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RÉSUMÉ
Les cycles organiques de Rankine sont des cycles de production de puissance mécanique à partir de chaleur. Ce sont des variantes des cycles à vapeur d’eau, utilisés lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire de la puissance mécanique est à basse ou moyenne température, ou lorsque la puissance installée est faible et que les installations à vapeur ne sont plus économiques. L’article est structuré en trois parties. La première montre les architectures de cycle les plus utilisées, puis examine les aspects technologiques, et les critères de choix des fluides thermodynamiques qu’ils utilisent. La seconde partie présente les principales applications des cycles ORC. La troisième partie est consacrée à l’optimisation de ces cycles.
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Renaud GICQUEL : Professeur - PSL – Research University, PERSEE – Centre procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Les cycles organiques de Rankine (COR), plus connus sous le nom de Organic Rankine Cycle (ORC) 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 de telles conditions en effet, 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.
Ces cycles rencontrent un intérêt croissant depuis les années 1980 et font l’objet de nombreuses réalisations, notamment dans le monde anglo-saxon. Ils se révèlent bien adaptés pour les petites puissances, les centrales à vapeur d’eau n’étant économiquement viables que pour les puissances élevées, typiquement au-dessus d’une dizaine de MW.
Cet article présente les différentes architectures de cycles rencontrées, puis développe leurs principales applications :
-
centrales géothermiques ;
-
installations de combustion de la biomasse ;
-
centrales de récupération de chaleur sur des effluents ;
-
centrales thermiques électro-solaires.
Il aborde ensuite la problématique du choix des fluides thermodynamiques et celle de l’optimisation des cycles ORC.
Il donne un certain nombre d’exemples de cycles simulés et calculés avec le progiciel Thermoptim.
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MOTS-CLÉS
Modélisation technologies Thermodynamique appliquée conversion de l'énergie Cycles thermodynamiques
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1. Architecture des cycles et aspects technologiques
1.1 Architecture des cycles
Le schéma de principe d’un cycle organique de Rankine simple est donné figure 1. Il montre qu’à l’instar d’un cycle de centrale à vapeur d’eau, une telle installation comprend quatre composants, traversés par le même débit de fluide :
-
une pompe ;
-
un générateur de vapeur ;
-
une machine de détente ;
-
un condenseur.
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 à l’état liquide. 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 cycle le plus simple est celui qui vient d’être présenté, mais, comme pour le cycle à vapeur d’eau, des architectures plus complexes peuvent être utilisées, mettant en œuvre les mêmes principes : régénération et réchauffes. La figure 2 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 (4-4 bis) pour préchauffer le liquide condensé avant entrée dans le générateur de vapeur (2-2 bis).
De surcroît, les cycles ORC peuvent être associés à d’autres cycles, pour former des cycles combinés ou mixtes. Ils peuvent aussi être utilisés en cogénération.
Signalons aussi que les cycles ORC peuvent être supercritiques. Les cycles au CO2 en sont un exemple.
Enfin, les cycles de Kalina qui sont présentés plus loin peuvent aussi être considérés comme des cycles ORC.
Cycles...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOMBARDA (P.), MACCHI (E.) - Optimum cycles for geothermal power plants. - Proceedings World Geothermal Congress 2000.. Kyushu-Tohoku, Japan, 10 juin 2000.
-
(2) - CHEN, GOSWAMI (Y.), STEFANNAKOS - A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, p. 3059-3067 (2010).
-
(3) - DAI, WANG, LIN - Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery. - Energy Conversion and Management, 50, p. 576-582 (2009).
-
(4) - DELGADO-TORRES, GARCIA-RODRIGUEZ - Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle (ORC). - Energy Conversion and Management, 51, p. 2848-2856 (2010).
-
(5) - DEMEO (E.A.) - Solar-thermal electric power, 2003 Status update. - EPRI report, févr. 2003.
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ORMAT (société israélienne) http://www.ormat.com
Turboden (constructeur italien) http://www.turboden.eu
Enertime (entreprise française) (site rassemblant des éléments détaillés sur les parts de marché des différents constructeurs) http://www.enertime.com
Adoratec (entreprise allemande) http://www.adoratec.com
Siemens (entreprise allemande) http://www.siemens.com
GMK (entreprise allemande) http://www.gmk.info
P&&&&&&&W Power d’United Technologies (entreprise américaine) http://www.pw.utc.com
Tri-O-Gen (entreprise hollandaise) http://www.triogen.nl
GE/Calnetix (entreprise américaine) http://www.calnetix.com
ENEX (constructeur islandais) http://www.enex.is
BARBER NICHOLS (constructeur américain) http://www.barber-nichols.com
ELECTRATHERM (constructeur américain) http://www.electratherm.com
Verdicorp (entreprise américaine) http://www.orcturbines.com
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