Centrales électriques à cycle combiné et IGCC
Les centrales thermiques classiques utilisent des turbines à vapeur pour produire de l'énergie électrique. Dans les centrales à cycle combiné, la turbine à vapeur est combinée à la turbine à gaz. Dans les deux installations, les combustibles les plus utilisés sont la houille, les huiles lourdes et le gaz naturel. En outre, on peut utiliser des déchets urbains et végétaux, du fuel oil, du gasoil, du biogaz, etc.
Dans les centrales à cycle combiné, le carburant est brûlé et le gaz produit est alimenté par la turbine à gaz. Cette turbine à gaz, à son tour, agit sur le générateur et l'électricité est obtenue. Mais le processus ne s'arrête pas là. Il est utilisé pour récupérer la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz et évaporer l'eau. Ensuite, la vapeur d'eau affecte la turbine à vapeur, qui agit sur le générateur et finalement produit de l'électricité. Par conséquent, l'électricité est obtenue en deux points.
Après la séparation entre les centrales thermiques classiques et les centrales électriques à cycle combiné, la question vient de soi, quel avantage a la seconde sur la précédente ? Les centrales thermiques ont une grande limitation technologique, puisque la performance des installations actuelles ne peut pas dépasser 42%. En revanche, lorsque la chaudière conventionnelle est remplacée par un ensemble de turbines à gaz et de chaudières de récupération, les performances thermiques de toute l'installation et la puissance électrique générée augmentent.
Pour une meilleure compréhension de l'installation de cycle combiné nous utiliserons l'image latérale. Ce schéma montre une chaudière à une pression et une turbine à vapeur à condensation. C'est le cycle le plus simple utilisé dans les centrales à cycle combiné.
La turbine affichée sur l'image consomme du gaz naturel, mais il y a aussi du carburant liquide et de la houille préparée à brûler. Cependant, la turbine à gaz est la plus utile de toutes, car elle dispose d'une distribution d'énergie pour 100 unités de combustible capté: production d'énergie électrique (entre 25 et 35% du total), gaz de sortie à haute température (entre 55 et 75% du total) et certaines pertes par rayonnement thermique, refroidissement de l'huile lubrifiante, etc.
Comme déjà indiqué, le gaz brûlé sur le brûleur et produit affecte la turbine à gaz. Ensuite, le gaz de sortie est utilisé comme source de chaleur pour l'évaporation de l'eau. La température des gaz de sortie varie de 440 à 550 °C. Pour pouvoir récupérer cette énergie calorifique, les gaz sont introduits dans la chaudière de récupération. La chaudière de récupération est un échangeur de chaleur. Les gaz y fournissent leur énergie calorifique à l'eau d'alimentation, ce qui permet l'évaporation de l'eau.
La structure de cet échangeur de chaleur intermédiaire est la même que celle des chaudières conventionnelles. Les composants principaux sont l'économiseur, les tubes d'évaporation et le réchauffeur. Dans l'économiseur, l'eau d'alimentation est chauffée presque jusqu'à atteindre la température d'évaporation. Ensuite, les tubes d'évaporation reçoivent l'eau du réservoir de vapeur, la vapeur saturée est générée et rentrée dans l'entrepôt. Enfin, la vapeur surchauffée est générée qui est envoyée à la turbine dans le surchauffeur.
La chaudière est donc extraite de gaz et de vapeur surchauffé. Le gaz sort par la cheminée, perdant la plupart de l'énergie calorifique. La vapeur pénètre dans la turbine à vapeur. La vapeur à haute pression et température s'étend jusqu'à une pression inférieure à l'atmosphère et affecte les bras de la turbine. Enfin, la turbine agit sur le générateur et l'énergie mécanique se transforme en énergie électrique.
La vapeur qui sort de la turbine est à très basse pression et température due à l'épuisement de son énergie pendant l'expansion. Cependant, il reste en état de vapeur. Comme le circuit d'eau de la centrale est à cycle fermé, il faut que la vapeur redevienne de l'eau pour pouvoir entrer dans la pompe d'eau d'alimentation de la chaudière. Pour ce faire, la vapeur est introduite dans le condensateur de la centrale. Le condensateur est un grand échangeur de chaleur. Là, la vapeur est refroidie et liquidée. La chaleur dégagée pendant ce processus est cédée au débit de refroidissement extérieur. L'eau de rivière, lac ou mer est utilisée comme fluide de refroidissement. Lorsque la centrale est loin de sources d'eau, l'air est utilisé pour refroidir le condensateur. Dans ces cas, il est nécessaire de construire des tours de refroidissement. Les structures similaires aux cheminées en béton sont larges et augmentent le coût de la centrale.
Le paramètre qui nous indique l'efficacité du cycle combiné est la performance électrique globale du cycle, c'est-à-dire le paramètre qui considère le cycle dans son ensemble. La consommation de carburant se fait uniquement dans la turbine à gaz (Q) et l'électricité est générée en deux points : dans la turbine à gaz (E) et dans la turbine à vapeur (ELT). Par conséquent, la performance du cycle est:
h = Cycle/Qcycle = (E+MST)/Q
Le rendement peut atteindre 50-65% (rappelez-vous que celui de la centrale thermique conventionnelle varie entre 37% et 42%). Comme on le voit, la différence entre les deux est évidente. Cependant, il faut garder à l'esprit que le cycle combiné nécessite un investissement accru.
Mais le cycle combiné décrit a deux limitations. D'une part, le débit de vapeur qui peut être généré en récupérant la chaleur des gaz de sortie de la turbine à gaz est inférieur à celui requis par la turbine à vapeur. En outre, la température de la vapeur surchauffée est très élevée et la différence entre la température de sortie des gaz de la turbine à gaz et la température de la vapeur ne suffit pas pour que l'échange de chaleur se produise de manière satisfaisante.
Pour améliorer les performances de la centrale on utilise la postcombustion et les moteurs à combustion périodiques. La post-combustion est réalisée en plaçant un brûleur à l'entrée de la chaudière de récupération, au point de déversement des gaz provenant de la turbine à gaz, pour augmenter la température des gaz et générer plus de vapeur. Par ailleurs, le remplacement des turbines à gaz par des moteurs à combustion périodiques augmente le rendement de la centrale de 34 à 42%.
IGCC : cycle combiné de gazéification intégrée
Cette technologie propre utilise un mélange de gaz, produit de la gazéification du combustible fossile, pour alimenter le cycle combiné des turbines à gaz et à vapeur. Les carburants les plus utilisés sont les fractions lourdes (fuléos) provenant du raffinage de houille et de pétrole. Le rendement de cette technologie est très élevé, autour de 42%. En outre, les émissions de polluants dans l'atmosphère sont considérablement réduites, atteignant 99% du soufre de la houille et 90% des composés d'azote des gaz d'échappement et 35% du dioxyde de carbone.
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