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Auteur(s)
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Claude LÉVY : Ingénieur de l’École centrale de Paris - Ingénieur conseil en thermique et en énergétique
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Lire l’articleINTRODUCTION
Toute production d’énergie mécanique et par suite électrique, à partir d’un combustible quelconque, se fait avec dégagement de chaleur vers une source froide. La cogénération consiste à utiliser cette chaleur plutôt que de la perdre à l’atmosphère. La cogénération permet donc des économies d’énergie et, consécutivement, une réduction des coûts globaux des énergies produites.
La cogénération englobe toute une série de procédés (dénommés aussi cycles, filières ou systèmes) dont certains font appel à des techniques complexes. Elle s’applique à de très nombreux cas d’utilisations tant dans l’industrie qu’en génie climatique. Elle s’étend sur une très grande échelle de puissance électrique : de la dizaine de kilowatts pour les petits moteurs alternatifs à plus de 50 MW dans les grandes centrales thermoélectriques de chauffage urbain ou d’usine. Sa connaissance intègre une vaste gamme de techniques.
Le but principal de la cogénération est économique, aussi son étude doit‐elle montrer :
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comment on peut la mettre en œuvre (technologie) ;
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comment elle peut être financièrement rentable.
À cet effet, ce sujet fait l’objet de trois articles :
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les techniques de cogénération, traitées dans ce texte, décrivent les différents matériels et les principes courants et présentent les schémas d’installation en donnant leurs performances ;
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la cogénération dans l’industrie ;
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la cogénération en génie climatique.
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5. Turbines à combustion
5.1 Généralités
Les turbines à combustion (TAC) sont de création plus récentes que les deux autres types de moteurs. Elles se sont surtout développées, en utilisation à poste fixe, dans les trois dernières décennies. Elles se construisent dans une gamme très large de puissance de 25 kW à 200 MW.
À poste fixe, les combustibles utilisés sont, pour les turbines courantes jusqu’à 20 MW, du gaz (naturel, GPL ou biologique) ou du fuel domestique. Il semble que les quelques installations réalisées pour du fuel lourd, même soigneusement traité, n’aient pas donné à ce jour de résultats satisfaisants.
Le combustible doit être introduit au brûleur à des pressions élevées 13 à 20 bar. Cela est aisé pour les fuels. En revanche, le gaz naturel est délivré en France par des réseaux soit de transport entre 40 et 64 bar, soit, le plus souvent, de distribution entre 4 et 16 bar. Quand on ne dispose pas d’une pression suffisante, il faut ajouter des surpresseurs de gaz. Ces appareils sont coûteux et consomment de la force motrice. Ils diminuent l’intérêt économique de la filière.
La combustion dans une TAC s’effectue avec des excès d’air très important : 350 à 500 %. Il en résulte que, pour un modèle donné, la puissance va varier sensiblement avec la température d’entrée d’air et avec l’altitude. La puissance sera plus forte en hiver, ce qui est un avantage pour l’utilisation en génie climatique. Une autre conséquence est la décroissance très rapide du rendement avec la charge.
Il existe deux types principaux de machines à deux ou un seul arbre. Les turbines à deux arbres peuvent donner des vitesses et des couples variables sur l’arbre moteur. Elles sont bien adaptées pour l’entraînement de compresseurs et de machines tournantes. Les turbines à un seul arbre tournent à vitesse constante pour entraîner des alternateurs ce qui permet ainsi de régler avec précision la fréquence du courant.
Les turbines à compression tournent à grande vitesse (6 à 15 000 tr/ min) et sont très bruyantes. De plus, les bruits générés sont dans la gamme des hautes fréquences. L’insonorisation de l’entrée d’air, des échappements et de la machine elle‐même doivent être particulièrement soignés.
Les TAC sont très sensibles à l’empoussiérage...
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