Soutenance mémoire
Dans le cadre de programmes de recherche de solutions innovantes pour de nouvelles centrales de production d’électricité, l’ensemble des producteurs, et notamment EDF, cherchent à améliorer la performance et la robustesse de leurs installation et étudient différentes options possibles pour les systèmes de conversion d’énergie et leur refroidissement.
Le rendement de la production d’électricité et le refroidissement du réacteur dépendent étroitement de la disponibilité et de la température de la source froide. C’est la raison pour laquelle la plupart des centrales, qu’elles soient thermiques ou nucléaires, sont installées près d’une source d’eau abondante (mer, fleuves à forts débits). Cependant, l’alimentation en eau de la source froide peut se révéler problématique dans certains cas, lors de canicules ou en période de sécheresse notamment. Avec le changement climatique, les règlementations environnementales de plus en plus strictes, les tensions possibles autour du partage de cette ressource, nous devons prévoir des évolutions de moyens de productions correspondants et imaginer des sources alternatives afin de réduire la dépendance des centrales de production en eau à moyen et long termes.
Le refroidissement à l’air sec serait l’une des options possibles. Cependant étant donné la nécessité d’avoir d’une surface d’échange plus importante, le recours à l’air ambiant comme source froide n’est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.
Parallèlement, nous pouvons constater l’encombrement de la salle machine et le gigantisme des turbines du circuit secondaire. Cela est dû à la vapeur d’eau qui devient extrêmement volumineuse à très basse pression. Les derniers étages de la turbine basse pression (BP) sont alors très volumineux. Dans ce cas des considérations de résistance des matériaux conduisent à réduire la vitesse de rotation des turbines. De plus à très basse température, le gain énergétique sur le cycle est compensé par l’augmentation de la perte cinétique liée à l’augmentation de la vitesse de fluide à la sortie de la turbine.
Afin de faciliter l’utilisation d’un système de refroidissement sur l’air et de réduire en même temps la taille de la turbine BP, une des solutions imaginée par EDF dans les années 70 était de changer l’architecture du cycle de production. L’idée était de considérer un cycle de production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la vapeur d’eau et le deuxième fonctionnant avec de l’ammoniac dont la vapeur à basse pression est beaucoup plus dense que celle de l’eau. Nous appellerons dans la suite de ce document ce type de cycle « le cycle bi-étagé ».
Cycle à vapeur d’eau du cycle bi-étagé:
· La vapeur d’eau en sortie de la turbine BP a une pression plus élevée que pour le cycle classique, et par conséquent avec un volume spécifique plus faible. L’énergie restante de la vapeur d’eau est récupérée via un condenseur – bouilleur « eau / ammoniac » .
Cycle à ammoniac du cycle bi-étagé :
· L’ammoniac bout dans le condenseur – bouilleur
· La vapeur d’ammoniac, beaucoup plus dense que l’eau, est détendue dans la turbine à ammoniac et la puissance restante est récupérée.
· L’ammoniac se condense sans perte de fluide à travers un échangeur sec (aérocondenseur).
Un prototype d’essai de 22 MWe, simulant une tranche de 1300 MW, a été construit et expérimenté par EDF de la fin des années 70 au début des années 90. Les intérêts de ce cycle sont :
· Du point de vue énergétique : le cycle bi étagé utilise l’air sec comme source froide. L’amplitude de variation de température de l’air ambiant sur une année est plus importante que celle de l’eau de rivière ou de mer. Cette condition est particulièrement intéressante en hiver car elle peut générer une surpuissance pour le cycle de Rankine en cascade qui n’existe pas dans le cycle à vapeur classique. En effet, la surpuissance est compensée par la perte cinétique en sortie de turbine dans un cycle classique. En été, le refroidissement par l’air sec est sans doute moins performant, mais la température ambiante de l’air dans les zones tempérées (en France) devrait permettre une production de rendement annuel moyen équivalent.
· Du point de vue économique : grâce à la réduction de coût de la salle des machines, on peut se permettre d’investir plus dans des aéro-condenseurs qui sont plus chers que les échangeurs classiques à eau. Le coût du nouveau système est globalement équilibré par rapport à un cycle classique. Ainsi il devrait être possible de s’affranchir du problème de la dépendance en eau sans augmenter l’investissement.
L’expérience acquise avec ce prototype a permis de montrer la possibilité d’utiliser un cycle bi-étagé à l’ammoniac en tant que système de production et de refroidissement d’une centrale. Cependant il n’a pas été adopté pour remplacer les systèmes actuels.
Un des principaux freins au déploiement de ce cycle bi-étagé dans la production d’électricité nucléaire était dû aux caractéristiques chimiques de l’ammoniac. Ce dernier avait été choisi comme fluide de travail en raison de sa densité très supérieure à l’eau en phase vapeur et de sa chaleur latente de vaporisation importante. Cependant sa toxicité rend délicate son exploitation à l’échelle d’une production de plusieurs centaines de MWe. Un changement de fluide de travail est donc nécessaire avant la mise en application de ce type de cycle.
Au regard des enjeux sur les sources froides et des progrès réalisés sur les machines de production d’éléctricité et les fluides qui les composent, il est légitime de se poser la question de savoir si d’autres fluides de travail mieux adaptés que l’ammoniac sont disponibles. Comment ces fluides vont-ils influencer sur la performance du cycle bi-étagé ? Comment le changement de fluide va-t-il modifier le dimensionnement des composants du cycle et déplacer l’équilibre technico économique? En raison du changement d’architecture du cycle par rapport à un système de conversion d’énergie classique, il est judicieux de considérer l’aspect « à long terme » de ce projet prospectif. Il est important de prévoir les changements futurs, particulièrement, la mise au point de nouveaux fluides plus performants et plus respectueux de l’environnement. D’où le besoin de disposer d’un outil de simulation de cycle qui permette d’évaluer performance de ces nouveaux fluides pour lesquels nous ne disposons actuellement que de peu de données expérimentales.
|
Table des matières
Introduction
1 Chapitre 1 Elaboration de l’architecture du cycle bi-étagé
1.1 Source froide : un enjeu du futur
1.1.1 Refroidissement en boucle ouverte
1.1.2 Refroidissement à boucle fermée par voie humide
1.1.3 Refroidissement à air sec
1.1.4 Conclusion
1.2 Cycle de Rankine et Cycle Bi-étagé pour la production d’électricité
1.2.1 Cycle de Rankine classique
1.2.2 Expérience EDF: le cycle bi-étagé Cybiam
1.2.3 Cycle de Rankine Organique
1.2.4 Conclusion
1.3 Architecture et caractéristiques du cycle bi-étagé SPX
1.4 Choix des composants du cycle bi-étagé : échangeurs de chaleur
1.4.1 Echangeur Liquide (diphasique) – Gaz
1.4.2 Echangeur Liquide (diphasique) –Liquide (diphasique)
1.4.3 Choix technologique des échangeurs pour l’application cycle de production d’électricité bi-étagé
1.4.4 Conclusion
1.5 Choix des composants du cycle bi-étagé : les turbines ORC
1.6 Conclusion
2 Chapitre 2 Sélection des fluides de travail et modélisation de leurs propriétés physiques
2.1 Fluides de travail : généralités sur les familles de fluides et règlementations
2.1.1 Classification des fluides
2.1.2 Règle de nomenclatures
2.1.3 Réglementation en vigueur et standard environnemental et de sécurité
2.2 Critères de choix des fluides pour le cycle bi-étagé
2.2.1 Critères de performance
2.2.2 Critères technico-économiques
2.2.3 Critères de limite de fonctionnement
2.2.4 Critères d’environnement et de sécurité
2.2.5 Conclusion
2.3 Fluides candidats potentiels
2.4 Modélisation des propriétés des Corps Purs
2.4.1 Equilibre liquide – vapeur
2.4.2 Equations d’état
2.4.3 Fonctions α (T)
2.4.4 Fonctions d’état
2.4.5 Propriétés de transport
2.5 Modélisation des propriétés des Mélanges
2.5.1 Equilibre liquide vapeur des mélanges
2.5.2 Calcul de point de bulle / rosée
2.5.3 Calcul Flash
2.5.4 Equations d’état et règles de mélange
2.5.5 Propriétés de transport des mélanges
Conclusion
Télécharger le rapport complet
