Ce module d'auto-formation est structuré en trois étapes correspondant à une progression comprenant l'acquisition des bases, leur consolidation, puis des activités plus spécifiques des cycles nucléaires et quelques suggestions d'approfondissement.

Les cycles thermodynamiques mis en oeuvre dans les centrales nucléaires sont essentiellement de trois types : des cycles à vapeur (Hirn ou Rankine), des cycles de turbine à gaz à cycle fermé (Brayton), et des cycles combinés.

Présisons que ce module ne traite que de la partie conversion thermodynamique de ces cycles, les autres aspects relevant plus spécifiquement du génie atomique à proprement parler étant pour le moment exclus du champ de ce portail.

La progression proposée vous permet de vous familiariser avec ces cycles avant de passer à leur application au cas des centrales nucléaires, qu'elles soient classiques comme celles de la filière REP à eau pressurisée, ou futures, comme celles qui sont envisagées dans le cadre du forum Generation IV .

Au cours de cette première étape, vous chercherez à acquérir l'ensemble des concepts et à maîtriser les outils qui vous permettront ultérieurement d'approfondir vos connaissances.

Cet enseignement ne traite pas en détail des bases de thermodynamique, supposées déjà connues. Des séances de rappels sont toutefois proposées. Il vous est recommandé de les parcourir au moins une fois rapidement, ne serait-ce que pour vous familiarisier avec les notations utilisées.

Il importe en particulier que vous compreniez bien les notions de système ouvert^[1] ou fermé et celle d'enthalpie, car elles seront utilisées en permanence ultérieurement. De la même manière, bien que les propriétés des fluides soient supposées connues, l'expérience prouve que des rappels ne sont généralement pas inutiles, notamment sur leur représentation dans les différents diagrammes thermodynamiques.

C'est aussi au cours de cette étape que vous ferez l'apprentissage du simulateur que vous utiliserez tout au cours de cet enseignement pour modéliser les systèmes énergétiques. Vous disposez pour cela d'une séance de présentation générale, qui vous fera découvrir les fonctionnalités du progiciel, et surtout de deux exemples de construction pas à pas de modèles (turbines à gaz à cycle fermé, cycle de centrale à vapeur), qui vous permettront de prendre en mains l'outil.

L'enseignement de l'énergétique comporte deux grands volets, de nature très différente mais de difficulté semblable :

• d'une part celui de la modélisation des technologies étudiées, qui relève essentiellement de la thermodynamique appliquée

• d'autre part celui de la compréhension des technologies mises en oeuvre, qui diffèrent assez profondément selon le type de machine

Dans ces séances, vous aurez à étudier des séances relevant de chacun de ces deux volets, quelquefois totalement séparés, quelquefois combinés. Prenez bien le temps d'étudier les technologies présentées, et n'hésitez pas à compléter les informations qui vous sont fournies, car elles sont nécessairement succinctes et incomplètes. Vous trouverez pour cela des références externes, notamment aux Techniques de l'Ingénieur, que nous vous recommandons de consulter.

Comme vous le verrez, les technologies énergétiques peuvent être considérées comme des systèmes mettant en jeu un nombre limité de composants, dont il importe de bien comprendre le comportement. La progression proposée consiste donc à vous faire d'abord étudier les composants, puis ensuite les systèmes.

Afin que vous puissiez entrer rapidement dans le vif du sujet, vous commencerez par étudier deux types de composants, ceux qui permettent de réaliser d'une part des compressions et détentes, et d'autre part des échauffements et refroidissements de fluides. Avec ce bagage, vous pourrez étudier les cycles de base d'une turbine à gaz à cycle fermé et celui d'une centrale à vapeur.

Au même titre que celle des technologies, l'étude des cycles de base revêt une très grande importance, car, si elle est bien faite, elle vous permettra de structurer durablement vos connaissances en énergétique. La double approche discursive et graphique qui est ici proposée vous aidera dans cette tâche.

Une séance préalable traitant des généralités sur les cycles introduira les principaux concepts utilisés dans ce contexte.

Un clic sur l'une des séances vous donne un accès direct au module Diapason correspondant.

• Généralités, utilisation de Thermoptim - contenu - étapes - durée de la sonorisation

• S01 - Introduction, principes pédagogiques - 3 - 3 mn 40 s

• S07 - Présentation de Thermoptim - 39 - 16 mn

• Bases de thermodynamique -   -   -  

• S02 - Energies mises en jeu (travail et chaleur), premier principe - 11 - 4 mn

• S03 - Deuxième principe, irréversibilités - 7 - 4 mn

• S04 - Propriétés des gaz idéaux, diagramme (T, s) - 16 - 15 mn

• S05 - Diagrammes des vapeurs - 29 - 23 mn

• S09 - Généralités sur les cycles - 13 - 13 mn

• Thermodynamique et technologie des composants -   - -

• S10 - Chauffage, refroidissement de fluides - 5 - 1 mn 35 s

• S11 - Compression, détente avec travail - 16 - 5 mn 45 s

• S13 - Technologie des turbocompresseurs et des turbines - 27 - 19 mn

• Turbines à gaz 1 -   -   -  

• S20 - Technologie des turbines à gaz (TAG) - 30 - 18 mn

• S21 - Exercice TAG (air parfait) - 29 - 12 mn 35 s

• Centrales à vapeur -   -   -  

• S25 - Technologie des centrales à vapeur - 23 - 21 mn 20 s

• S26 - Exercice centrale de 300 MW à cycle simple - 27 - 12 mn 35 s

La première étape vous a permis d'acquérir les concepts de base de la discipline et d'apprendre à utiliser Thermoptim pour modéliser les cycles de base.

Au cours de cette deuxième étape, vous commencerez par consolider vos connaissances en étudiant quelques compléments théoriques (notamment sur les échangeurs), et en analysant des variantes des cycles de base. Dans un second temps vous aborderez les cycles combinés et la cogénération.

Les cycles étudiés devenant plus complexes, les modèles que vous étudierez vous demanderont davantage de travail que les précédents. Des compléments de modélisation avec Thermoptim vous seront présentés.

Les échangeurs de chaleurs sont des appareils permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des températures différentes. A ce titre, ils jouent un rôle fondamental dans de nombreuses technologies énergétiques.

Bien que leur mode de fonctionnement soit généralement simple, étant donné qu'il s'agit de composants fixes, sans pièces en mouvement, l'expérience montre que de nombreuses difficultés surgissent lorsqu'il s'agit de les paramétrer judicieusement.

Au cours de cette étape, vous vous familiariserez avec les échangeurs de chaleur et vous apprendrez à les modéliser.

Thermoptim est un progiciel qui permet de beaucoup faciliter (et de sécuriser) la modélisation des systèmes énergétiques. Il n'en reste pas moins que son utilisation demande un certain nombre de précautions dès lors que vous vous intéressez à des technologies complexes, notamment si elles mettent en jeu des fluides différents, avec des mélanges et des combustions, ainsi que lorsque des échangeurs interviennent.

Une séance Diapason particulière, intitulée "Trucs et astuces avec Thermoptim", vous apprendra à maîtriser ces difficultés.

Etude des variantes des cycles de base et des cycles avancés (cycles combinés, cogénération)

Maintenant que vous maîtrisez les cycles de base, vous allez étudier leurs variantes et des cycles plus complexes. Vous étudierez ainsi les cycles des :

• turbines à gaz à régénération

• centrales à vapeur à prélèvement et régénération

• cycles combinés

• installations de cogénération

• Nom - contenu - étapes - durée de la sonorisation

• Trucs et astuces pour Thermoptim -   - -

• S07_trucs - Trucs et astuces pour l'utilisation de Thermoptim - 27 - 25 mn

• Thermodynamique et technologie des composants -   - -

• S18 - Thermodynamique des échangeurs - 22 - 18 mn

• S19 - Technologie des échangeurs de chaleur - 7 - 3 mn 20 s

• Turbines à gaz 2 -

• S23He - Exercice TAG à hélium à régénération - 6 - 4 mn

• Centrales à vapeur 2 -

• S27 - Exercice centrale de 300 MW à prélèvement et resurchauffe - 13 - 8 mn

• Cycles combinés -   -   -  

• S40 - Technologie des cycles combinés - 12 - 6 mn 50 s

• S41He - Exercice cycle combiné à TAG à hélium à un niveau de pression - 13 - 8 mn

• Cogénération -   -   -  

• S45 - Technologie des installations de cogénération - 14 - 13 mn 40 s

• Nous vous suggérons deux voies d'approfondissement : la méthode du pincement, qui permet d'optimiser les cycles complexes, et le mécanisme des classes externes, destiné à vous permettre d'ajouter à Thermoptim vos propres composants.

• Mécanisme des classes externes - contenu - étapes - durée de la sonorisation

• S07_ext - Introduction à l'utilisation et à la programmation des classes externes - 31 - 22 mn

Les deux premières étapes vous ont proposé une progression vous permettant, en une dizaine d'heures de travail environ, d'acquérir les bases de l'énergétique.

Notez que les cycles à hélium que vous avez jusqu'ici étudiés conduisent à des performantes très attractives sur le plan thermodynamique, mais qu'ils se heurtent à une contrainte technologique et industrielle forte : il n'existe pas aujourd'hui de turbomachines à hélium ayant de très bons rendements isentropiques ou polytropiques, et il faudra vraisemblablement plus d'une décennie pour en développer, et encore à condition qu'existe un marché suffisant pour ces nouvelles machines.

La troisième étape est plus spécifiquement dédiée aux cycles nucléaires que, selon vos centres d'intérêt, vous pouvez aborder dans un ordre à peu près indifférent.

Les centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP) sont aujourd'hui les plus utilisées dans le monde, même si leur rendement thermodynamique est assez faible. La mise au point des futurs réacteurs dits de Génération IV devrait permettre d'atteindre des températures de cycles beaucoup plus élevées, permettant de recourir aux cycles à vapeur supercitiques ou aux cycles de Brayton à gaz, qu'il s'agisse de gaz permanents comme l'hélium, ou bien du CO2 supercritique. Des cycles combinés sont aussi envisagés, notamment avec les cycles de Brayton à haute température.

Au cours de cette étape, vous pourrez aborder les sujets suivants :

• cycle à vapeur supercritique avancé. Une fiche thématique porte sur ce type de cycle. Signalons qu'elle n'est pas spécifique aux applications nucléaires, les cycles supercritiques étant déjà utilisés dans des centrales à flamme.

• centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Une fiche thématique présente ce type de centrale, et une fiche-guide de TD permet d'en modéliser une.

• cycles nucléaires à haute température (HTR). Cette fiche thématique présente quelques uns des principaux types de centrales HTR récemment considérés, dont des cycles combinés.

• cycles de production d'électricité au CO2 supercritique. Cette fiche thématique présente les principaux types de cycles au CO2 supercritique actuellement envisagés.

Nous vous suggérons deux voies d'approfondissement : la méthode du pincement, qui permet d'optimiser les cycles complexes, et le mécanisme des classes externes, destiné à vous permettre d'ajouter à Thermoptim vos propres composants.

Méthode du pincement

Si l'on fait abstraction du support théorique relativement complexe sur lequel elle repose (dérivé de la méthode du pincement avec distinction des irréversibilités de composants et systémiques), la méthode d'optimisation de Thermoptim est relativement simple à présenter et à mettre en oeuvre. Une fiche-guide de TD peut vous aider à vous familiariser avec elle.

Précisons tout d'abord qu'il s'agit d'une variante pour les systèmes énergétiques de la méthode de Linnhoff, cette dernière s'appliquant à la conception des réseaux d'échangeurs complexes mettant en jeu un grand nombre de fluides comme on en rencontre notamment dans le génie chimique.

Cette méthode se révèle très puissante lorsque l'on cherche à concevoir un réseau d'échangeurs permettant de réduire les irréversibilités internes d'un cycle combiné.

Mécanisme des classes externes

Les classes externes sont des éléments de code Java permettant à des utilisateurs de personnaliser leur environnement de travail en définissant leurs propres composants (transfos, mélangeurs et diviseurs) ou leurs propres corps. Elles facilitent l'inter-opérabilité du progiciel avec l'extérieur, notamment avec d'autres applications développées sous Java.

Une fois créées, les classes externes s'intègrent dans les écrans de Thermoptim tout comme les éléments du noyau, et peuvent être utilisées pour modéliser des systèmes énergétiques complexes. Cette manière de faire permet de limiter le travail de modélisation et de bénéficier des fonctionnalités de l'environnement de Thermoptim, ce qui a pour effet de faciliter et sécuriser la modélisation.

La séance Diapason S07_ext " Introduction à l'utilisation et à la programmation des classes externes " vous permettra de vous initier à ce mécanisme. 

• Mécanisme des classes externes - contenu

• S07_ext - Introduction à l'utilisation et à la programmation des classes externes - 31 - 22 mn