Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles à énergie thermique des mers

Généralités

L'énergie thermique de la mer est une forme d'énergie solaire indirecte résultant du gradient thermique existant entre la surface des mers chaudes et l'eau profonde, qui permet d'actionner un cycle thermodynamique à bas écart de température. On parle de conversion de l'énergie thermique des mers (ETM), ou en anglais d'ocean thermal energy conversion (OTEC). Les dispositifs de conversion en sont encore, dans ces deux cas, au stade de prototypes.

Conversion de l'énergie thermique des mers

Les cycles ETM ou OTEC ont pour vocation de générer de l'électricité dans les eaux chaudes tropicales en utilisant la différence de température entre les eaux de surface (26-28 °C) et en profondeur (4 à 6 °C) à partir de 1000 m (figure ci-dessous).

Deux grands types de cycles sont utilisés : les cycles fermés et les cycles ouverts, inventés par deux Français, respectivement Jacques d'Arsonval en 1881 et son élève Georges Claude en 1940, qui procéda à une première réalisation.

Dans tous les cas, la nécessité de véhiculer de très grands débits et de pomper l'eau froide à très grande profondeur induit des consommations d'auxiliaires importantes. L'optimisation d'un cycle OTEC doit impérativement prendre en compte ces valeurs.

Quoique techniquement valides, les cycles OTEC ne sont pas encore rentables sur le plan économique. Des prototypes de diverses puissances sont envisagés, notamment à Hawaï et à Tahiti.

Cycles OTEC fermés

Les cycles fermés utilisent les eaux chaudes à environ 26 °C pour faire évaporer un liquide qui bout à très basse température, tel que l'ammoniac ou un fluide organique. La vapeur produite entraîne une turbine, puis est condensée par échange thermique avec de l'eau froide à environ 4 °C provenant des couches profondes de l'océan.

Le cycle thermodynamique est analogue à celui d'un cycle de centrale à vapeur d'eau, excepté pour le fluide de travail (figure ci-dessous). Le dimensionnement des échangeurs de chaleur est bien évidemment critique compte tenu du très faible écart de température entre les sources chaude et froide. Les valeurs des pincements doivent être aussi faibles que possible tout en restant réalistes.

Cycle OTEC fermé

Un modèle possible sous Thermoptim de ce cycle est donné dans la figure ci-dessous. Son rendement est de 2,84 %.

Le débit d'eau chaude est ici égal à 27 tonne/s, sa température est de 26 °C, et la température de l'eau froide est égale à 4 °C.

Calculons pour ce cycle la valeur du rendement de Carnot, avec Tf = 4 + 273,15 = 277,15 °C et Tc = 26 + 273,15 = 299,15 °C : eta = 7,35 %. Le rendement réel est donc égal à environ 39 % du rendement théorique, ce qui n'est pas si mal que cela.

Cycle OTEC fermé dans Thermoptim

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (C-M1-V9).

Cycles OTEC ouverts

Dans les cycles ouverts, les eaux chaudes à environ 26 °C sont détendues dans une enceinte à basse pression (on parle de flash), ce qui permet d'en évaporer une petite fraction (de l'ordre de 5 %). La vapeur produite entraîne une turbine, puis est condensée dans une enceinte à très basse pression par échange thermique avec l'eau froide à environ 4 °C provenant des couches profondes de l'océan. Le condensat est de l'eau presque pure, qui peut être utilisée pour l'alimentation.

Le cycle ouvert présente donc l'avantage de produire à la fois de l'électricité et de l'eau douce, mais le très faible rapport de détente implique de mettre en œuvre des turbines de très grande dimension. Il met en jeu cinq éléments : un flash-évaporateur, une turbine, un condenseur, un bassin de collecte de l'eau de mer utilisée, et une pompe à vide.

La figure ci-dessous montre le fonctionnement du cycle. Il met en jeu cinq éléments : un flash-évaporateur, une turbine, un condenseur, un bassin de collecte de l'eau de mer utilisée, et une pompe à vide.

L'eau chaude est pompée en surface et portée à une certaine hauteur au point 1, puis elle est injectée dans l'évaporateur où règne une légère dépression déterminée par la hauteur de la colonne d'eau entre l'évaporateur et le bassin de collecte. Du fait de la différence de pression, l'eau subit un laminage isenthalpique et une petite fraction est vaporisée en 2, puis dirigée vers la turbine (2-3).

Dans le condenseur règne une pression inférieure à celle de l'évaporateur, assurée par la pompe à vide et la hauteur de la colonne d'eau entre le condenseur et le bassin de collecte.

La turbine détend la vapeur produite dans l'évaporateur en produisant de la puissance mécanique. La vapeur est ensuite condensée de 3 en 4 par échange avec l'eau froide, produisant ainsi de l'eau douce.

Les eaux de mer froide et chaude mélangées dans le bassin de collecte 8 sont réinjectées dans la mer à une profondeur d'une soixantaine de mètres.

Cycle ouvert OTEC à simple flash

Il est possible de modéliser un tel cycle avec Thermoptim, d'en calculer le rendement, et d'estimer les ordres de grandeur de dimensionnement du système (surfaces d'échange, sections de passage...), en n'oubliant pas de tenir compte de la puissance de pompage, a priori non négligeable.

Le synoptique obtenu pour un cycle mettant en jeu un peu plus de 6 t/s d'eau de surface est donné sur la figure ci-dessous. Il conduit à une production de 28 kg/s d'eau potable et une puissance de 1 300 kW.

Synoptique d'un cycle ouvert OTEC à simple flash

Il est aussi possible de modéliser un cycle plus complexe avec double flash, qui serait un peu plus performant et produirait davantage d'eau douce.

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