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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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Architecture des cycles et aspects technologiques
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5. Glossaire
Courbes composites ; composite curves
Ensemble de deux courbes représentant d’une part le cumul des disponibilités en énergie d’un réseau d’échangeurs en fonction de la température, et d’autre part, celui des besoins en énergie.
Courbes composites exergétiques ; exergy composite curves
Ensemble de deux courbes représentant d’une part le cumul des disponibilités en énergie d’un réseau d’échangeurs en fonction du facteur de Carnot et, d’autre part, celui des besoins en énergie.
Diagramme température-enthalpie ; temperature – enthalpy chart
Diagramme représentant en abscisse les échanges d’énergie dans un échangeur de chaleur, la température étant en ordonnée.
Facteur de Carnot ; Carnot factor
Facteur multiplicatif de l’énergie thermique échangée avec une source de chaleur pour calculer l’exergie-chaleur correspondante (égal à 1 moins le rapport de la température absolue de l’environnement à celle de la source).
Glissement de température ; temperature glide
Différence de température correspondant, à pression donnée, au changement d’état du mélange.
Intégration thermique ; thermal integration
Méthode qui permet de déterminer le réseau d’échangeurs et d’utilités le plus performant dans une installation énergétique ou une usine de procédés. Aussi appelée méthode du pincement.
Irréversibilités ; irreversibilities
Les irréversibilités par hétérogénéité de température proviennent de la différence de température qui doit en pratique exister entre deux corps lorsqu’ils échangent de la chaleur. L’échange de chaleur s’accompagne alors d’une augmentation d’entropie.
Mélange azéotrope ; azeotropic blend
Mélange de fluides se comportant comme un corps pur pour une composition donnée, c’est-à-dire ne présentant pas de glissement de température lors d’un changement d’état à pression constante.
Mélange zéotrope ; zeotropic blend
Se dit d’un mélange de fluides présentant un glissement de température lors d’un changement d’état à pression constante.
Méthode...
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Glossaire
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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