Cycle combiné gaz (EDF Bouchain), une unité au rendement « record » (2/2)

Suite du billet consacré à la technologie « Cycle combiné gaz », la première partie est à retrouver ici, à relire si besoin pour une meilleure compréhension de cette seconde partie.

Pour repréciser le contexte, le 31 octobre 2017, j’ai eu l’opportunité de visiter le site de Bouchain, une unité à cycle combiné mise en service en 2016.

Le rendement dans un cycle combiné dans sa version la plus simple.
Pour qu’un cycle vapeur ou gaz soit efficace, le principe dans les grandes lignes est simple. On peut jouer sur plusieurs paramètres  :
augmenter la température maximale du cycle (conduisant à un fort contenu en énergie dans la vapeur ou le gaz qui va entrer dans la turbine),
diminuer au maximum la température à la source froide (la température à laquelle les gaz sont rejetés 
à la cheminée ou la température de condensation de la vapeur en fin de détente – cette chaleur de condensation est rejetée dans l’environnement)
diminuer les pertes internes du procédé (pour que toute l’énergie libérée par la source chaude soit bien récupérée par l’eau du cycle vapeur donc utilisée là où elle doit l’être).

Pour un cycle individuel (gaz ou vapeur), il est peu probable car difficile d’agir sur tous ces paramètres en même temps.

En combinant un cycle gaz avec un (ou plusieurs) cycle(s) vapeur), on peut agir sur tous les fronts. Un cycle gaz mis en oeuvre dans une machine appelée « turbine à gaz » ou « turbine à combustion » est combiné avec un cycle vapeur, et l’échange entre les deux s’effectue dans une chaudière, appelée chaudière de récupération.

Cette association permet de dépasser largement le rendement des deux cycles pris individuellement : le besoin en chaleur (la source chaude) du cycle vapeur est assuré par les gaz issus de la combustion qui sortent avec une température encore bien élevée.
Ainsi, on pourra chercher une température max. la plus élevée possible (au niveau de la turbine à combustion), une température min. la plus basse possible (la température de condensation de la vapeur après détente) et enfin, il sera question de chercher à diminuer les pertes internes dans la chaudière de récupération et avoir les gaz en sortie de cheminée les plus froids possibles.

Un petit schéma simplifié pour comprendre comment tout cela s’organise sur le terrain…

Principe du cycle combiné gaz

Le rendement dans une telle configuration (pour un cycle vapeur dont la pression vapeur est de l’ordre de 100 bar) dépasse les 52 % (ce chiffre dépend du type de machine turbine à gaz utilisée et de la production électrique).

52 % c’est élevé quand on compare au rendement (de l’ordre de 35 %) pour une centrale nucléaire ou 45 % – avec de fortes pressions- d’un cycle vapeur en centrale thermique classique … mais c’est loin du record pour l’unité de Bouchain où le rendement a pu atteindre des valeurs record de à 62,22%.

Alors comment optimiser encore davantage ?

C’est en jouant à la fois sur la conception de la turbine à gaz et celle de la chaudière de récupération que le rendement pourra être boosté.

L’optimisation de la turbine à gaz

Pour optimiser le rendement d’une turbine à gaz, plusieurs voies sont possibles :
– au niveau du compresseur : en cherchant un taux de compression élevé (mais pas trop) ou une compression plus efficace (le profil des aubes est assez important),
– au niveau de la combustion : en cherchant à obtenir des niveaux de température élevés,
– le design de la turbine elle-même où les profils des aubes doivent également favoriser un écoulement optimal des gaz (limiter la turbulence, les frottements, les fuites…).

Une combustion optimale pour des questions de rendement et réduction des émissions dessin V. Baugé

Les constructeurs travaillent beaucoup sur la possibilité d’exploiter une machine dont la température maximale du cycle est la plus élevée possible.

Ainsi ces machines mettent en jeu des températures pouvant flirter avec les 1420-1450 °C : c’est malheureusement exactement la fenêtre de température correspondant à la fusion de différentes nuances d’aciers traditionnels. Il y a aussi des problèmes de corrosion et de fluage qu’il faut éviter pour assurer la longévité de la machine.
Le gros défi consiste à trouver des moyens de monter la température tout en protégeant les matériaux : soit en les refroidissant aux points les plus sensibles soit en jouant sur le design des matériaux, soit les deux.

Pour la tenue en température des aubes, les fabricants peuvent utiliser un revêtement céramique sur les parties les plus sensibles (jouant le rôle de barrière thermique). Il peut aussi être question d’un refroidissement par passage d’air frais dans des canaux internes usinés dans les aubes.

Exemple d’aube de turbine avec refroidissement (dessin personnel)

Mais le vrai gain en performance est obtenu lorsque le matériau a moins de grains de cristaux juxtaposés (on limite ainsi les « frontières » autrement dit, les joints de grains) ; il s’agit alors de fabriquer une aube de turbine possédant une structure de type « monocristal » : la dernière génération de superalliage.

Evolution des matériaux des turbines à gaz pour supporter les hautes températures : le monocristal correspond aux récentes avancées. (dessin personnel)

L’optimisation de la chaudière de récupération

L’un des objectifs est d’épuiser au maximum l’énergie présente dans les gaz chauds qui sortent de la turbine à gaz et pour y parvenir, il va falloir complexifier davantage la configuration et la disposition des échangeurs au sein de la chaudière que ce qui a été présenté plus haut.
Ainsi, on place davantage d’échangeurs et en plus, ceux-ci correspondent à plusieurs niveaux de pression : il n’y a donc pas « un » seul cycle vapeur mais deux, voire trois. Il en résulte que la chaudière fournit de la vapeur à différents niveaux de pression : un flux de vapeur haute pression (HP) qui est dirigé vers le corps HP de la turbine, un flux basse pression (BP) dirigé vers un corps BP. Cela permet de mieux épuiser la chaleur des gaz et de diminuer leur température en sortie de cheminée.

Ci-dessous un schéma qui présente un exemple de configuration avec deux niveaux de pression.
Les pressions sont judicieusement choisies pour, non seulement pour assurer un bon échange en tous points, un rendement élevé, mais également une production électrique maximale à la turbine à vapeur. La bonne qualité de vapeur en fin de détente est également un point important (éviter trop de gouttelettes d’eau par exemple).

Organisation des échangeurs dans une chaudière de récupération d’un CCG avec 2 niveaux de pression. L’optimum étant 3 niveaux de pression, une resurchauffe.

Enfin, toutes sortes de précautions sont prises pour limiter là aussi, les contraintes et les risques sur les matériaux (risques de corrosion interne / externe, fluage, fatigue…) : à cet effet, la position et le nombre des échangeurs, leur surface, le choix des matériaux (acier allié), le diamètre des tubes, les connexions tubes/collecteurs sont très précisément étudiés.

L’optimum qui permet d’assurer toutes ces paramètres, c’est bien avec 3 niveaux de pression et une resurchauffe. Le niveau haute pression HP permettra de fournir une vapeur à  pression et température très élevées.
Le resurchauffeur, placé tout en amont de la chaudière côté gaz chauds, est un moyen supplémentaire de gagner encore quelques points de rendement, en récupérant quelques calories dans la partie la plus chaude de la chaudière : il permet de « remonter » la température de la vapeur après une première détente dans le corps HP et avant une seconde détente dans le corps moyenne pression MP.

NB : De nombreux échangeurs organisés judicieusement permettent effectivement d’augmenter le rendement, mais il y a une limite : il faut aussi penser à ne pas « trop » créer de résistance au passage des gaz chauds (on parle de perte de charge), sinon la turbine à gaz est impactée et produit « moins ».

En résumé :

  • une énergie maximisée dans les gaz de combustion qui attaquent la turbine à gaz et des matériaux optimisés pour supporter au mieux les contraintes engendrées,
  • une énergie maximisée et organisée dans la vapeur HP (en cherchant pression et température élevées) en adaptant également les matériaux des échangeurs pour soutenir ces niveaux élevés,
  • 3 séries d’échangeurs pour 3 niveaux de pression dans la chaudière de récupération afin d’épuiser au maximum la chaleur présente dans les gaz chauds,
  • une resurchauffe,
  • une bonne compatibilité entre la turbine à gaz et la chaudière de récupération,

sont les grandes lignes pour assurer une bonne efficacité de la chaudière.

L’exemple de la centrale de Bouchain

Le cycle combiné de la centrale de Bouchain a une puissance installée de 605 MW et l’installation est reconnue officiellement comme « record mondial de rendement » (62,22%) suite à des essais validés par un organisme extérieur dans des conditions standards.
L’unité
 a été couplée sur le réseau en Janvier 2016 et a atteint sa pleine puissance en mars 2016. La mise en service industrielle est prononcée le 26 juillet 2016.
Cette unité remplace deux anciennes chaudières à charbon de puissance 250 MW chacune, arrêtées en 2015. Quelques éléments de l’ancienne unité charbon ont été réutilisés notamment ce qui concerne les lignes enterrées d’évacuation de l’énergie (400.000 V) et la source froide (le réfrigérant*).

* L’utilisation d’un réfrigérant atmosphérique permet de limiter les quantités d’eau pompées dans la rivière (ici L’Escaut) en recyclant au maximum l’eau utilisée pour la condensation de la vapeur (le refroidissement de cette eau étant assurée majoritairement par l’évaporation provoquée par le passage d’air au sein du réfrigérant – cf ce billet)

Intérieur d’un réfrigérantLien

Sur site, c’est une petite cinquantaine de personnes (48) qui travaillent et la conduite est menée par 6 équipes de 3 ou 4 personnes.

Le cycle combiné de la centrale de Bouchain (Réfrigérant atmosphérique, salle des machines, chaudière de récupération, cheminée) – Photo personelle

L’ensemble a été développé grâce au partenariat entre GE (turbine à gaz) et EDF (exploitant).
Les travaux

Les travaux d’excavation ont démarré en 2012 et le génie civil nécessitant de profondes fondations, en 2013.

Le chantier d’installation de l’unité à cycle combiné de Bouchain Par Serge Ottaviani — Travail personnel, CC BY-SA 4.0 (Wikipédia)

En juin 2015, le transport par convoi exceptionnel de la turbine à gaz de l’usine Belfort (site de GE) vers Strasbourg (soit 148 km) a nécessité 4 camions dont 2 tracteurs et 2 pousseurs (soit un convoi de 110 m de long et un poids total de 810 t). C’est le fruit d’un long travail de préparation en amont et quelques aménagements sur les routes.

Une deuxième partie du voyage a consisté en un transport sur barge via le Rhin jusque l’Escaut.
Le voyage total a duré une quinzaine de jours.

Le convoi exceptionnel de Belfort à Strasbourg – Crédit photo GE

Le premier test de combustion s’est déroulé en décembre 2015 pour une mise en service industrielle en juillet 2016.

Alors, ce haut rendement vient d’où ?
La turbine à gaz
La turbine à gaz développée par GE installée sur le site est la turbine GE9HA-01, surnommée Harriett et celle de Bouchain est la première en version commerciale en service.

Turbine GE 9HA-01 Crédit photo GE

La machine est d’une puissance de 420 MW et a les caractéristiques suivantes :
– un compresseur comportant 14 étages,
– chambres de combustion alimentées en gaz naturel (avec un étagement pour limiter les émissions d’oxyde d’azote), de géométrie optimisée pour une meilleure efficacité de combustion, portant les gaz à des températures voisines de 1400°C,
– une turbine comportant 4 étages de détente dont les aubes ont un profil repensé pour améliorer l’aérodynamique mais aussi des matériaux perfectionnés : un premier étage d’un matériau monocristal, un revêtement pour la barrière thermique et des canaux bien pensés pour injecter une quantité minimale d’air de refroidissement.

D’autres spécificités de cette machine sont à souligner :
– la grande flexibilité qui permet de satisfaire de nombreux arrêts/démarrages,
– la capacité à baisser la charge à 40 % de la puissance maximale tout en maintenant les émissions à un niveau bas,
– la capacité à démarrer rapidement et atteindre la pleine puissance en moins de 30 minutes

L’ensemble de ces atouts pose donc de nouveaux défis pour la chaudière de récupération positionnée en aval.

CCG Bouchain, vue sur le bloc usine – Crédit photo EDF Marc Caraveo

La chaudière de récupération
Elle a été conçue et fournie par CMI. Le défi était bel et bien de s’adapter parfaitement à la turbine de GE, et de tout faire pour assurer un rendement élevé. La production au niveau de la turbine à vapeur est 185 MW.
Les points marquants sont les suivants :
– 3 niveaux de pression (158 bar, 30 bar, 5 bar), une resurchauffe,
– une surface totale d’échange de 405 428 m² (14142 tubes),
– des matériaux plus à même de supporter l’augmentation de flexibilité et les hautes températures de vapeur pour le niveau HP (585°C pour 158 bar) que ceux des chaudières de génération précédente,
– des modifications sur les soudures pour mieux accompagner les phénomènes d’expansion thermique.

L’aspect environnemental
Toute installation industrielle impacte son environnement (air, eau, emprise au sol et impact sur la biodiversité).
En ce qui concerne l’unité de CCG de Bouchain pour les émissions dans l’air :
– c’est grâce au rendement élevé que les émissions de CO2 par MWe sont 3 fois plus basses que celles générées avec du charbon,
– l’optimisation de la combustion permet de limiter notablement les émissions d’oxydes d’azote,
– le gaz naturel contient principalement du méthane mais aussi de très faibles quantités de composés soufrés : les émissions de dioxyde de soufre qui résultent de la combustion sont néanmoins très faibles en comparaison avec celles issues du charbon toujours plus ou moins soufré (réduction d’environ 95% : Source Powermag)
– la nature même du combustible (gaz) fait qu’il n’y a pas de poussières générées. Les suies sont théoriquement possibles mais évitées en cas de combustion optimale (bon mélange air/combustible).

En ce qui concerne les effets sur l’eau, la présence du réfrigérant permet de limiter au maximum le pompage dans l’Escaut : les eaux de refroidissement circulent en circuit fermé, même si des purges (compensées par des appoints) sont néanmoins nécessaires pour éviter d’augmenter trop la concentration en sels dissous.
Les rejets  air/eau sont analysés et suivis en continu de façon à respecter à tout instant les VLE (Valeur limite d’émissions) imposées par la réglementation.

Enfin, quelques mots sur la biodiversité. L’installation de l’unité de Bouchain a fait l’objet d’une étude d’impact en amont et des mesures conservatoires ont été mises en place pour limiter la destruction de l’habitat d’une espèce de lézard présent sur le site : le lézard des murailles, une espèce protégée en France. Ainsi, une convention de reboisement a été signée et la mise en place d’un pierrier font partie des mesures mises en place.

Lézard des murailles, espèce protégée a fait l’objet de plusieurs adaptations sur le site pour favoriser son milieu de vie.

Terminons par une petite vidéo synthétique qui présente l’aspect stratégique du cycle combiné avec de telles performances.

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