Production thermique d’électricité et cycles thermodynamiques alternatifs
Michel Moliere1, Romain
Privat1, Jean-Noël
Jaubert1, Frédéric
Geiger2
⋆ : moliere.michel.90@gmail.com
1 Laboratoire
Réactions et Génie des Procédés
2 Université de
Franche-Comté
Mots clés : cycle de Brayton; tubine à combustion, s,
cycle d’Allam
Résumé :
Les turbines à gaz (ou "à combustion") actuelles opèrent selon des
cycles de Brayton ouverts dans lesquels le fluide moteur est constitué
par de l’air et par les produits de combustion. Durant les dernières
décennies, cette technologie a réalisé des progrès remarquables et a
produit de nouvelles générations de machines dont les rendements ont
franchi la barre des 60 % en cycle combiné et dont les émissions de NOx
au gaz naturel ont pu être plafonnées à 25 parties par million. En
outre, ces turbines sont capables de brûler un large éventail de
combustibles et tout particulièrement de l’hydrogène dilué ou pur ainsi
que des biocombustibles gazeux (biogaz) et liquides (éthanol,
biodiesel...).
A l’échelle mondiale, ces progrès ont permis de réduire l’empreinte CO2
des parcs de centrales électriques car de nombreuses chaudières au
charbon ont été remplacées par ces générations de turbines qui ont des
rendements sensiblement supérieurs et émettent nettement moins de
CO2.
Cependant, les énergies fossiles font face à présent à un « défi
existentiel » en raison des menaces de plus en plus lourdes que les gaz
à effet de serre font peser sur le climat. De ce fait, le secteur de la
production électrique entame de profonds changements dans le cadre d’une
transition énergétique accélérée qui se traduira notamment par le
développement rapide des énergies renouvelables, le déploiement de modes
de production d’électricité décentralisés et l’évolution des réseaux
électriques, actuellement du type vertical (de producteur à
consommateur) vers des réseaux intelligents.
Toutefois, la production thermique restera nécessaire pour deux raisons
principales :
- l’électrification rapide des économies et notamment du transport qui
va créer des appels de puissance électrique sans précédents
- le besoin de pallier le caractère intermittent des renouvelables et
d’assurer la stabilité des réseaux avec, en premier lieu, la régulation
de leur fréquence.
Mais ceci ne dispensera pas le segment de production thermique d’opérer
des mutations vitales qui imposeront de nouveaux gains accrus de
rendement et une réduction drastique des émissions de CO2 par capture et
séquestration. Dans ce contexte difficile qui pèse sur le futur de la
production thermique, certains cycles thermodynamiques alternatifs ont
cependant des points forts en termes d’efficience énergétique et de
sobriété carbone. En particulier, les cycles de Brayton semi-ouverts
qui, tels le cycle d’Allam, font appel à l’oxy-combustion, sont capables
de fournir des centrales à « capture inhérente » du CO2 et les cycles
fermés basés sur du CO2 supercritique (« sCO2 ») ont de forts potentiels
de rendement dans le cadre de la récupération de flux de chaleur
secondaires.
Cet article résumera l’évolution récente des cycles de Brayton à l’air
et présentera ensuite les atouts des cycles de Brayton alternatifs du
type oxyfuel et sCO2.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2022-024
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