Turbines à gaz pour oxycombustion

Technologie de turbine à gaz pour l'oxycombustion

Des recherches ont été entreprises sur la mise au point de nouveaux cycles thermodynamiques pour des turbines à gaz utilisant de l’oxygène à la place de l’air, ainsi que des diluants supplémentaires tels que de la vapeur d’eau ou du dioxyde de carbone (CO2). Ces turbines à gaz de nouvelle génération en cours de développement sont appelées à fonctionner avec toutes sortes de combustibles, notamment de l’hydrogène, du gaz de synthèse, du gaz naturel et d’autres combustibles liquides.

Les principaux facteurs affectant l’efficacité de ces cycles sont la température d’entrée turbine des fluides thermodynamiques, les exigences en matière de refroidissement de la turbine, l’efficience de la compression de l’oxygène et du CO2 et la charge parasite de l’unité de séparation d’air.

Ces dernières années, plusieurs cycles thermodynamiques et variantes de ces cycles pour turbines à gaz ont été envisagés, notamment un cycle combiné semi-fermé de turbine à gaz pour l’oxycombustion et un cycle intégré pile à combustible à oxyde solide (SOFC)-turbine à gaz.

Cycle combiné semi-fermé de turbine à gaz pour l’oxycombustion

Dans le cadre d’un cycle combiné semi-fermé de turbine à gaz pour l’oxycombustion, l’oxygène sous pression et le combustible sont brûlés dans la chambre de combustion d’une turbine à gaz. Les produits de combustion, principalement du CO2 et de l’eau, subissent ensuite une dilatation dans une turbine à haute pression avant d’être acheminés vers un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) dans lequel la vapeur est produite avant d’être à son tour dilatée dans une turbine à vapeur. Une fois l’eau récupérée dans un condenseur installé en aval, le gaz de carneau résiduel consiste en un flux gazeux très concentré en CO2 dont la pression est ajustée aux fins de compression et de stockage. La part restante est recyclée dans le compresseur de CO2 en vue de réguler la température de combustion de la chambre de combustion pressurisée.

Depuis plusieurs années déjà et en collaboration avec Carleton University, CanmetÉNERGIE est aux avant-postes en matière de développement de technologies liées aux turbines à gaz pour systèmes d’oxycombustion. Les travaux entrepris à Carleton University sur la turbine à gaz à émissions nulles Raven se sont attachés à la conception et la construction d’un système de 50 kWe fonctionnant au gaz naturel assorti d’un mode de combustion à l’oxygène et d’une recirculation du CO2. La modélisation, l’analyse et la conception d’un cycle combiné semi-fermé de turbine à gaz de 100 MW pour l’oxycombustion ont été extrapolées à partir des essais menés sur la microturbine de 50 kWe .

Cycles intégrés pile à combustible à oxyde solide (SOFC)-turbine à gaz

Le cycle intégré pile à combustible à oxyde solide (SOFC)-turbine à gaz est un cycle thermodynamique hybride combinant une SOFC et une turbine à gaz. Dans un tel cycle, la SOFC fait office de chambre de combustion et l’air sous pression nécessaire à son fonctionnement est fourni par le compresseur de la turbine à gaz. Le gaz d’échappement issu de la pile SOFC est ensuite dilaté dans la turbine de façon à générer un système électrique à cycle hybride sans injection d’eau. L’énergie thermique pour ce cycle peut être produite par la combustion de gaz naturel ou d’un gaz de synthèse propre. On peut élargir ce système conceptuel en incluant l’oxycombustion dans ce cycle intégré.

CanmetÉNERGIE a procédé à l’évaluation du rendement de diverses turbines à gaz et de cycles de pile à combustible utilisant l’oxycombustion pour produire de l’énergie et capter le CO2. Les travaux ont débuté à University of Waterloo en vue d’élaborer une simulation de pile SOFC appelée à être intégrée au cycle combiné d’une turbine à gaz.