Impulsion motrice avancée

L’une des façons de réduire les émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre, en particulier le dioxyde de carbone (CO2), est d’accroître l’efficacité des cycles thermiques existants et de mettre au point des cycles avancés à haute efficacité.

L’efficacité thermique est une mesure du rendement d’une centrale électrique. Le cycle Rankine et le cycle Brayton sont les deux cycles thermodynamiques principaux utilisés en général pour produire de l’électricité. Ces cycles sont aussi appelés cycles de production d’électricité parce qu’ils convertissent la chaleur en travail mécanique.

Cycle de Rankine

Le cycle de Rankine est à la base de toutes les grandes centrales thermiques à vapeur. Dans ce cycle, on utilise un générateur de vapeur (ou chaudière) pour produire de la vapeur à haute pression et à haute température. Dans les usines utilisant des combustibles fossiles, l’énergie chimique emmagasinée dans ces combustibles est convertie en énergie thermique qui est transférée au fluide de travail (p. ex. l’eau) envoyé dans la chaudière pour produire de la vapeur. Dans les centrales nucléaires, l’énergie thermique est fournie par une réaction nucléaire contrôlée.

Les vapeurs produites par la chaudière sont dirigées vers une série de turbines à vapeur, à haute et à basse pression, qui convertissent l’énergie thermique en travail mécanique servant à entraîner l’arbre d’un générateur électrique et ainsi produire de l’électricité. À la fin du processus, la vapeur est envoyée dans un condensateur et le condensat est retourné à la chaudière, où ce cycle recommence.

On peut améliorer l’efficacité du cycle en augmentant la pression et la température de la chaudière, en utilisant le réchauffement (la vapeur est d’abord envoyée dans une turbine à haute pression et ensuite retournée à la chaudière pour être réchauffée) et en introduisant une phase de régénération au cours de laquelle la vapeur est « soutirée » à un certain endroit de la turbine et utilisée pour préchauffer l’eau qui alimente la chaudière. Les centrales électriques surcritiques ultramodernes actuelles fonctionnent à des pressions et à des températures supérieures à 300 bars et à 625 ºC respectivement.

Cycle de Brayton

Pour le cycle de Brayton conventionnel, on utilise une turbine à gaz à cycle ouvert dans laquelle de l’air est comprimé et brûlé avec un combustible dans une chambre à combustion. Les gaz de combustion chauds sont détendus dans une turbine couplée à un générateur électrique. Dans un cycle fermé, le fluide de travail est comprimé, chauffé et ensuite détendu dans une turbine. Les gaz sont ensuite refroidis, puis comprimés et recyclés.

On peut améliorer l’efficacité du cycle en y introduisant une phase de réchauffement au moyen d’une deuxième chambre de combustion, une réfrigération de l’air en court de compression ou encore en introduisant un récupérateur de chaleur pour préchauffer le fluide entrant dans la chambre de combustion, ce qui permet de diminuer la consommation de combustible.

Cycle combiné

Dans les centrales électriques à cycle combiné, on utilise une turbine à gaz (cycle de Brayton) pour produire de l’électricité. Ensuite, la chaleur résiduelle est utilisée dans une chaudière de récupération de chaleur pour produire de la vapeur (cycle de Rankine) qui servira à produire de l’électricité au moyen d’une turbine à vapeur, donc l’efficacité globale de production d’électricité est augmentée. La combinaison du cycle de Brayton et du cycle de Rankine permet d’obtenir des températures élevées à l’entrée et des températures basses à la sortie, ainsi le rendement du cycle de Carnot est élevé. L’efficacité du cycle combiné est la somme des efficacités des deux cycles parce qu’ils utilisent la même source de combustible.

À CanmetÉNERGIE, nous travaillons à démontrer et à mettre au point des turbines à gaz à émissions presque nulles ainsi que des systèmes avancés de cycle de conversion de l’énergie hautement efficaces, basés sur le cycle supercritique du CO2. Ce travail est accompli en collaboration avec Carleton University, et plus récemment avec Sandia National Laboratories Hyperlien externe (en anglais seulement) dans le cadre de l’International Nuclear Energy Research Initiative Hyperlien externe (en anglais seulement). Les avantages du CO2 supercritique comme fluide de travail sont les suivants : sa pression et sa température critiques basses, ses propriétés thermodynamiques et caloriportrices, et sa disponibilité. La haute densité du fluide de travail entrant dans le compresseur constitue l’avantage principal de ce cycle par rapport aux autres cycles fermés à turbine à gaz. Le travail du compresseur ne représente qu’une fraction du rendement total de la turbine, d’où une augmentation globale de l’efficacité du cycle.

Géré par CanmetÉNERGIE au centre de recherche d'Ottawa (Ontario).