Cogénération avec turbines


Dans les grandes installations de cogénération on emploi pratiquement toujours la technologie des turbines. Il peut s’agir de la turbine à vapeur, de la turbine à gaz ou du cycle combiné vapeur – gaz. Les turbines peuvent être employées malgré tout également pour les puissances moyennes et petites. Les turbines à vapeur existent pour toutes les puissances, et les turbines à gaz à partir d’un MWé déjà.


Turbines à vapeur

La turbine à vapeur est une des technologies les plus anciennes et des plus répandues pour entraîner des générateurs. Elle est donc utilisée fréquemment dans la production électrique. Les turbines à vapeur sont aussi d’application pour la cogénération.
Le cycle thermodynamique des turbines à vapeur est basée sur le cycle de Rankine.
A l’aide de la chaleur dégagée par la combustion de combustible, on produit de la vapeur de haute pression dans une chaudière. Cette vapeur est ensuite dirigée vers une turbine, où en se détendant elle entraîne la turbine. Sortie de la turbines, la vapeur est condensée et ramenée à la chaudière, où ce cycle recommence. Ceci est illustré à la fig. 1. La combustion est externe : il n’y a donc pas de contact direct entre le fluide process (vapeur) et le foyer. Ainsi le combustible ne requiert pas de spécifications de qualité précises et donc pratiquement tout combustible peut être employé. Mais cela entraîne quelque pertes dans la transmission de chaleur.



fig. 1: Schéma de principe de cogénération avec turbine à vapeur

Pour les turbines à vapeur aptes à la cogénération, on distingue deux types : la turbine à contre pression et la turbine à condensation avec soutirage. Dans une turbine à contre pression, la vapeur sort de la turbine à une certaine pression, qui est imposée par le process en aval. Ainsi une certaine qualité de vapeur est mise à la disposition de l’utilisateur. La vapeur dans la turbine n’est donc détendue que jusqu’à une pression supérieure à la pression atmosphérique.

Dans une turbine à condensation avec soutirage, la quantité de vapeur requise est soutirée à un certain endroit entre l’entrée et la sortie turbine, où règne encore la pression désirée. Cette vapeur soutirée est utilisée pour remédier aux besoins de chaleur.

Dans la turbine même, l’expansion se poursuit jusqu’à une pression très basse (se rapprochant du vide), où la vapeur est condensée dans un condenseur. L’eau ainsi formée retourne à la chaudière. On peut prévoir plusieurs soutirages. Si on a le choix de plusieurs points et donc pressions de soutirage, avec des débits variables, la machine devient flexible et le rapport entre chaleur produite et électricité n’est pas fixe.

Dans une turbine à vapeur pour cogénération, la production de chaleur vient en premier lieu. Pas étonnant donc que le rendement thermique soit plutôt élevé, au dépens du rendement électrique. La turbine à vapeur en soi (donc sans la chaudière) atteint une grande disponibilité de plus de 99 %. Les périodes d’arrêt pour entretien et inspections peuvent être espacées de plus d’un an.


Turbine à Gaz

La turbine à gaz est surtout connue en tant que moteur d’avion. Ce n’est que dans les dernières décennies que les installations de cogénération munies de turbines à gaz ont percée. Il s’agit de puissances moyennes à grandes, mettons à partir d’1 MWe.

Le process thermodynamique d’une turbine à gaz est caractérisée par le cycle de Brayton. Contrairement aux turbines à vapeur, il s’agit ici de combustion interne. Ceci impose, pour une cogénération basée sur la technologie de la turbine à gaz, une certaine qualité de combustible.
Le gaz naturel est le combustible phare, mais le fuel léger entre aussi en ligne de compte. Le parcours du cycle en va ainsi. De l’air atmosphérique est aspirée et comprimée dans un compresseur. Dans la chambre de combustion, un combustible est injecté dans cet air comprimé et est allumé. Les gaz de combustion chauds et à haute pression sont détendus dans une turbine qui fournit du travail. Ce travail est transformé en énergie électrique par un générateur. A l’échappement, les gaz contiennent toujours beaucoup de chaleur. Ils sont donc dirigés vers une chaudière de récupération où cette chaleur produira de la vapeur. Cette vapeur peut être utilisée pour un process.
Pour répondre à des grands besoins de chaleur, on peut encore procéder à de la co-combustion. Ceci implique qu’un supplément de combustible soit introduit directement dans la chaudière où sa combustion dégagera une chaleur supplémentaire qui produit donc un supplément de vapeur. Voir la configuration fig. 2



fig. 2 : Schéma de principe de cogénération avec turbine à gaz

Traditionnellement le terme turbine à gaz n’indique pas uniquement la turbine d’expansion, mais l’ensemble compresseur - chambre de combustion - turbine. Il y a deux types de construction : les « heavy duties » et les « aéroderivatives ». Cette dernière est dérivée, comme son nom le laisse entendre, des moteurs d’avion.

Ce type atteint un meilleur rendement parce qu’il se compose de plusieurs arbres à vitesses différentes. La turbine haute pression (HP) entraîne le compresseur haute pression. La turbine basse pression (BP) entraîne à son tour le compresseur BP et le générateur. La HP peut ainsi tourner à plus grande vitesse. Les aérodérivatives sont en plus bien plus légères mais limitées en puissance. Les plus grosses puissances sont du type « heavy duty ». Elles sont plus lourdes et plus solides. Les interventions pour entretien sont plus espacées, ce qui les rend plus aptes à tourner en base.

Le rendement électrique d’une cogénération avec turbine à gaz varie de 25 à 40 % en fonction de la puissance. Le pourcentage de co-combustion et le degré d’utilisation du combustible interviennent aussi et donc la somme du rendement électrique et de rendement thermique est de 70 % à 85 %. La disponibilité d’une turbine à gaz est très satisfaisante, de plus de 85%. La fréquence des interventions pour la maintenance dépend cependant fortement du nombre d’arrêts et de démarrages.

Cycle combiné (combined cycle).
On peut combiner turbine à vapeur et turbine à gaz. Comme dit précédemment, la turbine à gaz produit de la vapeur à travers une chaudière de récupération, avec ou sans co-combustion. Cette vapeur peut aussi entraîner une turbine à vapeur au lieu d’être employée directement dans un process, et avec un générateur placé sur l’axe de la turbine à vapeur, on peut ainsi produire un complément d’électricité. La demande en chaleur peut être assouvie par de la vapeur à la sortie de la turbine (contre-pression) ou par un soutirage de celle-ci.
Il est évident que de pareilles configurations permettent un haut rendement électrique, ce qui se traduit par un rendement thermique plus faible. On peut les comparer au groupe cycle combiné des centrales électriques où il n’est cependant pas fait l’utilisation de vapeur.
La figure 3 montre un Schéma de cogénération à cycle combiné.



Fig. 3 : Schéma de principe de cogénération à cycle combiné


Microturbines

En fait, les microturbines diffèrent à peine de la grosse turbine à gaz classique, utilisée comme application dans les moteurs d’avion et les grandes cogénérations. Elles fonctionnent donc selon le même principe : l’air aspiré est comprimé par un compresseur où un combustible, généralement gazeux, est brûlé. Les fumées chaudes provenant de cette combustion sont détendues dans une turbine. Ceci génère du travail d’une part pour entraîner le compresseur, d’autre part pour produire de l’électricité par l’alternateur.

Mais il y a aussi quelques différences. Les puissances sont beaucoup plus faibles ; la micro turbine est disponible pour des puissances de 25 à 250 KWe. Une microturbine dispose, pour atteindre un rendement électrique suffisant, d’un récupérateur où l’air comprimé, avant d’entrer dans la chambre de combustion est réchauffé par les gaz d’échappement chauds de la turbine. Ceci est montré à la figure 1.



Fig 1 : Schéma d’une micro turbine

En comparaison avec la technologie courante des petites puissances, c'est-à-dire le petit moteur à gaz, la microturbine présente quelques avantages intéressants. Toute la chaleur est mise à disposition sous forme de fumées. Cela ne nécessite qu’un échangeur de chaleur et facilite l’emploi de cette chaleur. Un moteur à gaz par contre, met sa chaleur à disposition à différents endroits, à différents niveaux de température. Ceci en complique l’emploi. La micro turbine présente également l’avantage de meilleures émissions. Ceci provient de la combustion continue dans la turbine. L’entretien réduit de la microturbine est un 3ième avantage, grâce au nombre réduit de pièces mouvantes. En règle générales, à côté du compresseur et de la turbine, le générateur est également directement accouplé à l’arbre. Certaines microturbines fonctionnent sans huile. Les vibrations sont réduites et le bruit peut être facilement diminué.

Du point de vue des coût d’investissement, la microturbine a atteint le niveau du moteur à gaz. Les deux technologies ne sont pas bon marché, mais comparables au niveau prix.

Pour le biogaz la microturbine est également une option fort intéressante. Contrairement au moteur gaz classique, la microturbine est à l’air avec des combustibles de valeur calorifique. inférieure ou variable. Comme point négatif, mentionnons que le rendement électrique et le rendement total sont inférieurs à ceux d’un moteur gaz de même puissance. Ceci est d’autant plus vrai dans le cas d’un besoin de compression du combustible pour entrer dans la chambre de combustion. La micro turbine est aussi une technologie relativement neuve, trop peu connue en Flandre pour une application massive. Les projets à l’étranger sont cependant fort positifs.









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