Cycle combiné gaz au rendement record (EDF Bouchain) : d'où ça vient ?

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

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 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 mini. 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…

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…).

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.

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.

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, 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.

Dans la 3e partie, nous verrons plus en détails, les spécificités de l'unité de Bouchain.