L'expression cycle combiné (CC), déclinée en (CCPP pour combined cycle power plant), ou CCGT (combined cycle gas turbine ) caractérise un mode combiné de production d'énergie ou une centrale utilisant plus d’un cycle thermodynamique.
Centrale gaz à cycle combiné (CCGT) au Parc industriel chimique (Chemiepark Knapsack) de Hürth (Allemagne)
Principe de fonctionnement d'un cycle combiné
Le moteur thermique transforme une partie de l’énergie fournie par le combustible en travail moteur pouvant ensuite être converti en électricité au moyen d'un générateur.
Cette fraction (généralement moins de 50%), dépend du cycle thermodynamique choisi ainsi que des températures supérieure et inférieure atteintes par le cycle.
Pour des températures données, le cycle de Carnot possède l’efficacité énergétique théorique maximale.
En combinant deux cycles, voire plus, tel que le cycle de Brayton et de Rankine, on peut augmenter l'efficacité énergétique du système. Les plus récentes centrales CCGT (Cycle Combiné Gaz) du monde atteignent ainsi des rendements PCI (Pouvoir calorifique inférieur) de presque 60%, contre 37% pour les centrales à gaz classiques.
Une centrale à cycle combiné, généralement appelée CCGT (Combined Cycle Gas Turbine), ou TGV (Turbine Gaz-Vapeur), est une centrale thermique qui associe deux types de turbines : turbine à gaz et turbine à vapeur. Chacune de ces turbines entraîne une génératrice qui produit de l'électricité (configuration "multi-arbres" ou "multi-shaft") ou les deux types de turbines sont couplées à la même génératrice (configuration "single-shaft")
Les CCGT sont conçus pour un fonctionnement en semi-base (entre 2 000 et 6 000 h/an), et CCGT constituent un moyen d'ajustement du parc de production et concourrent ainsi au bon fonctionnement du système électrique.
Dans une centrale à cycle combiné, les gaz issus de la combustion à haute température (jusqu'à 1.500 °C) actionnent une turbine à gaz. En sortie les gaz sont encore suffisamment chauds (entre 400°C et 650°C environ) pour générer de la vapeur dans une chaudière au moyen d'un échangeur de chaleur. La vapeur ainsi produite entraîne une turbine à vapeur. Il est enfin nécessaire de disposer d'une source froide (eau de rivière - eau de mer - aéroréfrigérant) pour évacuer la chaleur nécessairement produite par le cycle (second principe de la thermodynamique). Différentes configurations de turbines sont possibles. On peut par exemple associer deux turbines à gaz à une turbine à vapeur.
Les CCGT permettent de réduire de 50 % les émissions de CO2, de diviser par trois les oxydes d'azote (NOx) et de supprimer les émissions d'oxydes de soufre (SO2) par rapport aux moyens de production thermique à flamme « classiques ». En outre, la combustion de gaz naturel ne produit ni particules de poussière ni odeurs. Concernant le processus de refroidissement, la technologie du refroidissement du circuit par air, si elle est choisie, permet de limiter les consommations d’eau de manière significative par rapport aux centrales du même type utilisant le refroidissement par eau, et permet également d'éviter d'influer sur la température des cours d'eau ou étendues d'eau concernés.
La part de la production électrique à partir de gaz dans le mix énergétique français reste très modeste (1 %), comparée à celle de ses voisins (40 % en Italie, 35 % au Royaume-Uni, en Espagne et en Autriche). Toutefois, les CCGT sont désormais clairement inscrit dans les objectifs français en matière de production d'énergie : l'arrêté du 15 décembre 2009 relatif à la programmation pluriannuelle des investissements en électricité prévoit ainsi de moderniser production d'électricité à partir d'énergies fossiles le parc en vue d'en réduire les impacts environnementaux. Afin d'accompagner ce programme de modernisation. L'article 3 de cet arrêté prévoit notamment la réduction de moitié du parc de centrales charbon, trop émetteur de CO2, et, afin d'accompagner cette réduction du parc charbon, prévoit que "le parc centralisé de production d'électricité à partir de gaz naturel sera développé".
La programmation pluriannuelle des investissements en électricité 2009 retient comme hypothèse la réalisation d'au moins dix CCGT à l'horizon 2012.
Les principales centrales centrales en fonctionnement ou en phase de développement, sont les suivantes :
Le rendement global de la filière gaz pour la production électrique apparaîtrait nettement plus faible si l'on tenait compte du transport, de la liquéfaction/gazéification et des stations de compression sur les gazoducs. L'approvisionnement des CCGT en gaz est délicat car la demande de ces centrales varie fortement selon l'heure de la journée, et est plus forte, également quand les autres consommateurs en demandent le plus. Le volume modulé appelé par ces centrales électriques à gaz représenterait - selon une étude prospective publiée en mars 2010 - déjà 50 % du volume modulé des consommation des autres consommateurs desservis en France par le réseau GRT Gaz, et ce chiffre devrait doubler (s'élever à 100 % en 2012), puis quadrupler (200 % en 2020) si la tendance se confirmait, ce qui dépasse largement les capacités actuelles de stockage de gaz et leur souplesse intra-journalière (dès 2011 peut être selon l'étude pour les mois de novembre-octobre). Une généralisation de la méthanisation des déchets urbains et de boues d'épuration offriraient une source de gaz supplémentaire, mais insuffisante, d'autant que ce gaz fait aussi l'objet d'une demande pour les véhicules. Une autre limite pourrait être les besoins de limiter les pertes en ligne des grands réseaux électriques centralisés et les émissions anthropiques de gaz à effet de serre, certains estimant toutefois qu'il sera moins difficile et plus "rentable" de décarboner les émissions de ces grosses centrales que de sources plus diffuses.
Une "concertation gaz" est menée sous l'égide de la Commission de régulation de l'énergie afin d'adapter le fonctionnement du réseau de transport de gaz français (modulations horaires, etc.) aux exigences de fonctionnement des CCGT. Le fonctionneemnt en semi base exige en effet de disposer d'une flexibilité infra-journalière en termes de consommation de gaz.