La faisabilité des cycles sous-critiques et supercritiques de Rankine

Cycle organique de Rankine

Le cycle organique de Rankine est un cycle de Rankine utilisant un composé organique au lieu de l’eau comme fluide de travail. En effet, l’eau est un fluide de travail excellent pour le cycle de Rankine si la température de source thermique est suffisamment élevée. Ce fluide traditionnel est thermiquement, et chimiquement stable, non-toxique, ininflammable, peu-couteux, qui possède des propriétés excellentes de transfert de chaleur, et qui possède un ODP (potentiel d’appauvrissant de la couche d’ozone), et un GWP (potentiel de réchauffement global) nuls . C’est pourquoi, il est souvent utilisé dans des centrales thermiques et dans des applications à haute température et de puissance importante. Cependant, pour les applications où la source de chaleur est de basse qualité énergétique et plus particulièrement dans des applications de relative faible puissance, l’eau, comme fluide de travail, n’est technologiquement ou économiquement pas la meilleure sélection . Pour la génération d’électricité à partir des sources de chaleur de basse et de moyenne température, le cycle ORC présente des intérêts par rapport au cycle traditionnel.
L’avantage majeur du cycle ORC par rapport au cycle classique pour la génération d’électricité à basse température et de relative faible puissance réside dans le fait que la machine de détente peut être une turbine axiale ou radiale ou même une machine volumétrique, c.à.d. une machine à piston, ou une machine à vis ou à spirale.

Cycle ORC à condensation (Organic Flash Cycle– OFC en anglais)

La théorie fondamentale pour ce type de cycle ORC est rencontrée dans les centrales géothermiques à condensation (flash steam power plant – en anglais). Dans les centrales géothermiques, les cycles à vapeur d’eau à mono-condensation (single-flash steam power plant) ou à double-condensation (double-flash steam power plants) sont souvent utilisés.
Selon Dipippo, il y a 169 unités à mono-condensation en opération dans 16 pays dans le monde en août 2011. Ce type de centrale rend compte d’environ 29 % de toutes les centrales géothermiques mondiales et produit environ 43 % de la puissance géothermique installée dans le monde. Relativement aux centrales à double-condensation, il y a 59 unités rendant compte d’environ 10 % des centrales géothermiques mondiales.
Quand les puits géothermiques produisent un mélange vapeur et liquide, la centrale à mono-condensation est une voie simple pour convertir l’énergie géothermique en électricité.
D’abord, le mélange géothermique est séparé en phases distinctes de vapeur et de liquide avec une perte minimale de pression. La vapeur à la sortie de séparateur est utilisée pour actionner la turbine avant entrée dans le condenseur. Le liquide saturé sortant du séparateur est réinjecté dans des puits d’injection avec celui sortant du condenseur.

Applications et marché du cycle ORC

Actuellement, le marché des technologies ORC focalise principalement sur quatre applications majeures: la géothermie, la valorisation de biomasse, la récupération de la chaleur, et l’énergie solaire.

Energie géothermique

L’énergie géothermique est définie comme la chaleur qui vient de la Terre. C’est une ressource propre et renouvelable qui fournit l’énergie pour une variété d’applications et de ressources. Cette ressource d’énergie est considérée comme une ressource renouvelable parce que la chaleur émanant de l’intérieur de la planète est essentiellement illimitée à notre échelle.
Un système géothermique est basé sur la chaleur, la perméabilité et l’eau. La chaleur du centre de la Terre, atteint parfois la surface comme la lave volcanique, mais reste souvent au-dessous de la croûte de la planète, chauffant la roche et l’eau à proximité. L’eau chaude ou la vapeur d’eau peut être piégée dans des roches perméables ou poreuses sous une couche de roche imperméable. Un réservoir géothermique peut donc se former.

Biomasse

Brûler la biomasse et le pétrole fossile libère le dioxyde de carbone (CO2) en atmosphère. Cependant, la combustion de l’énergie fossile libère CO2 emprisonné depuis des millions d’années dans le Terre, influant sur le cycle naturel du CO2 et amenant à une augmentation de la concentration en CO2 de l’atmosphère. Au contraire, la combustion de biomasse fait retourner simplement en atmosphère le CO2 qui est absorbé quand les plantes grandissent pendant une courte période de temps (de quelques années à environ une décennie). La même quantité de CO2 absorbée de l’air via le procédé de la photosynthèse pendant le développement des plantes est remis à l’environnement par la combustion de biomasse. Donc, il n’y a pas de variation nette du CO2 dans l’atmosphère, c.à.d. une transformation neutre en CO2, si le cycle de croissance et de la récolte est durable. C’est pourquoi, la biomasse peut être considérée comme une ressource d’énergie renouvelable. Quelques émissions nettes de CO2 se produisent si la production (la plantation, la récolte ou le traitement) ou le transport de biomasse font appel à l’utilisation des carburants fossiles.

Récupération et valorisation des rejets thermiques industriels

Dans plusieurs procédés industriels, une quantité significative de l’énergie thermique de température moyenne et élevée (150 – 350 °C) est toujours rejetée dans l’atmosphère. L’intérêt dans la récupération des rejets thermiques industriels augmente en raison du prix élevé de l’énergie et la volonté de réduire les émissions des gaz à effet de serre. Les sources de chaleur perdue potentielles pour la récupération par des centrales ORC sont trouvées dans des industries les plus grosses consommatrices d’énergie tels que: l’industrie du ciment, du verre, de la sidérurgie, et du pétrole et gaz (raffineries) ainsi que dans des usines d’incinération. La capacité des installations actuelles de récupération de chaleur par cycle ORC va de 1.5 à 4 MWe.

Energie solaire concentrée

L’énergie solaire concentrée est une technologie par laquelle le rayonnement du soleil est concentré par un collecteur solaire et transféré à un fluide à haute température. L’énergie thermique est convertie en électricité dans un cycle thermodynamique. Deux possibilités pour la conception des centrales solaires ORC en termes de température maximale du fluide de travail peuvent être distinguées. Les centrales de température moyenne (> 250 °C) imposent un rendement élevé de conversion mais un moteur cher et des collecteurs coûteux. Les centrales solaires de basse température (< 150 °C) amènent au contraire à faible rendement avec des composants moins cher comparativement.

Critères de sélection du fluide de travail organique

Fluide idéal

Plusieurs auteurs ont suggéré qu’un fluide de travail idéal pour le cycle de Rankine doit satisfaire les critères thermodynamiques et physiques suivants :
La température critique du fluide de travail doit être bien supérieure à la température la plus élevée du cycle (cas sous-critique). L’évaporation du fluide de travail peut se faire à la température maximale du cycle. Cela a pour résultat un rendement relatif important du système.
La pression de saturation à la température maximale du cycle ne doit pas être excessive. La pression élevée amène de problèmes de contrainte mécanique.
La pression de saturation à la température minimale (c.à.d. la pression de condensation) du cycle ne doit pas être trop faible pour éviter les problèmes d’étanchéité et la pénétration de l’air ambiant dans le système.
Le point triple doit être bien inférieur à la température ambiante minimale qui est désirée. Cela assure que le fluide ne se solidifie pas à tous les points de fonctionnement du système incluant le temps de traitement à l’extérieur du cycle.
Une faible valeur de chaleur spécifique du liquide ou, alternativement, un ratio faible de nombre d’atomes par molécule divisé par la masse moléculaire (c.à.d. amenant à ds/dT0 pour la courbe de saturation de liquide) et un ratio important entre chaleur latente de vaporisation et la chaleur spécifique du liquide sont souhaités. Cela réduit la quantité de chaleur demandée pour augmenter la température du liquide sous-refroidi à la température d’évaporation. Par conséquent, la plupart de la chaleur est ajoutée à la température maximale du cycle, et le cycle approche plus celui de Carnot.
Une viscosité faible, une chaleur latente importante de vaporisation, une conductivité thermique élevée et une bonne capacité de mouillage du fluide de travail sont préférées. Ces propriétés assurent que les chutes de pression en traversant les échangeurs et les tuyaux auxiliaires sont faibles et que le taux d’échange thermique dans des échangeurs est important.
Un bon fluide de travail doit avoir des volumes spécifiques faibles. Ces propriétés affectent les taux de transfert thermique dans les échangeurs de chaleur. Le volume spécifique de vapeur se rapporte directement aux tailles et coût d’achat des composants du cycle. En plus, un volume spécifique important de vapeur conduit à des écoulements volumétriques importants à l’échappement du détendeur et a pour résultat des pertes significatives de pression. Le volume spécifique du liquide à la pression de condensation doit être aussi faible que possible pour minimiser la demande en travail de la pompe.
La pente (ds/dT) de la courbe de saturation de vapeur du fluide de travail dans le diagramme T-s est préférée au voisinage de zéro. Cela prévient la production excessive de condensat ou de surchauffe pendant la détente. Cela assure aussi que le rejet de chaleur dans le condenseur se fait à la température minimale du cycle.
Non-corrosivité et compatibilité avec les matériaux communs du système sont des critères importants de sélection.
Le fluide de travail doit être chimiquement stable à tous les niveaux de température utilisée dans le système. La résistance de décomposition thermique du fluide de travail en présence des lubrifiants et des matériaux du container est un critère important.
Non-toxicité, ininflammabilité, non-explosivité, non-radioactivité, et actuelle acceptabilité industrielle sont également des caractéristiques désirables.
Le fluide doit avoir des bonnes propriétés de lubrification. Le coût faible et la disponibilité en quantité importante sont désirés.

Procédure générale pour la sélection du fluide de travail

En pratique, il n’existe pas un fluide qui satisfait à tous les critères du fluide idéal discutés précédemment. Donc, un compromis doit être adopté pour chaque application particulière. Comme déjà mentionné dans les publications, la sélection des fluides de travail pour la machine ORC est réalisée à travers plusieurs étapes. La procédure générale pour l’identification les fluides de travail potentiels du cycle ORC préconisée dans cette thèse comporte les étapes suivantes: Collecte des données (réaliser une étude de l’état de l’art des fluides de travail) .
Première sélection en tenant compte des critères suivants: Propriétés environnementales: GWP, ODP (0) ; Sécurité/santé: inflammabilité, toxicité; Stabilité chimique, thermique: les stabilités des fluides à la température maximale du cycle sont des critères importants pour la sélection des fluides de travail; Propriétés thermo-physiques (Pcrit, Tcrit, Tb, masse volumique) à partir des données de niveau de température de source de chaleur et de puits froid, du type de cycle ORC utilisé (sous-critique ou supercritique); Disponibilité, comptabilité avec les matériaux et l’huile de lubrification, et coût.
Réalisation de la modélisation du système avec les fluides présélectionnés: la modélisation en régime stationnaire est seule réalisée dans cette thèse.
Optimisation thermo-économique, exergo-économique en tenant compte des critères environnementaux et économiques. Evaluation de la rentabilité économique du projet pour faire la sélection finale.

Table des matières

Chapitre 1 : Introduction 
1.1. Contexte général et objectif de la thèse
1.2. Projet ANR CERES-2
1.3. Organisation du mémoire
Référence
Chapitre 2 : Cycles organiques de Rankine 
2.1. Introduction
2.1.1. Cycle de Carnot
2.1.2. Cycle de Lorenz
2.1.3. Cycle de Rankine/Hirn
2.2. Cycle organique de Rankine
2.2.1. Brève histoire
2.2.2. Différentes configurations du cycle ORC
2.2.3. Situation actuelle de la recherche du cycle ORC
2.2.4. Applications et marché du cycle ORC
2.3. Conclusions
Références
Chapitre 3 : Fluide de travail 
3.1. Introduction
3.2. Critères de sélection du fluide de travail organique
3.2.1. Fluide idéal
3.2.2. Procédure générale pour la sélection du fluide de travail
3.3. Actuel savoir scientifique sur le fluide de travail
3.4. Fluides utilisés actuels – génération prochaine de fluide du travail de machine ORC
3.4.1. Fluides utilisés
3.4.2. Génération prochaine du fluide de travail pour le cycle organique de Rankine
3.5. Bases de données des propriétés thermo-physiques des fluides de travail
3.5.1. REFPROP – NIST Reference Fluid Properties [67]
3.5.2. EES – Engineering Equation Solver [68]
3.5.3. EES_Fluidprop
3.5.4. CoolProp_EES
3.6. Conclusions
Références
Chapitre 4 : Modèle thermodynamique 
4.1. Généralité – configurations étudiées
4.1.1. Cycles ORC standards
4.1.2. Cycles ORC avec un échangeur de chaleur interne
4.1.3. Cycle ORC « régénératif » (ou avec sous-tirage)
4.2. Analyse énergétique du système
4.2.1. Cycles ORC standards
4.2.2. Cycles ORC avec un récupérateur
4.2.3. Cycle ORC régénératif
4.3. Analyse exergétique
4.3.1. Introduction
4.3.2. Méthode d’exergie topologique (la méthode des graphes d’exergie)
4.4. Comparaisons entre les différentes configurations du cycle ORC
4.4.1. Cycle ORC standard
4.4.2. Cycle ORC avec un récupérateur
4.4.3. Cycle ORC régénératif
4.5. Conclusions du chapitre
Références
Chapitre 5 : Méthodologie d’optimisation du système ORC
5.1. Introduction
5.2. Détermination de la surface d’échange de chaleur
5.2.1. Généralité
5.2.2. Transfert de chaleur et chute de pression côté calandre
5.2.3. Transfert de chaleur et chute de pression de l’écoulement dans les tubes
5.3. Modèle économique
5.3.1. Investissement total (CTCI)
5.3.2. Coût de production (coût d’exploitation) total (CTPC)
5.3.3. Mesure approximative de rentabilité
5.4. Méthode d’optimisation
5.4.1. Introduction
5.4.2. Méthodes numériques de résolution du problème d’optimisation
5.4.3. Optimisation analytique utilisant la méthode des multiplicateurs de Lagrange
5.5. Conclusions
Références
Chapitre 6 : Cas d’étude
6.1. Introduction
6.2. Valorisation de rejets thermiques industriels
6.3. Optimisation du cycle ORC sous-critique
6.3.1. Maximisation du rendement exergétique
6.3.2. Minimisation du LCOE
6.4. Optimisation du cycle ORC supercritique
6.4.1. Maximisation du rendement exergétique
6.4.2. Minimisation du LCOE
6.5. Conclusions
Références
Chapitre 7 : Conclusions et perspectives 
7.1. Conclusions
7.2. Perspectives
ANNEXES 
A1 : Fluides dans la base de données REFPROP
A1.1. Fluides purs dans la base de données REFPROP
A1.2. Les mélanges prédéfinis dans la base de données REFPROP
A2 : Addition de propriétés de nouveaux fluides à la base de données existantes d’EES
A2.1. Addition des données de propriétés de gaz parfait
A2.2. Addition des données de propriétés de fluides réels utilisant l’équation d’état Martin-Hou
A3 : Base de données thermodynamiques dans FluidProp
A3.1. GasMix
A3.2. IF97
A3.3. StanMix
A3.4. TPSI
A4 : Informations du prix de fluide de travail pour le cycle ORC
A4.1. Honeywell
A4.2. 3M

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