Les engins thermiques - Federal Council

© BFE/20031

1 Introduction: de quoi s’agit-il?

2 Objectifs de la formation

3 Eléments proposés pour le plan des leçons

4 Connaissances de base

• Les bases

• Les centrales thermiques conventionnelles

• Le couplage chaleur-force

• La cellule à combustible

5 Exercices et solutions proposées

6 Bibliographie

7 Sources

8 Modèles

Jürg Weilenmann

Les engins thermiquesL’énergie dans l’enseignement professionnel Modules pour les professions techniques, de l’électricité et de l’informatique: Module 4

© BFE/2003

Introduction: de quoi s’agit-il ?

2

Les engins thermiques

1 Introduction: de quoi s’agit-il ?

La génération d‘énergie électrique par les centralesordinaires se heurte à des barrières techniques,politiques et économiques: la force hydraulique quigénère en Suisse 60% de toute l‘électricité est lar-gement utilisée; le potentiel restant à ce jour estminime. Les autres 40% proviennent des centralesnucléaires. Celles-ci sont très controversées, en par-ticulier au niveau des risques de grandes catastro-phes (comme celle de la centrale atomique deTchernobyl) avec leurs conséquences quasi imprévi-sibles, ainsi que du traitement des déchets nucléai-res produits par les centrales. Tout aussi probléma-tique est la rentabilité des centrales atomiques dansle contexte d‘un marché libéralisé de l‘électricité.Au vu des quelques points évoqués on peut aujour-d’hui supposer qu‘il ne sera plus guère possible deremplacer les centrales existantes et encore moinsd‘en construire de nouvelles.

Si l‘on part de l‘hypothèse que les centrales nucléai-res existantes seront désactivées, il y aura un man-que dans la production d‘énergie électrique. Celui-ci pourra être couvert de la manière suivante:– réduction de la consommation d‘électricité par le

biais de technologies plus efficientes (éclairage,aération, réfrigération, chauffage, appareils élec-triques, etc.)

– réduction de la consommation d‘électricité par lamodification du comportement des consomma-teurs, en rendant plus consciente l‘utilisation decette forme d‘énergie de haute valence qu‘est«l‘électricité»

– production d‘électricité à partir d‘énergies renou-velables (petites centrales hydrauliques, vent,technique photovoltaïque, etc.)

– production d‘électricité par exploitation rationnel-le des supports énergétiques non renouvelables(surtout le gaz naturel et le mazout) dans desinstallations à couplage énergie chaleur.

Ce sont avant tout des engins thermiques comme lesturbines à vapeur, les turbines à gaz et les moteursà combustion interne qui sont actuellement utilisésdans la production d‘électricité à couplage énergiechaleur. Mais à l‘avenir les cellules à combustiblepour la production électrochimique directe d‘électri-cité joueront possiblement un rôle prépondérant.

© BFE/2003

Objectifs de la formation

3


2 Objectifs de la formation

L’apprentie, l’apprenti …

– connaît les différents modes de production électri-que ainsi que les problématiques économiques,environnementales et politiques de celle-ci à par-tir de supports énergétiques non renouvelables(gaz, pétrole, charbon, uranium).

Exemples de réponses:

Centrale nucléaire:– Production de vapeur dans le réacteur nucléaire,

entraînant une turbine à vapeur elle-même cou-plée avec un générateur de production d‘électri-cité. Degré d‘efficacité env. 30%.

– Exploitation de la chaleur perdue difficile et coû-teuse, car nécessitant de grands réseaux thermi-ques.

– Résistance politique à cause de la radioactivité etdes risques très élevés en cas de catastrophemajeure (CM).

– Stockage final des déchets radioactifs non résolu– Dans le marché libéralisé de l‘électricité de nou-

velles centrales ne sont pas rentables.

Centrale thermique conventionnelle (charbon, mazout ou gaz; sans exploitation de lachaleur dégagée):– Production de la vapeur dans une chaudière à

vapeur, entraînant une turbine à vapeur elle-même couplée avec un générateur de productiond‘électricité. Rendement env. 40%.

– Forte et inévitable émission de CO2 de par lacombustion de combustibles fossiles.

– Emissions toxiques (SO2, NOx et CxHy) réduc-tibles moyennant un grand déploiement de tech-nique.

© BFE/2003


4


Centrale mixte (mazout ou gaz, sans exploitation de la chaleurdégagée):– Production d‘énergie mécanique par la combinai-

son d‘une turbine à gaz avec une turbine àvapeur; rendement env. 60%.

– Forte et inévitable émission de CO2 de par lacombustion de combustibles fossiles.

– Émissions toxiques (CO, NOx et CxHy) réduc-tibles moyennant un grand déploiement de tech-nique.

Bloc central thermique (mazout ou gaz):– Production d‘énergie mécanique avec une turbine

à gaz ou un moteur à combustion interne.– Exploitation de la chaleur dégagée produite.– Rendement électrique jusqu‘à env. 40%; rende-

ment thermique jusqu‘à env. 60%: rendementgénéral jusqu‘à env. 95%.

– Employé pour les grands bâtiments et les systè-mes à combinaison thermique.

– Rentable lorsque les conditions cadre sont bon-nes.

Bloc central thermique avec moteur Stirling:– Presque n‘importe quelle source de chaleur est

possible, même les renouvelables (bois, soleil)grâce à la combustion externe.

– Seules des installations pilote sont aujourd’hui enactivité.

© BFE/2003


5


– sait ce qu‘il faut entendre par production d‘élec-tricité décentralisée et quels en sont les avanta-ges et les inconvénients.

– peut expliquer la raison pour laquelle les rende-ments mécanique et électrique de la productionthermique d‘électricité sont physiquement limités.

– connaît les conditions principales à remplir pourla réalisation d‘une installation à couplage cha-leur-force.

Cellules à combustible (pétrole ou gaz):– Production d‘énergie électrique par un processus

électrochimique et non pas thermodynamique.Exploitation de la chaleur perdue produite.

– Rendement électrique jusqu‘à env. 60%; rende-ment général jusqu‘à plus de 95%.

– Pas d‘émissions de bruit et pratiquement pasd‘émissions toxiques (sauf CO2).

– Emploi possible pour pratiquement tous les typesde prestations.

– Actuellement seules des installations pilote sonten activité; large introduction sur le marché atten-due à partir de 2005.

– Production de l‘électricité proche des utilisateurs.– Avantages: pas de pertes de transmission; con-

duisent par un grand nombre d‘installations àune importante sécurité d‘alimentation.

– Inconvénients: prix de revient plutôt élevé; problè-mes de stabilité du réseau si trop grand nombred‘installations dans un petit espace.

– Rendement de Carnot: le rendement dépendessentiellement de la différence de températureentre source de chaleur et chaleur perdue.

– Besoins élevés en chaleur, presque simultanésaux besoins en électricité.

– Tarifs élevés d‘accès à l‘électricité (et éventuelle-ment de renvoi des surplus).

– Besoins élevés en électricité.

© BFE/2003


6


– connaît les tendances futures du couplage cha-leur-force.

– Utilisation du moteur couplage chaleur-force dansdes installations de réseaux de chaleur existantset grandes productions de chaleur.

– Cellules à combustible; avant tout pour le gaz etle mazout.

– Moteur Stirling; permettant d‘utiliser toutes sortesde combustibles.

© BFE/2003

Eléments proposés pour le plan des leçons

7


3 Eléments proposéspour le plan desleçons

– Excursion dans une centrale. Numéros de télé-phone:• Centrale atomique Gösgen-Däniken AG:

pavillon des visiteurs 155 15 56• Centrale atomique Leibstadt AG:

056 267 71 11

– Excursion dans une centrale importante avec bloccentral thermique:Informations générales:• WKK

WKK- Fachverband, case postale8050 ZurichTél. 01 311 80 20Fax 01 312 05 40www.waermekraftkopplung.ch

Exploitants de blocs centraux thermiques:• Nordouest-Suisse:

- Elektra Birseck Münchenstein (EBM) 4142 MünchensteinTél. 061 415 41 41

- Arbeitsgemeinschaft für dezentrale Energieversorgung (ADEV)Oristalstrasse 85, 4410 Liestal, Tél. 061 921 94 50

– Vidéo sur l‘alimentation décentralisée en électri-cité et le couplage chaleur-force (à commanderauprès de l’association WKK, Zurich)

– Concernant le type et les caractéristiques descentrales: Brainstorming directif avec prise ennote des réponses (justes) sur un rétroprojecteur(les apprenti/es devraient déjà disposer de nom-breuses informations de par la discussion dujour).

© BFE/2003

Connaissances de base

8


4 Connaissances de base

4.1 Les bases

Que sont les engins thermiques?Les engins thermiques sont des installations quitransposent l‘énergie thermique en énergie mécani-que. L‘énergie thermique est principalementgénérée par la combustion d‘une énergie chimique-ment accumulée (pétrole, gaz, charbon, bois, ordu-res, etc.) ou par fission nucléaire.

Les engins thermiques les plus importants sont:– les moteurs à combustion interne:

• Moteur Otto: un mélange de combustible(essence ou gaz naturel) et d‘air est brûlé sousforme explosive dans une chambre à combusti-on. L‘explosion libère l‘énergie mécanique quiest transmise à un vilebrequin. La caractéri-stique du moteur Otto est que l‘allumage dumélange a lieu par le biais d‘un dispositifd‘allumage (bougie d‘allumage).

• Moteur Diesel: son principe de fonctionnementest similaire à celui du moteur Otto. Mais il uti-lise cependant du carburant Diesel. La carac-téristique du moteur Diesel est que le mélangede carburant et d‘air est allumé par une fortecompression qui le chauffe. C‘est pourquoi lesmoteurs Diesel n‘ont pas besoin de dispositifd‘allumage.

Les moteurs à combustion interne comprennent unou plusieurs cylindres dans lesquels la combusti-on a lieu. Selon le type de construction du moteurla combustion peut se produire à chaque mouve-ment (course) du piston (moteurs à deux temps),

ou à chaque deuxième course du piston (moteurà quatre temps). Dans un moteur à quatre temps,chaque seconde course sert à expulser les gazd‘échappement formés et à remplir le cylindre demélange.

– Les turbines à gaz:Dans une turbine à gaz la combustion d‘unmélange de carburant (gaz naturel, mazout oukérosène) et d‘air est continue. Les gaz brûlantset à forte dilatation issus de la combustion entraî-nent les aubes de la turbine qui transmettentl‘énergie cinétique à l‘arbre.

– Les moteurs à vapeur:La vapeur produite dans une chaudière à vapeurentraîne un piston tout en se dilatant (se déten-dant). L‘énergie cinétique linéaire ainsi crée esttransformée en énergie rotative au moyen d‘unetige. Un moteur à vapeur peut avoir un ou plu-sieurs cylindres.

– Les turbines à vapeur:Par rapport au moteur à vapeur, la vapeur estcontinuellement dilatée entre les aubes en rotati-on de la turbine, lesquelles transmettent l‘énergiecinétique à l‘arbre.

© BFE/2003


9


Où utilise-t-on les engins thermiques?Moteurs à combustion interne:– véhicules: voitures, camions, motos (moteurs Otto

et Diesel)– avions à hélices (moteurs Otto)– Navires (moteurs Diesel) et bateaux (moteurs

Otto)– Générateurs électriques dans les installations à

couplage chaleur- force (moteurs Otto et Diesel),dans les groupes électrogènes ainsi que pour lesréseaux de taille réduite sur des îles ou bien dansdes régions isolées (moteurs Diesel).

– Engins de constructions et tracteurs (presque tou-jours moteurs Diesel)

– Outils tels que scies à moteur ou tondeuses àgazon (moteurs Otto).

Turbines à gaz:– moteurs d‘avion (à réaction, à turbopropulseur) et

moteurs d‘hélicoptères (kérosène)– centrales à turbines à gaz et centrales mixtes

(gaz naturel et/ou pétrole)– générateurs électriques dans les grandes installa-

tions à couplage énergie chaleur et dans les grosgroupes électrogènes (gaz naturel et/ou mazout).

Moteurs à vapeur:– locomotives et bateaux à vapeur– générateurs électriques dans les petites installati-

ons à couplage énergie chaleur utilisant du boisou de la biomasse comme combustibles (cesinstallations ne sont réalisées qu‘à l‘étranger).

– machines à vapeur «jouets».

Turbines à vapeur:– grandes centrales (centrales nucléaires ou centra-

les thermiques)– centrales mixtes; en combinaison avec des turbi-

nes à gaz (gaz naturel et/ou pétrole)– générateurs électriques dans installations à cou-

plage énergie chaleur utilisant des ordures, dubois ou de la biomasse comme combustibles.

Degré d‘efficacité, rendement des engins ther-miquesLes engins thermiques sont des installations visant àtransformer l‘énergie. C‘est pourquoi les deux axio-mes de la thermodynamique s‘appliquent à eux. Lepremier axiome stipule que l‘énergie ne peut jamaisêtre produite, ni anéantie, dans un engin thermique(en tant que système thermodynamique fermé).L‘énergie est seulement transformée d‘une forme(par exemple un combustible) en une autre (parexemple en électricité et chaleur).

Il découle du second axiome de la thermodynami-que que le degré d‘efficacité (mécanique) d‘unengin thermique (rapport entre performance méca-nique et combustible utilisé) est limité. Ce degréd‘efficacité (rendement de Carnot) dépend de la dif-férence entre la température du processus de com-bustion et la température de la chaleur perdue.Le degré maximal d‘efficacité thermique du proces-sus circulaire de Carnot d‘un moteur thermique estdéterminé par les deux températures limites entrelesquelles se déroule le processus:

© BFE/2003


10


ηc =(T1 – T2)

T1

ηc =T1 =

T1 =

rendement de Carnot [-]température la plus élevée [K] (correspond à la température de combustion)température la plus basse [K] (correspond à la température de la chaleur dégagée)

Dans les engins thermiques pour couplage chaleur-force, l‘énergie mécanique est transformée dans ungénérateur en énergie électrique (électricité). Si, enplus de l‘énergie électrique on peut aussi exploiterl‘énergie thermique (chaleur dégagée), on parle

généralement d‘un rendement électrique et thermi-que (partiel), ainsi que d‘un rendement général:– rendement électrique = production d‘électricité /

emploi de combustible– rendement thermique = production de chaleur /

emploi de combustible– rendement général = (prod. d‘élec. + prod. de

chaleur) / emploi de combustible

Les valeurs typiques des engins thermiques fréquem-ment utilisés en couplage chaleur-force sont:

Type de machine rendementél.

rendement th.

rendementgénéral

Centrale de chauffage avec turbine à vapeur

Centrale mixte avec turbines à gaz et à vapeur

Bloc central thermique avec turbine à gaz

Bloc central thermique avec moteur à gaz

Bloc central thermique avec moteur Diesel

0,35

0,50 à 0,60

0,30

0,35 à 0,40

0,45

0,50

0,25 à 0,35

0,55

0,50 à 0,60

0,35 à 0,45

0,85

0,85 à 0,90

0,85

0,85 à 0,98

0,85 à 0,90

Le rendement thermique est surtout dépendant duniveau de température de l‘exploitation de la cha-leur: un niveau de température bas permet d‘obtenirun degré d‘efficacité plus élevé.

© BFE/2003


11


Exploitation de la chaleur dégagée des enginsthermiquesLa chaleur dégagée des engins thermiques sta-tionnaires utilisés pour la production d‘électricitépeut être exploitée pour chauffer ou pour activerdes processus thermiques. Exemples:– La chaleur dégagée d‘un incinérateur à ordures

(avec turbine à vapeur) alimente un réseau dechaleur à distance.

– Une turbine à gaz dans une fabrique de papierproduit de l‘énergie électrique ainsi que de lavapeur pour le processus de production dupapier (exemple: Papeterie de Versoix SA,Genève).

– Deux blocs centraux thermiques avec moteurs àgaz produisent de la chaleur et de l‘électricitépour un hôpital. Ces moteurs sont par ailleurséquipés pour faire fonctionner un groupe électro-gène en cas de panne de réseau (exemple: hôpi-tal cantonal d‘Obwalden, Sarnen).

– Un bloc central thermique avec moteur à gazproduit de la chaleur et de l‘électricité pour lesbâtiments d‘une grande école (Hochschule fürTechnik und Architektur, Horw LU).

Le transport de chaleur exige une grande infrastruc-ture et coûte donc cher (un mètre de tracé peut coû-ter entre 600 et 3000 francs selon les conditions-cadre et la capacité). Le coût élevé de la distributi-on de chaleur est la raison principale pour laquellela chaleur perdue des grandes centrales thermiques(surtout les centrales nucléaires) ne peut pas être

Eau chaude

Chauffage

des locaux

70% de la production

d’électricité est

consommée par l’hôpital

Pompe à chaleur,

exploite les dégagements

de chaleur et en été produit

du froid

Bloc thermique, produit

de la chaleur et électricité

et sert de groupe de secours

électrogène

Envoi du surplus

d’électricité dans

le réseau

Citerne de gaz

propane

(gaz liquide)

Chaudière d’appoint

(mazout/gaz propane)

Stock thermique central Alimentation

rapprochée de

15 immeubles

Fig. 1: Système thermique de l’hôpitol cantonal d’Obwalden, Sarnen

exploitée de façon rentable. Du point de vue d‘uneexploitation optimale de l‘énergie les installationsde taille plus réduite (du type de celles évoquéesdans les exemples ci-dessus) sont plus judicieuses,car elles peuvent être montées à proximité deszones d‘habitation et exploiter la chaleur perdue.

© BFE/2003


12


Production électrique centrale ou décentraliséeL‘alimentation électrique actuelle repose avant toutsur les grandes centrales (énergie hydraulique eténergie nucléaire). C‘est pourquoi elle doit suppor-ter des pertes de transmission relativement élevées(dans une fourchette de 5 à 10%).

Les petites et moyennes installations d‘alimentationélectrique (outre les engins thermiques comme lesblocs centraux thermiques il y a encore les petitescentrales hydrauliques, les éoliennes, les installati-ons photovoltaïques) décentralisent l‘alimentation enélectricité. Une alimentation décentralisée se carac-térise de la manière suivante:– comme la production de l‘électricité est proche

des utilisateurs, les pertes de transmission (duesaux conduites d‘alimentation et aux transforma-teurs) sont minimisées;

– une multiplicité d‘installations modestes augmentela sécurité d‘alimentation car la panne de l‘uned‘entre elles n‘agit pas sur l‘ensemble de l‘ali-mentation électrique;

– les petites installations ne font presque jamaisl‘objet d‘une controverse politique et peuventdonc être construites rapidement;

– la stabilité du réseau (fréquence et tension) estgarantie par les grandes centrales synchroniséesau niveau international

Conséquences écologiques du fonctionnementdes engins thermiquesAfin de minimiser les conséquences écologiques ondoit s‘efforcer d‘atteindre, pour tous les engins ther-miques, un degré d‘efficacité général élevé ainsiqu‘une exploitation aussi complète que possible dela chaleur dégagée.

Lors de la combustion des combustibles fossiles(pétrole, gaz, charbon) dans les moteurs à combu-stion interne et les chaudières à vapeur des centra-les, du CO2 se forme à partir du carbone contenudans les matériaux. Comme il faut une températurede combustion élevée pour obtenir un degré d‘effi-cacité élevé (voir rendement de Carnot), des oxydesd‘azote se forment en quantité considérable. Maissi l‘on peut réduire les émissions d‘oxydes d‘azoteavec des catalyseurs (dans les voitures ou les centra-les), le CO2 une fois formé n‘est plus réductible pardes moyens techniques.

Lors de l‘exploitation des centrales nucléaires desémissions radioactives se forment et il faut gérer lesdéchets nucléaires.

Nous vous renvoyons au manuel de base «L‘énergie– facteur-clé de notre temps» au sujet des consé-quences écologiques.

© BFE/2003


13


Avec les centrales thermiques conventionnelles laproduction centrale d‘électricité occupe le devantde la scène. Ces centrales sont construites pour four-nir une très grande capacité électrique (plus de 300MWel); souvent plusieurs blocs sont montés sur lamême aire. La chaleur dégagée n‘est pratiquementpas exploitée parce que ces grandes centrales sontconstruites loin des zones à forte densité de popula-tion (à cause de la place nécessaire et des émissi-ons) et que la répartition de chaleur n‘est pas renta-ble.

Mode de fonctionnementDans les centrales thermiques conventionnelles de lavapeur d‘eau entraîne une turbine à vapeur ent-raînant à son tour un générateur électrique. Selon letype de centrale la vapeur est générée dans unréacteur nucléaire ou bien une chaudière vapeuravec un foyer à mazout, à gaz ou à charbon. Pourobtenir un rendement élevé (Carnot) la températurede la vapeur (et donc la pression de la vapeur) doitêtre aussi haute que possible.

Pour pouvoir évacuer la très grande quantité dechaleur dégagée on construit (surtout dans les cen-trales atomiques) des tours de refroidissement carac-téristiques. La chaleur dégagée fait évaporer de trèsgrandes quantités d‘eau, ce qui conduit à une bas-se température de la chaleur et donc à un rende-ment de Carnot élevé.

4.2 Les centrales thermiquesconventionnelles

RentabilitéLes coûts afférents à l‘électricité produite («coûts degénération de courant») se composent pour toutesles centrales de frais financiers (paiement desintérêts et amortissement du capital investi), ainsique de frais courants pour le combustible et l‘exploi-tation en elle-même. Pour les centrales nucléaires,qui doivent faire de très gros investissements à cau-se des risques extrêmes dans le maniement du com-bustible nucléaire, la majeure partie des coûts degénération du courant est composée de frais finan-ciers, alors que pour les centrales à mazout, à gazou à charbon (comparativement bon marché), unegrande part de ces coûts de génération est attri-buée à la consommation de combustible et auxmesures prises pour réduire les émissions toxiques.Les centrales plus anciennes présentant des stan-dards inférieurs de sécurité et de protection del‘environnement affichent quant à elles un coût degénération de courant bas.

© BFE/2003


14


Fig. 3: Centrale mixte

combustible: mazout/gaz

turb

ine

à g

az

air de combustion

fumées

cheminée

gén

érat

eur

filt

re d

es f

um

ées

vap

eur

d'e

au

turb

ine

à g

az

tran

sfo

rmat

eur

gaz

d'é

chap

pem

ent

chau

diè

re

con

den

sate

ur

gén

érat

eur

chal

eur

à d

ista

nce

Fig. 2: Centrale thermique conventionnelle

mazout, gaz ou charbon

vapeur d'eau

tour de

refroidis-

sement

circuit de

refroidissement eau de

refroidissement

brû

leu

r

air de combustion

fumées

cheminée

chau

diè

re à

gaz

filt

re d

es f

um

ées

vap

eur

d'e

au

turb

ine

à g

az

tran

sfo

rmat

eur

con

den

sate

ur

gén

érat

eur

Les centrales mixtes (mazout ou gaz)La centrale mixte est une centrale thermique pos-sédant un rendement particulièrement élevé: lavapeur nécessaire au fonctionnement de la turbineà vapeur est générée par la chaleur dégagée d‘uneturbine à gaz (dans une chaudière de récupération)La turbine à gaz peut fonctionner avec du gaz oudu mazout.

La combinaison des turbines à gaz et à vapeur per-met d‘atteindre un rendement allant jusqu‘à 60%.Comme le prix des combustibles constitue une gran-de part des coûts pour les centrales à énergie fossi-le, la centrale mixte a tendance à être plus rentablequ‘une centrale sans turbine à gaz.

© BFE/2003


15


4.3 Le couplage chaleur-force

Le couplage chaleur-force (abréviation CCF)implique une production combinée à la fois de cha-leur (pour le chauffage et les procédés chimiques) etde force motrice, le plus souvent pour la productiond‘électricité. Un bloc central thermique (BCT) est unmodèle compact de module de couplage chaleur-force, principalement employé dans une fourchettede capacité allant jusqu‘à 1 MW el avec desmoteurs à combustion interne, et de 1 à 10 MW elavec des turbines à gaz.

Les blocs centraux thermiques avec moteur à gazOn utilise des moteurs à gaz industriels commemécanisme d‘entraînement pour les BCT à moteur àgaz . Les moteurs dont on dispose ont une puis-sance de 20 à 1000 kWel. Les installations plusimportantes se composent de plusieurs modules. Lespetits BCT à gaz dont la puissance varie entre 5 et20 kW el fonctionnent en principe avec desmoteurs de véhicules transformés. Avec des BCTstandardisés une exploitation presque entièrementautomatique et peu coûteuse est possible.

Fig. 4: Schéma de montage d‘un BCT avec moteur à gaz. Fig. 5: BCT à moteur à gaz: unité moteur générateur (gauche moteur, droite générateur).

Fig. 6: BCT à moteur à gaz: module complet (avec caisson d‘insonorisation démonté) et échangeur de chaleur.

Fig. 7: Centrale de production d’énergie de l’hôpital cantonal d’Obwalden avec deux BCT (à gaz Propane).

© BFE/2003


16


Les Blocs centraux thermiques avec moteur Die-selUn BCT à moteur Diesel est construit comme un BCTà moteur à gaz mais s‘en distingue par la concepti-on du moteur, le combustible et l‘épuration des gazd‘échappement. Le moteur Diesel fonctionne avecde l‘essence Diesel (correspondant au mazout EL)ou bien, s‘il s‘agit d‘un moteur dit à réaction, avecun mélange d‘essence Diesel (au moins 5%) et degaz (gaz naturel, gaz liquide, gaz de curage ouissu des décharges).

Les coûts étant élevés (principalement à cause del‘épuration des gaz d‘échappement) on monte desBCT à moteur Diesel surtout pour de plus grandescapacités (à partir d‘env. 200 kWel).

Par rapport à un BCT à moteur à gaz le degréd‘efficacité électrique est plus élevé. Le degré d‘effi-cacité thermique et donc le degré d‘efficacitégénéral dépendent fortement de l‘exploitation de lachaleur des gaz d‘échappement. Si ces dernierssont refroidis jusqu‘à moins de 180 °C dansl‘échangeur de chaleur des gaz d‘échappement,deux problèmes se posent: d‘une part l‘acide créépar la condensation de SO2 attaque le matériaumême de l‘échangeur de chaleur des gaz d‘échap-pement. D‘autre part cet échangeur s‘encrasse depar la condensation d‘hydrocarbures à ébullitionélevée.

Deux procédés sont nécessaires pour l‘épurationdes gaz d‘échappement: dénitrurer les gazd‘échappement avec un catalyseur et filtrer les parti-cules de suie avec un filtre. Avec cette épuration desgaz d‘échappement les moteurs Diesel modernesatteignent des valeurs d‘émission de NOx et de COcomparables à celles des moteurs à gaz. Les émissi-ons d‘hydrocarbures sont bien plus problématiquesparce qu‘elles contiennent, entre autres, des hydro-carbures aromatiques polycycliques (HAP) jugéscancérigènes.

Les blocs centraux thermiques à turbines à gazPour le champ d‘application industriel ou pour lesalimentations thermiques importantes avec destempératures supérieures à 120°C les turbines àgaz jouent un rôle prédominant. Du point de vue dela rentabilité leur mise en exploitation n‘a cepen-dant un sens que pour une puissance électriqued‘au moins 1 MW. Les prescriptions en matièred‘émissions toxiques des turbine à gaz requièrentdes mesures spéciales.

Fig. 8 Bloc central thermique à turbine à gaz: turbine à gaz (droite) et générateur (gauche).

© BFE/2003


17


Les blocs centraux thermiques à moteur StirlingLe moteur Stirling est depuis longtemps une alternati-ve prometteuse au moteur à gaz ou Diesel parceque la combustion ne s‘opère pas dans le moteurmême mais à l‘extérieur. Cela a le grand avantagequ‘on peut utiliser pratiquement n‘importe quel com-bustible, par exemple du bois, et même de l‘énergiesolaire. Divers concepts de moteurs fonctionnantavec de l‘hélium, de l‘hydrogène et de l‘air ont étéréalisé sous forme d‘installation pilote. D‘importantsproblèmes techniques ne sont cependant pas enco-re résolus et le degré d‘efficacité mécanique estencore insatisfaisant.

Conditions cadre pour la mise en service deblocs centraux thermiquesLes blocs centraux thermiques produisent simultané-ment de la chaleur et de l‘électricité. Afin de pou-voir amortir les investissements nécessaires à la con-struction des blocs centraux thermiques, les conditi-ons cadre suivantes doivent être données:– Le prélèvement de chaleur devrait autant que pos-

sible être régulier, sur une longue période. L‘idéalest la chaleur de processus de fabrication,dégagée toute l‘année (exemple de la fabriquede papier).

– Il faut atteindre des périodes de fonctionnementlongues (on vise 4000 heures d‘exploitation tota-le par année).

– Les tarifs de l‘électricité doivent être relativementélevés pour que la production en vaille la peine

– L‘électricité produite doit autant que possible êtreutilisée dans le bâtiment même. La vente dessurplus aux entreprises électriques locales est cer-tes possible, mais les tarifs sont presque toujoursbas.

Presque tous les cantons prescrivent pour la réalisa-tion des blocs centraux thermiques l’exploitationcomplète de la chaleur.

© BFE/2003


18


4.4 La cellule (pile) à combustible

Fig. 9: cellule à combustible à électrolyte solide (exemple: Sulzer Hexis SA).

Dans une cellule à combustible, l‘énergie et la cha-leur ne sont pas générées dans une machine ther-modynamique. L‘électricité naît d‘un processus élec-trochimique sous dégagement de chaleur perdue.

Pour le moment trois systèmes de cellule à combu-stible fonctionnant au gaz naturel sont à l‘étude eten développement. Ils se distinguent en particulierpar le genre d‘électrolyte dans lequel se déroule leprocessus. Par rapport aux installations CCF avecmachines thermodynamiques, tous les types de cel-lule présentent l‘avantage de pouvoir générer del‘électricité sans bruit et pratiquement sans émissionstoxiques.– Cellule à acide phosphorique: pour la production

de l‘électricité on utilise comme combustible del‘hydrogène qui est extrait du gaz naturel par unprocessus chimique à un stade antérieur à la cel-lule (Reformer). Une installation pilote d‘une puis-sance électrique de 200 kW est en fonctiondepuis 1993 à Genève, et ce avec succès. Ledegré d‘efficacité électrique se situe aux alen-tours de 40...43%.

– Cellule à fonte de carbonate: de façon analogueà la cellule à acide phosphorique, il faut d‘abordproduire de l‘hydrogène à base de gaz naturel.Pour le moment ce type de cellule se trouve enco-re au stade expérimental.

– Cellule à électrolyte solide: on utilise des mem-branes en polymère ou en céramique commeélectrolytes. Le grand avantage de la cellule àmembrane en céramique est l‘utilisation directe

du gaz naturel comme combustible sans "détour"par l‘hydrogène. Un autre avantage c‘est que leprocessus fonctionne sans substance toxiques oucorrosives. Des installations pilote sont déjà enservice depuis quelques année.

Conclusion du point de vue de la politique éner-gétique et perspectives d‘avenirLes cellules à combustible (en particulier celles àélectrolyte solide) présentent un potentiel de déve-loppement très élevé:– La production d‘électricité se passe pratiquement

sans mouvement de pièces et sans usure (contrai-rement aux engins thermiques, lourds en mainten-ance).

– La production d‘électricité se déroule sans bruit etpratiquement sans substances nocives.

– C‘est une technologie applicable à tous lesdomaines, de l‘alimentation électrique des télé-phones mobiles jusqu‘aux grandes centrales.

– La puissance et la part de la production électri-que de la cellule à combustible peuvent varier.

– De même qu‘avec la microélectronique, une pro-duction de masse (bon marché) est possible sur leplan technique et on peut s‘y attendre.

Le type d‘application au succès le plus prometteurde la cellule à combustible est un module conçupour un ménage typique. Cet appareil devrait trou-ver place dans le «placard à balai» d‘un apparte-ment et couvrir les besoins tant en électricité qu‘enchaleur.

© BFE/2003

Exercices et solutions proposées

19


Exercice 1En groupe, nommez les caractéristiques, avantageset inconvénients des divers types de centrale. Pré-sentez vos résultats en classe.(Cet exercice peut aussi servir de base d’introduc-tion du sujet).

Exercice 2Esquissez:a) le schéma d‘une centrale conventionnelleb) le schéma d‘une centrale mixte Nommez les principaux composants et définissezles principales différences en colorant les différentséléments essentiels.

Exercice 3Réfléchissez pour quelle raison, la chaleur dégagéeproduite par les grandes centrales n‘est pratique-ment jamais exploitée. Traiter le sujet avec unexploitant de centrale.

Exercice 4Nommez les différents moteurs possibles d‘un bloccentral thermique. Expliquer les raisons pour les-quelles on choisira tel on tel moteur.Pour ce faire établissez une tabelle représentativeavec les caractéristiques et les avantages ou incon-vénients.(Utilisation des connaissances de base, chapitre4.3, autorisée).

5 Exercices et solutionsproposées

© BFE/2003

Bibliographie

20


En langue française:– Programme d’impulsion RAVEL: RAVEL et la cha-

leur, Electricité et chaleur. Données fondamenta-les, à commander auprès de l’EDMZ, No. 724.357 f, Berne, 1993

– Programme d’impulsion RAVEL: RAVEL et la cha-leur, Complage chaleur-force, à commanderauprès de l’EDMZ, No. 724.358 f, Berne, 1994

– Maja Messmer et al., adaptation Joël Fournier etOlivier Mercier: L’énergie - facteur-clé de notretemps (manuel de base), LEP, loisirs et pédago-gie, Le Mont-sur-Lausanne, 1998Tél. 021 653 53 37

En langue allemande:– Schweiz. Fachverband für Wärmekraftkopplung:

Wärmekraftkopplung: Die kombinierte Erzeu-gung von Wärme und Strom, Potenziale, Markt,Innovationen, Zürich 2001

– Schweiz. Fachverband für Wärmekraftkopplung:Wärmekraftkopplung: Die kombinierte Erzeu-gung von Wärme und Strom, Wirtschaftlichkeit,Politik, Markt, Liestal 1996

– Recknagel Sprenger Hönmann: Taschenbuch fürHeizung+Klimatechnik, R. Oldenbourg VerlagGmbH, München 1992

– Wolfgang Suttor: Praxis Kraft-Wärme-Kopplung,Technik, Umfeld, Realisierung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, C.F. Müller Verlag, Karlsruhe1993

6 Bibliographie

© BFE/2003

Sources

21


7 Sources – Energie 2000: Ausbau Kantonsspital Obwalden,Sarnen, Energien intelligent kombiniert, Bern1998 (Fig. 1 et 7)

– Energie – Schlüsselgrösse unserer Zeit, Sauerländer AG, Aarau 1997Band 1: Grundlehrmittel (Fig. 2 et 3)

– Bundesamt für Konjunkturfragen, Wärmekraft-kopplung: Gasmotor-Blockheizkraftwerke effizientplanen, bauen und betreiben, RAVEL im Wärme-sektor Heft 4, Bern 1994 (Fig. 4)

– Schweiz. Fachverband für Wärmekraftkopplung:Wärmekraftkopplung: Die kombinierte Erzeu-gung von Wärme und Strom, Wirtschaftlichkeit,Politik, Markt, Liestal 1998 (Fig. 5, 6 et 9)

– Bundesamt für Konjunkturfragen, Elektrizität undWärme, Grundlagen und Zusammenhänge,RAVEL im Wärmesektor Heft 1, Bern 1993 (Fig. 8)

© BFE/2003

Modèles

22


8 Modèles

Type de machine rendementél.

rendement th.

rendementgénéral

Centrale de chauffage avec turbine à vapeur

Centrale mixte avec turbines à gaz et à vapeur

Bloc central thermique avec turbine à gaz

Bloc central thermique avec moteur à gaz

Bloc central thermique avec moteur Diesel

0,35

0,50 à 0,60

0,30

0,35 à 0,40

0,45

0,50

0,25 à 0,35

0,55

0,50 à 0,60

0,35 à 0,45

0,85

0,85 à 0,90

0,85

0,85 à 0,98

0,85 à 0,90

© BFE/2003

Modèles

23


Eau chaude

Chauffage

des locaux

70% de la production

d’électricité est

consommée par l’hôpital

Pompe à chaleur,

exploite les dégagements

de chaleur et en été produit

du froid

Bloc thermique, produit

de la chaleur et électricité

et sert de groupe de secours

électrogène

Envoi du surplus

d’électricité dans

le réseau

Citerne de gaz

propane

(gaz liquide)

Chaudière d’appoint

(mazout/gaz propane)

Stock thermique central Alimentation

rapprochée de

15 immeubles

© BFE/2003

Modèles

24


mazout, gaz ou charbon

vapeur d'eau

tour de

refroidis-

sement

circuit de

refroidissement eau de

refroidissement

brû

leu

r

air de combustion

fumées

cheminée

chau

diè

re à

gaz

filt

re d

es f

um

ées

vap

eur

d'e

au

turb

ine

à g

az

tran

sfo

rmat

eur

con

den

sate

ur

gén

érat

eur

© BFE/2003

Modèles

25


combustible: mazout/gaz

turb

ine

à g

az

air de combustion

fumées

cheminée

gén

érat

eur

filt

re d

es f

um

ées

vap

eur

d'e

au

turb

ine

à g

az

tran

sfo

rmat

eur

gaz

d'é

chap

pem

ent

chau

diè

re

con

den

sate

ur

gén

érat

eur

chal

eur

à d

ista

nce

Les engins thermiques - Federal Council

Documents

Transcript of Les engins thermiques - Federal Council