Production d`énergie électrique par centrales thermiques

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Production d’énergie électrique
par centrales thermiques
par André LALLEMAND
Ingénieur, docteur-ès-sciences
Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
a production d’électricité à des niveaux de puissance importants, plusieurs
centaines de mégawatts, est faite à partir de la transformation de l’énergie
chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie
nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. La
conversion mécanique-électrique est du ressort des alternateurs, la conversion
thermique-mécanique est l’œuvre des installations motrices à vapeur (IMV) ou
des turbines à gaz (TAG), dites encore turbines à combustion (TAC). La trans-
formation de l’énergie chimique en énergie thermique a lieu dans le générateur
de vapeur (GV) des IMV ou dans le foyer de la turbine pour les TAC.
La compréhension basique du mode de fonctionnement de ces systèmes
nécessite de faire un retour sur les notions de thermodynamique appliquée qui
mettent en jeu les bilans énergétiques, les bilans entropiques et les cycles
d’évolution du fluide utilisé comme fluide thermodynamique ou de travail : eau
dans le cas des IMV, air et fumées dans le cas des TAC.
Ce sont ces divers rappels de base, complétés par la description et l’analyse
du fonctionnement des systèmes classiques, que nous proposons de faire dans
les deux premiers paragraphes de cet article. Le troisième est réservé à un cou-
plage des deux systèmes, couplage qui permet d’atteindre les meilleurs rende-
ments.
Cet article n’ayant pas la prétention d’être exhaustif, on restera au niveau des
principes dans toutes les présentations. Le lecteur est renvoyé à des articles spé-
cialisés des Techniques de l’Ingénieur pour avoir des informations techniques plus
précises sur ces machines thermiques.
1. Thermodynamique des moteurs thermiques ................................... D 4 002 - 2
1.1 Conservation de l’énergie........................................................................... — 2
1.2 Création d’entropie. Irréversibilités............................................................ — 2
1.3 Cycles thermodynamiques. Moteurs. Rendement ................................... — 3
2. Installations motrices des centrales thermiques............................ — 4
2.1 Turbines à gaz .............................................................................................. — 4
2.2 Installations motrices à vapeur .................................................................. — 6
3. Centrales à cycles combinés ................................................................ — 9
4. Évolution et perspectives...................................................................... — 10
L

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1. Thermodynamique
des moteurs thermiques
La thermodynamique des moteurs thermiques, comme ceux qui
convertissent l’énergie dans les centrales électrogènes, a pour base
les deux principes : celui de la conservation de l’énergie d’une part
([BE 8 005] Thermodynamique appliquée. Premier principe. Éner-
gie. Enthalpie), celui de l’évolution ou de la non-conservation de
l’entropie d’autre part ([BE 8 007] Thermodynamique appliquée.
Deuxième principe. Entropie et [BE 8 008] Thermodynamique
appliquée. Bilans entropiques et exergétiques).
1.1 Conservation de l’énergie
En se limitant aux énergies de types mécanique et thermique, le
principe de la conservation de l’énergie stipule que, au cours d’une
transformation fermée, qui permet à un système après une évo-
lution (ou transformation) de retrouver son état initial, la somme
des énergies mécanique et thermique échangées avec le milieu
extérieur est nulle [BE 8 005] :
W + Q = 0 (1)
avec Wénergie mécanique échangée entre le système Σ et son
milieu extérieur ME (figure 1),
Qquantité de chaleur échangée exprimée dans les mêmes
unités (joules ou J, dans le système international),
la convention de signe suivante :
— les énergies sont comptées positivement si le système reçoit
de l’énergie ;
— elles sont comptées négativement si le système fournit ces
énergies.
Lorsque la transformation est ouverte de 1 à 2 (état final 2 du
système différent de son état initial 1) la somme des énergies
mises en jeu n’est plus nulle : elle est égale à la variation de l’éner-
gie interne U du système :
W12 + Q12 = ∆U12 (2)
L’énergie interne est une fonction d’état : elle ne dépend que de
l’état du système.
Dans les moteurs thermiques, la conversion d’énergie ther-
mique/mécanique est toujours réalisée par l’intermédiaire d’un
fluide [BE 8 020] Propriétés thermodynamiques des fluides : gaz,
liquide ou vapeur qui traverse le moteur ou une partie du moteur.
Sur le plan thermodynamique, ce fluide constitue le « système
thermodynamique » évoqué ci-dessus.
1.2 Création d’entropie. Irréversibilités
Quel que soit le type d’énergie échangé, sa valeur est toujours
obtenue en faisant le produit de deux grandeurs dont l’une a un
caractère intensif (qui ne dépend pas de la quantité de système
considéré), l’autre un caractère extensif (qui dépend de la quantité
de système). La pression P et la température T par exemple ont un
caractère intensif ; le volume V, la masse M, l’énergie interne U ont
un caractère extensif [BE 8 007] [BE 8 008]. Ainsi :
— l’énergie mécanique, dans sa forme élémentaire, peut s’écrire :
δW = F d ou encore δW = P dV(3)
avec Fforce (variable intensive),
déplacement (variable extensive) ;
— l’énergie électrique :
δEe = E de(4)
avec Eeénergie électrique,
Epotentiel électrique (variable intensive),
echarges électriques mises en jeu (variable extensive).
Pour l’énergie thermique, on écrit :
δQ = T dS(5)
avec Ttempérature (exprimée en kelvins, K),
Sentropie qui apparaît ainsi comme étant la variable exten-
sive liée à la chaleur. Comme toutes les variables exten-
sives, elle ne dépend que de l’état du système. En
particulier, lorsqu’un système évolue de manière cyclique
(mêmes états final et initial), sa variation d’entropie est
nulle.
Par ailleurs, des considérations expérimentales simples mon-
trent que toute évolution d’un système nécessite d’avoir des gra-
dients des grandeurs intensives :
— un transfert de chaleur ne peut avoir lieu que s’il y a une dif-
férence de température (variable intensive) entre les deux corps ;
Notations et symboles
Symbole Unités Définition
d Différentielle totale exacte
EV Potentiel électrique
eC Charges électriques
EeJ Énergie électrique
FN Force
m Longueur
PPa Pression
QJ Chaleur ou énergie thermique échangée
W Puissance thermique
SJ · K–1 Entropie
TK Température
UJ Énergie interne
Vm3Volume
WJ Énergie mécanique échangée
δ Différentielle quelconque
∆ Différence
η Rendement
Indices
1 État initial
2 État final
MMaximum
mMinimum
Q
˙
Figure 1 – Définition d’un système thermodynamique ( )
et échanges d’énergies mécanique et thermique avec le milieu extérieur
Milieu extérieur
Q
W
(Σ)

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— un écoulement de fluide ne peut avoir lieu que s’il y a une dif-
férence de pression (variable intensive) entre deux sections de
l’écoulement, etc.
De plus, on constate que le transfert ne se fait naturellement que
dans un seul sens : de la zone à haute valeur intensive vers la zone
à faible valeur intensive, jamais dans l’autre sens. Ce transfert, irré-
versible, nécessaire aux activités humaines, a comme corollaire
une création d’entropie. Un exemple très simple illustre cela
(figure 2). Un corps à température T1 donne une quantité de cha-
leur δQ à un corps plus froid, à la température T2. L’application de
l’équation (5) à chacun des deux corps donne :
δQ = T1dS1 = T2dS2(6)
comme T2 < T1, on en déduit que :
dS2 > dS1
Le transfert irréversible de chaleur crée une quantité d’entropie
dS′ égale à la différence des flux entropiques reçu et cédé par cha-
cun des corps.
1.3 Cycles thermodynamiques.
Moteurs. Rendement
Considérons l’évolution d’un fluide entre un état 1 et un état 2 et
la représentation schématique de cette évolution dans un dia-
gramme entropique T-S (figure 3) [BE 8 040] Diagrammes thermo-
dynamiques. Généralités. Selon l’équation (5), l’aire sous-tendue
par la ligne 1-2 représente l’énergie thermique Q12 échangée entre
le fluide et son milieu extérieur au cours de cette évolution. Dans
l’exemple de la figure, elle est positive ; le fluide reçoit de la cha-
leur au cours de cette évolution. Si le fluide revient à son état initial
en empruntant un chemin thermodynamique différent, la quantité
de chaleur mise en jeu au cours du retour est encore mesurée par
l’aire sous-tendue par l’évolution. Deux cas se présentent alors :
— soit le retour se fait par un chemin de type 2a1 qui donne un
échange thermique Q2a1 négatif et inférieur en valeur absolue au
retour par rapport à l’aller ;
— soit le retour se fait par 2b1 et la quantité de chaleur Q2b1 ,
encore négative, est plus forte en module.
Dans le premier cas (1-2-a-1, l’échange thermique global Q sera
positif), le système (le fluide) a globalement reçu de la chaleur et
l’équation (1) implique qu’il aura fourni du travail au milieu exté-
rieur (W < 0). Dans le cas 1-2-b-1, c’est le contraire.
Considérant que l’origine du fonctionnement d’un moteur est
l’énergie thermique qu’il reçoit et que l’on note par Q1, son
rendement est exprimé par le rapport suivant :
(7)
avec Q1 > 0 et Q2 < 0 ,
Q2chaleur cédée par le moteur.
Il n’est pas inutile d’insister sur un point qui souvent apparaît
comme choquant au profane. Il s’agit de la nécessité qu’il y a à
refroidir le fluide (système thermodynamique) d’un moteur avant
de le réchauffer. Cela peut apparaître comme étant absurde. Mais
c’est une nécessité thermodynamique attachée aux évolutions
cycliques, donc au fait que l’entropie en particulier, fonction d’état,
Figure 2 – Transfert de chaleur et d’entropie entre deux corps
à températures différentes
Figure 3 – Quantité de chaleur échangée au cours d’une évolution 1-2,
puis au cours d’un cycle
T1T2
dS1dS2
dS’ = entropie créée
δQ
S1S2
Q12
a
b
T
S
2
1
Figure 4 – Cycle quelconque d’évolution d’un fluide conduisant
à un travail moteur
On peut aussi conclure que, lorsqu’un cycle d’évolution est
décrit, dans ce diagramme T-S, dans le sens des aiguilles d’une
montre, le travail est négatif, c’est le cas d’un moteur thermique.
Lorsque le cycle est décrit dans le sens trigonométrique, on a
affaire à un générateur thermique comme une machine frigorifi-
que ou une pompe à chaleur : dans ce cas, le système consomme
de l’énergie mécanique et au total fournit de la chaleur. Ce type de
représentation permet, de plus, d’avoir une illustration de l’énergie
mécanique mise en jeu puisque, toujours selon (1), celle-ci est
représentée par l’aire du cycle :
W = – Q
Corrélativement, on peut noter que : un cycle, quel qu’il soit,
pourvu que son aire soit non nulle et positive sur le plan thermique,
peut servir de base à la conception d’un moteur thermique
(figure 4).
T
S
Qa > |Qb| W = – Q < 0
Qb > 0
Qa > 0
η
W
Q1
---------
–Q1Q2
+
Q1
-----------------------1Q2
Q1
---------+ 1Q2
Q1
------------–== = =

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doit revenir à sa valeur initiale après évolution. Or, si tout apport
de chaleur augmente l’entropie du système, le seul moyen de la
diminuer consiste à céder de la chaleur au milieu extérieur. La
seule possibilité conduisant à une perte thermique nulle Q2 = 0 est
que la température du fluide reste nulle T = 0 durant toute la phase
de retour (figure 5). La relation (7) montre que, dans ce cas bien
évidemment, le rendement du moteur serait égal à l’unité. Prati-
quement, cette possibilité est hors de portée technique car elle
nécessiterait de disposer d’un puits de chaleur à 0 K qui n’existe
pas. Le puits à température la plus basse industriellement accep-
table est le milieu ambiant dont la température, variable selon le
lieu et la saison, est de l’ordre de 260 à 300 K environ.
On démontre, en thermodynamique (voir [BE 8 007]), que le
meilleur rendement est obtenu lorsque le cycle correspond à un
rectangle dans le diagramme de référence T, S . C’est le cycle de
Carnot constitué de deux isothermes et de deux isentropes
(figure 6). Avec ce cycle :
Q1= TM ∆S12 ; Q2 = Tm ∆S21 ; – W = Q1 + Q2 = (TM – Tm) ∆S12 (8)
soit :
(9)
2. Installations motrices
des centrales thermiques
Pratiquement, un cycle de Carnot est très difficile à concrétiser,
puisqu’il s’agirait de réaliser des échanges thermiques Q12 et Q34
à température rigoureusement constante tout en diminuant la
pression d’une part et en l’augmentant d’autre part. Industriel-
lement, les transferts de chaleur se font à pression constante (ou
sensiblement constante) dans des échangeurs de chaleur ou dans
des foyers où se développe une combustion. En revanche, les deux
isentropes sont plus faciles à concevoir, puisqu’elles correspondent
à des évolutions (détente 2-3 et compression 4-1) adiabatiques réve-
rsibles (pour éviter la création d’entropie). Cependant, elles ne peu-
vent pas être réalisées strictement, puisque, en pratique, les
irréversibilités sont inévitables.
Ainsi, deux types de cycles, différents du cycle de Carnot mais
respectant les impératifs techniques, sont mis en œuvre dans les
centrales thermiques électrogènes : le cycle de Joule et ses
dérivés ; le cycle de Rankine et ses dérivés. Les moteurs thermi-
ques Diesels ne sont que peu utilisés. Ils ne seront pas présentés
dans la suite de cet article dont le but est d’ailleurs de ne faire
qu’une présentation de principe des installations les plus couran-
tes. Pour plus de détails sur les centrales thermiques, le lecteur
pourra se référer à l’article traitant de la production d’énergie élec-
trique à partir de combustibles fossiles.
2.1 Turbines à gaz
Si on admet que l’apport de chaleur et la perte thermique doivent
être réalisés dans des échangeurs (se reporter à l’article traitant les
échangeurs de chaleur), à pression constante, le cycle de base d’une
turbine à gaz doit comporter deux portions d’isobares 1-2 et 3-4
(figure 7) à des niveaux de pression P1 = P2 et P3 = P4 différents et
deux isentropes au cours desquelles ont lieu une compression 4-1
et une détente 2-3. Notons que, pour chauffer le fluide entre 1 et 2
(quantité de chaleur Q12), il faut disposer d’une source de chaleur
dont la température atteigne au moins la valeur TM = T2. De même,
pour refroidir le fluide thermodynamique (Q34), il faut disposer d’un
puits thermique dont la température soit au plus Tm = T4. Ce cycle,
appelé cycle de Joule, peut être comparé au cycle de Carnot évoluant
entre les mêmes températures extrêmes. Une analyse des énergies
thermiques et mécaniques mises en jeu montre alors que le
rendement du cycle de Joule est très nettement inférieur à celui du
cycle de Carnot associé. Ce rendement est encore abaissé du fait
des irréversibilités de compression et de détente qui augmentent
l’entropie et impliquent le déplacement de 1 en 1′ et de 3 en 3′.
Figure 5 – Cycle particulier théorique conduisant à un rendement unité
Figure 6 – Cycle de Carnot
1 2
T
S
0 K
Q
S1S2
Q2
P1P4P2
P3
T
S
1
4
2
3
TM
Tm
W
P1 > P4 > P2 > P3
η
W
Q
1
---------
– T
M T m
–
T
M
------------------------ 1 T m T
M
----------
–== =
Figure 7 – Cycle de Joule et cycle de Carnot associé
Q12
Q34
WC
WT
W
P1P4
S1S2
T
S
TM
Tm
Cycle de Carnot
3
3'
2
1'
1
4
WT énergie mécanique échangée à la turbine

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5
Le schéma de constitution de principe de la machine correspon-
dante fait l’objet de la figure 8 . On y distingue les deux échangeurs
de chaleur à pression constante, la compression dans un
compresseur qui nécessite une énergie W
C
, la détente dans une
turbine qui fournit une énergie W
T
[BE 8 013] Compression et
détente des gaz ou des vapeurs pour entraîner le compresseur et
un alternateur. De l’ordre de 75 % de la puissance de la turbine est
utilisé pour entraîner le compresseur, 25 % pour l’alternateur. En
pratique, l’apport de chaleur 1-2 est remplacé par une combustion
dans un foyer qui a le même effet sur l’augmentation de tempéra-
ture du fluide. Le refroidissement a lieu simplement dans le milieu
ambiant, la sortie de la turbine permettant un échappement des
gaz de combustion ou fumées (figure 9 ). Le combustible peut être
un gaz ou du fioul. Dans les installations de forte puissance, le
compresseur et la turbine sont de type axial. Une coupe schémati-
que d’une telle turbine à gaz (TAG), dite encore turbine à
combustion (TAC), fait l’objet de la figure 10 .
Dans les installations terrestres de TAG, on améliore toujours le
rendement de l’installation en préchauffant l’air à la sortie du
compresseur, entre 2 et 5 par les gaz d’échappement de la turbine
qui se refroidissent de 4 à 6 (figure 11 ). Le cycle correspondant est
un cycle de Joule à récupération (figure 12 ).
Dans certaines grosses installations, des refroidissements sont
réalisés au cours de la phase de compression (compressions élé-
mentaires suivies de refroidissement dans des échangeurs) et un
réchauffage (ou nouvelle combustion) a lieu au cours de la détente.
Figure 8 – Turbine à gaz en cycle fermé
Figure 9 – Turbine à gaz en cycle ouvert ou turbine
à combustion interne (TAC)
Échangeur chaud
P = Cte
Échangeur froid
P = Cte
Turbine
WT
12
43
Q12
Q34
WT = WC + WAL
Alternateur
WAL
Compresseur
WC
Foyer
Turbine
1
2
43
Air ambiant Fumées sortant
dans le milieu
ambiant
Carburant
Pompe
Alternateur Compresseur
Compresseur
Compresseur
Figure 10 – Coupe d’une turbine à gaz MS9001E, GE Energy - Belfort
(gamme de puissance : 126 à 193 MW)
Figure 11 – Turbine à combustion interne à récupération
Figure 12 – Cycle de Joule à récupération de chaleur
Turbine
(3 étages)
Entrée d’air
Compresseur
(17 étages)
Chambres
de combustion
Foyer
Récupérateur
Compresseur
Compresseur
Turbine
3
5
124
Air ambiant
Fumées sortant
dans le milieu
ambiant
Carburant
Pompe
6
Compresseur
Alternateur
P1P4
S1S3 S2S4
T
S
TM
Tm
4
3
2
1
6
5
Récupération
de chaleur