Cycle Combiné gaz au rendement record (EDF Bouchain)

L’unité à Cycle Combiné Gaz (CCG) de la centrale de Bouchain, dans la banlieue de Valenciennes (Nord) a été mise en service en juillet 2016. C'est une unité d’une puissance de 605 MW qui 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.

L'unité CCG de Bouchain (EDF) - Crédit Photo Caraveo Marc

Son rendement est exceptionnel : il a pu atteindre 62,2% ce qui est actuellement* le record mondial.

Alors pourquoi un tel rendement ? C’est l’objet de cet article en deux parties. Petit rappel préliminaire : 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.

Produire de l'électricité par 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 : c'est grâce à une combustion avec le gaz naturel comme combustible classiquement rencontré. Cette combustion permet au mélange d’atteindre une température très élevée (de l’ordre de 1300 °C voire plus car cela dépend du type de machine). 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 encore une fois, 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 ?

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.

Schéma d'une chaudière de récupération (ici : un seul niveau de pression).

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 !