REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université Frères Mentouri Constantine – UFMC– Faculté des Sciences de la technologie Département d’électrotechnique Projet de fin cycle Spécialité : Électrotechnique Thème : Production de l’énergie électrique dans une centrale thermique Présenté par : Chikhi Mokhles Abdelmoughith Gasmi Mohamed Lamine Djebli Houssem 2021/2022 1 Table des matières Résumé ............................................................................................................................................................ 3 Introduction générale ..................................................................................................................................... 4 Chapitre I : Généralité sur la production de l’électricité ............................................................................... 5 I.1. Introduction : ..........................................................................................................................5 I.2. Histoire de l’électricité :..........................................................................................................5 I.3. Chemin de puissance : ............................................................................................................5 I.4. Différentes sources de production de l’électricité : ................................................................6 I.4.1. L'énergie non renouvelable : ............................................................................................6 I.4.2. Centrale électrique a énergie non renouvelable : ..............................................................7 I.4.3. L'énergie renouvelable :....................................................................................................9 I.4.4. Centrale électrique a énergie renouvelable : ................................................................... 10 Conclusion : .................................................................................................................................................. 14 Chapitre II : La production de l’énergie dans les centrales thermiques ...................................................... 15 II.1. Introduction : ...................................................................................................................... 15 II.2. Les principaux types de centrales d’électricité thermiques : ............................................. 15 II.4. Principe de fonctionnement : .............................................................................................. 16 II.4.1. La centrale thermique a flamme : ................................................................................. 16 II.4.2. La centrale thermique nucléaire :.................................................................................. 19 II.4.3. La centrale thermique solaire : ...................................................................................... 21 II.4.4. La centrale géothermique : ............................................................................................ 22 Conclusion : .................................................................................................................................................. 24 Chapitre III : Centrale thermique à gaz à cycle combiné ............................................................................ 25 III.1. Introduction : ..................................................................................................................... 25 III.2. Les cycles thermodynamiques : ......................................................................................... 25 III.2.1. Cycle de Carnot :.......................................................................................................... 25 III.2.3Cycle de Rankine : ......................................................................................................... 29 III.3 Principe de fonctionnement de centrale thermique à cycle combiné gaz : ........................ 31 III.4 La centrale électrique cycle combiné à gaz de ain arnat Algérie : .................................... 34 Conclusion générale ...................................................................................................................................... 35 Références ..................................................................................................................................................... 36 2 Résumé L’objectif de ce présent travail est de mettre en évidence les différents types de centrales thermiques, leur fonctionnement, ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque type. Nous avons focalisé l’étude sur la centrale thermique à cycle combiné gaz et nous avons montré l’intérêt de l’utilisation d’une centrale combinée au lieu d’une centrale conventionnelle car en combinant deux ou plusieurs cycles, l'efficacité énergétique du système peut être améliorée et par conséquence on peut atteindre un meilleur rendement calorifique inférieur (PCI). ملخص ، وتشغيلها،الهدف من هذا العمل هو تسليط الضوء على أنواع مختلفة من محطات الطاقة الحرارية حيث ركزنا الدراسة على محطة توليد الطاقة الحرارية الغازية ذات.فضال عن مزايا وعيوب كل نوع الدورة المركبة وأظهرنا اهتما ًما باستخدام محطة طاقة مشتركة بدالً من محطة طاقة تقليدية ألنه من خالل يمكن تحسين كفاءة الطاقة في النظام ونتيجة لذلك يمكن تحقيق مردود حراري،الجمع بين دورتين أو أكثر .(PCI)أفضل Summary The objective of this present work is to highlight the different types of thermal power plants, their operation, as well as the advantages and disadvantages of each type. We focused the study on the combined cycle gas thermal power plant and we showed the interest of using a combined power plant instead of a conventional power plant because by combining two or more cycles, the energy efficiency of the system can be improved and as a result a better lower heating efficiency (PCI) can be achieved. 3 Introduction générale La production d'électricité est essentiellement un secteur industriel qui fournit de l'énergie électrique aux fournisseurs d'électricité. Ils utilisent ensuite les réseaux d'expédition et de distribution pour le livrer aux consommateurs. La production d'électricité a lieu dans les centrales électriques depuis la fin du XIXe siècle. Les centrales électriques (production d'énergie) sont des sites industriels utilisés pour produire de l'électricité. Les centrales électriques convertissent diverses sources naturelles d'énergie en électricité pour alimenter les consommateurs, les particuliers ou les industries sur une longue distance. Le réseau permet de transporter l'électricité puis de la distribuer aux consommateurs. A l'exception des centrales photovoltaïques (encore peu répandues...), la production d'électricité est assurée par des alternateurs à turbine (dans quelques cas par des moteurs diesel stationnaires). Le type de turbine définit alors le type de centrale. Dans le présent travail, nous allons essayer de mettre en avant les différents types de centrales thermiques, leur principe de fonctionnement et, bien entendu, les avantages et inconvénients de chaque type. 4 Chapitre I : Généralité sur la production de l’électricité I.1. Introduction : L'électricité est notre forme d'énergie la plus importante. Invisible, silencieux et non polluant, il est indispensable à tout ce qui compose notre quotidien : alimentation, chauffage, éclairage, lavage, soin, communication, déplacements, fabrication… I.2. Histoire de l’électricité : En 1868, l'inventeur belge Zénobe Gramme améliore le générateur de courant continu, point de départ de l'industrie électrique moderne, co-fondant la société Gramme Magneto avec l'industriel Hippolyte Fontaine. Quelques années plus tard, les boulevards de la capitale principale sont éclairés par des bougies Jablochkoff alimentées par des machines Gramme, puis remplacées par les lampes à incandescence de Thomas Edison. La deuxième révolution industrielle est en marche. En 1878, William George Armstrong a construit une centrale hydroélectrique de 7 kW à Cragside, en Angleterre. Il puise son énergie par une génératrice dans un lac situé sur la propriété de l'ingénieur et alimente sa maison ainsi que la machinerie agricole et les bâtiments. En 1882, Thomas Edison construit la première station Pearl Street aux États-Unis. Il abrite six générateurs "géants" alimentés par des moteurs à vapeur, qui sont produits à partir de charbon et fournissent de l'électricité en courant continu dans un rayon de 800 mètres carrés. Il contient 1 200 lumières, éclairant 85 maisons, bureaux et magasins de Manhattan. Moins d'un an plus tard, d'autres plantes, toujours plus puissantes, ont illuminé plus de 430 immeubles newyorkais avec plus de 10 000 ampoules. Il s'agissait également de la première centrale de production combinée de chaleur et d'électricité, la chaleur perdue étant distribuée aux bâtiments voisins et la pression de vapeur étant vendue aux usines locales. La technologie sera éventuellement adoptée dans le monde entier. En 1890, le courant alternatif remporte la guerre actuelle contre les tenants du courant continu. La production d'électricité centralisée est devenue courante en raison de la transmission d'énergie à haute tension. I.3. Chemin de puissance : Le rôle du réseau est de fournir de l'énergie à l'endroit où l'électricité est utilisée, en augmentant et en abaissant le niveau de tension à la sous-station par étapes. La tension de sortie des grosses centrales électriques peut être portée à 400 000 volts pour limiter les pertes d'énergie dans le câble sous forme de chaleur (ce sont les pertes dues à « l'effet Joule »). La tension est ensuite progressivement réduite, au plus près de la consommation, pour atteindre différents 5 niveaux de tension (225 000 volts, 90 000 volts, 63 000 volts, 20 000 volts, 400 volts ou 230 volts, selon leurs besoins électriques) qui se connectent aux consommateurs. L'électricité ne pouvant être stockée en grande quantité, la production doit constamment s'adapter à la consommation. C'est pourquoi l'énergie produite doit être livrée au consommateur en temps réel. Deux types de réseaux électrique sont utilisées pour assurer ce routage : Réseaux de transport et de distribution. (Figure I.1) Figure I.1 le réseau de transport de l’électricité Tableau I.1 : Les domaines de tension I.4. Différentes sources de production de l’électricité : I.4.1. L'énergie non renouvelable : L'énergie non renouvelable est toute quantité finie d'énergie qui existe sur terre et qui diminue avec l'utilisation humaine. Par exemple, le pétrole, le charbon, le gaz naturel et l'énergie nucléaire entrent dans cette vaste catégorie. Le pétrole : 6 Le pétrole est un combustible fossile principalement utilisé pour fabriquer des plastiques et des carburants. Elle couvre près de 35 % des besoins énergétiques et reste aujourd'hui la première source d'énergie au monde. Produire près de 100 millions de barils de pétrole par jour. On estime que ses réserves seront épuisées dans environ 50 ans. Le charbon : Le charbon est un combustible fossile en pleine croissance en raison de sa disponibilité et de la compétitivité de ses prix. En conséquence, la consommation de charbon a doublé en seulement 30 ans et sera la source d'énergie la plus utilisée au monde d'ici 2030. Les réserves actuelles de charbon peuvent répondre aux besoins énergétiques pendant environ 150 ans. Cependant, la grande quantité d'émissions de dioxyde de carbone inhérentes à son processus de combustion pose des problèmes environnementaux importants. Gaz : Le monde consomme plus de 110 000 mètres cubes de gaz naturel chaque seconde pour se chauffer ou cuisiner. Par conséquent, la ressource en gaz naturel s'épuise si rapidement qu'il ne devrait plus être possible de l'utiliser d'ici 70 ans. Nucléaire : La production d'énergie nucléaire repose sur l'utilisation d'uranium enrichi, un élément radioactif impliqué dans le processus de fission nucléaire. Elle produit l'essentiel de l'électricité de nos foyers en France. Bien que l'énergie nucléaire contribue peu aux émissions de gaz à effet de serre, l'uranium est particulièrement coûteux à extraire et les déchets radioactifs suscitent de nombreuses préoccupations environnementales. I.4.2. Centrale électrique a énergie non renouvelable : Centrale à vapeur : La plupart des centrales à vapeur sont soit conventionnelles, c'est-à-dire des chaudières à flamme qui brûlent principalement du charbon, du gaz naturel ou du mazout, soit l'énergie nucléaire produit de la vapeur à haute pression qui entraîne un turbo-alternateur (turboalternateur : ensemble composé d'une turbine à vapeur et d'un alternateur). (Figure I.2) 7 Figure I.2 schéma de centrale à vapeur A-Centrale thermique : Est notre principale source d'électricité. Les chaudières brûlent des combustibles fossiles (gaz naturel, fioul) ou du charbon. Les centrales électriques nécessitent de grandes quantités d'eau de refroidissement et des filtres coûteux pour réduire les gaz d'échappement. De plus, les combustibles fossiles sont limités et non renouvelables. Tous ces facteurs combinés peuvent contribuer à faire des centrales thermiques le moyen le moins attrayant de produire de l'électricité. B- Centrale nucléaire : Dans une centrale nucléaire, une chaudière est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la source d'énergie est un combustible nucléaire (uranium ou plutonium) utilisé en faible quantité. Les centrales nucléaires sont relativement peu polluantes ; malheureusement, la destruction des déchets radioactifs est actuellement problématique. (Figure I.3) 8 Figure I.3 schéma de centrale nucléaire I.4.3. L'énergie renouvelable : Comme leur nom l'indique, l'énergie renouvelable est une source d'énergie qui existe en quantités infinies sur Terre, de sorte que son stock ne sera jamais épuisé à l'échelle humaine. Aujourd'hui, elles peuvent être regroupées en 5 grandes catégories : solaire, hydraulique, éolien, biomasse et géothermique. Énergie solaire : Le terme fait référence à l'énergie fournie par le rayonnement solaire. Deux grands types de techniques peuvent être distingués : Technologies solaires actives : Elles convertissent l'énergie solaire en électricité ou en chaleur utilisable directement. C'est le cas, par exemple, des capteurs solaires (utilisés pour chauffer l'eau de la maison), des cellules photovoltaïques (utilisées pour produire de l'électricité) et des concentrateurs solaires (pour transformer l'eau en vapeur). Technologies solaires passives : il s'agit notamment de considérer l'orientation des bâtiments et des équipements afin d'utiliser au mieux les avantages de l'énergie solaire. Énergie hydraulique : L'eau a l'avantage d'être renouvelable à l'infini grâce au cycle évaporation/précipitation. C'est la deuxième source d'énergie la plus utilisée pour l'électricité en France. Le barrage utilise son énergie cinétique pour entraîner une turbine reliée à un alternateur. L’énergie éolienne : Dans le cas de l'énergie éolienne, ce n'est plus l'eau mais le vent qui fait tourner les turbines. Pour produire efficacement de l'électricité, il est préférable d'installer les éoliennes là où le vent est constamment fort, que ce soit sur terre ou en mer. 9 L'énergie géothermique : La technologie géothermique est conçue pour exploiter l'énergie stockée dans l'air ou sous terre sous forme de chaleur. Cette source d'énergie durable est la plus utilisée ? Fluide frigorigène pour pompe à chaleur, qui capte les calories naturellement présentes pour alimenter un réseau de chauffage domestique. Biomasse : La biomasse est sans aucun doute la plus ancienne source d'énergie renouvelable au monde. Il désigne l'ensemble des déchets organiques susceptibles d'être valorisés énergétiquement, qu'ils soient d'origine animale ou végétale. I.4.4. Centrale électrique a énergie renouvelable : Centrale hydroélectrique : L'histoire de l'électricité nous apprend que l'hydroélectricité est le plus ancien système de production d'énergie. L'énergie hydroélectrique a commencé en 1882, lorsque Thomas Edison a conçu la première centrale hydroélectrique. Ensuite, il a utilisé plusieurs générateurs pour produire de l'électricité. Les générateurs ont été rapidement remplacés par des alternateurs et des transformateurs pour produire plus d'électricité. Une centrale hydroélectrique est une installation qui utilise l'énergie hydraulique pour produire de l'électricité. C'est ce qu'on appelle l'énergie hydraulique. Une centrale hydroélectrique se compose de 3 parties principales : le barrage, la centrale électrique et le transformateur. La centrale hydroélectrique est située en contrebas du barrage. La force de l'eau qui tombe va ainsi démarrer la turbine, qui fera alors fonctionner l'alternateur. Ce dernier générera alors du courant alternatif qui sera envoyé aux transformateurs de puissance de la centrale hydroélectrique. Les transformateurs sont le dernier élément clé qui rend possible l'énergie hydroélectrique. Cela augmentera la tension du courant produit par l'alternateur. Cette électricité sera ensuite acheminée par des lignes à haute et très haute tension. (Figure I.4) 10 Figure I.4 schéma de centrale hydroélectrique [1] Énergie solaire photovoltaïque : Le soleil est la principale source d'énergie renouvelable sur Terre. Afin de produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire, des installations photovoltaïques sont utilisées, qui se composent principalement des parties suivantes : • Des panneaux solaires photovoltaïques qui convertissent la lumière du soleil en électricité continue • Les onduleurs, qui convertissent l'énergie électrique directe en énergie électrique alternative. L'énergie produite par les installations solaires photovoltaïques dépend de l'ensoleillement et de la température que reçoivent les panneaux. 11 Figure I.5 schémas de centrale photovoltaïque Énergie éolienne : L'énergie éolienne est assurée par des éoliennes ou des éoliennes. Le vent fait tourner des pales fixées à des rotors montés au sommet de mâts verticaux. Le générateur se met alors en marche et convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie produite par une éolienne dépend de la vitesse du vent, de la surface balayée par les pales et de la densité de l'air. (Figure I.6) Figure I.6 schémas de centrale éolienne 12 Énergie marémotrice : C'est une source d'énergie renouvelable qui n'a été jusqu'à présent que très peu développée. Il représente l'énergie mécanique produite par les vagues et les marées, qui est convertie en électricité par des turbines ou des hydroliennes. (Figure I.7) Figure I.7 schémas de centrale marémotrice Production d'énergie géothermique : L'énergie géothermique désigne l'énergie produite et stockée sur Terre sous forme de chaleur. Il est parfois relâché à la surface par les volcans, mais peut aussi être utilisé à tout moment, comme dans les sources chaudes. L'énergie géothermique peut être utilisée pour produire de l'électricité ou pour chauffer et refroidir. L'énergie est extraite de réservoirs souterrains très profondément enfouis, qui peuvent être obtenus par forage, ou de réservoirs proches de la surface. Par exemple, la géothermie peut également être utilisée à des fins domestiques grâce à de petites pompes à chaleur. (Figure I.8) Figure I.8 schémas de centrale géothermique 13 Conclusion : Dans ce chapitre, nous avons donné un aperçu de l'importance de l'électricité, de son histoire et des méthodes de production en général… 14 Chapitre II : La production de l’énergie dans les centrales thermiques II.1. Introduction : Une centrale thermique est une centrale électrique qui fonctionne à partir d'une source de chaleur selon le principe d'un moteur thermique. Cette transformation se produit soit directement, par détente des gaz de combustion, soit indirectement, par exemple par le cycle eau-vapeur. II.2. Les principaux types de centrales d’électricité thermiques : Centrale thermique a flamme : Ces centrales sont appelées "flammes" car elles fonctionnent grâce à la chaleur générée par la combustion. La combustion nécessite du carburant. Il peut s'agir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel, en tout cas il s'agit d'un hydrocarbure extrait du sous-sol. Les hydrocarbures sont riches en dioxyde de carbone. Lorsqu'ils sont brûlés, ce dioxyde de carbone s'échappe dans l'atmosphère et contribue fortement au réchauffement climatique. De plus, ces centrales utilisent de l'énergie non renouvelable. Centrale thermique nucléaire : Les centrales nucléaires sont aussi des centrales thermiques. Sauf qu'il n'y a pas de combustion ici, donc pas de flamme, car le réacteur fonctionne grâce au phénomène de fission. Pourtant, les centrales nucléaires utilisent un combustible : l'uranium. Un atome d'uranium est radioactif et il lui suffit d'être chatouillé par un neutron pour se scinder en deux. Il libère alors plus de neutrons et, surtout, beaucoup d'énergie sous forme de chaleur. Les neutrons libérés narguent d'autres atomes d'uranium, et ainsi de suite… C'est la fameuse réaction en chaîne qui se produit dans nos centrales nucléaires. La centrale thermique solaire : Les centrales reproduisent un peu le fonctionnement d'un four solaire, avec de nombreux miroirs inclinés qui concentrent la chaleur de la lumière sur un point ou des points précis. La chaleur sera stockée dans le fluide caloporteur, qui sera ensuite utilisé comme source de chaleur principale dans une centrale thermique conventionnelle. Comme le fluide reste chaud après le coucher du soleil, ce type de plante peut fonctionner jour et nuit. Centrale géothermique : La géothermie consiste à injecter de l'eau en profondeur dans la terre. Là, à quelques kilomètres sous la surface, l'eau se transformera en vapeur à des pressions pouvant atteindre 200°. En s'élevant, cette vapeur entraîne des turbines qui génèrent de l'électricité. La géothermie 15 présente de nombreux avantages, mais aussi des inconvénients. D'une part, ce type de centrale n'émet pas de dioxyde de carbone et peut être construit dans tous les pays ; d'autre part, l'investissement requis est important et le taux de rentabilité est très faible - de plus, certaines infrastructures profondes peuvent entraîner des séismes des risques. II. 3. Des exemples de centrales thermique dans l’Algérie [2] : • Kahrama Arzew mise en service fin 2005 • Shariket Kahraba Skikda « SKS » mise en service en 2006 • Shariket Kahraba Berroughia « SKB » (Médéa) mise en service en 2007 • Shariket Kahraba Hadjret En nouss « SKH » mise en service en 2009. • Shariket Kahraba Terga « SKT » mise en service en 2012. • Shariket Kahraba KoudietEdraouch « SKD » mise en service en 2013. Tableau II.1 : des exemples surs les centrales thermiques en Algérie avec la puissance installée [3] Site EL OUED SAIDA NAAMA MECHRIA TISSEMSILT EL-BAYADH AIN BEIDA TIARET AFLOU La puissance installée (MW) 18 25 25 20 26 30 27 20 16 GHARDAIA LAGHOUAT TOUGGOURT OUARGLA 20 20 23 39 Site MEDEA AIN OUSSARA DJELFA BOUSSAADA BECHAR BISKRA M'SILA ABADLA LABIOD SIDI CHEIKH AIN SAFRA MGHAIR OULED DJELLAL TOLGA La puissance installée (MW) 20 26 48 22 26 25 44 9 8 8 28 10 35 II.4. Principe de fonctionnement : II.4.1. La centrale thermique a flamme : 1. la combustion : Les combustibles (gaz, charbon, fioul) sont brûlés dans les brûleurs des chaudières jusqu'à 90 m. Le charbon est d'abord pulvérisé en poudre, le fioul est chauffé pour le transformer en liquide, puis vaporisé en fines gouttelettes, et le gaz est injecté directement sans prétraitement. 2. Production de vapeur : La chaudière est doublée de tuyaux pour la circulation de l'eau froide. Lorsqu'il est brûlé, le combustible libère de la chaleur, qui chauffe l'eau. L'eau est transformée en vapeur, qui est envoyée dans une turbine sous pression. 16 3. Production d'énergie : La vapeur fait tourner une turbine, qui à son tour entraîne un générateur. L'alternateur produit du courant alternatif grâce à l'énergie fournie par la turbine. Le transformateur élève la tension du courant produit par l'alternateur afin qu'il puisse être plus facilement transmis dans les lignes à très haute et haute tension. 4. Recyclage : A la sortie de la turbine, la vapeur est reconvertie en eau car le condenseur fait circuler l'eau froide de l'océan ou de la rivière. L'eau ainsi obtenue est récupérée et recyclée dans la chaudière pour démarrer un autre cycle. L'eau utilisée pour le refroidissement est renvoyée dans son milieu naturel ou vers le condenseur. Les fumées de combustion sont dépoussiérées à l'aide de filtres et évacuées par la cheminée. Figure II.1 schéma d’une centrale thermique a flamme [4] Tableau II.2 : les avantages et les inconvénients des centrales thermiques à flamme 17 avantage Inconvénients Peut être construit à proximité des centres de consommation. Le coût de construction est faible. Technique simple. Le temps de construction est relativement court. La technologie de l'énergie thermique permet de construire des centrales de grande puissance. La production ne dépend pas de conditions externes autres que l'approvisionnement en carburant (par exemple, l'énergie éolienne ne peut pas fonctionner sans vent). Énergie primaire non renouvelable. Pollution de l'air et l’eau (effet de serre, précipitations acides). Risque de fuite. Risque d'accident lors du transport de carburant. Compromettre l'accord de Kyoto. Les coûts de production sont élevés. Remarque : on peut utiliser la biomasse pour diminuer les inconvénients Production d'énergie à partir de la biomasse : La biomasse provient de divers secteurs et matériaux, tels que le bois, les récoltes, les résidus agricoles et forestiers, les déchets alimentaires et les matières organiques provenant des déchets municipaux et industriels. Selon sa nature, il existe deux façons d'utiliser la biomasse pour produire de l'électricité. Incinération : Combustion directe des déchets pour générer de la chaleur, de l'électricité ou les deux (cogénération) Méthanisation : Les déchets sont d'abord transformés en biogaz par fermentation microbienne (bactérienne). Le biogaz est ensuite brûlé pour produire de la vapeur à haute pression qui entraîne un générateur à turbine. (Figure II.2) 18 Figure II.2 L’utilisation de biomasse au centrale thermique à flamme [5] II.4.2. La centrale thermique nucléaire : Le fonctionnement des centrales thermiques nucléaires (figure II.3) repose sur les technologies suivantes : 1. Circuit primaire : Dans un réacteur, la fission des atomes d'uranium génère beaucoup de chaleur. Cette chaleur élève la température de l'eau circulant autour du réacteur à 320°C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir. Cette boucle fermée est appelée boucle primaire. 2. Circuit secondaire : La boucle primaire communique avec une seconde boucle fermée appelée boucle secondaire par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. Dans ce type de générateur de vapeur, l'eau chaude de la boucle primaire chauffe l'eau de la boucle secondaire, la transformant en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine, qui à son tour entraîne un générateur. L'alternateur produit du courant alternatif grâce à l'énergie fournie par la turbine. Le transformateur élève la tension du courant produit par l'alternateur afin qu'il puisse être plus facilement transmis dans les lignes à très haute tension. 3. Circuit de refroidissement : A la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau par l'intermédiaire du condenseur dans lequel circule l'eau froide de la mer ou de la rivière. Cette troisième boucle est appelée boucle de refroidissement. Sur les rives du fleuve, l'eau du troisième circuit peut être refroidie au contact de l'air circulant dans de grosses tours, appelées aéroréfrigérants. 19 Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns aux autres. Figure II.3 Schéma de centrale thermique nucléaire [6] Tableau II.3 : les avantages et les inconvénients des centrales thermiques nucléaire Avantages Le coût du carburant pour faire fonctionner une centrale nucléaire ne représente que 20 % du coût de l'énergie produite. L'utilisation de centrales nucléaires pour produire de l'électricité représente environ 90 % de la production annuelle totale d'électricité, ce qui non seulement réduit la stabilité des coûts des dépenses énergétiques, mais permet également d'économiser d'autres combustibles comme le pétrole. L'énergie nucléaire ne produit pas de dioxyde de carbone, seulement de la vapeur d'eau, luttant ainsi potentiellement contre le réchauffement climatique et réduisant l'effet de serre. L'énergie nucléaire économise les ressources naturelles de la terre, à savoir le pétrole, le gaz et le charbon. L'énergie nucléaire est pratiquement inépuisable car l'uranium est abondant et le combustible d'une centrale est souvent recyclé pour être utilisé dans des centrales plus spécifiques. L'énergie nucléaire produit très peu de rayonnement et la radioactivité dégagée par l'utilisation de l'énergie nucléaire ne représente que 0,1 % du taux de Inconvénients Transport et stockage des déchets nucléaires, en particulier du combustible usé. Les déchets radioactifs sont nocifs pour l'environnement et la santé des personnes. Le radium est un atome radioactif majoritairement présent dans les déchets radioactifs, qui se dégrade très lentement selon la formule de la décroissance radioactive : il faut près de 16 siècles pour que le noyau radioactif des déchets nucléaires disparaisse. Les centrales nucléaires coûtent très cher. La construction d'une centrale nucléaire prend environ 10 ans, et la durée de vie n'est que de 30 à 40 ans. Pour refroidir le réacteur d'une centrale nucléaire, la présence d'une rivière ou d'une rivière est nécessaire. De plus, l'eau qui en est évacuée est chauffée, détruisant ainsi la faune. La surcharge des réacteurs peut provoquer l'explosion des centrales nucléaires et plusieurs accidents se sont produits dans le monde. 20 rayonnement total, bien moins que les 87 % des sources naturelles. II.4.3. La centrale thermique solaire : Le fonctionnement des centrales solaires thermiques (figure II.4) repose sur les technologies suivantes : -Les miroirs captent le rayonnement solaire à un certain point, ce qui entraîne des températures très élevées (de 400 à 1000°C). -La chaleur obtenue transforme l'eau en vapeur dans la chaudière. -La vapeur sous pression fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. -L'alternateur produit du courant alternatif. Il existe 3 types de centrales solaires thermiques basées sur la méthode de focalisation des rayons solaires : -Centre avec collecteur cylindrique Le long miroir tourne autour d'un axe horizontal pour suivre la course du soleil. -Les rayons sont concentrés sur un tube dans lequel circule le fluide servant à transférer la chaleur à la centrale. -Centrale électrique de la tour Une zone miroir orientable située au niveau du sol réfléchit les rayons du soleil sur la chaudière située au sommet de la tour. -Centrale à collecteur parabolique Le rayonnement solaire est concentré sur la distance focale de la parabole réglable, dans laquelle se trouvent des centrales électriques miniatures. Figure II.4 Schéma de centrale thermique solaire [7] 21 Tableau II.4 : les avantages et les inconvénients des centrales thermiques solaire avantage Il n'a pas de pièces mobiles, ce qui le rend idéal pour les régions éloignées. C'est pourquoi il est utilisé sur les engins spatiaux. La modularité des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et s'adapte aux différents besoins énergétiques. Le système peut être dimensionné pour des applications de puissance allant des milliwatts aux mégawatts. Ils ont des coûts d'exploitation très faibles en raison d'un entretien réduit et ils ne nécessitent pas de carburant, de transport ou de personnel hautement spécialisé. D'un point de vue écologique, la technologie photovoltaïque a des qualités car le produit fini est non polluant et silencieux. Inconvénients Le contenu technologique de fabrication des modules photovoltaïques est élevé et le coût d'investissement est élevé. Le rendement de conversion réel du module est faible (la limite théorique pour les cellules en silicium cristallin est de 28%). Les générateurs photovoltaïques ne concurrencent les générateurs diesel que pour la faible demande énergétique dans les zones reculées. II.4.4. La centrale géothermique : Le fonctionnement des centrales géothermiques (figure II.5) repose sur les technologies suivantes : 1.Fuite d'eau : La pluie ou l'eau de mer s'infiltre dans les fissures de la croûte terrestre, formant des réservoirs appelés aquifères souterrains à des températures élevées de 150 à 350°C. 2. Le Pompage : En raison du forage au sous-sol, l'eau chaude est pompée à la surface. Au cours de son ascension, il perd de la pression et se transforme en vapeur. 3. Production d'énergie : La pression de cette vapeur fait tourner une turbine, qui à son tour entraîne un générateur. L'alternateur produit du courant alternatif grâce à l'énergie fournie par la turbine. 4. Adaptation de tension : Les transformateurs augmentent la tension du courant produit par l'alternateur, ce qui facilite sa transmission dans les lignes à haute tension. 22 Figure II.5 Schéma de centrale géothermique Tableau II.5 : les avantages et les inconvénients des centrales géothermiques avantage C'est une méthode de chauffage économique. Le sous-sol a un flux constant de chaleur. Il est très efficace. La perte d'énergie observée entre le capteur et la pompe à chaleur est faible. Cela fonctionne partout dans le monde. Même si les régions volcaniques génèrent plus de chaleur, l'énergie géothermique est rarement affectée par les conditions météorologiques locales, comme l'énergie solaire. La centrale géothermique est respectueuse de l'environnement. La génération de chaleur produit très peu de gaz à effet de serre. Inconvénients Certains terrains trop rocailleux ne sont pas éligibles à la géothermie. Les coûts d'installation requis pour le chauffage géothermique sont élevés. La rentabilité du dispositif n'est visible qu'à partir de la 5ème année. L'énergie géothermique horizontale nécessite de grandes étendues de terrain, tandis que la capture d'énergie verticale nécessite des forages profonds. 23 Conclusion : Dans ce chapitre, nous avons présenté la définition des centrales thermiques, l'étendue de leur travail, leurs types, et les caractéristiques de chaque type … 24 Chapitre III : Centrale thermique à gaz à cycle combiné III.1. Introduction : Une turbine à gaz convertit une partie de l'énergie fournie par le combustible en énergie mécanique, qui peut ensuite être convertie en électricité par un générateur. Cette fraction (généralement inférieure à 50 %) dépend du cycle thermodynamique sélectionné et des températures supérieure et inférieure atteintes par le cycle. Pour une température donnée, le cycle de Carnot théorique a le rendement énergétique théorique le plus élevé. En combinant deux ou plusieurs cycles tels que le cycle de Brayton et le cycle de Rankine, l'efficacité énergétique du système peut être améliorée. En conséquence, les dernières centrales électriques à turbine à gaz à cycle combiné au gaz atteignent un rendement calorifique inférieur (PCI) de plus de 60 %, contre 35 % pour les centrales électriques au gaz conventionnelles qui brûlent du gaz dans une chaudière. III.2. Les cycles thermodynamiques : Un cycle thermodynamique est une suite de transformations successives, partant d'un système thermodynamique dans un état donné, le transformant et le ramenant finalement à son état d'origine pour que le cycle puisse recommencer. Pendant le cycle, le système voit des changements dans sa température, sa pression ou d'autres paramètres d'état, alors qu'il échange du travail avec le monde extérieur et transfère de la chaleur. III.2.1. Cycle de Carnot : [9] Dans un cycle de Carnot, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus réversibles en interne : deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isothermes : Compression isentropique – Le gaz est comprimé de manière adiabatique de l’état 1 à l’état 2, où la température est T H. Les environs agissent sur le gaz, augmentant son énergie interne et le compressant. En revanche, l’entropie reste inchangée. Détente isotherme – Le système est placé en contact avec le réservoir à T H. Le gaz se dilate de manière isotherme tout en recevant l’énergie Q H du réservoir chaud par transfert de chaleur. La température du gaz ne change pas pendant le processus. Le gaz fonctionne sur l’environnement. Le changement d’entropie total est donné par : ∆S = S 1 – S 4 = Q H / T H 25 Figure III.1 Cycle de Carnot moteur dans le diagramme de Clapeyron [9] Détente isentropique – le gaz se détend adiabatiquement de l’état 3 à l’état 4, où la température est T C. Le gaz travaille sur l’environnement et perd une quantité d’énergie interne égale au travail qui quitte le système. Encore une fois, l’entropie reste inchangée. Compression isotherme – Le système est placé en contact avec le réservoir à T C. Le gaz se comprime de manière isotherme à son état initial tandis qu’il décharge l’énergie Q C dans le réservoir froid par transfert de chaleur. Dans ce processus, l’environnement travaille sur le gaz. Le changement d’entropie total est donné par : =S3–S2=QC/TC 26 ∆S III.2.2. Cycle de Brayton : [10] Dans un cycle de Brayton idéal fermé, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus : deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isobares : Figure III.2 cycle de Brayton fermé [10] Compression isentropique (compression dans un compresseur) – Le gaz de travail (par exemple l’hélium) est comprimé de manière adiabatique de l’état 1 à l’état 2 par le compresseur (généralement un compresseur à flux axial). L’environnement travaille sur le gaz, augmentant son énergie interne (température) et le compressant (augmentant sa pression). En revanche, l’entropie reste inchangée. Le travail requis pour le compresseur est donné par : W C = H 2 – H 1. Apport de chaleur isobare (dans un échangeur de chaleur) – Dans cette phase (entre l’état 2 et l’état 3), il y a un transfert de chaleur à pression constante vers le gaz depuis une source externe, car la chambre est ouverte pour entrer et sortir. Dans un cycle de 27 Brayton idéal ouvert, l’air comprimé traverse ensuite une chambre de combustion, où le carburant est brûlé et l’air ou un autre milieu est chauffé (2 → 3). Il s’agit d’un processus à pression constante, car la chambre est ouverte pour entrer et sortir. La chaleur nette ajoutée est donnée par Q add = H 3 – H 2 Expansion isentropique (expansion dans une turbine) – Le gaz comprimé et chauffé se détend adiabatiquement de l’état 3 à l’état 4 dans une turbine. Le gaz travaille sur l’environnement (pales de la turbine) et perd une quantité d’énergie interne égale au travail qui quitte le système. Le travail effectué par turbine est donné par WT=H 4 – H 3. Encore une fois, l’entropie reste inchangée. Rejet de chaleur isobare (dans un échangeur de chaleur) – Dans cette phase, le cycle se termine par un processus à pression constante dans lequel la chaleur est rejetée du gaz. La température du gaz de travail chute du point 4 au point 1. La chaleur nette rejetée est donnée par Q re = H 4 – H 1 Lors d’un cycle de Brayton, des travaux sont effectués sur le gaz par le compresseur entre les états 1 et 2 (i compression sentropique). Le travail est effectué par le gaz dans la turbine entre les étapes 3 et 4 (i expansion sentropique). La différence entre le travail effectué par le gaz et le travail effectué sur le gaz est le travail net produit par le cycle et il correspond à l’aire délimitée par la courbe du cycle. Comme on peut le voir, il est commode d’utiliser l’enthalpie ou l’enthalpie spécifique et d’exprimer la première loi en termes d’enthalpie dans l’analyse de ce cycle thermodynamique. Cette forme de loi simplifie la description du transfert d’énergie. À pression constante, le changement d’enthalpie est égal à l’énergie transférée de l’environnement par le chauffage : Processus isobare (Vdp = 0) : dH = dQ → Q = H 2 – H 1 À entropie constante, c’est-à-dire dans un processus isentropique, le changement d’enthalpie est égal au travail de processus d’écoulement effectué sur ou par le système : Processus isentropique (dQ = 0) : dH = Vdp → W = H 2 – H 1 28 III.2.3Cycle de Rankine : [11] Dans un cycle de Rankine idéal, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus : deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isobares : Figure III.3 Cycle de Rankine [11] Compression isentropique (compression dans les pompes centrifuges) – Le condensat liquide est comprimé adiabatiquement de l’état 1 à l’état 2 par des pompes centrifuges (généralement par des pompes à condensats puis par des pompes à eau d’alimentation). Les condensats liquides sont pompés du condenseur vers la chaudière à haute pression. Dans ce processus, l’environnement travaille sur le fluide, augmentant son enthalpie (h = u + pv) et le compressant (augmentant sa pression). En revanche, l’entropie reste inchangée. Le travail requis pour le compresseur est donné par W Pompes = H 2 – H 1. Apport de chaleur isobare (dans un échangeur de chaleur – chaudière) – Dans cette phase (entre l’état 2 et l’état 3), il y a un transfert de chaleur à pression constante vers le condensat liquide à partir d’une source externe, car la chambre est ouverte pour entrer et sortir. L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée jusqu’au point 29 d’ébullition (2 → 3a) de ce fluide puis évaporée dans la chaudière (3a → 3). La chaleur nette ajoutée est donnée par Q add = H 3 – H 2 Expansion isentropique (expansion dans une turbine à vapeur) – La vapeur de la chaudière se détend adiabatiquement de l’état 3 à l’état 4 dans une turbine à vapeur pour produire du travail, puis est évacuée vers le condenseur (partiellement condensée). La vapeur fonctionne sur l’environnement (pales de la turbine) et perd une quantité d’enthalpie égale au travail qui quitte le système. Le travail effectué par turbine est donné par W T = H 4 – H 3. Encore une fois, l’entropie reste inchangée. Rejet de chaleur isobare (dans un échangeur de chaleur) – Dans cette phase, le cycle se termine par un processus à pression constante dans lequel la chaleur est rejetée de la vapeur partiellement condensée. Il y a un transfert de chaleur de la vapeur à l’eau de refroidissement circulant dans un circuit de refroidissement. La vapeur se condense et la température de l’eau de refroidissement augmente. La chaleur nette rejetée est donnée par Q re = H 4 – H 1 Lors d’un cycle de Rankine, des travaux sont effectués sur le fluide par les pompes entre les états 1 et 2 (i compression sentropique). Le travail est effectué par le fluide dans la turbine entre les étages 3 et 4 (i expansion sentropique). La différence entre le travail effectué par le fluide et le travail effectué sur le fluide est le travail net produit par le cycle et correspond à l’aire délimitée par la courbe du cycle. Le fluide de travail dans un cycle de Rankine suit une boucle fermée et est réutilisé en permanence. Comme on peut le voir, il est commode d’utiliser l’enthalpie et le premier principe en termes d’enthalpie dans l’analyse de ce cycle thermodynamique. Cette forme de loi simplifie la description du transfert d’énergie. À pression constante, le changement d’enthalpie est égal à l’énergie transférée de l’environnement par le chauffage : Processus isobare (Vdp = 0) : dH = dQ → Q = H 2 – H 1 À entropie constante, c’est-à-dire dans un processus isentropique, le changement d’enthalpie est égal au travail de processus d’écoulement effectué sur ou par le système : Processus isentropique (dQ = 0) : dH = Vdp → W = H 2 – H 1 30 III.3 Principe de fonctionnement de centrale thermique à cycle combiné gaz : Les centrales thermiques à cycle combiné au gaz (CCG) utilisent la chaleur dégagée par la combustion du gaz naturel pour produire de l'électricité. Ce type de centrale combine deux types de turbines : une turbine à gaz et une turbine à vapeur reliées à un alternateur. En utilisant le même volume de carburant, les deux turbines peuvent produire plus d'électricité. En raison de l'utilisation du gaz naturel comme combustible, les émissions de dioxyde de carbone sont réduites de moitié par rapport aux centrales électriques au charbon. Les centrales à cycle combiné flexibles et réactives sont plus efficaces que les centrales thermiques conventionnelles. Capable d'atteindre sa pleine puissance en moins d'une heure, il répond aux fortes variations de consommation, notamment les jours de grand froid. Figure III.4 Centrale thermique cycle combiné à gaz [12] 31 Les centrales à cycle combiné ont un rendement optimal, elles combinent deux équipements de production d’énergie que sont la turbine à combustion et la turbine à vapeur. Tout d’abord de l’air frais est injecté dans un compresseur, cet air ainsi comprimé à haute pression est alors propulsé dans la chambre de combustion. Dans la chambre de combustion l’air comprimé est mélangé à un combustible. Une fois enflammé, la réaction produit des gaz chauds, ces gaz chauds sont propulsés dans une turbine dont ils activent la rotation. Cette turbine entraine directement un alternateur qui produit l’électricité. Enfin, l’énergie produite par cet alternateur et évacuée vers le réseau d’électricité par l’intermédiaire d’un transformateur. (Figure III.5) Figure III.5 Turbine à gaz [13] Le grand avantage de la centrale à cycle combiné est qu’il récupère l’énorme chaleur des gaz qui sortent de la turbine à combustion dans une chaudière de récupération. Dans la chaudière, le gaz chauffe des milliers de tubes dans lesquels circule de l’eau, l’eau chauffée à haute température est dirigée vers un ballon où elle se transforme en vapeur. (Figure III.6) 32 Figure III.6 chaudière [14] La vapeur est envoyée sous pression vers la turbine qui est mise en mouvement et transforme l’énergie thermique en énergie mécanique. La turbine est couplée à un alternateur qui génère l’électricité par rotation du rotor (la partie mobile) à l’intérieur du stator (la partie fixe). Là aussi, l’énergie produite par cette alternateur est évacuée vers le réseau d’électricité. En sortie de la turbine, la vapeur est alors dirigée vers le condenseur dans lequel circule de l’eau froide qui permet de retransformer la vapeur en eau. Enfin, cette eau retourne vers la chaudière ou elle est de nouveau transformée en vapeur et le cycle recommence. (Figure III.7) Figure III.7 turbine à vapeur 33 III.4 La centrale électrique cycle combiné à gaz de ain arnat Algérie : On a une seule centrale électrique cycle combiné à gaz dans l’Algérie mise en service en 2017 c’est la centrale électrique de ain arnat : Tableau III.1 les statistiques de la centrale électrique de ain arnat [15] [16] [17] Nom Operateur Method Source la centrale électrique de ain arnat Sonelgaz combustion Gaz Production compter 338MW 34 3 Sortie totale 1014MW Conclusion générale : Il est préférable d’utiliser une centrale thermique à gaz à cycle combiné au lieu d’une centrale thermique à gaz conventionnelle car en combinant deux ou plusieurs cycles tels que le cycle de Brayton et le cycle de Rankine, l'efficacité énergétique du système peut être améliorée et en conséquence on peut atteindre un rendement calorifique inférieur (PCI) de plus de 60 %, contre 35 % pour un seul cycle. 35 Références [1] https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydroelectricite [2] ‘Analyse métrologique de la composition du gaz combustible et de son impact dans la centrale1227 MW, SKH’ thèse master Université SAAD DAHLAB de BLIDA 2017/2018 [3] Liste des projets du Programme Algérien de Développement des Energies Nouvelles et Renouvelables et de l’Efficacité Energétique’, Date de mise en ligne Lundi 25 avril 2011, sur le site : https://portail.cder.dz/spip.php?article1155 [4] Etude ‘Evolution de la microstructure des aciers T91 / T22 et leurs joints soudés’ de Laboratoire de la Mécanique Appliquée et Ingénierie, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis Tunis el Manar, Tunisi [5] https://www.batirici.ci/btp-cote-divoire-une-centrale-electrique-avec-les-dechets-du-cacao-esten-projet/ [6]https://www.irsn.fr/FR/connaissances/Installations_nucleaires/Les-centralesnucleaires/reacteurs-nucleaires-France/Pages/1-reacteurs-nucleaires-FranceFonctionnement.aspx#.YjVBNlXMKUk [7]‘centrale photovoltaïque’, consulté le 15/06/2018, sur le site : http://lorgues.nature.overblog.com/article-petite-introduction-aux-systemes-photovoltaiques57446073.html [8] https://www.mtaterre.fr/dossiers/comment-ca-marche-la-geothermie/la-geothermie-pour- produire-de-lelectricite [9] Article 2020-02-20 par Nick Connor : https://www.thermal-engineering.org/fr/quest-ce-quecarnot-cycle-moteur-thermique-carnotdefinition/#:~:text=Cycle%20de%20Carnot%20%E2%80%93%20Processus&text=compression%20is entropique%20%E2%80%93%20Le%20gaz%20est,%2C%20l'%20entropie%20reste%20inchang%C3 %A9e%20. [10] Article 2020-02-19 par Nick Connor : https://www.thermal-engineering.org/fr/quest-ce-quebrayton-cycle-moteur-a-turbine-a-gaz-definition/ [11] Article 2020-02-19 par Nick Connor : https://www.thermal-engineering.org/fr/quel-est-lecycle-de-rankine-cycle-de-turbine-a-vapeur-definition/ [12] https://www.pole-medee.com/2012/03/cycle-combine-a-gaz-nouvelle-generation/ [13] https://www.larousse.fr/encyclopedie/images/Turbine_%C3%A0_gaz/1006728 [14] https://dehatech.com/fr/service/chaudieres-a-recuperation-de-chaleur-et-montage-de- generateure-en-vapeur/ [15] « CCGT Plants in Algeria » [archive], Gallery, Power Plants Around the World, 1er November 2013 (consulté le 8 mars 2014). [16] « Sétif : inauguration d'une centrale électrique à Aïn Arnat » [archive], sur Al HuffPost Maghreb, 30 avril 2017 (consulté le 5 octobre 2019) 36 [17] « Sétif : le Premier ministre inaugure la centrale électrique d’Aïn Arnat » [archive], sur www.aps.dz (consulté le 5 octobre 2019) 37
