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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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Conclusion
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3. Optimisation des cycles ORC
L’optimisation des cycles ORC peut se révéler un problème complexe. C’est notamment le cas pour certaines installations géothermiques ou de récupération d’énergie sur des effluents.
Le problème se pose en effet alors de la manière suivante : la source chaude se présente sous forme d’un certain débit de fluide géothermique ou d’effluents, à une température d’entrée donnée, et l’optimisation de l’installation conduit généralement à chercher à refroidir le plus possible cette source chaude, tout en maximisant la puissance mécanique produite par le cycle ORC.
De plus, la capacité de refroidissement au niveau du condenseur est souvent limitée : le fluide de refroidissement est quelquefois de l’eau, mais le plus souvent l’air ambiant. La puissance des ventilateurs utilisés dans les aérocondenseurs est une consommation auxiliaire qui doit rester modérée, et un second compromis doit être trouvé entre un débit d’air de refroidissement élevé et une pression de condensation basse.
Les méthodes d’optimisation permettant de traiter un tel problème font appel à une notion fondamentale qui doit être bien comprise : celle de pincement.
3.1 Pincement d’un échangeur
Le pincement d’un échangeur est défini comme l’écart minimal de température en son sein entre les fluides.
Considérons la représentation graphique d’un double échangeur correspondant au générateur de vapeur d’un cycle ORC. Cet échangeur est composé d’un économiseur suivi d’un évaporateur, dans le diagramme température-enthalpie (T, ΔH ) où l’on porte en ordonnée la température, et en abscisse les enthalpies mises en jeu (figure 15).
Le fluide qui s’évapore est représenté par la courbe inférieure (1-2-3), qui présente un point anguleux 2 correspondant au début de l’ébullition. Le fluide chaud se refroidit quant à lui de 4 à 5, par diminution de sa chaleur sensible.
Sur les segments (1-2) et (4-5), on a :
et...
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Optimisation 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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