Turbine

Turbine

Une importante évolution technologique récente a été la mise au point de turbines à gaz naturel pour générer de l'électricité industrielle.

Dans les 30 dernières années, la puissance totale des nouvelles turbines à gaz a dépassé la puissance électrique installée en 1970. On a parlé d'une ruée sur les turbines à gaz comparable aux ruées sur l'or.

Le remplacement de nombreuses centrales à charbon par celles au gaz a eu une effet positif sur la réduction des émissions de CO2 mais cette solution est incomplète et condamnée à longue échéance car elle ne peut pas dépasser une réduction de 30 % et est menacée par l'épuisement des réserves de gaz naturel qu'on ferait mieux de garder comme combustible indispensable pour le transport routier.

Progrès technologiques pour utiliser le gaz naturel

Les améliorations techniques concernent l’exploitation (captage du gaz naturel), le transport (gazoducs soudés et pompes à rotors) et l’utilisation efficace du gaz naturel (rendement augmenté jusqu'à 60% par des TGV, Turbine-Gaz-Vapeur).

Les turbines

Les centrales électriques à vapeur existent depuis plus de 100 ans. La principale amélioration est le remplacement dans les machines de Watt des moteurs à pistons par des turbines. La température maximum de la vapeur, même sous haute pression ne dépasse pas 500°C, ce qui fait que les ailettes en acier des turbines résistent bien et peuvent être amincies et profilées.

L’optimisation aérodynamique des profils d’ailettes, étudiée pour les avions à réaction, améliore les rendements, ce qui permet de fabriquer de puissants compresseurs d’air à ailettes. On peut atteindre de fortes pressions avec plusieurs étages de rotors dans des compresseurs axiaux compacts. La mise au point des turbines a servi aux gazoducs car leurs pompes emploient des turbines de construction et d’entretien facile.

Cycle thermodynamique des moteurs et turbines

Pour optimiser le cycle thermodynamique des moteurs à essence à 4 temps, il faut une compression réduisant le volume par 10 en multipliant la pression par 10. Les soupapes en métal spécial doivent supporter des températures élevées.

Le bon rendement thermodynamique de ce cycle peut aussi être obtenu avec des turbines (dessin ci-dessous). La compression est réalisée dans des turbines ayant plusieurs étages de rotors pour réduire le volume par 10. La combustion est réalisée dans une chambre de combustion séparée où le carburant, pétrole ou gaz, est mélangé à l’air comprimé et allumé.

La détente est la période motrice des moteurs de voitures. La détente se passe ici dans une turbine actionnée par les gaz d’échappement, ce qui fournit la puissance pour actionner le compresseur et pour faire tourner un alternateur. Le schéma représente des turbines séparées pour l'entraînement du compresseur et pour l’alternateur. Des systèmes plus simples emploient une seule turbine sur un axe commun mais ne permettent pas des réglages précis. Le gaz ne s’allume et ne brûle bien que dans une étroite plage du pourcentage air/carburant.

Cycle thermodynamique

Le cycle des moteurs est un cycle fermé représenté sur des graphiques thermodynamiques. La puissance est d'autant plus forte que la zone en couleur est plus vaste.

Dans les turbines à gaz, de l'énergie est récupérable entre le point 4 et la zone froide en 1. Comme la combustion du gaz naturel produit de la vapeur d'eau, on améliore le cycle en plaçant un condenseur avant la cheminée.

L’eau de condensation acide, au lieu de se retrouver dans des pluies acides, coule au fond du condenseur et doit être est évacuée sans polluer. Pour résister aux acides, les parois et tubes des chaudières doivent être en acier inoxydable ou en céramique .

Le rendement est meilleur si la compression (point 2) est forte et si la température maximum (point 3) est élevée mais des contraintes limitent ce qui est réalisable.

Turbine à gaz industrielle

La première turbine à gaz qui ait été utilisée industriellement pour une centrale électrique a été opérationnelle à Neuchâtel en 1939.

Comme pour les moteurs de voitures, le cycle d’une machine thermodynamique est d’autant plus performant qu’est grande la différence entre la température maximum (la source chaude) et la température minimum (la source froide).

Une difficulté pour augmenter le rendement des turbines à gaz vient des limites de résistance à la chaleur des ailettes de la turbine de sortie. Un dispositif mélangeant de l’air au gaz brûlant peut assurer que la température est en-dessous de la limite tolérée.

Le rendement de la centrale de Neuchâtel (4 MW) était de 18 % en 1939 pour une température de la source chaude de 538°C. Les constructeurs avaient l’intention d’arriver à 23 % en poussant la température jusqu’à 648°C.

Cinq ans plus tard, à la fin de la première guerre, les Allemands utilisent des avions à réaction, très rapides mais pas encore au point et consommant beaucoup. Ces avions utilisent le principe des moteurs à turbine, sauf que l’alternateur est supprimé et que les gaz s’échappent librement à l’arrière, propulsant l’avion par réaction (dessin extrait de [66], droits réservés).

Pendant la guerre froide, d’énormes crédits de recherche et de développement sont consacrés aux avions à réaction. L’acier des ailettes est remplacé par des métaux spéciaux. La température est maintenant portée à 1260°C et le rendement approche de 40 %. Les firmes qui ont acquis l’expertise pour construire des moteurs d’avion fabriquent maintenant aussi des centrales à gaz.

Principe des centrales thermiques classiques

Le dessin suivant montre les composants principaux.

Pour améliorer le cycle thermodynamique, il faut refroidir le fluide à la sortie. La source froide était un condenseur dans la machine de Watt et dans les centrales thermiques. L’air qui sort d’une turbine à gaz est beaucoup plus chaud que l'eau chaude qui sort des centrales à vapeur. Un refroidissement de ce gaz d'échappement améliore le cycle thermodynamique. Pour de très grandes centrales,

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