La cogénération à partir de biomasse
Dossier cogénération - ENERGIE PLUS n°277 du 15 décembre 2001
Publié le: 02 janvier 2002
Peu développée en France, la cogénération à partir de biomasse peut faire appel à différentes technologies, dont certaines sont assez méconnues : turbine à vapeur, moteur à vapeur, cycle organique de Rankine, moteur Stirling. L’audit de sept centrales fonctionnant en Allemagne et en Suisse fournit des indications sur leurs caractéristiques techniques et leurs résultats économiques.
la turbine à vapeur et ses variantes : turbines à contrepresion turbines à condensation combinaison et soutirage caractéristiques de l'offre
2e partie de l'article : le moteur à vapeur ce méconnu, cycle organique de Rankine, le moteur Stirling et les petites puissances
Un état de l'art
La production d'électricité à partir de biomasse s'est beaucoup développée dans les pays scandinaves et germanophones (Allemagne et Autriche) sous forme de centrales de cogénération délivrant l’énergie thermique à un réseau de chaleur tertiaire et/ou industriel et l’électricité à une compagnie électrique. Elle est au contraire rare en France, où on ne la trouve que sur certains sites industriels gros producteurs de déchets ligneux (papeteries, sucreries,…). Si la cause principale de ce retard est évidemment liée à des conditions d’achat moins favorables de l’électricité, l’ADEME a estimé qu’une raison également importante tenait à une méconnaissance des technologies disponibles. Elle a donc demandé à Biomasse Normandie et à Heat Technics d’effectuer une étude sur le sujet.
Le rapport, remis en juin 2001, dresse un état de l’art des technologies utilisables dans la filière vapeur, le plus éprouvée à ce jour, et dans la gamme de puissance de quelques centaines de kW à 4 MWe, qui semble chez nous la cible la plus probable, compte tenu de la puissance des chaufferies bois déjà installées. Chaque technologie est décrite par ses principes théoriques, ses options disponibles, ses constructeurs et quelques éléments économiques recueillis auprès de ces derniers. L’étude s’achève par sept audits d’installations réelles, fonctionnant en Allemagne et en Suisse.
L’énergie primaire privilégiée dans cette étude est le bois, dont la ressource est importante en France. Sachant qu’une cogénération de 10 MW électriques et 30 à 50 MW thermiques consommerait de l’ordre 80 000 à 100 000 tonnes de bois par an, on peut comprendre que le nombre d’installations de cette taille sera très faible et que le créneau de développement se situe en dessous de 4 à 5 MWe en raison même des contraintes liées à l’approvisionnement en bois. Les technologies présentées dans le présent article reposent toutes sur le principe de la combustion externe : un générateur de chaleur fournit de l’énergie thermique à un fluide de travail (eau, fluide thermique ou air) ; celui-ci est injecté dans une machine qui convertit cette énergie thermique en énergie mécanique et permet la mise en rotation d’un arbre entraînant un alternateur pour produire de l’électricité. ↑
La turbine à vapeur et ses variantes
La turbine à vapeur reste la machine la plus utilisée pour la cogénération à biomasse. Une installation de production d’électricité classique comporte, outre l’alternateur, au moins quatre éléments : une chaudière qui fournit de la vapeur à haute pression (quelques dizaines de bars) ; une turbine qui détend la vapeur et dont l’arbre produit le travail moteur ; un condenseur qui permet, grâce à une source froide (l’eau de retour d’un réseau de chauffage urbain, par exemple), de condenser totalement la vapeur ; une pompe qui redonne au fluide la pression qu’il avait à l’amont de la turbine. Le rendement électrique d’une telle installation est le produit de cinq rendements successifs fonction de la qualité de la combustion (rendement chaudière), des niveaux enthalpiques de la vapeur à l’entrée et à la sortie de la turbine (rendement électrique du cycle théorique ou encore rendement thermique théorique), de l’importance de la détente en zone diphasique par rapport à la détente en zone surchauffée (rendement isentropique), de la qualité de la turbine (rendement mécanique) et de la qualité de l’alternateur (rendement alternateur). ↑
Turbines à contrepression
Avec une turbine à contrepression, la vapeur reste strictement en phase gazeuse, ce qui signifie que sa pression de sortie est au minimum de quelques bars (3 à 5 bars), mais qu’elle peut être supérieure selon les besoins aval. L’intérêt de ce type de turbine est en effet de délivrer de la vapeur à un niveau enthalpique suffisant pour qu’elle soit utilisable. L’inconvénient réside dans la faiblesse du rendement électrique du cycle théorique, si bien qu’avec une pression de sortie de 3 bars, par exemple, il est difficile d’obtenir un rendement électrique global supérieur à 15-18% selon la pression d’admission. En revanche, le niveau d'investissement est inférieur à celui d'une turbine à condensation. L'utilisation type des chaudières à contrepression est une centrale qui doit de toute façon produire de la chaleur (pour un process industriel ou un réseau de chaleur par exemple) et pour laquelle on peut justifier la production d'électricité, même à faible rendement, par le seul surcoût d'une surchauffe de la vapeur. ↑
Turbines à condensation
Dans une turbine à condensation, la pression de sortie de la vapeur peut descendre jusqu'à 40mbars environ, ce qui fait apparaître des condensats dans la turbine, qu'il faut évacuer par des purgeurs. Même si le rendement isentropique est moins bon, le rendement électrique global de la centrale est nettement amélioré par rapport au cas précédent, puisqu'il peut atteindre 25 à 30 %. Le problème, c'est que la température de sortie est basse : 30°C à 40mbars, 46°C à 100mbars, 80°C à 500mbars...Pour pouvoir récupérer l'énergie thermique résiduelle, qui représente environ 60% de l'énergie primaire fournie à la chaudière, il faut donc disposer d'une source froide en quantité suffisante (chauffage basse température, préchauffage d'ECS, préchauffage d'eau pour vapeur de process...) Sinon, le rendement énergétique global de l'installation est très médiocre. L'utilisation type d'une telle turbine simple est une centrale de production d'électricité sans valorisation de chaleur, ou avec une valorisation marginale. ↑
Combinaison et soutirage
Deux solutions sont envisageables pour tirer un meilleur parti des turbines. La 1ère consiste à combiner les 2 types : une turbine à contrepression suivie d'une turbine à condensation.
Ce montage est particulièrement approprié dans le cas d'un process industriel à fonctionnement intermittent. A la sortie de la turbine à contrepression, la vapeur peut être envoyée, selon les besoins, vers un condenseur pour assurer des besoins de chauffabe, vers le process quand il fonctionne, ou encore vers la turbine à condensation. Cette combinaison permet de gagner quelques points de rendement électrique, tout en utilisant de la vapeur. Il est possible d'aller plus loin en intercalant entre les deux turbines un surchauffeur qui va remonter la température de la vapeur à sa valeur initiale à la pression intermédiaire. L'intérêt de ce cycle avec resurchauffe est que l'énergie thermique fournie lors de la resurchaufe se retrouve, au rendement de la seconde turbine près, entièrement sous forme d'électricité. Le rendement électrique global peut ainsi être amélioré de 5 à 8 % et peut atteindre, voire dépasser 30 %, mais les surcoûts sont importants et cette solution est réservée à des installations de forte puissance.
Dans la 2e solution, on extrait une partie de la vapeur entre 2 étages de la turbine, quel que soit son type, avant la détente complète. Dans le cas le plus simple, le soutirage est effectué pour permettre un usage process ou haute température de la vapeur et le mode de fonctionnement se rapproche de la combinaison précédente, à la différence près que les parties contrepression et condensation sont réunies dans une même turbine et que plusieurs pressions d'utilisation sont possibles.
On peut également soutirer de la vapeur pour préchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière. Cette opération conduit à réduire la production d'électricité mais à en augmenter le rendement. Plusieurs soutirages et réchauffages successifs sont réalisables, mais avec des gains de rendement électrique décroissants. Il est ainsi possible d'augmenter le rendement électrique de 5%, cependant le procédé est ici aussi très coûteux (pompes et échangeurs mélangeurs supplémentaires) ce qui le destine plutôt aux installations de grosse puissance (plusieurs dizaines, voire centaines de MW). ↑
Caractéristiques de l'offre
On trouve des turbines à vapeur dans une gamme de quelques dizines de kW à plusieurs centaines de MW, avec des vitesses de rotation allant de 5000 à 15 000 tr/min et des rendements électriques de 12 à 20% pour les modèles à condensation.
Les côûts annuels d'exploitation sont généralement de l'ordre de 1 à 3% des coûts d'investissement pour les installations à contrepression et de l'ordre de 4 à 5% pour les ensembles à condensation.
Il existe de nombreux constructeurs de turbines à vapeur et presque tous possèdent des références d'installations industrielles fonctionnant avec de la biomasse (bagasse ou autres sous-produits agro-industriels). Parmi les plus importants, on peut citer :
INTERPEC (turbines Coppus Murray) quelques centraines de kW à 15 MW ; plusieurs références en Allemagne ;
GEMCO turbines reconditionnées, à contrepression ou condensation ;
THERMODYNE
ALSTOM POWER plusieurs références de centrales clés en main en Allemagne, puissance à partir de 5 MWe ;
beffic ;
DRESSER RAND;
Suite de cet article : Le moteur à vapeur ce méconnu - cycle organique de Rankine (ORC)- Le moteur Stirling pour les petites puissances - études de cas
Article publié dans ENERGIE PLUS N°277 du 15 décembre 2001
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