etude de la faisabilité des cycles sous-critiques et supercritiques de rankines pour la...

7/25/2019 Etude de la faisabilit des cycles sous-critiques et supercritiques de Rankines pour la valorisation des rejets thermi

1/267

AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuv par le jury desoutenance et mis disposition de l'ensemble de lacommunaut universitaire largie.

Il est soumis la proprit intellectuelle de l'auteur. Ceciimplique une obligation de citation et de rfrencement lors delutilisation de ce document.

D'autre part, toute contrefaon, plagiat, reproduction illiciteencourt une poursuite pnale.

Contact : [email protected]

LIENS

Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 122. 4Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.phphttp://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm


2/267

Ecole Doctorale 409 EMMA: Energie Mcanique et Matriaux

THSEPour obtenir le grade de:Docteur de lUniversit de Lorraine

Discipline/ Spcialit: Mcanique et Energtique

prsente et soutenue publiquement par

Van Long LEle 26 septembre 2014

tude de la faisabilit des cycles sous-critiqueset supercritiques de Rankine pour la valorisation

de rejets thermiques

Directeur de thse:Michel FeidtCo-directeur de thse:Abdelhamid Kheiri

Composition du jury:

M. Vincent LEMORT, Professeur, Universit de Lige Rapporteur

M. Assaad ZOUGHAIB, Matre assistant, Mines Paris Tech Rapporteur

M. Georges DESCOMBES, Professeur, CNAM Paris Prsident

Mme. Stphanie JUMEL, Docteur, EDF Examinateur

M. Michel FEIDT,Professeur mrite, Universit de Lorraine Examinateur

M. Abdelhamid KHEIRI, MCF, Universit de Lorraine Examinateur


3/267

Mot cls: ORC sous-critique et supercritique, valorisation de rejets thermiques, analyse

exergtique, efficacit nergtique, modlisation thermodynamique, optimisation thermo-

conomique, LCOE.

Copyright 2014, Van Long Le

Tous droits rservs


4/267

i


5/267

ii

Remerciements

Ce travail a t ralis dans le cadre du projet ANR CERES-2 Chemins Energtiques

pour la Rcupration dEnergie dans les Systmes industriels . Je voudrais donc remercier

tout dabord lANR, qui a financ mon travail de thse.

Jadresse mes remerciements Monsieur Fabrice Lemoine, directeur du LEMTA, de

mavoir accueilli au sein de son laboratoire.

Je tiens remercier particulirement Monsieur Michel Feidt, Professeur mrite de

lUniversit de Lorraine, pour mavoir confi ce travail de recherches, ainsi que pour son aideet ses prcieux conseils au cours de ces annes. Je remercie galement Monsieur Abdelhamid

Kheiri, Matre de Confrences de lUniversit de Lorraine et Co-encadrant de ce travail de

thse, pour sa sympathie, sa disponibilit, ses ides et conseils, ainsi que pour son aide

prcieuse de tous les jours.

Je remercie chaleureusement Monsieur Vincent Lemort, Professeur de lUniversit de

Lige, et Monsieur Assaad Zoughaib, HDR Matre Assistant de Mines ParisTech, davoir

accept dtre les rapporteurs de ce travail.

Je remercie Monsieur Georges Descombes, Professeur du CNAM, et Madame Stphanie

Jumel, Chief R&D Officer - City & Industry dEDF Inc., davoir accept de participer ce

jury.

Je pense en particulire Rabah Touaibi, Antoine Mathieu, Georgiana Tirca, Mohamed

Tahar Mabrouk et Mathilde Blaise. Merci vous tous qui avez partag avec moi tous ces

moments de travail et galement de dtente ainsi que toutes ces discussions plus ou moins

srieuses.

Jadresse remerciement Madame Edith Lang, Madame Franoise Odille-Hirtt, Madame

Irne Lonard, et Madame Fatiha Boumendjel pour leur disponibilit, leur bonne humeur et

leur gentillesse.

Jadresse mes remerciements ma maman, ma grand-mre et mon frre pour leur soutien

au cours de ces trois annes et sans lesquels je nen serais pas l aujourdhui.

Enfin, je remercie Nhung qui a su me soutenir, me supporter, mencourager pendant

toute la dure de ma thse.


6/267

iii


7/267

iv

A mon pre


8/267

v


9/267

Sommaire

Remerciements ...................................................................................................................... ii

Nomenclature ......................................................................................................................... 1

Chapitre 1 : Introduction ......................................................................................................... 6

1.1. Contexte gnral et objectif de la thse......................................................................... 6

1.2. Projet ANR CERES-2 .................................................................................................. 8

1.3. Organisation du mmoire ............................................................................................. 9

Rfrence ........................................................................................................................... 9

Chapitre 2 : Cycles organiques de Rankine ........................................................................... 11

2.1. Introduction ............................................................................................................... 11

2.1.1. Cycle de Carnot ................................................................................................... 11

2.1.2. Cycle de Lorenz .................................................................................................. 14

2.1.3. Cycle de Rankine/Hirn ........................................................................................ 15

2.2. Cycle organique de Rankine ....................................................................................... 20

2.2.1. Brve histoire ...................................................................................................... 22

2.2.2. Diffrentes configurations du cycle ORC ............................................................ 26

2.2.3. Situation actuelle de la recherche du cycle ORC .................................................. 43

2.2.4. Applications et march du cycle ORC ................................................................. 49

2.3. Conclusions ............................................................................................................... 59

Rfrences ........................................................................................................................ 60

Chapitre 3 : Fluide de travail ................................................................................................. 67

3.1. Introduction ............................................................................................................... 67

3.2. Critres de slection du fluide de travail organique..................................................... 70

3.2.1. Fluide idal ......................................................................................................... 70

3.2.2. Procdure gnrale pour la slection du fluide de travail...................................... 72

3.3. Actuel savoir scientifique sur le fluide de travail ........................................................ 73

3.4. Fluides utiliss actuelsgnration prochaine de fluide du travail de machine ORC .. 80

3.4.1. Fluides utiliss .................................................................................................... 80

3.4.2. Gnration prochaine du fluide de travail pour le cycle organique de Rankine ..... 87

3.5. Bases de donnes des proprits thermo-physiques des fluides de travail ................... 96

3.5.1. REFPROPNIST Reference Fluid Properties [67] ............................................. 96

3.5.2. EESEngineering Equation Solver [68] ............................................................. 97

3.5.3. EES_Fluidprop .................................................................................................... 98

3.5.4. CoolProp_EES .................................................................................................... 99

3.6. Conclusions ............................................................................................................. 100


10/267

Rfrences ...................................................................................................................... 100

Chapitre 4 : Modle thermodynamique ............................................................................... 104

4.1. Gnralitconfigurations tudies ......................................................................... 104

4.1.1. Cycles ORC standards ....................................................................................... 104

4.1.2. Cycles ORC avec un changeur de chaleur interne ............................................ 106

4.1.3. Cycle ORC rgnratif (ou avec sous-tirage) ............................................... 107

4.2. Analyse nergtique du systme ............................................................................... 108

4.2.1. Cycles ORC standards ....................................................................................... 108

4.2.2. Cycles ORC avec un rcuprateur ..................................................................... 112

4.2.3. Cycle ORC rgnratif ...................................................................................... 113

4.3. Analyse exergtique ................................................................................................. 113

4.3.1. Introduction ....................................................................................................... 113

4.3.2. Mthode dexergie topologique (la mthode des graphes dexergie).................. 123

4.4. Comparaisons entre les diffrentes configurations du cycle ORC ............................. 130

4.4.1. Cycle ORC standard .......................................................................................... 130

4.4.2. Cycle ORC avec un rcuprateur ....................................................................... 133

4.4.3. Cycle ORC rgnratif ...................................................................................... 135

4.5. Conclusions du chapitre ........................................................................................... 137

Rfrences ...................................................................................................................... 139

Chapitre 5 : Mthodologie doptimisation du systme ORC ................................................ 141

5.1. Introduction ............................................................................................................. 141

5.2. Dtermination de la surface dchange de chaleur.................................................... 141

5.2.1. Gnralit .......................................................................................................... 141

5.2.2. Transfert de chaleur et chute de pression ct calandre ...................................... 147

5.2.3. Transfert de chaleur et chute de pression de lcoulement dans les tubes........... 150

5.3. Modle conomique ................................................................................................. 169

5.3.1. Investissement total (CTCI) ................................................................................. 170

5.3.2. Cot de production (cot dexploitation) total (CTPC) ......................................... 176

5.3.3. Mesure approximative de rentabilit .................................................................. 177

5.4. Mthode doptimisation ........................................................................................... 180

5.4.1. Introduction ....................................................................................................... 180

5.4.2. Mthodes numriques de rsolution du problme doptimisation....................... 181

5.4.3. Optimisation analytique utilisant la mthode des multiplicateurs de Lagrange ... 185

5.5. Conclusions ............................................................................................................. 192

Rfrences ...................................................................................................................... 192

Chapitre 6 : Cas dtude...................................................................................................... 197

6.1. Introduction ............................................................................................................. 197


11/267

6.2. Valorisation de rejets thermiques industriels ............................................................ 198

6.3. Optimisation du cycle ORC sous-critique ................................................................. 199

6.3.1. Maximisation du rendement exergtique ........................................................... 201

6.3.2. Minimisation du LCOE ..................................................................................... 209

6.4. Optimisation du cycle ORC supercritique ................................................................ 216

6.4.1. Maximisation du rendement exergtique ........................................................... 217

6.4.2. Minimisation du LCOE ..................................................................................... 222

6.5. Conclusions ............................................................................................................. 227

Rfrences ...................................................................................................................... 230

Chapitre 7 : Conclusions et perspectives ............................................................................. 231

7.1. Conclusions ............................................................................................................. 231

7.2. Perspectives ............................................................................................................. 235

ANNEXES ......................................................................................................................... 237

A1 : Fluides dans la base de donnes REFPROP ................................................................. 238

A1.1. Fluides purs dans la base de donnes REFPROP ................................................... 238

A1.2. Les mlanges prdfinis dans la base de donnes REFPROP ................................. 240

A2 : Addition de proprits de nouveaux fluides la base de donnes existantes dEES..... 242

A2.1. Addition des donnes de proprits de gaz parfait ................................................. 242

A2.2. Addition des donnes de proprits de fluides rels utilisant lquation dtat Martin-Hou ................................................................................................................................ 244

A3 : Base de donnes thermodynamiques dans FluidProp ................................................... 248

A3.1. GasMix ................................................................................................................. 248

A3.2. IF97 ...................................................................................................................... 248

A3.3. StanMix ................................................................................................................ 249

A3.4. TPSI ...................................................................................................................... 251

A4 : Informations du prix de fluide de travail pour le cycle ORC ........................................ 252

A4.1. Honeywell ............................................................................................................. 252

A4.2. 3M ........................................................................................................................ 253

Liste des publications ......................................................................................................... 254


12/267

Nomenclature

1

Nomenclature

Nomenclature gnral

Cp Chaleur spcifique [kJ.kg-1.K-1]

D Diamtre [m]

Ex Exergie [kJ]

ex Exergie spcifique [kJ/kg]

Ex Flux dexergie [kW]

h Enthalpie spcifique [kJ/kg]

Flux dirrversibilit (flux de destruction exergtique) [kW]

k Conductivit thermique [W.m-1.K-1]

m Masse [kg]

m Dbit massique [kg/s]

M Masse molculaire [kg/kmol]

N Vitesse de rotation [rpm]

P/p Pression [kPa]

Pinch Diffrence minimale de temprature entre le fluide chaud et froid dans unprocd de transfert de chaleur [C]

Q Quantit de chaleur [kJ]

Q Flux de chaleur [kW]

s Entropie spcifique [kJ.kg-1.K-1]

SH Degr de surchauffe [C]

T Temprature [C]

sT Temprature moyenne entropique [C]

V Vitesse [m/s]

W Travail [kJ]

W Puissance [kW]

Nomenclature pour lchangeur de chaleur

A Surface dchange de chaleur [m2]

B Distance entre deux baffles adjacents [m]

Coefficient de transfert de chaleur par convection [W.m-2.K-1]


13/267


14/267


15/267

Nomenclature

4

hsi/hso Entre/sortie de la source thermique

hs/cs Source chaude/puits froid

HPHEX Echangeur de chaleur haute pression

is Isentropique

IHE Rcuprateur (Internal Heat Exchanger en anglais)

in/out Entre/sortie

i/o Intrieur/extrieur

liq Liquide

loss Perte

max/min Maximum/minimum

motor Moteur lectrique

net Nettep Pompe

pc Pseudo-critique

r Rel ou rduite

Reg Rgnrateur

s Calandre (Shell)

sys Systme

t Turbine

vap Evaporation

vg Gnrateur de vapeur

wf Fluide de travail

Liste des abrviations

AL Durre de vie amosphrique (acronyme anglais pour Amospheric Life)

ANR Agence Nationale de la Recherche

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-ConditioningBWG Birmingham Wire Gauge

c..d Cest dire

CERES Chemins Energtiques pour la Rcupration dEnergie dans les Systmesindustriels

CEPCI Chemical Engineering Plant Cost Index

D4 Octamthylcyclotetrasiloxane

D5 Dcamthylcyclopentasiloxane

D6 Dodcamthylcyclohexasiloxane


16/267


17/267

Chapitre 1: Introduction

6

Chapitre 1 : Introduction

1.1. Contexte gnral et objectif de la thse

Ce travail de thse, financ par lAgence Nationale de la Recherche, sinscrit dans le

projet CERES-2 Chemins Energtiques pour la Rcupration dEnergie dans les Systmes

industriels . Le document scientifique du projet indique que la rarfaction invitable des

ressources ptrolires et limpact climatique court terme de lutilisation des nergies fossiles

rendent vitales la matrise des consommations et la promotion de lefficacit nergtique dans

le secteur industriel. Le document a galement indiqu quil y a dans la recherche de

lefficacit nergtique une formidable opportunit de soutenir la croissance conomique.

Dans le cadre Europen, lusage rationnel de lnergie dans lindustrie est accru par les

normes et les directives. Ces outils, renforcs par des dispositifs nationaux, imposent des

contraintes lensemble des industriels europens. En France ces contraintes se matrialisent

par:

Des quotas dmissions de CO2pour les entreprises grandes consommatrices dnergie,

Des Certificats dEconomie dEnergie (CEE) pour les fournisseurs dnergie,

Le respect des rglementations environnementales et proccupation en termes de

dveloppement durable.

Pour complter les gains de lutilisation des technologies les plus conomes en nergies

dans les installations neuves ou lors du remplacement dquipements vtustes, la commission

europenne se focalise aujourdhui sur les rejets thermiques non valoriss dans les procds

industriels.

En effet, dans plusieurs procds industriels, une quantit importante dapport

nergtique est souvent gaspille sous la forme de rejets thermiques qui sont gnrs comme

sous-produit et librs directement dans latmosphre. Quelques tudes [1-4]ont estim que

20 50 % de la consommation nergtique dans le secteur industriel est dissip sous forme de

chaleur. La majeure partie de cette ressource nergtique a une temprature basse ou

moyenne. Comme rapport par BCS Inc. [5], environ 60 % de rejets thermiques industriels


18/267


7

ont une temprature infrieure 230 C et prs de 90 % ont une temprature infrieure 316

C.

En France, la consommation annuelle dnergie dans lindustrie est denviron 456 TWh,

dont 70 % pour les besoins de chaleur, ce qui correspond, lchelle du pays, prs de 28 %de la consommation totale dnergie et environ 23 % des missions annuelles de CO2(soit

30 Mt/an). Bien que lefficacit nergtique dans lindustrie franaise soit lune des plus

leves au monde, il y subsiste des gisements dconomie trs significatifs, notamment par le

biais de la rcupration de la chaleur perdue.

Actuellement, rcuprer et convertir en lectricit les rejets thermiques industriels

basse temprature suscite beaucoup dintrt. Cela amliore non seulement lefficacit

nergtique des procds industriels, mais rduit aussi la pollution thermique cause par la

dcharge directe de cette chaleur dans lenvironnement. En pratique, le systme le plus utilis

pour la gnration de llectricit partir de la chaleur est bas sur le cycle vapeur deau.

Cependant, ce type de cycle thermodynamique devient moins rentable basse temprature

(infrieur 340 C [5]) car, en particulier, la vapeur deau produite plus basse temprature,

donc plus basse pression, exige des quipements plus volumineux. De plus, labsence de

surchauffe de la vapeur deau provoque la condensation partielle de celle-ci dans la turbine ce

qui peut endommager ses aubages pendant le processus de dtente. Depuis peu, le cycleorganique de Rankine (ORC Organic Rankine Cycle) est utilis pour la production

dlectricit partir de source de chaleur basse temprature. Le cycle ORC fonctionne de

manire similaire au cycle vapeur deau, mais utilise un compos organique la place de

leau comme fluide de travail. Comme plusieurs composs organiques possdent, mme

temprature dbullition, une pression de vapeur saturante plus leve que celle de leau

permettant une valorisation plus efficace des rejets thermiques.

Dans la littrature, le cycle ORC sous-critique, dans lequel la vapeur sature oulgrement surchauffe est dtendue travers la turbine, est souvent utilis pour la

valorisation de rejets thermiques. Les cycles ORC en configuration supercritique ont t

beaucoup moins utiliss et tudis. Ils prsentent cependant un potentiel certain [6] pour

amliorer le rendement du cycle ORC.

Lobjectif de cette thse qui se place, est de modliser et de raliser loptimisation

thermo-conomique des cycles ORC sous-critiques et supercritiques pour la valorisation de

rejets thermiques industriels. Linfluence des choix des fluides de travail et des configurations

du cycle sera tudie et les diffrences combinaisons seront compares.


19/267


8

1.2. Projet ANR CERES-2

Le projet CERES-2 est une rponse au besoin de lamlioration de lefficacit

nergtique et de la rduction des missions de gaz effet de serre dans lindustrie, au travers

de la rcupration et de la valorisation de la chaleur perdues dans lindustrie.

Figure 1. 1. Exemples des solutions (chemins) de valorisation de rejets thermiques selon les

sources de chaleur dans le projet CERES-2 [7]

CERES-2 a pour objet didentifier les stratgies de rcupration et de valorisation de

lnergie sur les procds industriels (Figure 1. 1), autrement appeles chemins

nergtiques (combinaison de technologies permettant de transfrer et de convertir de

lnergie dune source un point de consommation) et ainsi de favoriser la pntration des

technologies innovantes contribuant une utilisation rationnelle de lnergie.

En effet, rcuprer et valoriser les sources de chaleur aujourdhui perdues sur les

procds industriels requiert une bonne connaissance des procds industriels eux-mmes,

mais galement des technologies de valorisation mettre en uvre et des savoir-faire de

spcialistes pour slectionner et dimensionner les meilleures solutions, sur la base de critres

techniques, conomiques et environnementaux. Or une grande partie de ces connaissances et

savoir-faire sont aujourdhui prsentes dans le monde acadmique mais diffusent peu vers

lindustrie, qui prouve donc beaucoup de difficults sengager sur les voies de la

rcupration de chaleur.

CERES-2 propose de fournir quatre livrables en rponse cette problmatique:

Heat PumpExchanger

Electricity

Hot gas Hot solid

ThermoelectricityORC

Hot liquid

Waste heat

Process 1 Process 2 Process 3Rawmaterials

Finalproduct

Recycling in

the process T1 T2

T> T2T < T1

T3

Energy Path A

Energy Path C

Energy Path D

Energy Path B

Energy Path E

Steam Hot water Cold water


20/267


9

La dfinition dune mthodologie permettant didentifier les gisements de chaleur sur

les procds industriels ainsi que les meilleures technologies de valorisation (intgres

ou non au procd) sur la base de critres techniques, conomiques et

environnementaux.

La construction dune plate-forme logicielle incluant des modles de procds et de

technologies de valorisation de chaleur permettant dappliquer la mthodologie et de

raliser des scnarios.

La ralisation dtudes de cas permettant de dfinir les stratgies de valorisation de

procds industriels choisis et servant de dmonstration pour la mthode et la plate-

forme logicielle.

La ralisation de roadmap de technologies de valorisation permettant de prioriser les

efforts de recherche sur la leve des verrous les plus prometteurs en terme en march.

1.3. Organisation du mmoire

Ce mmoire de thse est organis de manire suivante:

Chapitre 1 Introduction

Chapitre 2 Cycles organiques de Rankine

Chapitre 3 Fluide de travail

Chapitre 4 Modle thermodynamique

Chapitre 5 Optimisation du systme ORC

Chapitre 6 Cas dtude

Chapitre 7 Conclusions et perspectives

Annexes

Rfrences

[1] V. V. Viswanathan, R. W. Davies, and J. D. Holbery, "Opportunity Analysis forRecovering Energy from Industrial Waste Heat and Emissions," April 1st 2006.

[2] J. L. Pellegrino, N. Margolis, M. Justiniano, M. Miller, and A. Thedki, "Energy Use,Loss and Opportunities Analysis: U.S. Manufacturing & Mining," December 20042004.

[3] E. Cook, The Flow of Energy in an Industrial Society: W.H. Freeman and Company,1971.


21/267


10

[4] B. L. Blaney,Industrial waste heat recovery and the potential for emissions reduction.Cincinnati, OH: U.S. Environmental Protection Agency, Industrial EnvironmentalResearch Laboratory, 1984.

[5] I. BCS, "Waste Heat Recovery: Technology and Opportunities in U.S. Industry,"March 2008.

[6] A. Schuster, S. Karellas, and R. Aumann, "Efficiency optimization potential insupercritical organic Rankine cycles,"Energy, vol. 35, pp. 1033-1039, 2010.

[7] S. Jumel, V. L. Le, M. Feidt, and A. Kheiri, "Working fluid selection and performancecomparison of subcritical and supercritical Organic Rankine Cycle (ORC) for low-temperature waste heat recovery," presented at the ECEEE Industrial Summer Study,Arnhem, Netherlands, 2012.


22/267

Chapitre 2: Cycles organiques de Rankine

11

Chapitre 2 : Cycles organiques de

Rankine

2.1. Introduction

Lpuisement des ressources dnergie fossiles et les impacts de leur utilisation sur

lenvironnement (par exemple le changement climatique, la destruction ou lappauvrissement

de la couche dozone) encouragent fortement la recherche de moyens de produire de

llectricit base de ressources renouvelables (gothermie, biomasse et solaire).

Par ailleurs, une part importante de lnergie dissipe par les procds industriels, se perd

sous forme de rejets thermiques, qui non seulement diminuent le rendement de ces procds

mais contribuent aussi aux impacts sur lenvironnement par lusage de ressources fossiles. Or,

ces rejets se prsentent sous forme de chaleur basse temprature qui ne peut pas tre utilise

pour la production dlectricit par le cycle traditionnel de Rankine fonctionnant avec la

vapeur deau.

Depuis quelques dcennies, le cycle organique de Rankine (Organic Rankine Cycle

ORC), qui a le mme principe que le cycle classique de Rankine mais avec un fluide

organique, suscite beaucoup dintrt dans le domaine de la valorisation de rejets thermiques

et de la production dlectricit partir des ressources renouvelables dnergie (ex.

gothermie, soleil et biomasse).

Dans ce chapitre, une revue bibliographique gnrale des principaux de cycles

thermodynamiques, dont le principe est similaire celui de lORC sont prsents. Il sagit des

cycles de Carnot, de Rankine et de Lorenz. Les cycles rversibles de Carnot et de Lorenz

seront utiliss dans la suite de ce mmoire comme cycles de rfrence pour lanalyse

exergtique du cycle organique de Rankine.

2.1.1. Cycle de Carnot

Le cycle de Carnot, propos en 1824 par Nicolas Lonard Sadi Carnot (1776-1832) [1],

est probablement le cycle rversible le plus connu en thermodynamique. Le moteur thermique

oprant sur la base du cycle de Carnot est appel le moteur de Carnot. En pratique, il nexiste

aucun cycle thermodynamique qui soit compltement rversible. Le cycle de Carnot est donc


23/267


12

un cycle thermodynamique thorique [2]. Le cycle thorique de Carnot est un cycle ferm,

extrieurement chauff, qui absorbe la chaleur dun rservoir thermique de haute temprature

(TH) et rejette la chaleur un rservoir thermique de basse temprature ( TC) (Figure 2. 1). Le

cycle de Carnot se compose de quatre procds rversibles, deux isothermes et deux

isentropiques, dcrits comme suit:

Procd 1-2: expansion isotherme la temprature TH

Procd 2-3: expansion isentropique de temprature TH TC

Procd 3-4: compression isotherme la temprature TC

Procd 4-1: compression isentropique de temprature TC TH

Figure 2. 1. Diagramme pression-volume pour un cycle de Carnot entre les tempratures THetTC[3]

Les procds rversibles du cycle de Carnot sont prsents dans un diagramme pression-

volume dans laFigure 2. 1.Une alternative pour prsenter le cycle est avec un diagramme de

temprature-entropie spcifique (T-s), comme montr dans la Figure 2. 2. En effet, le

diagramme T-sest souvent prfr pour lanalyse des cycles de puissance [3].

Bilan dentropie du processus 1-2

2 1H HQ T m s s (2.1)

Bilan dentropie du processus 3-4

3 4C CQ T m s s (2.2)


24/267


25/267


14

2.1.2. Cycle de Lorenz

En 1895 Lorenz Hans (1865-1940), un mcanicien allemand [6]a introduit le cycle qui

porte son nom. Cest un cycle thermodynamique rversible qui est, contrairement au cycle de

Carnot, est bas sur le glissement des tempratures pour laddition et le rejet de la chaleuralors que lexpansion et la compression sont supposes tre des procds isentropiques (voir

Figure 2. 3)[7]. Le rendement du cycle de Lorenz, comme dcrit dans le travail de Hasan et

al. [8], scrit:

34 121Lorenz Q Q (2.7)

Si labsorption et le rejet de la chaleur taient crits en termes des fluides de la source

thermique et du puits froid, lquation (2.7) peut tre rcrite

( )1

( )

c cso csi

Lorenz

h hsi hso

m h h

m h h

(2.8)

Sachant que les procds 4-1 et 2-3 dans laFigure 2. 3 sont isentropiques, il est facile de

montrer que

( ) ( )h c cso csi hsi hsom m s s s s (2.9)

Lexpression du rendement pour le cycle de Lorenz se rduit donc

( ) / ( )1

( ) / ( )

cso csi cso csi

Lorenz

hsi hso hsi hso

h h s s

h h s s

(2.10)

Cela peut tre crit comme suit

1

scs

Lorenz

shs

T

T (2.11)

Les tempratures dans lquation (2.11) sont les tempratures moyennes entropiques du

puits froid (cs) et de la source thermique (hs). Elles ont la forme:

2 1

2 1

s

h hT

s s

(2.12)

Pour les fluides de chaleur spcifique constante, dans lintervalle considr de

temprature, ici T1 T2, la temprature moyenne entropique peut tre galement crite comme

suit


26/267


15

2 1

2 1( )s

T TT

ln T T

(2.13)

Donc le rendement du cycle de Lorenz peut tre exprim en termes des tempratures de la

manire suivante:

( ) / ( / )1

( ) / ( / )

cso csi cso csi

Lorenz

hsi hso hsi hso

T T ln T T

T T ln T T

(2.14)

Si les procds de transfert de chaleur sont isothermes, comme dans le cas du cycle de

Carnot, les tempratures moyennes entropiques se rduisent aux tempratures de source

thermique et de puits froid, restituant le rendement du cycle de Carnot. Pour les sources de

chaleur sensible, tels que dans un systme solaire thermique ou chaleur perdue par des gaz

dchappement, le cycle de Lorenz est le cycle rversible idal qui donne la meilleure

performance [8].

Figure 2. 3. Diagramme T-spour le cycle de puissance de Lorenz [9]

2.1.3. Cycle de Rankine/Hirn

Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique moteur qui convertit la chaleur en

travail mcanique. Cest le cycle thermodynamique le plus utilis pour la gnration

dlectricit. La chaleur est fournie extrieurement une boucle ferme qui utilise leau

comme fluide de travail (Figure 2. 4). Selon Wiser [10], les moteurs vapeur deau gnrent

environ 90 % dlectricit consomme dans le monde. Le cycle porte le nom de William John

Macquorn Rankine (1820-1872) [11], un ingnieur civil, physicien, mathmaticien Ecossais.


27/267


16

Figure 2. 4. Schma du moteur de Rankine (source:www.leam.illionois.edu)

Figure 2. 5. Cycle idal de Rankine dans le diagramme T-sde leau

Le cycle de base de Rankine peut tre vu comme une modification du cycle de Carnot.

Dun point de vue technique, les procds de compression et de dtente diphasiques demands

par le cycle de Carnot ne sont pas pratiques [3]. Le cycle de Rankine (Figure 2. 5)diffre du

cycle de Carnot par la compression isentropique du liquide, suivie dune transformation

isobare de chauffage en chaleur sensible puis de chauffage en chaleur latente [12]. Le cycle

idal de Rankine est un cycle tel que prsent la Figure 2. 5,dans lequel le fluide de travail
http://www.leam.illionois.edu/http://www.leam.illionois.edu/


28/267


17

traverse les composants du cycle sans irrversibilits. En particulier: la chute de pression est

absente dans la chaudire, le condenseur et les conduites. La turbine et la pompe sont

considres isentropiques. Les procds du cycle sont des procds rversibles tels que

dtaills ci-dessous:

1-2: la compression isentropique dans la pompe (la distance verticale entre les points 1 et

2 est considrablement exagre pour soucis de clart)

2-3: laddition de la chaleur pression constante dans lvaporateur

3-4: lexpansion isentropique du fluide de travail de ltat de vapeur sature la pression

du condenseur dans la turbine

4-1: lenlvement de chaleur dans le condenseur fonctionnant pression constante

Linconvnient principal du cycle de Rankine provient de la dtente isentropique 3-4 dans

le domaine diphasique; cette dtente correspondant une marche en rgime humide et donc

sujette des limitations technologiques (rosion daubage de la turbine si le titre en vapeur

sloigne trop de la saturation vapeur: x < 1) [12]. Pour obtenir en sortie de la turbine une

vapeur sature (x = 1), Gustave-Adolphe Hirn (1815-1890), un ingnieur franais, a propos

dintroduire en turbine une vapeur surchauffe [13](Figure 2. 6).

Figure 2. 6. Cycle idal de Hirn dans le diagramme T-sde leau

Le cycle idal de Rankine/Hirn se rfre la configuration simple du cycle de Rankine

montre dans laFigure 2. 6 fonctionnant avec des composants sans irrversibilits laquelle


29/267


18

une tape de surchauffe de la vapeur est ajoute. Le bilan nergtique du cycle est dcrit par

les quations suivantes:

Pompe

2 1pW h h (2.15)

Chaudire

3 2hQ h h (2.16)

Turbine

3 4tW h h (2.17)

Condenseur

4 1cQ h h (2.18)

Travail net du cycle

net t p h cW W W Q Q (2.19)

Rendement du cycle

Rankine net hW Q (2.20)

Le cycle rel de Rankine diffre de cycle idal en raison des irrversibilits dans les

composants du cycle. Nous illustrons sur laFigure 2. 7.Linfluence des irrversibilits sur la

transformation nergtique est dtaille dans [5]. Les irrversibilits et les pertes sont

prsentes avec les quatre sous-systmes du cycle de Rankine:

Irrversibilit dans la pompe: le pompage est accompagn dune augmentation de

lentropie. Le travail demand par le procd rel est donc plus important que dans le cas

du procd idal. Le transfert de chaleur entre le fluide traversant la pompe et

lenvironnement est souvent nglig et la pompe est alors considre adiabatique.

Lirrversibilit dans la pompe est donc caractrise par le rendement isentropique:

, ,

,

, ,

is

p out p inis

is p

r p out p in

h hW

W h h

(2.21)

Irrversibilit dans la turbine: similaire au procd de pompage, lirrversibilit du

procd de dtente est galement caractrise par un rendement isentropique de la turbine.


30/267


31/267


32/267


21

traditionnel est thermiquement, et chimiquement stable, non-toxique, ininflammable, peu-

couteux, qui possde des proprits excellentes de transfert de chaleur, et qui possde un ODP

(potentiel dappauvrissant de la couche dozone), et un GWP (potentiel de rchauffement

global) nuls [14]. Cest pourquoi, il est souvent utilis dans des centrales thermiques et dans

des applications haute temprature et de puissance importante. Cependant, pour les

applications o la source de chaleur est de basse qualit nergtique et plus particulirement

dans des applications de relative faible puissance, leau, comme fluide de travail, nest

technologiquement ou conomiquement pas la meilleure slection [15]. Pour la gnration

dlectricit partir des sources de chaleur de basse et de moyenne temprature, le cycle ORC

prsente des intrts par rapport au cycle traditionnel.

Lavantage majeur du cycle ORC par rapport au cycle classique pour la gnration

dlectricit basse temprature et de relative faible puissance rside dans le fait que la

machine de dtente peut tre une turbine axiale ou radiale ou mme une machine

volumtrique, c..d. une machine piston, ou une machine vis ou spirale.

Comme expliqu dans le travail de Badr et al. [15], pour les systmes de faible puissance

avec les diffrences de temprature moyennes travers le dtendeur, les chutes

correspondantes de lenthalpie de la vapeur deau sont relativement lev cause de la faible

masse molaire de leau (18 g/mol). Si toute lnergie est extraite dans une turbine impulsionmono-tage (c..d. en employant une seule buse avec une roue simple), la vitesse

dcoulement travers la buse serait suprieure 1000 m/s. Cela impose aux aubages une

vitesse de rotation denviron 500 m/s. Cette vitesse est deux fois suprieure la limite

pratique, dicte par les contraintes autorises pour les matriaux et les techniques de

construction des turbines communes. Lutilisation des turbines multi-tages, qui permet de

limiter la vitesse de rotation de la turbine pour une puissance donne, conduit avoir des

turbines de faible puissance qui sont trs grosses et couteuses. Par ailleurs, lutilisation de

leau comme fluide de travail pour les applications basse temprature, amne au fait que les

niveaux de surchauffe ncessaires pour viter la condensation durant la dtente soient

impossibles compte tenu de la faible temprature de la source de chaleur. Donc, lrosion des

aubages de la turbine se produit.

En revanche, si une vapeur dun fluide organique de haute masse molaire est utilise la

place de la vapeur deau dans la turbine, la vitesse dcoulement est approximativement

rduite comme le rapport des racines carres inverses des masses molaires des fluides. Donc,une turbine mono-tage peut tre utilise. Pour le problme de la condensation de la vapeur


33/267


22

durant la dtente dans la turbine, il est intressant de noter que plusieurs fluides organiques

ont une courbe de saturation de vapeur dans le diagramme temprature-entropie avec une

pente ds/dT quasi-nulle ou positive. Par consquent, la dtente isentropique de la vapeur

sature de ces fluides organiques dbouche en fin de dtente sur une vapeur sature ou

surchauffe. Lrosion des aubages est ainsi vite. En conclusion, la gnration dlectricit

basse temprature, utilisant les fluides avec les masses molaires suprieures celle de leau

peut amener un rendement du cycle plus lev avec les turbines mono-tages moins

complexes et moins couteuses [15]. A ct de lavantage relatif la machine de dtente, la

technologie ORC offre galement dautres avantages:

Procd de dmarrage simple

Opration automatique et continue

Procdure de maintenance simple

Sans demande de prsence de loprateur

Longue dure de vie de centrale (> 20 ans)

Sans besoin de dminraliser leau

Sans besoin de dgazage. En effet, le fonctionnement basse pression, trs infrieure la

pression atmosphrique en sortie de la turbine occasionne dinvitables entres dair dans

linstallation. Loxygne de lair entrane la corrosion de tous les composants et des

problmes dencrassement. Le dgazage est lopration permettant de dgazer en continu

leau qui circule dans le cycle est qui est coteuse en nergie et impose des contraintes

additionnelles au fonctionnement.

Grce aux avantages ci-dessus, la technologie ORC suscite beaucoup dattention et

stend rapidement pour la gnration dlectricit partir des sources thermiques de basse

temprature (ex. gothermie, nergie solaire, biomasse et rejets thermiques industriels, etc.)

La contrainte principale pour lORC rside dans la stabilit thermique des fluides de

travail disponibles imposant une temprature maximale du cycle qui ne peut pas dpasser 400

C.

2.2.1. Brve histoire

Dans la prsentation de Lucien Y. Bronicki [16], Directeur de la Technologie de Ormat

Technologies, Inc., lors du deuxime sminaire international sur les systmes ORC aux Pays


34/267


23

Bas de lanne 2013, une brve histoire des cycles ORC a t prsente en citant les

vnements importants concernant le dveloppement de cette technologie. Nous en retraons

les lments les plus significatifs:

1823: Monsieur Humphrey Davy (1778-1829) suggre le cycle ORC comme unealternative la machine vapeur. Il a suggr quun liquide volatile peut tre vaporis par

la vapeur deau chappe et peut donc gnrer plus lnergie [17].

1824: Les travaux de Carnot [1].

1825 1826: Thomas Howard a fait un moteur utilisant lalcool comme fluide de travail

(voirFigure 2. 8)[18].

Figure 2. 8. La description du moteur lalcool de Howard [19]

1853: Du Trembley, un ingnieur franais, applique le cycle ORC la propulsion de

bateau (avec un ther comme fluide actif) [17]. Le moteur a t install dans quelques

bateaux de voyageurs. Cependant, la construction des moteurs binaires vapeur deau


35/267


36/267


37/267


26

1970s: Gianfranco Agelino, Ennico Macchi et Mario Gaia ont dvelopp un cycle ORC

de 3 kW, amenant ltablissement de lentreprise Turboden en 1980.

1980s: Turboden fabrique des units partir de 300 kW, surtout pour la cognration

utilisant la biomasse.

1990s: Ormat a des croissances substantielles dans lutilisation du cycle ORC pour la

gothermie. Alors que, Turboden fournit plusieurs systmes de cognration en Europe.

2000: plusieurs des fabricants des systmes ORC et des fournisseurs de composants sont

disponibles. Les recherches se poursuivent dans le domaine et de nouvelles technologies

apparaissent.

Bien que, le rsum de lhistoire des cycles ORC ci-dessus nest que succinct, il peutnous donner une vision globale sur lhistoire du dveloppement du cycle ORC.

2.2.2. Diffrentes configurations du cycle ORC

2.2.2.1. ORC sous-critique

Dans la littrature, ce type de cycle ORC est toujours appel simplement le cycle ORC.

Deux configurations sont trs souvent utilises pour le cycle ORC sous-critique: ORC simple

(ou standard) (Figure 2. 11a) et avec un rcuprateur (Figure 2. 11b). Le principe du

fonctionnement du cycle ORC simple a t expliqu dans le paragraphe du cycle de Rankine.

Dans les cas o la vapeur du fluide de travail la sortie de la turbine est suffisamment

chaude, on ajoute au cycle de bas un changeur de chaleur interne (ou rcuprateur). Cette

nergie est rcupre par change avec le liquide sortant de la pompe. Cette rcupration

dnergie diminue donc la quantit de chaleur demande pour le prchauffage du fluide avant

son entre dans lvaporateur et la quantit de chaleur du fluide de travail dcharge au puits

froid et donc la taille du condenseur. Avec le rcuprateur, la performance du cycle ORC est

amliore mais le systme est plus complexe amenant un cot dinvestissement plus lev.

En plus, le rcuprateur augmente galement la perte de charge totale du systme. LaFigure

2. 12a etFigure 2. 12b prsentent les diagrammes T-s du fluide de travail et les profils de

temprature de la source thermique et du puits froid pour le cycle ORC simple et pour celui

avec un rcuprateur.

Pour lamlioration et la faisabilit de la technologie ORC, deux champs dinvestigations

concentrent lattention de la Recherche et qui sont la slection du fluide de travail et les

machines de dtente.


38/267


27

En effet, le dtendeur est un composant critique pour avoir un systme ORC efficace et

rentable [23]. La performance dun systme ORC est bien corrle avec celle du dtendeur.

La slection de la technologie de machine de dtente dpend des conditions oprationnelles et

de la puissance du systme [24]. Les machines de dtente peuvent, en gnral, tre distingues

en deux catgories: les turbines (axiale ou radiale) et les dtendeurs volumtriques (dtendeur

vis, spirale, piston ou palettes, etc.)

Figure 2. 11. Schma du cycle ORC simple (a) et avec un rcuprateur (b)

Figure 2. 12. Diagramme T-spour le cycle ORC simple (a) et avec un rcuprateur (b)

Dans le travail de Badr et al. [25], les auteurs ont essay dtablir des grandes lignes pour

les catgories des machines de dtente (Figure 2. 13) partir des donnes prsentes par

Curran [26]qui sont des donnes disponibles collectes jusquen septembre 1979 pour plus

2000 moteurs de Rankine organiques en opration avec les puissances varient de 0.1 1120

kWe. Selon ces auteurs, ces lignes ne peuvent tre considres que comme des guides pour la

conception du systme ORC. Il est intressant de noter que les machines volumtriques


39/267


28

basse vitesse de rotation (5000 rpm2) sont plus appropries pour les petites puissances (< 10

kW), alors que les turbines de haute vitesse de rotation ont t adoptes pour moteurs ORC de

puissances plus leves (> 10 kW). Dans un autre travail plus rcent, Quoilin et al. [24]ont

galement indiqu que les machines de dtente volumtriques sont plus appropries pour les

units ORC de petite et de moyenne puissance (voirFigure 2. 14).

Figure 2. 13. Donnes oprationnelles des machines de dtente pour les moteurs de Rankine

organiques [25]

2Revolutions per minute (tours par minute)


40/267


41/267


30

Tableau 2. 1. Les prototypes des diffrents types des machines de dtente [23]

Rfrence Machine de dtente Fluidesis

(%)

W

(kW)N(rpm) rp

Badr et al. [28] Dtendeur palettes R113 55 1.6 - -

Wang et al. [29] Dtendeur piston R245fa 45.2 1.64 900 4

Nguyen et al. [30] Turbine radiale n-pentane 49.8 1.47 65000 3.45

Yagoub et al. [31] Turbine radiale HFE-301

n-pentane

85

40

1.5

1.5

60000

60000

1.1

1.3

Inoue et al. [32] Turbine radiale TFE 70-85 5-10 15000-30000 4.8

Kang [33] Turbine radiale R245fa 78.7 32.7 63000 4.11

Pei et al. [34] Turbine radiale R123 65 1.36 24000 5.2

Li et al. [35] Turbine radiale R123 68 2.4 40000 6.3

Zanelli et Favrat [36] Dtendeur spirale R134a 63-65 1-3.5 2400-3600 2.4-4Mathias et al. [37] Dtendeur spirale R123 67,

81, 83

1.2,

1.38,

1.75

3670 8.8,

5.5,

3.1

Peterson et al. [38] Dtendeur spirale R123 45-50 0.14-

0.24

600-1400 3.28-

3.87

Wang et al. [39] Dtendeur spirale R134a 70-77 0.5-0.8 1015-3670 2.65-

4.84

Wang et al. [40] Dtendeur vis Air 26-40 0.5-3 400-2900 -

Baek et al. [41] Dtendeur piston

alternatif

CO2 10.5 24.35 114 2.1

Zhang et al. [42] Dtendeur piston

alternatif

CO2 62 - 306 2.4

Yang et al. [43] Dtendeur palettes CO2 17.8-

23

- 300-1500 -

Qiu et al. [44] Dtendeur palettes HFE7000 52.88-

55.45

1.66-

1.72

841-860 5

Lemort et al. [45, 46] Dtendeur spirale R123 42.5-

67

0.4-1.8 1771-2660 2.75-

5.4

Dtendeur spirale R245fa 45-71 0.2-2 - 2-5.7

Manolakos et al. [47] Dtendeur spirale R134a 10-65 0.35-2 300-390 -

Guangbin et al. [48] Dtendeur spirale Air - 0.4-1.1 1740-2340 3.66

Saitoh et al. [49] Dtendeur spirale R113 65 0-0.46 1800-4800 -

Kim et al. [50] Dtendeur spirale Eau 33.8 11-12 1000-1400 10.54-

11.5


42/267


31

Alors que, les turbomachines matures techniquement sont dj disponibles sur le march

pour les units importantes dORC, il y a encore peu de dtendeurs volumtriques sur le

march pour les applications dORC. Ce type de machines de dtente sont des bons substituts

pour les turbomachines dans des systmes ORC de basses puissances car ils sont fiables,

permettent la prsence dune phase liquide pendant lexpansion et ont un bon rendement

isentropique [24].

Pour la slection dun dtendeur plusieurs paramtres doivent tre pris en compte tels que

le rendement isentropique, les conditions opratoires, le rapport de la pression, la puissance,

les besoin de lubrification, la complexit de la machine, sa vitesse de rotation, son quilibrage

dynamique, sa fiabilit et son cot [23]. Le Tableau 2. 2 prsente des avantages et des

inconvnients de quelques types de machines de dtente pour le systme ORC.

En ce qui concerne la puissance, les turbines radiales sont les plus convenables pour les

systmes puissance importante. Les dtendeurs vis ou piston alternatif peuvent tre

utiliss pour les systmes de petite ou de moyenne puissance. La puissance des dtendeurs

spirale et palettes est infrieure celle des autres dtendeurs. Cest pourquoi, ces types de

machines volumtriques sont souvent appliqus pour les systmes ORC de petite et micro-

puissance. Dans le travail de Vanslambrouck et al. [51], les systmes ORC sont classifis

selon leur puissance lectrique en microsystmes (0.5-10 kWe), petits systmes (10-100kWe), systmes moyens (100-300 kWe) et gros systmes (300-3000 kWe ou plus).

Au niveau des cots de conception et de fabrication, il faut noter que les turbines

prsentent des cots levs en raison de la difficult de leur conception et de leur fabrication,

alors que le cot des diffrents types de machines de dtente volumtriques est relativement

faible. De plus, ces machines de dtente volumtriques peuvent travailler en prsence du

liquide: situation impossible pour des turbines cause du risque dendommagement des

aubages de celles-ci. La difficult majeure associe avec lutilisation des dtendeursvolumtriques est leur demande de lubrification. Cette demande exige dinstaller un

sparateur dhuile et donc augmente la complexit du systme. Signalons que des dtendeurs

volumtriques sans lubrification existent, mais prsentent des performances plus faibles

cause des fuites de fluide de travail importantes [23].


43/267


44/267


33

sous-critique, alors que le fluide est utilis entirement au-dessus de sa pression critique avec

la configuration supercritique. Cette dfinition du cycle supercritique est identique avec la

dfinition qui en est donne dans le travail de Feher [90]. Alors que le cycle transcritique est,

dans ce dernier travail, appel le cycle pseudo-supercritique. Les points de fonctionnement de

cycles supercritiques et pseudo-supercritiques sont prsents dans les diagrammes T-s dans la

Figure 2. 15.

Figure 2. 15. T-s diagramme pour le cycle supercritique (a) et pseudo-supercritique (b) avecun pur fluide de travail [90].

Pour un cycle idal supercritique ou pseudo-supercritique, le fluide de travail passe des

procds suivants:

a-b: la compression isentropique du liquide sous-refroidi de la pression p1p2.

b-d: laddition isobarique de la chaleur la pression p2 jusqu la temprature la plus

leve du cycle au point d.

d-e: lexpansion isentropique de la pressionp2p1

e-a: lextraction isobarique de la chaleur la pression p1, si un rcuprateur est install

dans le cycle, ce qui est souvent le cas, une portion de cette chaleur est transfre vers le

fluide pour augmenter son enthalpie du point b au c la pression constantep2.

La pressionp2est suprieure la pression critique du fluide de travail dans les deux cas.

Alors que, la pression p1 est infrieure la pression critique, dans le cas du cycle pseudo-


45/267


34

supercritique, et suprieure la pression critique dans le cas du cycle supercritique. Le point

a dans laFigure 2. 15 reprsente la temprature la plus faible du cycle et au dessus de la

temprature du puits froid. La chaleur nette entrant fournie au cycle est reprsente par la

surface limite au-dessous de la courbe cd (supercritique) ou bd (pseudo-supercritique). Le

travail net sortant est la diffrence entre le travail produit par la turbine et celui qui est fourni

la pompe.

dans le travail de Pioro et Mokry [91], les termes et les expressions relatives aux rgions

critiques et supercritiques sont dfinis ainsi:

Fluide comprim: est celui qui est la pression au-dessus de sa pression critique, mais

une temprature au-dessous de sa temprature critique.

Point critique (galement appel tat critique): est un point auquel la distinction entre les

phases liquide et gazeuse (ou vapeur) disparait. Les deux phases en quilibre ont la mme

temprature, pression et le mme volume ou la mme densit ainsi que toutes les autres

proprits thermodynamiques. Le point critique est caractris par les paramtres Tcrit, Pcrit

et Vcritou (crit). Leurs valeurs sont caractristiques pour chaque substance pure.

Point presque critique: est effectivement une rgion troite autour du point critique, o

tous les proprits thermo-physiques dun fluide pur ont des variations rapides.

Point pseudo-critique (caractris avec Ppcet Tpc): est un point qui est une pression au-

dessus de la pression critique et une temprature (Tpc> Tcr) et o le fluide prsente la

valeur maximale de chaleur spcifique cette pression particulire.

Ligne pseudo-critique: est une ligne, qui constitue des points pseudo-critiques

Fluide supercritique: est un fluide la pression et temprature suprieures celles

critiques. Cependant, dans ce travail de Pioro et Mokry, le terme fluide supercritique

inclut les deux termes fluide supercritique et comprim: le fluide est qualifi de fluide

supercritique ds lors que sa seule pression est suprieure la pression critique.

Vapeur deau supercritique (supercritical steam en anglais): est effectivement leau

supercritique, parce que le fluide est, aux pressions supercritiques, considr comme une

substance monophasique. Cependant, ce terme est largement (et incorrectement selon ces

auteurs) utilis dans la littrature en relation aux turbines et gnrateur vapeur deau

supercritique.


46/267


47/267


36

ORC supercritique, Turbine axial TAS, arocondenseur

Puissance: 13.2 MW

Fluide de travail: R134a

2.2.2.3. ORC multi-pression [98-102]

Une autre configuration du cycle de Rankine pour la gnration dlectricit est le cycle

multi-pression de transfert thermique haute temprature. Le schma dun systme de double-

pressions est montr dans laFigure 2. 16.Le fluide de travail est pomp vers deux gnrateurs

de vapeur basse et haute pression. Le fluide sortant de la turbine haute pression, est

mlang avec la vapeur basse pression pour entrer dans la turbine basse pression.

Figure 2. 16. Schma dun systme double-pressions dune centrale combine [102]

Figure 2. 17. Schma (a) et diagramme Tempraturechaleur (b) dun cycle sous-critique,triple-pression sans surchauffe [98]

On constate que dans cette configuration dORC, la diffrence de temprature entre la

courbe de refroidissement du fluide de la source thermique et celle de chauffage du fluide

cycl est plus faible que pour un cycle sous-critique avec un seul niveau de pression de ltape


48/267


49/267


38

comme dans le cas des cycles ORC. En vitant la part de lbullition, laddition de la chaleur

partir de la source thermique au fluide de travail est plus efficace.

Le cycle trilatral se compose dune pompe, dun rchauffeur, dune turbine diphasique et

dun condenseur. Le fluide de travail ltat du liquide satur est dabord pomp de lapression basse P1 la pression haute P2par la pompe. Ce fluide est chauff aprs jusqu la

temprature dbullition la pression P2 en changeant la chaleur avec la source thermique

dans le rchauffeur. A ltat de liquide satur la pressionP2, le fluide de travail entre dans la

turbine diphasique pour dlivrer le travail. Dans la turbine, le fluide de travail se dtend en

zone diphasique et sa pression descend jusqu la pression P1. A cette basse pression, le fluide

de travail cde sa chaleur au puits froid pour se condenser jusqu ltat de liquide satur dans

le condenseur.

Bien que ce type du cycle thermodynamique ait t bien considr depuis plus 30 ans, le

manque de turbines diphasiques avec haut rendement isentropique est lobstacle principal

pour la mise en uvre du cycle trilatral grande chelle.

2.2.2.5.Cycle ORC condensation (Organic Flash Cycle OFC en anglais) [107, 108]

La thorie fondamentale pour ce type de cycle ORC est rencontre dans les centrales

gothermiques condensation (flash steam power plant en anglais). Dans les centrales

gothermiques, les cycles vapeur deau mono-condensation (single-flash steam power

plant) ou double-condensation (double-flash steam power plants) sont souvent utiliss.

Selon Dipippo [109], il y a 169 units mono-condensation en opration dans 16 pays dans le

monde en aot 2011. Ce type de centrale rend compte denviron 29 % de toutes les centrales

gothermiques mondiales et produit environ 43 % de la puissance gothermique installe dans

le monde. Relativement aux centrales double-condensation, il y a 59 units rendant compte

denviron 10 % des centrales gothermiques mondiales.

Quand les puits gothermiques produisent un mlange vapeur et liquide, la centrale

mono-condensation est une voie simple pour convertir lnergie gothermique en lectricit.

Dabord, le mlange gothermique est spar en phases distinctes de vapeur et de liquide avec

une perte minimale de pression. La vapeur la sortie de sparateur est utilise pour actionner

la turbine avant entre dans le condenseur. Le liquide satur sortant du sparateur est rinject

dans des puits dinjection avec celui sortant du condenseur. Les diagrammes T-s pour les

centrales mono-condensation et double-condensation sont prsents dans laFigure 2. 19.


50/267


39

Un inconvnient majeur de centrale condensation est que la vapeur aprs la dtente

contient une quantit significative dhumidit car leau est un fluide mouillant (les catgories

des fluides de travail du cycle ORC sont discutes en plus dtaill dans le chapitre 3) et a une

pente ngative de la courbe de vapeur sature dans le diagramme T-s(voirFigure 2. 19). En

ralit, les cycles vapeur deau sature dans les installations gothermiques et nuclaires

demandent encore des turbines spciales vapeur mouillante avec des matriaux de

renforcement pour protger les aubages de la turbine de lrosion cause par la condensation

partielle pendant la dtente [110]. La condensation partielle de vapeur sature pendant ltape

de dtente peut tre vite en utilisant des fluides isentropiques (caractriss par une courbe

sature de vapeur verticale dans le diagramme T-s) ou schants (prsentant une pente positive

de la courbe de saturation de vapeur dans le diagramme T-s) la place de leau. LaFigure 2.

20 (a) prsente le schma dun cycle de Rankine mono-condensation utilisant un fluide de

travail schant.

Figure 2. 19. Diagramme T-s pour centrales vapeur mono-condensation (a) et double-condensation (b) [109]

Figure 2. 20. Schma (a) et diagramme T-s(b) du fluide de travail pour le cycle OFC [107]


51/267


52/267


53/267


42

Le cycle OFC prsente des potentiels pour la rcupration et la valorisation des rejets

thermiques temprature moyenne et leve.

Parmi les configurations du cycle ORC mentionns ci-dessus, le cycle organique de

Rankine sous-critique est le moins complexe et demande le moins de maintenance. En effet,dans une recherche [93] ralise par GE Global Research (http://ge.geglobalresearch.com)

pour la combinaison dun cycle ORC et les systmes gothermiques amliors (Enhanced

Geothermal Systems EGS en anglais), plusieurs configurations du cycle ORC avec plusieurs

fluides de travail sont tudies pour diminuer le cot moyen actualis de l'lectricit

(Levelized Cost of Electricity LCOE en anglais). Selon les rsultats de cette tude, il est

trouv que le LCOE est diminu quand la temprature de ressource gothermique augmente

(voirFigure 2. 23).

Figure 2. 23. Comparaison du cot moyen actualis de l'lectricit vs. Gamme de tempraturede source de chaleur de diffrentes configurations du cycle ORC [93]

En comparant des diffrentes configurations du cycle ORC avec le cycle ORC sous-

critique utilisant lisobutane comme fluide de travail, les auteurs ont trouv quavec une

ressource de temprature 175 C, il ny aucune amlioration au niveau de cot moyenactualis de l'lectricit des diffrentes configurations dORC par rapport au cycle sous-

critique utilisant isobutane.

Avec une ressource gothermique de temprature infrieure 175 C, le cycle trilatral-

flash prsente le LCOE le plus haut parmi quatre cycles tudis. Cependant, llectricit

produite une si faible temprature reste encore relativement chre (36.5 cents/kWh5pour le

cycle trilatral optimum une temprature de ressource de 150 C).

50.365 $/kWh
http://ge.geglobalresearch.com/http://ge.geglobalresearch.com/


54/267


43

Quand la temprature du fluide gothermique est suprieure 175 C, les cycles

supercritiques et sous-critiques deviennent les choix les plus performants. Daprs les auteurs,

le cycle double pression ne prsente pas dintrt en termes de LCOE en raison de surcot

associ au dispositif supplmentaire demand pour la boucle faible pression, sans profit

significatif nergtique partir de la deuxime boucle.

Pour les deux candidats potentiels moyenne et haute temprature, c..d. le cycle sous-

critique et supercritique, le cycle supercritique est le meilleur en terme de LCOE aux

tempratures moyennes suprieures 175 C. Cependant, cet intrt disparait quand le fluide

gothermique travaille une temprature suprieure 275 C. Cela peut tre expliqu par la

pression oprationnelle extrmement leve du cycle ORC supercritique qui demande des

quipements coteux pour maintenir les conditions supercritiques du fluide de travail.

2.2.3. Situation actuelle de la recherche du cycle ORC

Actuellement, les cycles organiques de Rankine suscitent beaucoup dattention en

recherche et dveloppement (R&D) pour la gnration dlectricit partir des sources

thermiques basse temprature. Un grand nombre de projets R&D sont excuts pour

lutilisation des cycles ORC. Sur le site du Centre de Connaissance du cycle ORC

(www.kcorc.org), plusieurs projets R&D sur la technologie ORC sont lists et subdiviss

selon leur source de financement. Quelques projets actuels sont prsents ci-dessous:

2.2.3.1. Financement Europen

1.

H-REII Demo (Heat Recovery in Energy Intensive Industries)

Priode: 01/2012 09/2014

Budget total: 4 448 876

Financement: Programme LIFE UE (http://ec.europa.eu/environment/life)

Objectifs:

o Prolonger les rsultats obtenus au niveau national avec le projet H-REII, au niveau

Europen

o Dvelopper dans le secteur de lacier le premier prototype de rcupration de

chaleur dans four arc lectrique (EAC Electric Arc Furnace en anglais) en

utilisant la technologie ORC, qui est totalement intgre dans une installation

dextraction de fumes. Cela devrait mener une rduction significative de la
http://ec.europa.eu/environment/lifehttp://ec.europa.eu/environment/life


55/267


44

consommation totale dnergie et une amlioration de la performance de

linstallation dpuration des fumes dans les applications des industries trs

consommatrices en nergie (industrie sidrurgique, ciment, verre, etc.)

o

Promouvoir la cration dune plateforme technologique europenne concernantlefficacit nergtique et la durabilit en industrie, grce au rseau existant des

contacts et la participation en cours des partenaires du projet dans les groupes de

travail ddis italiens et europens.

Website:www.hreii.eu/demo/en/project.php

2. LOVE (Low-temperature Heat Valorization Towards Electricity Production )

Priode: 01/10/2011 31/03/2014


Financement: EU-FP7 Energy (http://cordis.europa.eu/fp7/energy/)

Objectifs:

o Identifier les secteurs les plus intressants pour la valorisation de chaleur

industrielle fatale (ex. ciment, sidrurgie, alimentaire)

o

Concevoir les technologies spcifiques pour les environnements hostiles

o Appliquer les rsultats lindustrie du ciment, slectionne comme cas dtude

o Dvelopper les mthodologies compltes assistes par ordinateur pour la prise de

dcision en ce qui concerne la valorisation des sources de chaleur basse

temprature.

Website:http://love.epfl.ch/

3.

BRICKER (Total Renovation Strategies for Energy Reduction in Public Building)

Priode: 01/10/2013 30/09/2017


Financement: EC FP7 Grant N 609071

Objectifs: BRICKER est un projet de dmonstration pour dvelopper un systme volutif,

reproductible, de haute efficacit nergtique, zro mission et rentable pour rnover les

btiments du secteur public (non rsidentiel) existant pour accomplir au moins 50 % derduction de consommation nergtique.
http://www.hreii.eu/demo/en/project.phphttp://cordis.europa.eu/fp7/energy/http://love.epfl.ch/http://love.epfl.ch/http://cordis.europa.eu/fp7/energy/http://www.hreii.eu/demo/en/project.php


56/267


45

Website: http://www.bricker-project.com

4.

CPV/Rankine (Improving the Performance of Concentrating PV by Exploiting the

Excess Heat through a low temperature Supercritical ORC)

Priode: 01/2013 01/2015

Financement: EU's FP7 programme, grant no. 315049

Objectifs: lobjectif du projet est dtudier largement le procd intgr CPV/T-SCORC

et de dvelopper, de construire et tester un systme hybride petite chelle avec une capacit

de 14 kWp, rcuprant la chaleur par le procd SCORC pour la gnration dlectricit. Une

rduction significative de cot lectrique spcifique est anticipe, atteignant 0.12 /kWh la

fin du projet et mme plus faible quelques annes aprs.

Website:http://cpvrankine.aua.gr

5. NoWaste (Engine Waste Heat Recovery and Re-Use)

Priode: 10/2011 05/2015


Financement: FP7

Objectifs: le projet est dvolu au dveloppement dun cycle thermodynamique (Rankine)

et des composants lis pour convertir la chaleur perdue en lectricit puis son intgration un

moteur et sur un vhicule (camion) de dmonstrateur. La performance cible du projet:

o Economie de carburant: > 12 % de rduction de consommation de carburant au

niveau de vhicule sur un cycle de rfrence

o Cot (pour fabrication d'quipement d'origine): < 4500 /systme

o

Poids: < 150 kg

Website:http://nowasteproject.eu

2.2.3.2. Financements nationaux

1. Fluid mixtures for ORC-process

Priode: 2010 2015

Budget total: 399 854

Financement: Fondation de Recherche Allemande (German Research Foundation - DFG)
http://cpvrankine.aua.gr/http://nowasteproject.eu/http://nowasteproject.eu/http://cpvrankine.aua.gr/


57/267


58/267


47

Financement: la fondation Bavaroise pour la recherche (Allemagne)

Objectifs: les partenaires du projet dveloppent un module ORC avec une capacit

lectrique < 50 kW. Une micro-turbine innovante et lvaporation directe du fluide de travail

sont ralises. La slection du fluide de travail et la conception des composants sont suivis parla construction dune installation de dmonstration dune capacit lectrique de 20 kW.

Website:http://www.zet.uni-bayreuth.de

5.

SCORC (Supercritical-ORC)

Priode: 2013 2015


Financement: National Funded, Program SYNERGASIA II (Grce)

Objectif: le projet a pour objectif de dvelopper et mettre sur le march un moteur de

Rankine organique supercritique de basse temprature (80 100 C) de petite puissance (5

10 kWe) pour exploiter efficacement et rentablement les ressources thermiques normes de

basse temprature pour la gnration dlectricit.

Website: http://www.aua.gr/~gpap/

6.

Two-stage-RO-Rankine

Priode: 2011 2014


Financement: Programme SYNERGASIA I (Grce)

Objectif: le projet a pour objectif de dvelopper, concevoir et valuer exprimentalement

une unit de dessalement par osmose inverse avec le travail mcanique produit par une unit

dORC de 2 tages.

Website: http://solar-orc-ro.aua.gr

7.

ORCNext (The next generation organic Rankine cycles)

Priode: 02/2012 02/2016


Financement: Programme IWT SBO(Belgique)
http://www.zet.uni-bayreuth.de/http://www.zet.uni-bayreuth.de/


59/267


48

Objectif: premire recherche a pour objectif de dvelopper de nouvelles architectures du

cycle ORC pour augmenter le rendement. Deuxime recherche est dexaminer les systmes

efficace pour les gammes de petite puissance.

Website:www.orcnext.be

8. CC-PowerTraine

Priode: 11/2013 11/2017

Budget total: 1 M

Financement: STW (Fondation nerlandaise de la technologie), Dana Spicer

9. Cycle ORC supercritique solaire pour lnergie et la chaleur industrielle

Dbut: 03/2012

Budget total: 1 700 000 $

Aide de lARENA7: $812 000 (Australie)

Objectif: ce projet va dmontrer la capacit dun systme solaire thermodynamique

innovant pour fournir llectricit 24h/7j en utilisant un stockage solaire thermodynamique et

en oprant comme une centrale automatise en conjonction avec un appoint gaz.

2.2.3.3. Financement priv

1.

MarineORC

Priode: 2013 2014


Financement: Det Norske Veritas (Norvge)

Objectif: concevoir et tester un prototype exprimental dun cycle ORC sous-critique

pour la rcupration de chaleur partir des moteurs diesels de bateaux. La puissance du

moteur ORC est peu prs de 5 kWe avec la chaleur entrante de 50 kWth (temprature

maximale de fluide organique est de 150 200 C)

2.

Sun2Power (Sun2Power Micro Solar CSP Plant)

Priode: 2010 2014

Coordinateur du projet: Universit de Lige (Belgique)

7Australian Renewable Energy Agency
http://www.orcnext.be/http://www.orcnext.be/


60/267


49


Objectif: le but du projet est de dvelopper et installer une microcentrale solaire

thermodynamique au sud de la France. La puissance cible est de quelques kWe.

2.2.4. Applications et march du cycle ORC

Actuellement, le march des technologies ORC focalise principalement sur quatre

applications majeures: la gothermie, la valorisation de biomasse, la rcupration de la

chaleur, et lnergie solaire.

2.2.4.1. Energie gothermique

Lnergie gothermique est dfinie comme la chaleur qui vient de la Terre. Cest une

ressource propre et renouvelable qui fournit lnergie pour une varit dapplications et deressources. Cette ressource dnergie est considre comme une ressource renouvelable parce

que la chaleur manant de lintrieur de la plante est essentiellement illimite notre chelle.

Un systme gothermique est bas sur la chaleur, la permabilit et leau. La chaleur du

centre de la Terre, atteint parfois la surface comme la lave volcanique, mais reste souvent au-

dessous de la crote de la plante, chauffant la roche et leau proximit. Leau chaude ou la

vapeur deau peut tre pige dans des roches permables ou poreuses sous une couche de

roche impermable. Un rservoir gothermique peut donc se former.

Lnergie gothermique peut tre utilise pour la production dlectricit, des objectifs de

chauffage commercial, industriel et rsidentiel direct (voir Figure 2. 24). Actuellement, il

existe plusieurs configurations de centrale gothermique.


61/267


50

Figure 2. 24. Diagramme modifi de Lindal pour les applications de fluides gothermiques[109]

Centrale vapeur deau mono-condensation (single-flash steam power plants)

Centrale vapeur deau double-condensation (double-flash steam power plants)

Centrale vapeur deau sche

Centrale cycle binaire

Les systmes de conversion dnergie gothermique avancs: systmes hybrides de

mono- et double-condensation, systmes hybrides des centrales condensation et des

centrales cycle binaire.

2.2.4.2. Biomasse

Brler la biomasse et le ptrole fossile libre le dioxyde de carbone (CO2) en atmosphre.

Cependant, la combustion de lnergie fossile libre CO2 emprisonn depuis des millions

dannes dans le Terre, influant sur le cycle naturel du CO2et amenant une augmentation de

la concentration en CO2 de latmosphre. Au contraire, la combustion de biomasse fait

retourner simplement en atmosphre le CO2 qui est absorb quand les plantes grandissent

pendant une courte priode de temps (de quelques annes environ une dcennie). La mme

quantit de CO2 absorbe de lair via le procd de la photosynthse pendant le

dveloppement des plantes est remis lenvironnement par la combustion de biomasse. Donc,


62/267


51

il ny a pas de variation nette du CO2dans latmosphre, c..d. une transformation neutre en

CO2, si le cycle de croissance et de la rcolte est durable. Cest pourquoi, la biomasse peut

tre considre comme une ressource dnergie renouvelable (Figure 2. 25). Quelques

missions nettes de CO2 se produisent si la production (la plantation, la rcolte ou le

traitement) ou le transport de biomasse font appel lutilisation des carburants fossiles.

Figure 2. 25. Biomasse est une ressource dnergie renouvelable [14]

La biomasse est le plus convenable des systmes dcentraliss de cognration de petite

et de moyenne chelle8 malgr les faibles valeurs de chaleur de combustion (compare aux

carburants fossiles (Tableau 2. 3)). Depuis peu, les recherches relatives aux systmes de

cognration de petite et moyenne chelle attirent beaucoup dattention dans le monde. Dans

le travail de Dong et al. [111], une revue des technologies de cognration est ralise; en

particulier, les technologies bases sur la gnration dlectricit par un cycle ORC. En effet,

le nombre de sites bas sur des systmes ORC pour la valorisation de biomasse est le plus

important par rapport aux autres applications du cycle organique de Rankine dans le monde.

Actuellement, Turboden fournit des solutions pour la cognration avec la capacit de

puissance lectrique de 200 15000 kWe.

8

Directive Europenne de cognration 2004/8/EC dfinit les units de c

etude de la faisabilité des cycles sous-critiques et supercritiques de rankines pour la...

Documents