Dans le deuxième module, nous nous intéressons à des modèles de cycles à faibles émissions de CO2 :

• Moteur Stirling

• Cycles nucléaires à haute température (HTR)

• Cycles au CO2 supercritique

• Cycles à oxycombustion

Nous commençons par étudier le moteur Stirling avec déplaceur et régénérateur, dont le fluide technique était à l'origine de l'air. Son rendement théorique est égal à celui du cycle de Carnot, mais les performances réelles des cycles de Stirling sont bien inférieures.

Le deuxième sujet qui est présenté est celui des futurs réacteurs nucléaires. Nous élargissons nos analyses du premier module de la deuxième partie du cours sur la conversion thermodynamique de l'énergie nucléaire en présentant les principaux types de cycles que l'on envisage d'utiliser dans le futur.

Les cycles au CO2 supercritique en font partie.

Réaliser une oxycombustion, c'est remplacer par de l'oxygène pur le comburant habituel, à savoir l'air. Les technologies d'oxycombustion permettent à la fois d'obtenir des fumées composées presque exclusivement d'eau et de dioxyde de carbone, et de réduire drastiquement les émissions d'oxydes d'azote.

La séparation du CO2 et de l'eau se fait alors facilement par simple condensation de cette dernière.

Le moteur Stirling à gaz est un moteur thermique alternatif à combustion externe qui opère selon un cycle fermé avec régénération. Son rendement théorique est égal à celui de Carnot, ce qui explique la fascination qu'il exerce sur de nombreux chercheurs et ingénieurs.

Le premier brevet concernant ce type de moteur a été déposé en 1816 par l'écossais Robert Stirling, qui cherchait à développer un appareil moins dangereux que les moteurs à vapeur. Comme, au XIXe siècle, son fluide technique était de l'air, c'est sous le nom de moteur à air chaud qu'il a rapidement connu un grand succès. Ses applications étaient très nombreuses, industrielles comme le pompage de l'eau aussi bien que domestiques comme la ventilation des locaux. Depuis le début du XXe siècle, les moteurs alternatifs à combustion interne et le développement de la motorisation électrique ont progressivement détrôné les moteurs Stirling, qui ne sont aujourd'hui que très peu employés.

Vers le milieu des années 1930, la société hollandaise Philips a massivement investi dans cette technologie, son objectif étant de disposer de petits générateurs autonomes pour l'alimentation électrique des postes radios isolés, avec le souci de développer un moteur silencieux, fonctionnant avec une maintenance minimale, et de bon rendement.

Les travaux de Phillips ont engendré de nombreuses percées significatives, et ont notamment permis de multiplier la puissance massique par 50, renouvelant complètement les perspectives de développement du moteur Stirling. En 1957 General Motors s'associa avec Philips pour développer un moteur destiné à la traction automobile, mais, malgré de belles réussites techniques, le partenariat ne fut pas reconduit 10 ans plus tard.

Aujourd'hui, de nombreux experts s'accordent pour considérer que le moteur Stirling pourrait connaître un essor significatif dans le futur, compte tenu d'une part des avantages qu'il présente, notamment en matière de protection de l'environnement, et d'autre part des nombreuses sources chaudes susceptibles d'être utilisées pour l'animer. Il présente des atouts particuliers pour des utilisations telles que la propulsion maritime, en particulier celle des sous-marins, pour la production d'électricité de petite puissance en zone isolée, à partir de différentes sources d'énergie (solaire, biomasse, combustibles fossiles), et pour la petite cogénération.

Le principe de base d'un moteur Stirling est très simple : il s'agit de successivement chauffer puis refroidir un gaz enfermé dans un cylindre fermé, muni d'un piston. La différence de pression qui s'établit dans l'enceinte peut être transformée en travail moteur. La difficulté est qu'il est quasiment impossible, compte tenu de l'inertie thermique du cylindre, de le chauffer et refroidir suffisamment vite pour que le système fonctionne dans des conditions optimales. L'idée de Robert Stirling a été de mettre le gaz en mouvement en introduisant un dispositif particulier dont nous allons analyser le fonctionnement, le déplaceur. La structure du moteur est représentée dans cette figure.

Dans une enceinte principale peuvent se mouvoir d'une part un piston de travail, et d'autre part un déplaceur, dont le rôle est de transvaser le fluide de travail depuis le volume de compression vers le volume d'expansion, et réciproquement.

Lors du transvasement, le fluide parcourt successivement, dans un sens ou dans l'autre, la chaudière à la température T3, le régénérateur, et le refroidisseur à la température T1.

Le cycle se déroule selon les quatre phases illustrées par les schémas ci-dessous.

Pendant la phase de compression a), le déplaceur se trouve en position haute, et le fluide, entièrement situé dans la zone froide, est comprimé par le piston de travail dans sa course vers le haut, ce qui nécessite l'apport d'un travail W12.

Au point 2, le piston est au point mort haut, et le déplaceur est ramené en position basse, ce qui a pour effet de transvaser le fluide comprimé, qui passe pendant la phase b) de la zone froide vers la zone chaude, commençant par se réchauffer au passage dans le régénérateur, puis recevant de la chaleur de la chaudière. Cette transformation se faisant à volume constant, la pression augmente dans le rapport des températures T3 et T1.

Au cours de la phase de détente c), le fluide se détend dans le volume d'expansion, où il continue d'être chauffé par les tubes de la chaudière. Cette détente a pour effet de repousser le piston de travail vers le bas, et fournit le travail utile W34. Au cours de cette phase, le déplaceur et le piston se déplacent ensemble.

Pendant la phase d), après que le piston de travail a atteint le point mort bas, le déplaceur est ramené en position haute, ce qui a pour effet de transvaser le fluide de la zone chaude (volume d'expansion) vers la zone froide (volume de compression). Au cours de ce transfert à volume constant, le fluide commence par céder ses calories au régénérateur, puis il est refroidi par le refroidisseur.

Il faut noter que le déplaceur ne produit aucun travail. La pression sur ses deux faces opposées est toujours la même, aux pertes de charge près à travers les trois échangeurs (chaudière, régénérateur et refroidisseur).

Dans la pratique, les mouvements relatifs du déplaceur et du piston sont obtenus de diverses manières, en particulier par des dispositifs mécaniques à base de bielles et vilebrequin. Les mouvement, décrits ci-dessus comme étant discontinus, sont donc en réalité, à peu de chose près, sinusoïdaux, et un déphasage d'environ 90° entre le déplaceur et le piston de travail est généralement retenu.

Un exemple de modélisation dans Thermoptim d'un moteur Stirling est donné dans la modélothèque.

Attention : les modèles de moteurs Stirling que l'on peut réaliser avec un outil comme Thermoptim ne sont pas très précis, car le progiciel fait l'hypothèse que les composants sont en régime stationnaire, alors que ce n'est pas le cas dans un tel moteur.

Les mouvements continus du piston et du déplaceur induisent des phénomènes de nature aérodynamique (pertes de charge, établissement d'ondes de pression dues à l'écoulement pulsé) qu'il est extrêmement difficile de modéliser.

Remarque : HTR vient de l'anglais High Temperarure Reactor

Cycles fermés de turbines à gaz à hélium

Un certain nombre des cycles envisagés pour les réacteurs nucléaires à haute température sont des variantes du cycle de Brayton fermé mettent en œuvre des turbines à gaz à hélium.

Les séances Diapason ci-dessous vous permettront d'étudier ce type de cycle avant d'aborder ceux des HTR.

Cycles nucléaires à haute température (HTR)

Si vous le souhaitez, vous trouverez dans le portail Thermoptim-UNIT une fiche thématique sur ces cycles nucléaires à haute température (HTR).

Remarques

Vous avez peut-être été surpris par l'importance de la consommation d'énergie du compresseur destiné à vaincre les pertes de charge dans l'échangeur intermédiaire IHX, alors que nous avons jusqu'ici toujours fait l'hypothèse dans les modèles précédents qu'elles étaient négligeables.

Dans ce modèle, l'IHX est dimensionné afin que l'écart de température entre le fluide primaire (l'hélium) et le fluide secondaire (le mélange azote - hélium) ne dépasse pas 50 °C.

Comme ces deux fluides sont des gaz et comme la puissance thermique à transférer est très importante, les sections de passage dans l'échangeur sont petites pour augmenter les coefficients d'échange thermique, ce qui fait que les pertes de charge sont élevées.

Exploration dirigée C-M4-V4

Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V4 Centrale nucléaire à haute température à échangeur intermédiaire et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Bilan exergétique du cycle à haute température à échangeur intermédiaire

Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus.

Le rendement exergétique global est élevé, proche de 55 %, et ceci malgré la présence de L'IHX, qui représente 10 % du total, tout comme l'intercooler.

Les principales sources d'irréversibilités sont le precooler, 21,7 % et le réacteur, 17 %.

Piste d'Approfondissement sur les cycles nucléaires

Vous trouverez des compléments sur les cycles nucléaires dans cette page qui présente la filière nucléaire et les principaux types de réacteurs en service ou à l'étude.

Le MIT a récemment travaillé sur des cycles moteurs utilisant le gaz carbonique supercritique, qu’il considère conduire à des performances meilleures que les autres pour des températures modérées de réacteurs nucléaires, comprises entre 650 et 800 °C (Dostal et al., 2003).

Les partisans de ces cycles affirment que leurs rendements sont, pour cet intervalle de température, supérieurs à ceux des cycles à vapeur et que les machines sont beaucoup plus compactes.

Plusieurs types de cycles au CO2 supercritique sont envisagés : le plus simple est un cycle de Brayton avec régénérateur (figure ci-dessous) les principales variantes mettant en jeu un refroidissement partiel, une précompression ou une recompression.

Sur le plan thermodynamique, l'intérêt d'utiliser un tel cycle est de bénéficier d'un travail de compression à l'état liquide supercritique beaucoup plus faible que si le fluide de travail reste à l'état gazeux comme dans un cycle de Brayton classique.

Considérons un tel cycle à supercritique à régénération simple (figure ci-dessous), un débit de 3 t/s de CO2 sous 200 bars entre dans le réacteur à une température voisine de 330 °C, et en sort à 650 °C. Il est ensuite détendu à la pression de 77 bars dans une turbine. Une régénération prend place entre le CO2 détendu et celui qui entre dans le réacteur. Le CO2 entre alors dans le refroidisseur, dont il sort à 32,5 °C, avant d'être aspiré par le compresseur qui le porte à 200 bars.

Le rendement de ce cycle reste assez faible, voisin de 35 % avec un régénérateur d'efficacité 0,9 et des turbomachines de rendement polytropique égal à 0,9.

Dans un cycle avec recompression (figure ci-dessous), la compression est bi-étagée, avec refroidissement intermédiaire d'une partie seulement du fluide, ce qui permet de recycler une plus grande quantité de chaleur.

Le débit principal de CO2 (3 t/s) sortant de la turbine, passe dans un régénérateur à haute température (4-5) puis dans un second à basse température (5-6), avant d'être scindé en deux.

Une partie est refroidie dans un precooler (6-7), puis comprimée dans le compresseur principal de 77 à 200 bars (7-8), et réchauffée dans le régénérateur BT (8-9).

Le débit de CO2 restant est comprimé à 200 bars dans le recompresseur (6-8b), puis mélangé avec l'autre flux sortant du régénérateur BT (1), et le débit total est réchauffé dans le régénérateur HT (1-2) avant d'entrer dans le réacteur.

Le CO2 sortant du réacteur est alors détendu dans la turbine (3-4), et le cycle est ainsi fermé.

Dans ce cas, la température d'entrée dans le réacteur est plus élevée, et, avec les mêmes hypothèses que précédemment sur les rendements polytropiques des turbomachines (0,9) et les efficacités des échangeurs (0,9), le rendement dépasse 45 %. Des valeurs encore plus élevées sont espérées, de l'ordre de 50 %, avec des efficacités d'échangeurs avoisinant 95 %.

Les cycles au CO2 supercritiques apparaissent très intéressants sur le plan thermodynamique. Les deux principales contraintes technologiques sont la réalisation des régénérateurs notamment dans la zone circum-critique afin d'éviter tout croisement des températures, et celle de turbomachines efficaces pour le CO2, domaine dans lequel on ne dispose pas de références industrielles. Par ailleurs, ces cycles ne peuvent fonctionner que si l'état du CO2 en sortie du precooler est bien supercritique, ce qui implique une température limite de 32 °C, qui peut être difficile à atteindre lorsque la source froide est l'air extérieur, une rivière ou de l'eau de mer.

Le bilan exergétique du cycle à recompression est donné dans le tableau ci-dessous.

Le rendement exergétique global est élevé, proche de 65 %,

Les principales sources d'irréversibilités sont le precooler, 19,6 %, le réacteur, 20,7 %, le régénérateur HT, 22 %, et le régénérateur BT, 16 %.

Réaliser une oxy-combustion consiste à remplacer le comburant habituel, à savoir l'air, mélange principalement d'oxygène et d'azote (resp. 21 % et 78 % en volume) par de l'oxygène pur. Les techniques d'oxycombustion permettent à la fois d'obtenir des fumées composées presque exclusivement d'eau et de gaz carbonique, et de réduire très fortement les émissions d'oxyde d'azote. Il s'agit de technologies déjà utilisées dans l'industrie, notamment verrière et sidérurgique.

La séparation du CO2 et de H2O se fait ensuite très simplement par simple condensation de l'eau, et l'absence d'azote permet de plus de réduire fortement les émissions de NOx et le volume des fumées.

Le CO2 peut alors être capturé et stocké. Les cycles à oxycombustion font ainsi partie des procédés de capture et stockage du CO2.

Les rendements des cycles présentés ici sont généralement supérieurs à ceux que l'on obtient en réalisant des combustions avec de l'air, mais il ne faut pas oublier qu'ils ne tiennent pas compte du travail nécessaire à la production de l'oxygène pur, qu'il faudrait réintégrer dans le bilan global.

En effet, malgré leurs avantages, ces technologies n'ont jusqu'ici quasiment pas été employées pour la génération d'électricité compte tenu des difficultés et des coûts induits par la production d'oxygène. Plusieurs solutions techniques existent, mais la plus développée aujourd'hui, appelée Unité de Séparation d'Air, consiste à séparer l'oxygène et l'azote de l'air par voie cryogénique, opération à la fois coûteuse et consommatrice d'énergie.

Quatre dispositifs d’oxycombustion utilisant cette technique de séparation ont été récemment proposés : les cycles dits "Oxyfuel" et "Water cycle" et ceux de Graz et de Matiant, qui sont présentés dans cette fiche.

Ce procédé n'est toutefois pas le seul, et des innovations sont actuellement à l'étude, comme par exemple l'utilisation de membranes perméables à l'oxygène (tel le cycle AZEP qui fait l'objet d'une fiche guide de TD) ou l'utilisation d'un transport de l'oxygène par voie chimique en réalisant en présence d'air un oxyde métallique, qui est ensuite réduit avant combustion (on parle alors de Chemical Looping Combustion (CLC)).

Dans ce qui suit, nous n'étudierons que le premier de ces cycles, appelé Oxy-fuel.

Vous trouverez une présentation plus complète des cycles à oxycombustion dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Remarques

Le paramétrage de la chambre de combustion est le suivant : le facteur d'air est supposé égal à 1 et on cherche à calculer la température de de fin combustion.

En pratique, on joue sur le débit d'oxygène, en amont du mélangeur qui détermine la composition et le débit de la transfo "entrée de comburant", pour obtenir la température de fin de combustion désirée.

Le paramétrage du générateur de vapeur récupérateur qui couple le circuit de la turbine à gaz et celui de la turbine à vapeur est tout à fait analogue à celui du cycle combiné qui fait l'objet de l'exploration dirigée C-M3-V1.

La batterie de refroidissement avec condensation modélisée par le composant ColdBattery se comporte comme un diviseur recevant le mélange humide (CO2-H2O) en entrée, et dont sortent deux fluides : de l'eau et le CO2 plus sec. Le refroidissement est assuré par un fluide non représenté dans notre modèle, le couplage thermique étant effectué par un thermocoupleur. Ce composant fait partie de la modélothèque de Thermoptim.

Exploration dirigée C-M4-V5

Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V5 Cycle à oxygène Oxyfuel et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Bilan exergétique du cycle à oxygène Oxyfuel

Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus. Le rendement atteint 57,4 %.

La chambre de combustion représente à elle seule près de 73 % des irréversibilités, le reste étant à peu près uniformément réparti entre les différents composants.

V. DOSTAL, M.J. DRISCOLL, P. HEJZLAR, N.E. TODREAS, A Supercritical CO2 Gas Turbine Power Cycle For Next-Generation Nuclear Reactors, Proc. ICONE-10, Arlington, Virginia, April 14-18, 2003.

V. DOSTAL, A Supercritical Carbon Dioxyde Cycle For Next-Generation Nuclear Reactors, PhD thesis, MIT, january 2004.

Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :

• aurez étudié une série de cycles novateurs à faible impact environnemental envisagés pour le futur

• serez familiarisés avec les difficultés rencontrées lors de leur modélisation