Qu’est-ce qu’un cycle combiné gaz ? EDF Bouchain, une unité au rendement « record » (1/2)

Nous sortons d’une vague de froid qui a mobilisé toutes les centrales de production électrique de France. Elles ont tourné à plein régime sans indisponibilité. Les centrales thermiques ont toutes eu leur place à jouer dans la mesure où leur rôle principal dans le mix électrique français est d’ajuster la production à la demande en assurant une complémentarité au nucléaire et énergies renouvelables.

Nous en avions parlé très rapidement dans un précédent article (ICI), mais je tiens à y consacrer plus de lignes : fin octobre 2017, j’ai eu l’opportunité de visiter l’unité à Cycle Combiné Gaz (CCG) de la centrale de Bouchain, dans la banlieue de Valenciennes (Nord). La nouvelle unité mise en service en juillet 2016 est d’une puissance de 605 MW et se compose d’une turbine à gaz développée par General Electric et une chaudière de récupération en aval (du groupe CMI) qui produit de la vapeur. Son rendement est exceptionnel : il a pu atteindre 62,2% ce qui est actuellement* le record mondial (ce qui lui a valu un beau papier dans Power et une présence dans le Guinness des Records).

*Ce record est toujours, à l’heure qu’il est, détenu par la centrale de Bouchain mais GE a récemment communiqué sur la possibilité d’atteindre une valeur de rendement de 64% (via des essais sur leur centre de Greenville USA). Nous en reparlerons. 

La centrale à cycle combiné gaz de Bouchain

Alors pourquoi un tel rendement ? C’est l’objet de cet article en deux parties.
Rappelons que le rendement, dans ce cadre, est le rapport entre la quantité d’électricité produite sur la quantité d’énergie primaire consommée. Plus le rendement augmente, plus le procédé est efficace et moins il nécessite de combustible primaire entrant, pour produire. La conséquence directe est un niveau d’émissions de CO2 d’autant plus faible.

Normalement, les rendements des centrales thermiques à combustible fossile sont autour de 40% : on peut pousser jusque 45% avec un cycle supercritique**. Pour les turbines à gaz seules, le rendement n’excède pas 40 %. La combinaison des deux, qui permet de tirer avantage de chacune des technologies, nous emmène autour de 55-60%. Cela conduit à diviser par plus de deux (pratiquement 3) les émissions de CO2 par MWh électrique produit entre une unité fonctionnant au charbon et un cycle combiné gaz.

Mais un autre aspect est intéressant d’un point de vue des émissions de GES. L’énergie primaire est du gaz : du méthane (principalement) ! Cela facilite pas mal les choses d’utiliser un combustible gazeux (pas besoin de broyer finement comme avec du charbon) constitué d’une molécule plutôt simple caractérisée un rapport C/H plus faible que pour le charbon et le fuel : il y a donc beaucoup moins d’insaturation dans la molécule et les émissions de CO2 sont réduites.

Mais au fait, qu’est-ce qu’un cycle combiné et comment, peut-on en arriver à atteindre une efficacité aussi élevée (hors cogénération) ?

Et si on repartait du bout de la chaîne ?

Produire un courant électrique
En imposant un mouvement régulier à un aimant à proximité d’une bobine de fil conducteur, un courant électrique apparaît dans ce fil et plus la vitesse de déplacement de l’aimant est grande, plus le courant généré est important. C’est le principe de  l’induction électromagnétique (ou principe de Faraday).

Donc pour produire un courant électrique puissant, il est nécessaire de :
– réunir un gros aimant, une bobine de fil électrique avec plusieurs milliers de spires,
– donner à cet aimant un mouvement très rapide.

C’est l’alternateur qui permet de remplir la première condition.
L’alternateur est un type de générateur électrique. Il est constitué d’un rotor et d’un stator. Le rotor, comme son nom l’indique est une partie tournante et c’est un aimant. Le stator, lui est constitué d’un enroulement de fil de cuivre (bobines) là où va apparaître le courant électrique.
On l’appelle alternateur car il fournit un courant alternatif : les électrons voyagent dans un sens puis dans un autre, selon les pôles de l’aimant qui se présentent devant la bobine.

Principe d’un alternateur

Pour mettre en mouvement l’aimant de l’alternateur, il faut le relier à une turbine.  Celle-ci ressemble à une roue de moulin avec des aubes (ou des ailettes) sur lesquelles un fluide (air, gaz, vapeur, eau) va agir, à condition de posséder suffisamment d’énergie en entraînant la rotation de la turbine. La liaison avec le générateur se fait par l’axe de rotation : on parle d’arbre et on dit qu’ils sont « couplés ».

Groupe turbo-alternateur

Plusieurs options sont possibles pour ce fluide à forte énergie : un courant d’eau (turbine hydraulique), un courant d’air (éolienne), un gaz sous pression (turbine à gaz), une vapeur sous pression (turbine à vapeur).
Dans le cas d’un cycle combiné, c’est une turbine à gaz et une turbine à vapeur qui entrent en jeu. Nous nous focaliserons donc uniquement sur ces deux équipements.

Production électrique avec une turbine à vapeur
Comme son nom l’indique, c’est de la vapeur qui va apporter l’énergie nécessaire pour produire le mouvement de rotation via un couple efficace. Dans cette optique, ce qui compte beaucoup c’est la qualité de vapeur. C’est avec une forte énergie (on parle ici d’enthalpie* élevée) et une bonne cohésion interne (on parle de faible entropie) que la vapeur doit être admise à la turbine.


* Note : l’enthalpie est la quantité d’énergie acquise par un fluide qui tient compte de son énergie thermique et de son énergie liée à sa pression.


Mais la conception de la turbine elle-même est également primordiale. Bien sûr, la « forme » ou le profil de chaque ailette, la taille, le matériau, l’état de surface des aubes sont importants pour favoriser au mieux l’écoulement de la vapeur autour d’elles et optimiser la récupération d’énergie mécanique. Ce sont toutes ces caractéristiques (ainsi que d’autres sur les paramètreses de la vapeur) que le constructeur de la machine pourra chercher à optimiser pour atteindre « le record ». Tout cela va jouer sur l’efficacité et la production électrique.

Différents profils d’aubes de turbine.

Bref la vapeur va s’écouler autour des aubes, en perdant son enthalpie* : elle la transforme en énergie cinétique autour d’aubages fixes (stator) puis en énergie mécanique via la force de poussée sur les aubages mobiles (rotor).

Turbine à vapeur (Crédit GE Eric Lamperti)

Pour obtenir une vapeur de forte enthalpie* avec une forte cohésion, il faut chercher à lui donner une très haute pression et une très haute température.
Pour la forte pression, c’est une pompe alimentaire qui va permettre la mise sous pression de l’eau alimentaire.

Pour la température, une source de chaleur est nécessaire : en thermodynamique, on parle de « source chaude« . Il peut s’agir de la chaleur libérée par des réactions nucléaires ou par une réaction de combustion (charbon, fuel, gaz, biomasse, déchets).
Parlons combustion, puisque c’est de cela qu’il va s’agir dans le cas d’un cycle combiné gaz : bref la source chaude ce sont des gaz issus de la combustion de gaz naturel.

Mais quelle que soit la source d’énergie primaire, les échangeurs nécessaires à la production de vapeur à partir d’eau sous pression sont identiques dans leur principe.
En général, pour des unités de forte puissance, les gaz ou fumées chaudes issu(e)s de la combustion circulent à l’extérieur des tubes des échangeurs et transfèrent leur énergie thermique à l’eau qui circule à l’intérieur : on parle de « chaudière à tubes d’eau« .
Ces échangeurs, qui doivent être correctement conçus -diamètre et épaisseur de tubes, configuration, matériau-, sont utilisés pour « tirer profit » de la chaleur dégagée par une combustion en amont afin d’amener un certain débit d’eau entrée en chaudière à l’état de vapeur à une forte température : on parle de vapeur surchauffée.
Evidemment, selon la température des gaz, donc de l’endroit où on se trouve dans la chaudière, l’eau récupère une quantité différente d’énergie. 

Bref, on trouvera comme échangeurs
– un ou plusieurs « économiseurs » qui servent à monter la température de l’eau encore liquide,
– un échangeur « évaporateur » pour vaporiser une partie de l’eau,
– un système séparatif pour séparer l’eau de la vapeur formée (c’est le rôle du ballon situé tout en haut de la chaudière),
– un ou plusieurs surchauffeurs qui servent à monter la température de la vapeur issue du ballon.


En sortie du dernier surchauffeur, la vapeur possède son enthalpie la plus élevée : elle est prête à être turbinée… Des valeurs autour de 600°C peuvent être atteintes pour des pressions jusque 170 bar (en sous-critique*).


**certaines unités vont au-delà de la pression critique de 221 bar (par exemple 300 bar- 700°C, et dans ce cas, on parle de cycle « supercritique« ) : ces unités y gagnent en qualité de vapeur, en énergie élevée mais pas mal de précautions sont à prendre (qualité d’eau, types de matériaux).


On atteint là le maximum pour les températures et pression de la vapeur, maxima dictés par les contraintes que les matériaux (notamment au niveau de la turbine à vapeur) peuvent supporter.
Le rendement sur ce type d’installation est donc limité à des valeurs voisines de 45% (en supercritique) pour respecter les contraintes admissibles imposées par les matériaux.

Mais ce qui fait aussi le rendement, c’est la température de la source froide, qui doit être la plus basse possible : c’est elle qui va imposer la température à laquelle la vapeur en sortie de la turbine, va se condenser et donc va fixer la chute d’enthalpie totale dans la turbine en imposant le point final.

Produire avec une turbine à gaz

Le cycle de base des turbines à gaz appelées aussi turbines à combustion est un cycle ouvert.

Théoriquement, dans ce type de machine, le fluide est l’air ambiant qui subit les transformations suivantes :

  • Une compression dans la première partie de la machine (le compresseur). Le taux de compression classique est de l’ordre de 15 (1 bar en entrée, 15 bar en sortie).

  • L’air comprimé reçoit dans une deuxième étape une quantité de chaleur importante : il s’agit en fait d’une combustion avec le gaz naturel (le plus classiquement) qui permet au mélange d’atteindre une température très élevée (de l’ordre de 1300 °C voire plus) dans la zone de combustion la plus intense. Cela nécessite beaucoup de précautions au niveau des matériaux pour supporter de tels niveaux (tuiles céramiques, refroidissement par injection d’air…)

  • Les gaz de combustion sont ensuite détendus dans une turbine, spécialement conçue pour supporter de tels niveaux de température. Il y a alors production d’énergie mécanique puis d’énergie électrique via le couplage avec le générateur. En sortie de machines de forte puissance, la température est de l’ordre de 650 °C (mais tout cela dépend du type de machine).

Le rendement dans cette configuration est limité à 35-40 % pour deux raisons principales :
– le travail de compression nécessite une énergie importante : environ 50 % de la production électrique est consommée pour la compression,
– les températures de sortie de la machine sont très élevées : les gaz en sortie ont une enthalpie encore très élevée. C’est dommage de ne pas en profiter. Alors, si on chercher à valoriser cette énergie ?

La combinaison d’un cycle vapeur et d’un cycle gaz, on gagne quoi ?

Comme nous l’avons vu, les rendements du cycle gaz et du cycle vapeur utilisés seuls sont assez faibles :

  • Pour le cycle gaz : les gaz d’échappement en fin de détente des TAC sont à une température élevée (550 – 650 °C) – le travail de compression représente environ 50 % de la puissance produite ; pour ces raisons, le rendement est limité à des valeurs comprises entre 35 et 40 %.
  • Pour le cycle vapeur : c’est la limitation de la température de vapeur surchauffée (pour des raisons de résistances thermique des matériaux aux pressions considérées) qui impacte le rendement, limité à 40 % en sous-critique.

Pour tirer bénéfice de la température élevée des gaz d’échappement en fin de détente des TAC, il parait judicieux de récupérer la chaleur contenue dans les gaz d’échappement pour les besoins d’un cycle eau-vapeur : pour cela, on canalise les gaz en sortie de la TAC et on les fait circuler dans une chaudière appelée « la chaudière de récupération »

Les deux cycles sont donc complémentaires d’un point de vue thermodynamique : la chaleur rejetée par la turbine à gaz n’est donc plus « perdue » et constitue au contraire la source chaude pour le cycle eau/vapeur.

On gagne beaucoup en rendement dans cette configuration par rapport aux cycles gaz et vapeur seuls puisque pour une même consommation d’énergie primaire, ici le gaz, la production électrique est obtenue à la fois par la turbine à gaz et par la turbine à vapeur après passage dans une chaudière de récupération.

Dans la seconde partie, nous verrons comment optimiser encore davantage, dans les grandes lignes, en jouant sur tous les aspects du procédé (turbine à gaz et chaudière de récupération) pour pousser le rendement vers un rendement record !

 

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