Cycles de conversion thermodynamique des énergies renouvelables (ENR)
Troisième module
Dans le troisième module, nous nous intéressons aux cycles de conversion thermodynamique des énergies renouvelables :
cycles à énergie solaire
énergie thermique des mers
installations de géothermie
utilisation de la biomasse
Nous commençons par introduire les problèmes posés, en insistant sur les spécificités qu'ils induisent sur le plan thermodynamique et sur les technologies disponibles pour la captation du rayonnement solaire, y compris la concentration : capteurs plans, cylindro-paraboliques, lentilles de Fresnel, paraboloïdes, centrales à tour.
Nous abordons ensuite successivement la conversion de l'énergie thermique des mers ETM ou OTEC en anglais, les cycles géothermiques : centrales à vapeur directes, à flash, binaires, cycles combinés et mixtes, puis nous terminons par la combustion de la biomasse : pyrolyse, gazéification à lit fluidisé, à co-courant et à contre-courant.
Thème 1 : Cycles à énergie solaire
Pour compléter cette vidéo, vous trouverez une fiche thématique sur les cycles à énergie solaire dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.
Remarques
Le composant permettant de modéliser le capteur solaire à concentration de l'exploration dirigée fait partie de la modélothèque de Thermoptim.
Exploration dirigée C-M4-V1
Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V1 Centrale solaire à micro-TAG et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
ED C-M4-V1 Centrale solaire à micro-TAG
Bilan exergétique d'une centrale solaire à micro-TAG
Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus.
Le rendement exergétique est égal à 38,3 %. Plus de la moitié des irréversibilités proviennent du capteur solaire, les deux autres composants participant de manière importante aux pertes étant la chambre de combustion (17,6 %) et le régénérateur (17,4 %).
Piste d'approfondissement sur une centrale solaire du type SEGS
Les systèmes à énergie solaire présentent la particularité de devoir s'adapter à une ressource énergétique fluctuante, ce qui implique des méthodologies de calcul particulières, présentées dans une section du portail Thermoptim-UNIT, à laquelle vous pouvez vous référer si ce sujet vous intéresse.
Vous trouverez des compléments sur la modélisation d'une centrale solaire du type SEGS dans la fiche guide n° 1 du portail Thermoptim-UNIT
Bilan exergétique d'une centrale solaire du type SEGS à poste d'eau optimisé
Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus.
Les principales irréversibilités se situent au niveau de la chaudière solaire qui représente un peu moins de la moitié du total, le vaporiseur comptant pour plus de 28 %.
La turbine à condensation a un rendement exergétique beaucoup plus faible que les autres, inférieur à 50 %, ce qui s'explique compte tenu de son faible rendement isentropique.
Toutefois, comme on a considéré que la source chaude est à 400 °C, le rendement exergétique est très élevé, près de 68 %.
Si l'on considère que la source chaude est le soleil à une température de 5 600 °C (5 873 K), le rendement exergétique chute à 39,5 % comme le montre le tableau ci-dessous.
Les principales irréversibilités se situent au niveau de la chaudière solaire, et notamment du vaporiseur, qui représente plus de la moitié du total.
Thème 2 : Énergie thermique des mers
Énergie thermique des mers
Pour compléter cette vidéo, vous trouverez une fiche thématique sur les cycles à énergie thermique des mers dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Activités proposées
Un modèle de cycle organique de Rankine ORC utilisé pour valoriser l'énergie thermique des mers fait l'objet de l'exploration dirigée C-M1-V9.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Thème 3 : Installations de géothermie
Pour compléter cette vidéo, vous trouverez une fiche thématique sur les cycles géothermiques dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Remarques
Le cycle dit binaire n'est autre qu'un cycle organique de Rankine ORC du type de ceux qui ont été présentés pendant la première semaine de ce cours.
Exploration dirigée C-M4-V3
Ouvrez l'exploration dirigée C-M4-V3 Centrale géothermique à flash et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
ED C-M4-V3 Centrale géothermique à simple flash
Texte à trous
Ce texte à trous vous permettra de vérifier votre compréhension de l'opération appelée flash.
Bilan exergétique du cycle géothermique à simple flash
Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus. Le rendement atteint 32,7 %.
Les principales irréversibilités se situent au niveau des rejets (56 %), une bonne partie de l'enthalpie disponible dans l'eau géothermale n'étant pas valorisée.
Il en va de même pour l'eau de refroidissement du condenseur (18,4 %).
Le flash représente quant à lui un peu plus de 10 % du total.
Thème 4 : Utilisation énergétique de la biomasse
Pour compléter cette vidéo, vous trouverez dans le portail Thermoptim-UNIT des présentations de :
Remarques
L'utilisation énergétique de la biomasse rencontre un intérêt croissant du fait de son impact carbone très limité voire nul. Il s'agit de plus d'une ressource renouvelable dont l'impact socio-économique peut être positif au niveau d'une région ou d'un pays.
Elle permet de produire des biocarburants substituables aux dérivés pétroliers, ainsi que des biomatériaux.
Connaissances acquises
Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :
aurez étudié une série de cycles thermodynamiques permettant de valoriser les énergies renouvelables
serez familiarisés avec les difficultés rencontrées lors de leur modélisation
