L'optimum technico-économique des centrales électriques à vapeur à flamme correspondait jusqu'à ces dernières années à des cycles de Hirn avec des conditions de sortie chaudière de l'ordre de 560 °C et 165 bars, conduisant, avec une réchauffe et sans prélèvement, à un rendement thermodynamique voisin de 40 %.

Pour augmenter significativement ce rendement, il est possible d'utiliser des cycles dits supercritiques en ce sens que la pression de l'eau dépasse la pression critique de 221,2 bars.

Il en résulte bien évidemment des contraintes beaucoup plus fortes au niveau des tubes de la chaudière. Les progrès réalisés sur la résistance au fluage des tubes permettent de trouver des solutions technologiques inenvisageables il y a peu de temps.

À titre d'exemple, l'épaisseur de tuyau nécessaire pour résister à une pression de 225 bars et une température de 600 °C passe de 250 mm avec de l'acier P22 à 2,25 % de Cr, à 93 mm avec de l'acier P91 à 9 % de Cr, et à 68 mm avec de l'acier HCM12A à 12 % de Cr [Jayet-Gendrot et al, 1999].

Une autre contrainte rencontrée par les chaudières supercritiques est la suivante : du fait de l'absence de vaporiseur, on ne peut plus refroidir le foyer par des tubes écrans parcourus par l'eau en ébullition, avec des coefficients d'échange très élevés. On utilise donc une technologie différente, sans ballon séparateur, dans des chaudières dites monotubulaires (improprement parce qu'en réalité des nappes de tubes sont disposées en parallèle), ou en anglais "once-through" pour indiquer l'absence de recirculation.  Il s'agit de tubes à cannelures internes et ailettes externes, montés en faisceaux en spirale.

Les cycles supercritiques ne sont pas une nouveauté (40 % des centrales de l'ancienne Union Soviétique sont supercritiques, ainsi que  plus de 150 centrales des Etats Unis). L'évolution récente est de rechercher des conditions de sortie chaudière de plus en plus élevées et une double réchauffe.

À titre d'exemple, le projet High Performance Power System (HIPPS) du Département de l'Energie américain étudie des cycles pouvant atteindre une pression de 415 bars et une température de plus de 700 °C, alors que les réalisations actuelles ne dépassent pas 325 bars et 600 °C.

Pour fixer les idées, nous avons modélisé dans Thermoptim un tel cycle à vapeur supercritique avancé. Le rendement atteint 47,7 % (contre environ 40 % pour un cycle sous-critique classique analogue). Les figures ci-dessous montrent le synoptique du cycle et son tracé dans un diagramme entropique (T,s).

Dans cet exemple, nous avons pour simplifier les choses conservé un rendement isentropique de détente de 0,85 pour les différentes turbines, alors que, la détente se faisant entièrement en zone sèche, des valeurs plus élevées auraient légitimement pu être prises.

Ainsi, cette technologie apporte des gains de rendement de 6 à 10 % selon les conditions de pression et de température de la vapeur, pour un surcoût en investissement de 3 à 5 %. Comme de surcroît les chaudières supercritiques offrent plus de souplesse sur le plan opérationnel que les chaudières classiques à ballon, leur utilisation s'étend de plus en plus.

Le projet Thermie 700 auquel participent de nombreux constructeurs et compagnies d'électricité européens vise ainsi à atteindre des rendements sur PCI de 50 %.

Un exercice portant sur un  cycle à vapeur supercritique avancé vous est proposé.

S. JAYET-GENDROT, F. ARNOLDI, P. BILLARD, C. DORIER, Y. DUTHEILLET, L. LELAIT, D. RENAUD,  Des matériaux innovants pour un sujet brûlant, Revue Epures, DRD EDF 1999, Paris.