Cycles combinés, cogénération
Troisième module
Dans le troisième module, vous commencez par poursuivre l'application des réflexions des semaines précédentes aux systèmes énergétiques hybrides très performants que constituent les cycles combinés et les installations de cogénération.
Son volume horaire est d'environ 3 h de travail, dont 45 mn de vidéos.
Thème 1 : Systèmes énergétiques hybrides
Cycles combinés
Le principe d'un cycle combiné consiste à faire fonctionner en cascade une ou plusieurs turbines à gaz, suivies d'une centrale à vapeur dont la source chaude est la source froide des turbines à gaz .
Remarques
Le modèle de cycle combiné que nous avons présenté comporte deux circuits fluides séparés, couplés par un échangeur de chaleur, le générateur de vapeur récupérateur GVR.
Une fois le modèle de turbine à gaz déterminé, le paramétrage du modèle du cycle à vapeur dépend essentiellement de la valeur des pincements dans le GVR.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Exploration dirigée C-M3-V1
Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V1 Cycles combinés et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Bilan exergétique du cycle combiné
La manière dont ce bilan peut être établi et la structure productive correspondante sont expliquées dans l'exploration dirigée BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles.
Le bilan exergétique de ce cycle est donné dans le tableau ci-dessus. Son rendement exergétique (45 %) a significativement augmenté par rapport à celui de la turbine à gaz de référence (33,5 %) étudiée précédemment.
Les irréversibilités principales se situent toujours dans la chambre de combustion (61 %). Les autres pertes se répartissent de manière assez équilibrée entre les divers composants et à l'échappement. Par ordre décroissant, elles prennent place dans le compresseur d'air, la turbine à gaz, la turbine à vapeur, l'économiseur, le vaporiseur, le surchauffeur, à l'échappement et dans le condenseur.
Les irréversibilités dans les turbomachines représentent 22,5 % du total. Les constructeurs poursuivent leurs efforts pour les réduire et des progrès très importants ont déjà été réalisés au cours des dernières décennies. Par conséquent les possibilités d'amélioration sont de plus en plus faibles.
Les pertes dans le GVR et celles à l'échappement sont liées, comme nous l'avons vu précédemment. Elles représentent 11,4 % et 7 % des irréversibilités. Leur réduction est donc un enjeu important. L'échange de chaleur idéal correspondrait au cas où la courbe de refroidissement du gaz et celle de l'eau de chauffage seraient parallèles. L'échangeur de chaleur fonctionnerait alors à contre-courant et l'irréversibilité serait minimale. Ceci est malheureusement irréalisable avec de l'eau, et le cycle à un seul niveau de pression comporte de fortes irréversibilités internes.
Vous trouverez des compléments sur les cycles combinés dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.
La méthode du pincement permet d'optimiser la conception des générateurs de vapeur récupérateurs.
L'exploration dirigée OPT-2 porte sur l'application la méthode du pincement à l'optimisation d'un cycle combiné à deux niveaux de pression.
Installations de cogénération
Vous trouverez une présentation des installations de cogénération dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Le détail du paramétrage de la cogénération à moteur à gaz présentée est expliqué dans l'exploration dirigée C-M3-V2.
Extrait sur les indicateurs de cogénération
Remarques
L'électricité se transporte beaucoup mieux que la chaleur. C'est la raison pour laquelle la plupart des installations de cogénération ont pour fonction principale de fournir de la chaleur, et pour fonction secondaire de produire de l'électricité.
Elles sont installées dans des sites où il y a des besoins de chaleur, et exportent l'électricité qu'elles produisent en complément.
Exploration dirigée C-M3-V2
Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V2 Cogénération et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Cogénération par micro-turbine à gaz
Une micro-turbine à gaz est une turbine à gaz de petite puissance (quelques dizaines de kW), fonctionnant généralement avec un faible rapport de compression et avec un régénérateur pour en améliorer les performances.
Dans l'installation qui nous intéresse, une micro-turbine de 100 kW est utilisée pour porter 1,82 kg/s d'eau de 70 à 90 °C. La turbine aspire 0,78 kg/s d'air qui est comprimé à 5 bar, puis passe dans un régénérateur avant d'être porté à 950 °C dans la chambre de combustion brûlant du gaz naturel. Les gaz sont détendus jusqu'à la température de 650 °C puis traversent successivement le régénérateur et l'échangeur de cogénération. Un compresseur de gaz est nécessaire pour rehausser la pression du gaz naturel du réseau.
La séance Diapason S46 présente une installation de petite puissance à micro turbine à gaz.
S46 | 5 | 2 mn 30 s |
Son rendement global est proche de 82 % : environ 125 kW de puissance électrique, et 153 kW de chaleur, pour une consommation de 340 kW de combustible. Le rendement mécanique vaut 36,7 %, et le rapport chaleur-force 1,23.
Bilan exergétique
Le rendement exergétique ne vaut que 47 %, c'est-à-dire la moitié du rendement global de cogénération. Ceci s'explique entre autres par de fortes irréversibilités dans les échangeurs de chaleur, qui travaillent avec des différences de température moyennes logarithmiques importantes (60 °C pour le régénérateur, et 73 °C pour l'échangeur de cogénération).
Le bilan exergétique présente comme toujours l'intérêt de bien mettre en évidence la répartition des irréversibilités : plus de la moitié dans la chambre de combustion, et environ 11 et 12 % dans chacun des deux échangeurs, qui, comme on vient de le voir, ne sont pas optimisés. Les pertes à l'échappement sont en revanche plus faibles (8,8 %).
Cogénération industrielle par turbine à gaz
La troisième installation de cogénération que nous présentons est beaucoup plus complexe, et d'une puissance plus élevée : elle produit de l'électricité et fournit de la chaleur au réseau de chauffage urbain d'une ville de 30 000 habitants. C'est une installation de type « chaleur-force », où la chaleur constitue le produit de base, l'électricité étant un sous-produit revendu à EDF permettant de mieux valoriser le combustible.
Le réseau de chauffage est un circuit d'eau sous pression dont la température est comprise entre environ 90 °C et 130 °C. Le circuit part de la centrale à sa température maximale, puis il parcourt la ville et alimente des sous-stations d'échanges elles-mêmes destinées à assurer le chauffage et/ou le réchauffage d'eau sanitaire d'habitations, d'immeubles, d'hôpitaux, de groupes scolaires... Enfin il revient à la centrale à sa température minimale, pour être réchauffé.
Les besoins en chaleur de la ville varient au cours de l'année en fonction des conditions climatiques. La centrale doit s'adapter à ces besoins et moduler la puissance thermique qu'elle fournit au réseau.
La séance Diapason S47 présente cette installation de grande puissance à turbine à gaz.
S47 | 7 | 3 mn 40 s |
Trigénération
On parle de trigénération pour désigner les procédés visant à produire simultanément de la puissance mécanique (généralement de l'électricité), de la chaleur et du froid.
La trigénération est en quelque sorte une généralisation de la cogénération.
Pour que l'on puisse recourir à la trigénération, il faut impérativement que l'on ait besoin au même endroit de chaleur et de froid, ce qui est assez rare, et que l'on dispose d'un système de production d'électricité.
Si vous souhaitez étudier une installation de trigénération, vous pouvez travailler à partir de la fiche-guide de travaux dirigés n°12, dont le sujet et le corrigé sont fournis. Toutefois, le cours sur les machines à absorption n'est prévu que dans le module 6. Il serait donc préférable que vous attendiez de l'avoir suivi pour effectuer ce travail.
Nous nous intéressons ici à une installation de trigénération où les gaz sortant d'une micro-turbine de 125 kWe sont utilisés d'une part pour fournir la chaleur nécessaire au désorbeur d'une machine à absorption LiBr-H2O, et d'autre part pour produire 0,5 kg/s d'eau chaude sanitaire à 80 °C environ.
La turbine aspire 0,78 kg/s d'air qui est comprimé à 5 bars, puis passe dans un régénérateur avant d'être porté à 950 °C dans la chambre de combustion brûlant du gaz naturel. Les gaz sont détendus jusqu'à la température de 650 °C puis traversent successivement le régénérateur, le désorbeur et l'échangeur de cogénération. Un compresseur de gaz est nécessaire pour rehausser la pression du gaz naturel du réseau GDF. Il s'agit d'une variante de l'exemple de cogénération à micro-TAG étudié précédemment.
Dans le synoptique de la figure ci-dessous, on a comptabilisé dans l'énergie utile non seulement les travaux de compression et de détente, mais aussi l'énergie frigorifique et l'énergie thermique fournie au circuit d'eau, ce qui conduit, pour les conditions d'utilisation retenues, à un rendement global de près de 78 % qui correspond à environ 125 kW de puissance électrique, 176 kW de chaleur apportée au désorbeur, fournissant 127 kW de puissance frigorifique, et 40 kW de chaleur pour l'ECS, pour une consommation de 375 kW de combustible. Le rendement mécanique vaut 32,7 %, et le rapport chaleur-force 1,76. Le COP du cycle à absorption à simple effet est quant à lui égal à 0,72.
Connaissances acquises
Grâce à ce programme, à la fin du module :
vous saurez paramétrer un cycle combiné à 1 niveau de pression
vous connaîtrez les principales variantes des installations de cogénération et les indicateurs de performance utilisés pour les caractériser
vous aurez étudié une installation de trigénération
