Convertisseurs thermomécaniques - Cycles moteurs à vapeur et combinés. Cogénération

Les installations motrices à vapeur (IMV), qui ont pour origine les cycles thermodynamiques à vapeur, correspondent aux moteurs les plus puissants. Ce sont des machines à apport de chaleur externe fournie soit par une combustion, soit par une réaction nucléaire. On les trouve dans les grandes centrales de production d’électricité, classiques ou nucléaires, où leur puissance atteint plus de un gigawatt. On les rencontre également avec des tailles plus modestes sur des sites industriels pour opérer dans un grand nombre de procédés industriels à des puissances pouvant aller d’une centaine de kilowatts à quelques centaines de mégawatts.

Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, ce qui, a priori, est un gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Cependant, des raisons techniques entraînent des modifications qui vont dans le sens d’une détérioration du rendement, compensée par certaines améliorations. Le cheminement de ces diverses évolutions est présenté dans ce dossier.

Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. Elle peut être valorisée comme apport thermique nécessaire à de nombreux procédés industriels ou pour le chauffage résidentiel ou tertiaire par l’intermédiaire de réseaux de chaleur. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique. On parle de production d’énergie totale ou encore de cogénération. Des cas typiques d’installations ainsi qu’une analyse énergétique suivie d’une analyse thermo- économique de l’intérêt d’une telle production sont présentés dans ce document.

Dans le dossier Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule, la perte d’énergie à l’échappement des turbines à combustion (TAC) a été soulignée. Compte tenu du niveau thermique relativement faible retenu pour un fonctionnement classique des IMV, l’apport externe de chaleur, produit ordinairement par une combustion ou une réaction nucléaire, peut être remplacé par l’apport enthalpique des gaz d’échappement de la TAC. Sous l’aspect cycle, le couplage de ces deux machines est traduit par la combinaison d’un cycle de Joule avec un cycle de Hirn. Ceci donne lieu aux installations dites à cycles combinés dont le rendement est, actuellement, le plus élevé de toutes les machines thermiques.