Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les centrales thermiques permettent de transformer de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. Cet article reprend tout d’abord quelques rappels sur la thermodynamique des moteurs. Il s’attarde ensuite à présenter le fonctionnement des installations motrices des centrales thermiques (turbines à gaz et installations à vapeur). Pour terminer, une solution de couplage est proposée pour optimiser les rendements.
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André LALLEMAND : Ingénieur, docteur-ès-sciences - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
INTRODUCTION
La production d’électricité à des niveaux de puissance importants, plusieurs centaines de mégawatts, est faite à partir de la transformation de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. La conversion mécanique-électrique est du ressort des alternateurs, la conversion thermique-mécanique est l’œuvre des installations motrices à vapeur (IMV) ou des turbines à gaz (TAG), dites encore turbines à combustion (TAC). La transformation de l’énergie chimique en énergie thermique a lieu dans le générateur de vapeur (GV) des IMV ou dans le foyer de la turbine pour les TAC.
La compréhension basique du mode de fonctionnement de ces systèmes nécessite de faire un retour sur les notions de thermodynamique appliquée qui mettent en jeu les bilans énergétiques, les bilans entropiques et les cycles d’évolution du fluide utilisé comme fluide thermodynamique ou de travail : eau dans le cas des IMV, air et fumées dans le cas des TAC.
Ce sont ces divers rappels de base, complétés par la description et l’analyse du fonctionnement des systèmes classiques, que nous proposons de faire dans les deux premiers paragraphes de cet article. Le troisième est réservé à un couplage des deux systèmes, couplage qui permet d’atteindre les meilleurs rendements.
Cet article n’ayant pas la prétention d’être exhaustif, on restera au niveau des principes dans toutes les présentations. Le lecteur est renvoyé à des articles spécialisés des Techniques de l’Ingénieur pour avoir des informations techniques plus précises sur ces machines thermiques.
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- Version courante de avr. 2020 par André LALLEMAND
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Thermodynamique des moteurs thermiques4. Évolution et perspectives
Pendant de très nombreuses années, les centrales électrogènes ont utilisé essentiellement les installations motrices à vapeur. Celles‐ci sont encore utilisées majoritairement dans le monde du fait de leur puissance unitaire nettement supérieure à celle des centrales à base de turbines à gaz ainsi que d’un meilleur rendement. Le combustible utilisé majoritairement dans le monde est le charbon, suivi par le fioul. Les cycles sont pratiquement tous des cycles de Hirn à resurchauffe avec 6 à 8 soutirages. Seules quelques centrales dans le monde fonctionnent avec un cycle supercritique (pression supérieure à 221 bar). Les centrales nucléaires, majoritaires en France, utilisent également ce type de conversion d’énergie thermique-mécanique avec un cycle vapeur à température et pression plus faibles.
L’un des inconvénients des IMV est la nécessité de refroidir le condenseur par une circulation d’eau. Des échangeurs vapeur-air ont été envisagés, mais jamais construits du fait de leur trop grande taille. Cette circulation d’eau nécessite de disposer du débit d’un fleuve ou d’une rivière suffisamment importante dans le cas d’emploi d’aéroréfrigérants. Dans ce dernier cas, le débit nécessaire est de l’ordre de 5 000 m3/ h pour une puissance de 600 MW. En admettant une élévation de la température de l’eau de refroidissement de 6 K, il est d’environ 180 000 m3/h dans le cas d’un refroidissement direct. Lorsque de tels débits d’eau ne sont pas disponibles, la seule alternative est l’emploi de turbines à gaz qui nécessitent de disposer d’un carburant extrêmement propre comme du fioul à très basse teneur en soufre ou du gaz naturel.
L’amélioration de la rentabilité des systèmes et le concept de développement durable, lié à la protection de l’environnement, ont nécessité, au cours des dernières années, de rechercher des solutions de plus en plus économes en matière de consommation énergétique, donc des centrales à rendement nettement amélioré. Les installations à cycles combinés remplissent cette mission puisqu’elles permettent un gain en rendement de 15 points environ (40 à 55 %), ce qui est considérable. Sur le plan de l’environnement, bien évidemment, cette amélioration du rendement contribue à la minimisation de la production de CO2...
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