Cycle combiné - Définition et Explications

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Introduction

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 (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...).

Centrale gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) à cycle combiné (L'expression cycle combiné (CC), déclinée en (CCPP pour combined cycle power plant),...) (CCGT) au Parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été...) industriel chimique (Chemiepark Knapsack) de Hürth (Hürth est une ville allemande d'environ 57 000 habitants, située près du Rhin...) (Allemagne)

Principes

Principe de fonctionnement d'un cycle combiné

Le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) transforme une partie de l’énergie fournie par le combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) en travail moteur pouvant ensuite être converti en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...), le cycle de Carnot (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de...) 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 (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou...) du système. Les plus récentes centrales CCGT (Cycle Combiné Gaz) du monde (Le mot monde peut désigner :) atteignent ainsi des rendements PCI (Pouvoir calorifique inférieur) de presque 60%, contre 37% pour les centrales à gaz classiques.

Cycles combinés gaz et environnement

Les CCGT permettent de réduire de 50 % les émissions de CO2, de diviser par trois les oxydes d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) (NOx) et de supprimer les émissions d'oxydes de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (SO2) par rapport aux moyens de production thermique à flamme « classiques ». En outre, la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) de gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...) ne produit ni particules de poussière ni odeurs. Concernant le processus de refroidissement, la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du refroidissement du circuit par air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), et permet également d'éviter d'influer sur la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) des cours d'eau ou étendues d'eau concernés.

Les cycles combinés utilisant le gaz comme source primaire d'énergie

Une centrale à cycle combiné, généralement appelée CCGT (Combined Cycle Gas Turbine), ou TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses...) (Turbine Gaz-Vapeur), est une centrale thermique (Une centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité...) qui associe deux types de turbines : turbine à gaz (Une turbine à gaz (dénomination historique), appelée aussi turbine à combustion...) et turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) 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 (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...) au moyen d'un échangeur de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). La vapeur ainsi produite entraîne une turbine à vapeur. Il est enfin nécessaire de disposer d'une source froide (eau de rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la...) - eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) - 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.

La nécessité de sécuriser l'approvisionnement des CCGT et d'adapter le fonctionnement du réseau de gaz français

Le rendement global de la filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à...) gaz pour la production électrique apparaîtrait nettement plus faible si l'on tenait compte du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...), 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 (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) de la journée, et est plus forte, également quand les autres consommateurs en demandent le plus. Le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) 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 (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) de novembre-octobre). Une généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) de la méthanisation (La méthanisation, ou digestion anaérobie, est le processus naturel biologique de dégradation de...) 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) 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 (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie...), 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 (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) 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.

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