15 et 20 bars par le compresseur d'une turbine à gaz modifiée, où la chambre de combustion est remplacée par une enceinte à deux compartiments entre lesquels circule un oxyde métallique comme NiO, grâce à un lit fluidisé circulant. Dans l'une des enceintes, l'air est appauvri en oxygène (2-3) du fait de l'oxydation du métal. Dans l'autre, l'oxyde est réduit et l'oxygène dégagé brûle avec un combustible (9-10).

Cycle CLC

L'air appauvri (fraction molaire d'oxygène voisine de 0,14) est détendu dans une turbine (3-4), puis utilisé comme source chaude (4-5) pour un cycle à vapeur (6-7). Les gaz brûlés sont eux aussi détendus dans une turbine (10-11), puis utilisés comme source chaude (11-12) d'une part pour préchauffer le combustible (8-9), et d'autre part (non représenté sur la figure ci-dessus pour ne pas la surcharger) comme source chaude pour le cycle à vapeur, avant d'être condensés pour extraction de l'eau. Le CO2 restant peut alors être capturé.

Bien que ce ne soit pas la seule solution possible, le générateur de vapeur peut être scindé en deux parties, l'une chauffée par l'air appauvri, et l'autre par les gaz brûlés, avec une réchauffe.

Le synoptique Thermoptim d'un tel cycle est donné dans la figure ci-dessous. Il conduit aux performances suivantes : puissance 354 MW, efficacité brute 49,8 %.

Le modèle du réacteur que nous avons utilisé ici est purement global et aurait besoin d'être affiné. Il considère que l'on se donne la température et la composition de l'air appauvri. Il devient alors possible de déterminer le débit d'oxygène transféré entre les deux compartiments du réacteur.

Fiches-guides de TD

La seule fiche-guide de TD concerne le cycle AZEP .

Exercices et activités personnelles

A titre d'exercice vous pouvez modéliser quelques cycles présentés ci-dessus. Leurs corrigés succincts vous fourniront les fichiers Thermoptim correspondants ( Oxy-fuel , Water cycle , Graz , Matiant CLC ).

Références

H. M. KVAMSDAL, O. MAURSTAD, K. JORDAL, AND O. BOLLAND, Benchmarking of gas-turbine cycles with CO2 capture, GHGT-7, Vancouver, 2004

BOLLAND O., KVAMSDAL H. M., BODEN J. C., A thermodynamic comparison of the oxy-fuel power cycles water-cycle, graz-cycle and matiant-cycle, Power generation and sustainable development (Liège, 8-9 October 2001), pp. 293-298,

Site du Cycle de Graz

Dans ces modèles, le dispositif de condensation de l'eau contenue dans les gaz de combustion (et qui permet de séparer le CO2) est basé sur l'un des deux modèles ColdBattery ou DehumidifyingCoil de la modélothèque.

Le premier est un modèle simplifié, qui comporte deux paramètres, la température de l'eau, et l'efficacité d'extraction de l'eau, qui représente le pourcentage (en volume) de l'eau condensée par rapport à l'eau entrante. Le second un modèle précis, dont le paramètre est l'efficacité epsilon de la batterie froide

copyright R. Gicquel

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)