Utilisation optimale du potentiel de travail des combustibles et des énergies renouvelables par des cycles combinés Le titre pourrait aussi s énoncer: L utilisation d énergies non renouvelables pour l utilisation optimale des énergies renouvelables. La chaleur de l environnement est une énergie renouvelable sans ou avec un potentiel de température marginal. Cette énergie peut servir à des fins de chauffage par l utilisation de travail qui, dans les considérations qui suivent, ne provient que d énergie non renouvelable, c est-à-dire de combustibles fossiles ou de fission nucléaire. Considérée globalement, cette méthode indirecte peut fournir une contribution beaucoup plus importante à la décharge de l environnement que par la suppression de substances nocives et de chaleur résiduaire par l utilisation directe, possible uniquement dans le cadre restreint des énergies renouvelables, telles que le rayonnement solaire, le vent et la chaleur tectonique. La force hydraulique fait bien entendu exception et dans quelques pays, elle est encore disponible en abondance. Il ne s agit ici nullement d argumenter contre l utilisation directe de toutes les énergies renouvelables possibles. Sous des conditions économiquement raisonnables, celles-ci doivent être utilisées de manière préférentielle. L e potentiel de travail qui se trouve dans les combustibles fossiles et dans la fission nucléaire et qui peut en être extrait s appelle exergie. Pour des raisons physiques et imposées par les lois de la nature, l exergie est toujours plus petite que l énergie thermique alimentée. Conformément aux acquis de la technique, la part d exergie qu on peut gagner dans de grandes centrales énergétiques atteint 50 à 58 % de l énergie produite par la combustion des combustibles fossiles (pouvoir calorifique). Si cette énergie est utilisée directement à des fins de chauffage, on peut en utiliser entre 90 et 100 %. Etant donné qu au lieu de son utilisation, la chaleur de chauffage n exige qu une faible teneur d exergie, à cause du niveau de température bas requis, ou plus exactement, à cause de la petite différence de température nécessaire entre l eau de chauffage et l environnement. Par des moyens thermodynamiques, on peut obtenir à partir de 100 % d énergie de combustible E un multiple en chaleur de chauffage H. Selon le principe de Carnot, le travail maximal qui peut s obtenir à partir de l énergie offerte sous forme de chaleur s exprime comme suit: Hans Ulrich Frutschi ABB Production d énergie SA A = E η C (1) avec η C = T max T min <1 (2) T max qui correspond au rendement de Carnot et qui représente le rendement exergétique. Si à titre d exemple, on considère les deux températures T max = 1273 K (1000 C) et T min = 273 K (0 C), le travail théorique ou l exergie pour une quantité d énergie thermique alimenté de 100 % atteint A = 1273 273 = 78,56% (3) 1273 Le reste de 21,44 % est éliminé sous forme de chaleur résiduaire (anergie) à l environnement d une température de 0 C. On a donc U = E A (4) Pratiquement, les processus qui se déroulent lors de la conversion de l énergie thermique en travail ne sont pas idéaux et subissent donc des pertes, de sorte que le rendement thermique des centrales énergétiques atteint tout juste 2/3 de la valeur théoriquement possible. Les grandes centrales chauffées au gaz naturel ou au fuel, c est-à-dire des installations dites à cycle combiné, travaillent avec un T max encore plus élevé et atteignent ainsi des rendements compris entre 50 et 58 %. Si on considère la question du point de vue de la chaleur de chauffage, on peut se poser la question de savoir combien de chaleur de chauffage on peut obtenir à partir de 100 % de travail. Déjà Lord Kelvin l échelle des températures absolues porte son nom a constaté que lors de l inversion du processus des machines thermiques, on peut obtenir beaucoup de chaleur à partir de peu de travail. Le processus prend alors, en plus du travail A introduit, la quantité de chaleur U de l environnement et élève cette dernière au niveau de température requis de la chaleur de chauffage H. Au total, on obtient alors la quantité de chaleur de chauffage: H = A + U (5) Il s agit ici de toute évidence du procédé idéal de la pompe à chaleur. Un exemple avec T min = 273 C (0 C) comme température ambiante et T max = 323 K (50 C) comme température de l eau de chauffage fournit tout Revue ABB 5/1996 33
d abord, selon le principe de Carnot, un petit rendement : 10 η C = T max T min = 323 273 = 0,155 (6) T max 323 9 E Ce faisant, la part d exergie de cette chaleur de chauffage n atteint que 15,5 %. Pour la pompe à chaleur idéale on a 8 7 1-s 2-s 3-s H = et 1 A = C A (7) η C U = ( C 1) A (8) 6 5 C L indice de puissance de Carnot théorique d une pompe à chaleur correspond donc à l inverse du rendement de Carnot. On a donc: C = T max > 1 (9) 4 3 W 4-s 1-s T max T min 2 T U = T H2 O =10 C Des déroulements non conformes au procédé idéal diminuent l indice de puissance d une pompe à chaleur réelle à approximativement 50 % de la valeur de Carnot, de sorte que pour les deux températures de 323 et de 273 K mentionnées dans l exemple, on obtient une valeur d env. = 3. Installations de chauffage efficaces Avec les deux composants centrale électrique et pompe à chaleur on peut réaliser des installations de chauffage hautement efficaces. A cet effet, on a besoin du courant électrique produit dans une centrale pour l alimentation de la pompe à chaleur. Si on admet qu une centrale thermique moderne, telle qu une centrale à cycle combiné équipée d une turbine à gaz et d une turbine à vapeur, produise l énergie électrique avec un rendement de 56 % et que la pompe à chaleur entraînée avec ce courant fournisse un indice de puissance net de 3,5 (y compris 10% de pertes de transport de l électricité), on obtient à partir de 100 % d énergie de combustible une chaleur de chauffage de H = A = 3,5 56 % = 196 %. Ce montant correspond au double de ce que peut fournir une bonne chaudière de chauffage. Le tableau 1 montre les quantités de chaleur de chauffage qu on peut obtenir avec différents rendements de centrales électriques et différents indices de puissance nets. Les chiffres sont fondés sur le pouvoir calorifique inférieur Hu du combustible. Les valeurs qu on Indices de puissance de pompes à chaleur et du soutirage de vapeur E Soutirage de vapeur de chauffage T Température de l eau de chauffage W Pompe à chaleur T U Température ambiante T H2 O Température de l eau Indice de puissance 1-s, 2-s A un étage, à deux étages, etc. C Indice de puissance de Carnot peut atteindre avec des installations modernes sont mis en évidence en rouge. Si on considère les principales influences qui détériorent le rendement, tels que: les rendements de la turbine et de Tableau 1: Quantités de chaleur de chauffage obtenables par des pompes à chaleur alimentées par des centrales thermiques, par rapport à l énergie du combustible η = 20 30 40 50 60% 2 H = 40 60 80 100 120% 2,5 50 75 100 125 150% 3 60 90 120 150 180% 4 80 120 160 200 240% 5 100 150 200 250 300% 6 120 180 240 300 360% η H 1 0 25 50 75 100 125 C 150 Indice de puissance de la pompe à chaleur Rendement de la centrale électrique Energie de chauffage obtenue T l alternateur de la centrale thermique, les rendements des moteurs d entraînement des pompes à chaleur et de leurs compresseurs, on doit se poser la question de savoir si on ne 1 34 Revue ABB 5/1996
Couplage chaleur-électricité par soutirage de vapeur, en comparaison du chauffage par pompes à chaleur. Au détriment d une certaine puissance électrique, le soutirage de vapeur fournit la quantité double de puissance de chauffage que lors de l utilisation de pompes à chaleur. a Production pure d électricité c Couplage chaleur-électricité 350 MW de puissance électrique 300 MW de puissance électrique 700 MW de chaleur résiduaire 350 MW de puissance de chauffage 400 MW de chaleur résiduaire b Pompe à chaleur 300 MW de puissance électrique 175 MW de puissance de chauffage 575 MW de chaleur résiduaire c 1050 MW 350 MW a b 700 MW 350 MW 1050 MW 300 MW 175 MW = 3.5 125 MW WP 700 MW 50 MW 575 MW 350 MW 1050 MW 300 MW 350 MW = 7 400 MW 300 MW 2 devrait pas soutirer la quantité de chaleur de chauffage directement sur la turbine à vapeur, en un endroit approprié du point de vue de la température. De cette façon, on aurait éliminé les pertes énumérées ci-dessus. C est exactement la méthode qu on applique pour alimenter un réseau de chauffage à distance, tel qu on l utilise pour la distribution de la chaleur. A la place des environ 10 % de pertes dues au transport de l électricité, dont on a tenu compte en relation avec l indice de puissance net de la pompe à chaleur, on a dans ce second cas environ 10 % de pertes de chaleur dans le réseau de distribution de chaleur à distance. En outre, le niveau de température dans ce dernier est considérablement plus élevé que celui de l eau chaude des pompes à chaleur. Il n en reste pas moins que le soutirage de vapeur est beaucoup plus économique que l exploitation des pompes à chaleur. 1 montre en plus de l indice de puissance théorique de Carnot C, l indice de puissance du soutirage de vapeur de chauffage en fonction de la température d aller de l eau de chauffage. La température ambiante a été choisie à 10 C. On y a aussi représenté les indices de puissance qu on peut atteindre avec des pompes à chaleur. On constate que malgré les niveaux de température considérablement plus élevés de l eau de chauffage produite par soutirage, on obtient des indices de puissance environ deux fois plus élevés qu avec des pompes à chaleur. 2 illustre l exemple d une centrale à vapeur avec un rendement thermique de 33 % (ancienne centrale à vapeur, centrale nucléaire). Le schéma a se rapporte à la production unique d électricité. A partir de 1050 MW de puissance thermique, on produit 350 MW de puissance électrique. 700 MW sont dissipés sous forme de chaleur résiduaire à la température ambiante, soit par de l eau de refroidissement, soit dans une tour de refroidissement. Dans le schéma 2b, on soutire 50 MW de puissance électrique pour l entraînement de chauffages à pompes à chaleur installées de manière décentralisée, avec un indice de puissance moyen de = 3,5, ce qui fournit 175 MW de puissance de chauffage. De celle-ci, la pompe à chaleur prélève 125 MW de l environnement, par ex. d un lac ou d un cours d eau. La perte de chaleur résiduaire globale est donc réduite à seulement 700 125 = 575 MW. Revue ABB 5/1996 35
7 6 5 4 Température d aller du réseau de chauffage 90 C Soutirage de vapeur Température d aller du réseau de chauffage 120 C η A th = 70 % 60 50 40 Potentiel de chauffage des combustibles fossiles gaz naturel et fuel H Chaleur de chauffage H u Pouvoir calorifique inférieur net Indice de puissance net Rendement thermique η th A B C D Installation à cycle combiné, température d aller du réseau de chauffage 90 C Bonne chaudière Chaudière à utilisation de la chaleur de condensation Chauffage par pompes à chaleur 3 H/H u 3 2 1 C B Chauffage direct 100 90 D Chauffage par le sol Pompe à chaleur Chauffage par radiateurs 0 0 2 4 6 8 10 net 30 En revanche, dans le schéma 2c, une partie de la vapeur est soutirée de la turbine. Sa température se trouve juste au niveau où elle peut être condensée à l aide de l eau du réseau de chauffage à distance. La quantité de vapeur est telle que la production d énergie électrique atteint encore tout juste 300 MW, c est-à-dire autant que ce qui restait dans le schéma 2b. Pourtant, parce que pour le soutirage de chauffage, il résulte un indice de puissance de = 7, on obtient une puissance de chauffage doublée de 350 MW. Seuls 400 MW passent dans le cours d eau Schéma d une installation à cycle combiné, avec soutirage de vapeur de chauffage et livraison de courant électrique 4 pour les chauffages à pompes à chaleur décentralisés SN Réseau électrique T Turbine à gaz K Condenseur M Moteur V Evaporateur Alternateur AK Chaudière de récupération FN Réseau de chauffage à distance WP Pompe à chaleur WQ Source de chaleur B Combustible DT Turbine à vapeur HS Système de chauffage SN HS B K M WP T AK DT V FN K HS WQ 36 Revue ABB 5/1996
ou dans la tour de refroidissement. C est selon un tel principe extrêmement propice à l environnement que fonctionne par exemple le réseau de chauffage à distance REFUNA branché sur la centrale nucléaire de Beznau, sur le cours inférieur de l Aare (Suisse). Dans cette comparaison simplifiée, mais en revanche claire, on a négligé les pertes dues aux transports. Potentiel de chauffage des combustibles Le rapport entre la chaleur de chauffage et le pouvoir calorifique inférieur est désigné par le terme de potentiel de chauffage des combustibles fossiles 3 : H pot = H/H u (10) Avec l indice de puissance net déjà défini cidessus, on a: H / H u = η net (11) Le diagramme montre très clairement les deux zones du chauffage par pompes à chaleur et de celui par soutirage de vapeur pour le chauffage à distance. Bien que le soutirage soit deux fois plus efficace que l exploitation de pompes à chaleur, on ne saurait opposer simplement les deux systèmes. Les deux servent à une augmentation massive de l efficacité du combustible utilisé à des fins de chauffage. Lors de l utilisation de ces méthodes de chauffage, la procédure logique consiste à distribuer de la chaleur à distance dans la zone de desserte de la centrale électrique cela peut signifier un périmètre de 20 à 30 km, voire davantage et à installer des chauffages à pompes à chaleur en des endroits appropriés, pour ainsi dire comme antennes de prolongation du réseau de chauffage à distance. Les endroits appropriés aux pompes à chaleur se trouvent à proximité de cours d eau, de lacs, d installations de purification d eaux résiduaires, au-dessus de nappes phréatiques, pour ne mentionner que les plus importants. Le schéma 4 illustre cette solution en relation avec une installation à cycle combiné de turbine à gaz et de turbine à vapeur. Des installations à cycle combiné de ce genre atteignent aujourd hui des rendements de 50 à 58 %, selon la grandeur et le type de combustible. Les meilleurs résultats sont atteints par les grandes installations exploitées Montage d une turbine à gaz T24 dans la centrale électrique ilbert, New Jersey, USA au gaz naturel. C est en examinant le potentiel de chauffage de telles installations qu on constate leur grande importance pour l utilisation ménageante de l environnement des combustibles fossiles. Efficacité énergétique la plus élevée par l utilisation des nouvelles turbines à gaz T24 et T26 Dans des installations à cycle combiné équipées de turbines de la nouvelle famille des turbines à gaz ABB à combustion séquentielle 5, on obtient le point d exploitation A 3, avec une température d aller de l eau chaude de chauffage de 90 C pondérée sur une moyenne annuelle. Cela signifie qu on peut utiliser presque le quintuple du pouvoir calorifique du combustible. En comparaison d une bonne chaudière (point B), il s agit d une amélioration d un demi-ordre de grandeur. Sous de telles conditions, l emploi d une chaudière à utilisation de la chaleur de condensation des gaz brûlés ne signifie qu une petite intervention cosmétique (point C). L exploitation de pompes à chaleur avec du courant de telles centrales mobilise pourtant aussi environ le double de la chaleur du combustible à des fins de chauffage (zone D). On pourrait alléguer que les anciennes centrales thermiques ne travaillent pas avec des rendements aussi élevés. Cela est juste, mais si on applique les méthodes de chauffage thermodynamiques avec soutirage de vapeur et pompes à chaleur dans une grande envergure, on doit construire de nouvelles centrales pour compenser cette consommation d électricité. Ces centrales supplémentaires correspondront alors aux acquis techniques et elles remplaceront le courant électrique «dissipé» en chauffage avec l efficacité décrite. Par conséquent, les considérations cidessus conservent toute leur validité pratique. Consommation d énergie primaire de différents systèmes de chauffage En se basant sur le potentiel de chauffage représenté des combustibles, 6 montre les différentes consommations d énergie primaire requises pour la mise à disposition de 100 % d énergie de chauffage. On constate que les méthodes de chauffage thermodynamiques se distinguent fondamentalement des méthodes de chauffage directes. La colonne 1 montre la consommation d énergie primaire d une vieille chaudière de chauffage fortement surdimensionnée, avec un rendement moyen de 67 %. La colonne 2 se rapporte à une chaudière accusant un 5 Revue ABB 5/1996 37
P V 150 % 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Consommation d énergie primaire P V pour différentes méthodes de chauffage Rouge Rapportée au pouvoir calorifique inférieur du combustible Vert Rapportée à la puissance thermique du réacteur Colonne Méthode de chauffage Rendement % Pertes de transport énergie él. % chaleur % 1 Chaudière ancienne 2 Chaudière moderne 67 3 Chaudière à utilisation de la chaleur 90 de condensation des gaz brûlés (condensation partielle) 100 4 Chaleur à distance provenant d une grande chaudière 90 10 5 Pompes à chaleur avec courant électrique provenant d une centrale nucléaire ( net = 3,5) 33 10 6 Pompes à chaleur avec courant électrique provenant d une centrale à cycle combiné ( net = 3,5) 56 10 7 Chaleur à distance provenant d une centrale nucléaire ( net = 8,1) 33 10 8 Chaleur à distance provenant d une centrale à cycle combiné ( = 8,1) 56 10 rendement de 90 %, tandis que la colonne 3 concerne une chaudière moderne qui utilise une partie de la chaleur de condensation de la vapeur d eau contenue dans les gaz brûlés. Un résultat intéressant est fourni par la colonne 4. Il s agit de chaleur à distance produite par une chaudière d un rendement de 90 %, avec 10 % de pertes dans les conduites du réseau de distribution. Du point de vue de l économie de combustible et de la formation de CO 2, il ne s agit pas d une solution très réjouissante. La colonne 5 se rapporte à la consommation de puissance thermique d un réacteur par des chauffages à pompes à chaleur travaillant avec du courant électrique provenant de cette centrale nucléaire. Ce résultat ne peut pourtant pas être comparé directement ou mis à pied d égalité avec la colonne 3, parce que la centrale nucléaire ne produit pas de CO 2. Si les pompes à chaleur sont alimentées avec du courant fourni par une centrale chauffée avec un combustible fossile et un rendement de 56 %, on obtient la consommation d énergie primaire illustrée par la colonne 6. Un résultat encore meilleur est donné par la chaleur à distance fournie par soutirage de vapeur dans une centrale nucléaire (colonne 7). Finalement, la colonne 8 montre le résultat de la chaleur à distance produite par soutirage de vapeur dans une centrale moderne à cycle combiné, telle qu ABB les construit actuellement, et telle qu on les construirait pour fournir le remplacement de l énergie électrique et de la vapeur de soutirage destinées au chauffage. Pour une quantité identique de combustible, la 6 chaleur à distance produite par soutirage de vapeur dans une installation à cycle combiné moderne peut fournir environ quatre fois plus de chaleur de chauffage qu une très bonne chaudière et même cinq fois plus qu un réseau de chauffage à distance alimenté par une chaudière de chauffage centralisée. La chaleur à distance n est pas simplement de la chaleur à distance. Son origine est décisive! Conclusion La chaleur résiduaire de la production d électricité non éliminée dans l environnement et l énergie de l environnement soutirée par les pompes à chaleur doivent être considérées comme des énergies renouvelables. Plus le rendement thermique de la production d électricité est élevé, plus la quantité d énergie renouvelable destinée au chauffage peut être importante, avec chaque fois moins d énergie non renouvelable (combustible). L énergie de chauffage gagnée de cette façon atteint alors un multiple de l énergie du combustible mise en oeuvre. C est justement ici que la lignée des turbines à gaz à combustion séquentielle d ABB procure d excellents résultats. Bibliographie [1] Frutschi, H. U.: Potentiel de chauffage accru du gaz et du fuel-oil lorsqu on utilise des méthodes de chauffage thermodynamiques. Revue ABB 4/91, 13 20. [2] Stachel, K.; Haselbacher, H.; Frutschi, H. U.: Thermodynamic heating with various types of cogeneration plants and heat pumps. ITI Vol. 8. ASME Cogen Turbo Power 1993. [3] Frutschi, H. U.: Les nouvelles turbines à gaz T24 et T26, l arrière-plan historique de l «Advanced Cycle System». Revue ABB 1/94, 20 25. [4] Neuhoff, H.: Thorén, K.: Les nouvelles turbines à gaz T24 et T26 rendements élevés, grâce à la combustion séquentielle. Revue ABB 2/94, 4 7. [5] Frutschi, H. U.: Turbines à gaz à combustion séquentielle pour le couplage chaleurélectricité. Revue ABB 3/95, 4 9. Adresse de l auteur Hans Ulrich Frutschi ABB Production d énergie SA Développement de turbines à gaz CH-5401 Baden/Suisse Téléfax: +41 (0) 56 205 27 29 38 Revue ABB 5/1996