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 ENR et quelques suggestions d'approfondissement.

Les cycles thermodynamiques mis en oeuvre pour la conversion thermodynamique des énergies renouvelables sont essentiellement de trois types : des cycles à vapeur (Hirn), des cycles de turbine à gaz à cycle ouvert (Brayton), et des cycles combinés.

La progression proposée vous permet de vous familiariser avec ces cycles avant de passer à leur application au cas des ENR.

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, 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 simplifiée 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

• Combustion -   -   -  

• S15 - Technologie des centrales à vapeur - 23 - 21 mn 20 s

• S16 - Exercice centrale de 300 MW à cycle simple - 27 - 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

• Turbines à gaz 2 -   -   -  

• S22 -   Exercice TAG (gaz réel) -  5 -  2 mn 30 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 l'exergie et 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.

La théorie de l'exergie fournit un cadre tout à fait rigoureux pour quantifier la qualité thermodynamique d'un système quelconque, ouvert ou fermé, en régime dynamique ou non. Les bilans exergétiques sont de plus en plus acceptés comme un outil privilégié pour comparer et optimiser les cycles thermodynamiques.

Au cours de cette étape, vous aurez l'occasion de vous familiariser avec ce concept et d'apprendre à le mettre en oeuvre pour les différentes études de cycles.

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.

Maintenant que vous maîtrisez les cycles de base, vous allez étudier leurs variantes et des cycles plus complexes. Vous apprendrez aussi à en dresser les bilans exergétiques, afin de pouvoir analyser quantitativement les irréversibilités qui y prennent place. Vous étudierez ainsi les cycles des :

• turbines à gaz à régénération

• centrales à vapeur à prélèvement et régénération

• cycles combinés

• installations de cogénération

• 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 3

• S23 -   Exercice TAG (bilans exergétiques, régénération) - 10 - 6 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

• S41 - Exercice cycle combiné à un niveau de pression - 13 - 8 mn

• Cogénération

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

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.

La troisième étape est plus spécifiquement dédiée aux cycles ENR.

La séance Diapason ENR01 " Conversion thermodynamique des énergies renouvelables " constitue une introduction pour les cycles à énergie solaire directe ou indirecte, à l'exception de la biomasse.

Elle aborde les sujets suivants :

• centrales électriques solaires (capteurs solaires plans et à concentration) (une fiche-guide  complète la séance Diapason, en vous proposant la modélisation d'une centrale solaire du type SEGS)

• génération d'électricité à partir d'un étang solaire à gradient inverse (une fiche-guide  vous permet de vous initier à la modélisation de ce type de centrale)

• centrales électriques utilisant le gradient thermique des océans ( OTEC pour Ocean Thermal Energy Conversion) (une fiche-guide vous aidera à modéliser les deux types de cycles utilisés : le cycle fermé du type ORC (Organic Rankine Cycle), et le cycle ouvert à flash, qui permet de surcroît de distiller une partie de l'eau de mer) 

Nous vous recommandons, en complément de cette séance, de vous reporter à la page du portail dédiée au calcul des installations solaires thermodynamiques , dans la rubrique "Guides méthodologiques".

Vous y trouverez des explications sur la manière de prendre en compte la variabilité de la ressource solaire et sur les méthodes de calcul par simulation et simplifiées.

En complément, vous pourrez travailler sur deux autres modes de conversion des énergies renouvelables :

• les centrales électriques géothermiques, pour lesquelles une  fiche-guide vous conduira à modéliser divers types de cycles dits directs, à simple ou double flash, binaires, combinés et mixtes.

• une fiche thématique vous initiera à la combustion de la biomasse, soit directe, soit indirecte grâce à la gazéification.  

Les fiches-guides et la fiche thématique indiqués ci-dessus correspondent à des diverses activités, de difficultés variées.

Nous vous suggérons trois voies d'approfondissement : le mécanisme des classes externes, destiné à vous permettre d'ajouter à Thermoptim vos propres composants, les calculs sur les gaz humides, et les explications sur la manière de prendre en compte les combustions dans les classes externes, qu'il est préférable de connaître lorsqu'on s'intéresse à la gazéification de la biomasse.

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

Depuis l'origine, Thermoptim dispose de fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points, mais celles-ci ne sont généralement utilisées que pour effectuer des calculs particuliers, découplés des calculs de cycles thermodynamiques standard, comme par exemple du traitement de l'air ou de la climatisation (cf. manuel de référence tome 2). C'est d'ailleurs pour cela que les transfos humides ne disposent pas de pictogramme dans l'éditeur de schémas.  

Etant donné qu'un certain nombre de cycles thermodynamiques mettent en jeu des variations de l'humidité des gaz, il était regrettable de ne pouvoir les modéliser facilement dans Thermoptim. C'est pour cela que les fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points de Thermoptim ont été rendues accessibles depuis les classes externes. Un document explique comment les utiliser.

Afin que les classes externes puissent accéder aux calculs de combustion disponibles dans Thermoptim, diverses modifications ont été apportées au progiciel. Elles sont détaillées dans une fiche des guides méthodologiques .