- 26 mai 2018

Cycle combiné gaz et rendement record : les spécificités de l'unité d'EDF Bouchain

Suite des deux premiers billets consacrés à la technologie « Cycle combiné gaz » et à la recherche du rendement optimal (la première partie assez générale est à retrouver ici et la seconde sur l'optimisation du rendement est à relire ici).

En résumé des billets précédents, on peut dire que les grandes lignes pour assurer un bon rendement de l'installation, il faut :

une énergie maximisée dans les gaz de combustion qui attaquent la turbine à gaz et des matériaux optimisés pour supporter au mieux les contraintes engendrées,
une énergie maximisée et organisée dans la vapeur HP (en cherchant pression et température élevées) conduisant à en adapter les matériaux des échangeurs pour soutenir ces paramètres élevés,
3 séries d’échangeurs pour 3 niveaux de pression dans la chaudière de récupération afin d’épuiser au maximum la chaleur présente dans les gaz chauds,
une resurchauffe,
une bonne compatibilité entre la turbine à gaz et la chaudière de récupération.

L’exemple de la centrale de Bouchain

Le cycle combiné de la centrale de Bouchain a une puissance installée de 605 MW et l’installation est reconnue officiellement comme « record mondial de rendement » (62,22%) suite à des essais validés par un organisme extérieur dans des conditions standards. L’unité a été couplée sur le réseau en Janvier 2016 et a atteint sa pleine puissance en mars 2016. La mise en service industrielle est prononcée le 26 juillet 2016. Cette unité remplace deux anciennes chaudières à charbon de puissance 250 MW chacune, arrêtées en 2015. Quelques éléments de l’ancienne unité charbon ont été réutilisés notamment ce qui concerne les lignes enterrées d’évacuation de l’énergie (400.000 V) et la source froide (le réfrigérant*).

* L’utilisation d’un réfrigérant atmosphérique permet de limiter les quantités d’eau pompées dans la rivière (ici L’Escaut) en recyclant au maximum l’eau utilisée pour la condensation de la vapeur (le refroidissement de cette eau étant assurée majoritairement par l’évaporation provoquée par le passage d’air au sein du réfrigérant – cf ce billet)

Sur site, c’est une petite cinquantaine de personnes (48) qui travaillent et la conduite est menée par 6 équipes de 3 ou 4 personnes.

L’ensemble a été développé grâce au partenariat entre GE (turbine à gaz) et EDF (exploitant). Les travaux

Les travaux d’excavation ont démarré en 2012 et le génie civil nécessitant de profondes fondations, en 2013

Le chantier d’installation de l’unité à cycle combiné

En juin 2015, le transport par convoi exceptionnel de la turbine à gaz de l’usine Belfort (site de GE) vers Strasbourg (soit 148 km) a nécessité 4 camions dont 2 tracteurs et 2 pousseurs (soit un convoi de 110 m de long et un poids total de 810 t). C’est le fruit d’un long travail de préparation en amont et quelques aménagements sur les routes.

Une deuxième partie du voyage a consisté en un transport sur barge via le Rhin jusque l’Escaut. Le voyage total a duré une quinzaine de jours.

Le convoi exceptionnel de Belfort à Strasbourg – Crédit photo GE

Le premier test de combustion s’est déroulé en décembre 2015 pour une mise en service industrielle en juillet 2016.

Alors, ce haut rendement vient d’où ? La turbine à gaz La turbine à gaz développée par GE installée sur le site est la turbine GE9HA-01, surnommée Harriett et celle de Bouchain est la première en version commerciale en service.

Turbine GE 9HA-01 Crédit photo GE

La machine est d’une puissance de 420 MW et a les caractéristiques suivantes : – un compresseur comportant 14 étages, – chambres de combustion alimentées en gaz naturel (avec un étagement pour limiter les émissions d’oxyde d’azote), de géométrie optimisée pour une meilleure efficacité de combustion, portant les gaz à des températures voisines de 1400°C, – une turbine comportant 4 étages de détente dont les aubes ont un profil repensé pour améliorer l’aérodynamique mais aussi des matériaux perfectionnés : un premier étage d’un matériau monocristal, un revêtement pour la barrière thermique et des canaux bien pensés pour injecter une quantité minimale d’air de refroidissement.

D’autres spécificités de cette machine sont à souligner : – la grande flexibilité qui permet de satisfaire de nombreux arrêts/démarrages, – la capacité à baisser la charge à 40 % de la puissance maximale tout en maintenant les émissions à un niveau bas, – la capacité à démarrer rapidement et atteindre la pleine puissance en moins de 30 minutes

L’ensemble de ces atouts pose donc de nouveaux défis pour la chaudière de récupération positionnée en aval.

Maquette de la chaudière de récupération (visible au Centre d'Information du Public)

La chaudière de récupération Elle a été conçue et fournie par CMI. Le défi était bel et bien de s’adapter parfaitement à la turbine de GE, et de tout faire pour assurer un rendement élevé. La production au niveau de la turbine à vapeur est 185 MW. Les points marquants sont les suivants : – 3 niveaux de pression (158 bar, 30 bar, 5 bar), une resurchauffe, – une surface totale d’échange de 405 428 m² (14142 tubes), – des matériaux plus à même de supporter l’augmentation de flexibilité et les hautes températures de vapeur pour le niveau HP (585°C pour 158 bar) que ceux des chaudières de génération précédente, – des modifications sur les soudures pour mieux accompagner les phénomènes d’expansion thermique.

L’aspect environnemental Toute installation industrielle impacte son environnement (air, eau, emprise au sol et impact sur la biodiversité). En ce qui concerne l’unité de CCG de Bouchain pour les émissions dans l’air : – c’est grâce au rendement élevé que les émissions de CO2 par MWe sont 3 fois plus basses que celles générées avec du charbon, – l’optimisation de la combustion permet de limiter notablement les émissions d’oxydes d’azote, – le gaz naturel contient principalement du méthane mais aussi de très faibles quantités de composés soufrés : les émissions de dioxyde de soufre qui résultent de la combustion sont néanmoins très faibles en comparaison avec celles issues du charbon toujours plus ou moins soufré (réduction d’environ 95% : Source Powermag) – la nature même du combustible (gaz) fait qu’il n’y a pas de poussières générées. Les suies sont théoriquement possibles mais évitées en cas de combustion optimale (bon mélange air/combustible).

En ce qui concerne les effets sur l’eau, la présence du réfrigérant permet de limiter au maximum le pompage dans l’Escaut : les eaux de refroidissement circulent en circuit fermé, même si des purges (compensées par des appoints) sont néanmoins nécessaires pour éviter d’augmenter trop la concentration en sels dissous. Les rejets air/eau sont analysés et suivis en continu de façon à respecter à tout instant les VLE (Valeur limite d’émissions) imposées par la réglementation.

Enfin, quelques mots sur la biodiversité. L’installation de l’unité de Bouchain a fait l’objet d’une étude d’impact en amont et des mesures conservatoires ont été mises en place pour limiter la destruction de l’habitat d’une espèce de lézard présent sur le site : le lézard des murailles, une espèce protégée en France. Ainsi, une convention de reboisement a été signée et l’installation d’un pierrier font partie des mesures mises en place.