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RÉSUMÉ
Les cycles organiques de Rankine sont des cycles de production de puissance mécanique à partir de chaleur. Ce sont des variantes des cycles à vapeur d’eau, utilisés lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire de la puissance mécanique est à basse ou moyenne température, ou lorsque la puissance installée est faible et que les installations à vapeur ne sont plus économiques. L’article est structuré en trois parties. La première montre les architectures de cycle les plus utilisées, puis examine les aspects technologiques, et les critères de choix des fluides thermodynamiques qu’ils utilisent. La seconde partie présente les principales applications des cycles ORC. La troisième partie est consacrée à l’optimisation de ces cycles.
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Renaud GICQUEL : Professeur - PSL – Research University, PERSEE – Centre procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Les cycles organiques de Rankine (COR), plus connus sous le nom de Organic Rankine Cycle (ORC) sont des variantes des cycles à vapeur à eau, qui sont utilisés lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire de la puissance mécanique est à basse ou moyenne température.
Dans de telles conditions en effet, les performances des cycles à vapeur d'eau se détériorent, et il devient préférable de recourir à d'autres fluides thermodynamiques.
Comme beaucoup de ceux-ci sont de nature organique, on a coutume de qualifier ces cycles d'organiques, mais d'autres types de fluides, comme par exemple l'ammoniac ou le dioxyde de carbone, peuvent être employés.
Ces cycles rencontrent un intérêt croissant depuis les années 1980 et font l’objet de nombreuses réalisations, notamment dans le monde anglo-saxon. Ils se révèlent bien adaptés pour les petites puissances, les centrales à vapeur d’eau n’étant économiquement viables que pour les puissances élevées, typiquement au-dessus d’une dizaine de MW.
Cet article présente les différentes architectures de cycles rencontrées, puis développe leurs principales applications :
-
centrales géothermiques ;
-
installations de combustion de la biomasse ;
-
centrales de récupération de chaleur sur des effluents ;
-
centrales thermiques électro-solaires.
Il aborde ensuite la problématique du choix des fluides thermodynamiques et celle de l’optimisation des cycles ORC.
Il donne un certain nombre d’exemples de cycles simulés et calculés avec le progiciel Thermoptim.
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MOTS-CLÉS
Modélisation technologies Thermodynamique appliquée conversion de l'énergie Cycles thermodynamiques
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Optimisation des cycles ORC
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2. Applications des cycles ORC
Les cycles ORC ont quatre principales classes d’applications, qui représentent l’essentiel des réalisations, en termes de puissance installée et de nombre d’installations :
-
les centrales géothermiques ;
-
les installations de combustion de biomasse ;
-
la récupération de chaleur sur des effluents ;
-
les centrales solaires thermodynamiques.
Les diagrammes des figures 4 et 5 fournissent quelques éléments quantitatifs. Le diagramme de la figure 4 donne la répartition de la puissance installée dans le monde.
Le diagramme de la figure 5 fournit le nombre d’installations, classées par niveau de température (axe des ordonnées) et puissance unitaire (axe des abscisses). Comme on peut le voir, les tailles des installations varient beaucoup selon les cas, de 100 kW à 2,5 MW environ.
La puissance totale installée mondiale dépasse 1 600 MW. Bien que le nombre d’installations couplées à des chaudières de biomasse soit le plus élevé, la capacité des installations géothermiques est la plus importante, compte tenu de la taille des unités.
Un nombre croissant d’industriels fabrique et installe des centrales ORC, notamment dans les pays anglo-saxons. Une liste non exhaustive en est donnée dans Pour en savoir plus.
2.1 Centrales géothermiques
L’énergie géothermique provient de l’accroissement de température au fur et à mesure que l’on pénètre plus profondément dans l’écorce terrestre soit du fait du gradient naturel (3 °C/100 m, avec un flux moyen de 60 mW/m2), soit du fait de singularités géophysiques (réservoirs géothermiques naturels des roches poreuses à haute température).
On a...
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Applications des cycles ORC
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOMBARDA (P.), MACCHI (E.) - Optimum cycles for geothermal power plants. - Proceedings World Geothermal Congress 2000.. Kyushu-Tohoku, Japan, 10 juin 2000.
-
(2) - CHEN, GOSWAMI (Y.), STEFANNAKOS - A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, p. 3059-3067 (2010).
-
(3) - DAI, WANG, LIN - Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery. - Energy Conversion and Management, 50, p. 576-582 (2009).
-
(4) - DELGADO-TORRES, GARCIA-RODRIGUEZ - Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle (ORC). - Energy Conversion and Management, 51, p. 2848-2856 (2010).
-
(5) - DEMEO (E.A.) - Solar-thermal electric power, 2003 Status update. - EPRI report, févr. 2003.
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ORMAT (société israélienne) http://www.ormat.com
Turboden (constructeur italien) http://www.turboden.eu
Enertime (entreprise française) (site rassemblant des éléments détaillés sur les parts de marché des différents constructeurs) http://www.enertime.com
Adoratec (entreprise allemande) http://www.adoratec.com
Siemens (entreprise allemande) http://www.siemens.com
GMK (entreprise allemande) http://www.gmk.info
P&&&&&&&W Power d’United Technologies (entreprise américaine) http://www.pw.utc.com
Tri-O-Gen (entreprise hollandaise) http://www.triogen.nl
GE/Calnetix (entreprise américaine) http://www.calnetix.com
ENEX (constructeur islandais) http://www.enex.is
BARBER NICHOLS (constructeur américain) http://www.barber-nichols.com
ELECTRATHERM (constructeur américain) http://www.electratherm.com
Verdicorp (entreprise américaine) http://www.orcturbines.com
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