La cogénération à partir de biomasse - SUITE
Publié le: 02 janvier 2002
retour 1ère partie de l'article : la turbine à vapeur et ses variantes
le moteur à vapeur ce méconnu | cycle organique de Rankine | le moteur Stirling pour les petites puissances |
Le moteur à vapeur ce méconnu
On ne connaît pas de référence en France. Pourtant, le moteur à vapeur est, historiquement parlant, la première machine ayant permis de transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique. L'ancêtre de la version actuelle est le moteur à double détente de Watt.
Le moteur à vapeur est un moteur alternatif à combustion externe. C'est le mouvement vertical des pistons actionnés par le flux de vapeur qui permet, par l'intermédiaire d'un arbre à cames et d'un vilebrequin, de faire tourner l'arbre qui entraîne l'alternateur. La vapeur y subit effectivement une double détente. A la sortie, elle est dirigée vers un condenseur où elle retourne à l'état liquide en échangeant sa chaleur latente de vaporisation avec l'eau d'un chauffage urbain, par exemple. Le cycle thermodynamique est semblable à celui d'une turbine à vapeur.
En petite puissance, le moteur présente cependant plusieurs avantages par rapport à la turbine un rendement électrique plus évelé, une pression d'admission de vapeur un peu plus faible et une vitesse de rotation de l'arbre moins élevée (1000 tr/min) ce qui se traduit par des gains sur la lubrification et l'usure des pièces.
Les coûts d'investissement d'une centrale complète, y compris les coûts de raccordement, sont de l'ordre de 4000 à 6000 F/kWe et les coûts annuels d'exploitation, pour un fonctionnement de 5000 heures par an, s'élèvent à environ 3% du coût d'investissement. Il n'y a que deux constructeurs en Europe : SPILINGWERK gMBh (Allemagne) et ENERGIEPROJEKT AB (Suède).
Le premier est un spécialiste des cogénérations à partir de biomasse et compte une vingtaine de références en Europe, dont quinze en Allemagne. ↑
Cycle organique de Rankine (ORC)
L'ORC ressemble beaucoup au cycle vapeur classique, mais présente la particularité de comporter deux circuits de fluides : un fluide caloporteur (huile thermique) et un fluide de travail (généralement à base de silicone). La chaudière produit dd l'huile thermique à 300°C qui est envoyée dans l'évaporateur du turbogénérateur, d'oû elle ressort entre 200 et 250°C. L'énergie thermique qu'elle contient encore peut être exploitée pour des besoins thermiques (eau chaude, eau surchauffée, vapeur saturée basse pression).
Le fluide organique sous pression qui s'est vaporisé dans l'évaporateur est injecté dans une turbine. Après détente, il traverse un régénérateur pour un pré-refroidissement puis un condenseur où sa chaleur latente de condensation est récupérée pour chauffer un réseau d'eau chaude. Il est ensuite recomprimé avant de passer dans le régénérateur, dernière étape du cycle.
La cogénération par cycle organique de Rankine présente plusieurs avantages sur la cogénération à vapeur. L'huite thermique à 300°C est sous forme liquide à pression atmosphérique, ce qui réduit les dangers et donc les coûts de l'installation. Comme son inertie thermique est importante, le fonctionn'ement est peu sensible aux variations de charge de la chaudière. La turbine tourne à faible vitesse (3000 tr/min) ce qui permet de la coupler dirctement à l'alternateur, sans réducteur de vitesse intermédiaire. Enfin, le fluide silicone reste gazeux durant toute la phase de détente dans la turbine, ce qui limite l'érosion et la corrosion des aubages.
La gamme des modèles disponibles va de 300 à 1000 kWe. Le seul constructeur européen est la société italienne TURBODEN et deux installations utilisent cette technologie : le réseau de chaleur de Bière en Suisse et un industriel du bois (STIA) à Admont en Autriche. ↑
Le moteur Stirling pour les petites puissances
Comme le moteur à vapeur, le moteur Stirlong ne date pas d'hier, puisqu'il a été inventé par les frères Stirling en 1816. Il connaît un regain d'intérêt depuis quelques années en raison des perspectives de rendement électrique relativement élevé (20 à 30%) qu'il offre à très petite puissance, mais aussi par le fait qu'on est aujourd'hui techniquement capable de résoudre les problèmes d'étanchéité entre le cylindre et l'arbre moteur.
A la différence du moteur à combustion interne, le piston n'est pas mis en mouvement par une explosion, mais par la détente d'un gaz pur en cycle fermé, mis successivement au contact d'une source froide. Le moteur Stirlong est constitué d'un cylindre dans lequel se trouve en partie basse un piston moteur, ajusté au diamètre intérieur du cylindre, et en partie haute un piston déplaceur dont le diamètre est inférieur à celui du cylindre, ce qui permet la circulation du fluide de travail. La partie haute du cylindre est chauffée, la partie basse refroidie, et une différence de 30°C entre les deux sources permet la mise en fonctionnement du moteur. Un ensemble de bielles, vilebrequin arbre à cames transforme le mouvement de translation du piston moteur en un mouvement de rotation nécessaire à l'entraînement de l'alternateur. Pour ceux qui voudraient visualiser le fonctionnement de cet ensemble, il faut savoir que le retour des deux cylindres de leur point mort bas à leur point mort haut est assuré, soit par le volant d'inertie dans le cas d'un cylindre unique, soit par le piston précédent fonctionnant en déphasage de 180°C dans le cas d'une batterie de cylindres. Il est possible d'améliorer le rendement de l'installatin en ajoutant entre la chambre chaude et la chambre froide un régénérateur qui limite les transferts calorifiques entre les deux chambres.
Des modèles fonctionnant au gz et à l'énergie solaire sont commercialisés, notamment pour l'électrification de sites isolés. A partir de biomasse, la source chaude peut être alimentée soit directement par les fumées de la chaudière, soit par un fluide intermédiaire chauffé par la chaudière. La source froide peut être l'air ambiant, l'eau d'alimentation ou l'eau de retour d'un réseau de chauffage. Quelques installations sont actuellement en phase de mise au poçint en France et en Europe et les moteurs Stirling font l'objet de plusieurs programmes européens. Les caractéristiques de ces projets se situent entre 1 et 350 kWe de puissance, 20 à 30 % de rendement électrique et 4 et 50 bars de pression pour le fluide de tréavail. D'après les développeurs de projets de micro-centrales de cogénération, les coûts d'investissement devraient atteindre 8000 à 15000 francs/kWe quand la phase commerciale se mettra en place, ce qui se traduirait par un coût de production de l'électricité de l'ordre de 1100 f/kWh.
Les 5 principaux constructeurs de moteurs Stirling sont les suivants : SOLI kLEINMOTOREN GmbH (Allemagne, HEUDELBERG Motors(Allemagne, SIGMA (Norvège), SUNPOWER (USA) et DANSTOCKER (Danemark).. ↑
Etudes de cas : techniques et économie de projets
Sur 7 cas étudiés, 6 se situent en Allemagne. Il ne faut pas s'en étonner. A partir de 1995, le prix d'achat de l'électricité produite avec de la biomasse a été fixé à 47 cF/kWh, et depuis le 1er avril 2000, un tarif encore plus attractif a ét mis en place : 66 cF/kWh pour les centrales de puissance inférieure à 500 kW ; 60 cF pour les puissances comprises entre 500 kWe et MWe. Les maîtres d'ouvrage peuvent en outre bénéficier d'une aide à l'investisement de 20%. Parmi les 6 centrales allemandes, 2 sont cependant plus anciennes (1982 et 1964). Il s'agit d'installations industrielles implantées l'une dans une scierie-parquetterie non raccordée au réseau (coût dissuasif) qui autoconsomme la chaleur et l'électricité produites, l'autre dans une usine de thermoformage de contreplaqué qui consomme la chaleur et vend l'électricité au réseau, ayant modifié sa stratégie depuis avril 2000. Dans les 2 caus, le combustible primaire est gratuit, ou presque.
D'un point de vue technique, les 4 centrales tertiaires allemandes sont équipées de trubines à vapeur, dont 3 en vapeur surchauffée (2.1 ; 11.4 ; 4.25 MWe) et une en vapeur saturée (2.1 MWe) ; les deux installations industielles utilisent des moteur à vapeur (250 et 460 kW) ; la dernière centrale suisse de Bière a adopté un turbogénérateur ORC de 332 kWe. Ces centrales sont exploitées selon des modalités différentes.
 imprimer
|
