Alors voilà, on arrive déjà à un sujet qui est sur les turbines à gaz. Et les turbines à gaz, vous allez voir que pour moi, elles sont un peu plus simples que les turbines à vapeur ou les cycles frigorifiques parce qu'il n'y a pas de changement d'état et on va pouvoir utiliser une loi que vous connaissez normalement vraiment bien qui est la loi des gaz parfaits. Alors les turbines à gaz, quand on parle d'une turbine à gaz, c'est un abus de langage parce qu'on considère l'intégralité de l'installation.
Et ici, c'est ce qui est représenté sur... Les photos ici, quand on regarde une turbine à gaz, la partie réellement turbine, c'est juste ceci ici. C'est juste la fin de la turbine.
Et pareil ici, la partie qui est réellement une turbine, l'équivalent de la turbine dans la turbine à vapeur, c'est cette partie-là. Parce qu'une turbine à gaz comprend un compresseur, un étage de compression, enfin plusieurs étages même de compression, une chambre de combustion et ici une partie turbine. Il faut bien différencier. On a ici une chambre de combustion et pas une chaudière comme dans d'autres cycles.
Quelle est la différence entre une chaudière et une chambre de combustion ? Dans une chaudière, il n'y a pas de mélange entre le fluide chauffé et les gaz de combustion. Ici, comme c'est une chambre de combustion, le fluide qu'on cherche à chauffer, on va injecter du carburant dedans et on va réaliser une combustion. Donc en fait, ici, il y a vraiment un ajout de combustible et une combustion avec le fluide qui est pour une turbine à gaz de l'air. Alors les turbines à gaz, on va en voir deux types.
Alors il y a celles-ci qui sont illustrées ici qui sont de type aérodérivative. Pourquoi on dit aérodérivative ? Et bien parce qu'en fait leur forme est inspirée des turbines de l'aviation.
Aérodérivative, ça veut dire dérivé de l'aéro, donc dérivé de l'aviation. Et donc ça ce sont des turbines qui sont en fait, donc ça c'est celle qui est ici en dessous, et ici c'est vraiment une turbine aéronautique. Ici je vais vous montrer une turbine qui n'est pas aérodérivative. Et là vous voyez qu'est-ce qui va changer pour une turbine qui n'est pas aérodérivative. Donc quand je dis aérodérivative c'est dérivé de l'aviation mais utilisé en stationnaire, donc installé, placé pour produire de l'électricité.
Donc en fait ici, si je reviens ici, le but de la turbine c'est de faire tourner l'axe de compression. Mais on va le voir par la suite, le travail de compression est plus petit que ce que je peux produire en détente. Et donc au bout de l'arbre...
on va venir placer à ce moment-là une génératrice de courant, un générateur de courant, comme dans le cas d'une turbine à vapeur. Et donc, la turbine ici va produire plus de travail que la compression, et cet excédent de travail va être converti en électricité. Je vais vous montrer une autre illustration.
Là, c'est une coupe d'une turbine qui n'est pas aérodéribative. Et dans cette coupe, on va voir que les arrivées d'air sont un peu plus imposantes. et la chambre de combustion on va voir ici elle est on pourrait quand même dire qu'elle est légèrement pensée aérodivérilative parce que la chambre de combustion est très compacte également et donc en fait si vous devez suivre le chemin de l'air l'air il passe en fait ici uniquement sur l'extérieur donc je vais essayer de vous illustrer ceci avec une couleur donc on va voir l'extérieur l'air qui rentre par ici l'air ici est froid il passe sur l'extérieur vous voyez toutes les petites ailettes donc ici la partie c'est pour ça que c'est rayé en fait c'est une partie d'axe qui est pleine et l'air ici il va chauffer petit à petit je vais prendre une autre couleur il va passer ici en jaune il va avoir la combustion et là après il va donc dans la zone de combustion chauffer et donc ici on va avoir quelque chose comme ceci beaucoup plus chaud et puis il va repartir par là Vous voyez qu'en fait, on passe d'une grande section de passage à une section qui est de plus en plus petite.
Pourquoi ? Parce que, justement, comme le gaz est en train d'être comprimé, son volume massique diminue fortement. Et puis alors, après, la zone de combustion, quand on commence à détendre, le gaz se détend et donc occupe de plus en plus d'espace.
Et là, vous voyez qu'à nouveau, la section passage, c'est juste la section extérieure. Ici, à l'intérieur, il n'y a rien qui passe. Je vais vous montrer également une dernière photo.
Avant de vous laisser avec une petite vidéo, une animation, qui vous permettra peut-être un peu mieux de comprendre comment cela se passe. Donc voilà, ça c'est une turbine qui n'est clairement pas aérodérivative, parce que là vous voyez en fait que sur cette turbine, on a toujours, donc là c'est ce qui était peut-être moins évident en coupe, mais donc on a en fait l'arrivée d'air qui est sur tout l'extérieur, en fait ici, et donc la section où l'air va rentrer ici, et ça c'est à donc il faut imaginer que l'air rentre. On a du coup des étages de compression.
On a beaucoup d'étages de compression qui sont ici de plus en plus étroits. Alors on ne le voit pas forcément que c'est plus étroit, parce que ce n'est pas le diamètre extérieur qui est vraiment de plus en plus petit, mais c'est, comme on le voit ici sur la photo précédente, c'est le diamètre intérieur qui est en train de grandir. Donc ici c'est le diamètre intérieur qui grandit, et l'extérieur qui rétrécit un petit peu.
Ici, on voit la même chose. Le diamètre extérieur est ici, mais aussi les ailettes sont de plus en plus petites. Après, ici, la chambre de combustion, vous voyez que ce n'est pas du tout ce qu'on voit sur un avion, parce que la chambre de combustion est complètement externe. Et on va avoir une chambre de combustion qui va être extérieure. Le fluide ici va monter dans la chambre de combustion, va redescendre, et va à ce moment-là venir se détendre sur les quelques étages de turbine.
OK ? Alors... Pourquoi est-ce qu'on peut avoir une chambre de combustion déportée ?
En fait, c'est beaucoup plus facile cette chambre d'accès. On peut choisir un design beaucoup plus libre que lorsqu'on est proche ici, qu'on essaye de faire la turbine la plus compacte possible. Tout ce qui est système aussi, en fait, il faut savoir que toutes ces turbines sont équipées de pas mal de systèmes de sécurité, anti-explosion au cas où il y aurait des anomalies de fonctionnement. La turbine est plus ou moins à l'arrêt, il y a un mélange air-gas qui est là mais qui n'est pas en train de brûler, etc.
Donc il y a tous les systèmes d'incendie et anti-explosion qui sont placés sur la turbine. Et donc dans ce genre de système, on peut avoir un meilleur contrôle sur tout ça. Et sur une turbine de grande puissance, ça va être plus facile de gérer et d'avoir une belle zone de combustion ainsi.
Et donc sur des turbines qui sont des turbines stationnaires pour production d'électricité, on va fréquemment avoir ce design avec... des chambres de combustion qui sont extérieures et donc vous voyez qu'ici on a deux chambres de combustion, on ne sait pas faire à mais il y en a une chambre de combustion à gauche et là on a une chambre de combustion à droite qui est partiellement découpée ici pour pouvoir avoir une vue sur la turbine. Alors je vous laisse maintenant regarder la petite vidéo de General Electric, j'ai coupé un morceau de cette vidéo mais pour ceux qui veulent voir la vidéo entière, je vous donnerai le lien YouTube en dessous de cette vidéo.
Bon visionnage ! C'est ce qui se passe dans l'engin de votre voiture familiale, mais à environ 2900 fois plus de puissance. En fait, c'est exactement comme les engines de turbine sur des avions de jet.
Le gaz chaud créé de la mixture ignitée se déplace dans les blades de turbine, forçant-les à tourner à plus de 3000 rpm. L'énergie chimique a maintenant été convertie en énergie mécanique. La turbine capture ensuite de l'énergie de l'expandant, ce qui cause le châssis de la voiture. qui est connecté au générateur pour se tourner.
Ce générateur a un large magnet entouré de coils de fil de fer. Quand ce magnet tourne vite, il crée un puissant fil magnétique qui line les électrons autour des coils et les cause à bouger. L'énergie mécanique qui tourne a maintenant été convertie en énergie électrique parce que le mouvement des électrons à travers un fil est l'électricité.
Dans ce qu'on appelle le cycle de combinaison des planètes de puissance, Le turbine de gaz peut être utilisé en combinaison avec un turbine de fer pour générer 50% plus de puissance. Le gaz de gaz généré par l'électricité est utilisé pour créer de l'électricité et un boyle, qui puis passe les blades de turbine de fer avec leur propre châssis de conduite qui tourne le générateur. Ce que vous avez à finir est le système le plus efficace pour convertir de l'énergie en énergie. Et c'est votre GE Gas Turbine 101. La turbine de gaz, le cœur de chaque plante de puissance combinée.
La pièce de machinerie qui mélange l'air avec le carburant et la tourne dans le pouvoir qui élargit les vies et conduit au développement dans le monde. Et la technologie de l'EGC est en train de pousser les frontières le plus possible. GE a configuré la solution de turbine de gaz HA pour délivrer des niveaux de performance inéquitables. Avec les matériaux avancés les plus innovants du monde, la récréation, l'aérodynamique, la combustion et les capacités digitales, les turbines de gaz HA de GE donnent la conversion la plus coste-effective de la gaz naturel à l'électricité de leur classe, avec une efficacité de cycle combinée de record.
Dans un monde éventuellement changeant, la versatilité est critique. Nous avons développé la technologie HA pour accommoder une variabilité de gaz à large, y compris les combustibles liquides. Les turbines ont aussi la flexibilité de ramper et de tourner.
Nous avons seulement une terre. Pour nous, la durabilité est la clé. GE a alors validé la technologie HA à la plus compréhensive de la monde la facility de test de turbine de gaz.
GE's Test Stand 7 à Greenville, en-dessous de la Caroline. Une capacité unique que seulement GE peut offrir. En poussant tous les 4 modèles de turbine de gaz HA vers les conditions réelles, nous pouvons apporter des avancées technologiques à l'industrie du pouvoir et donner aux clients la confiance en sachant que... Ils ont été testés et prouvé avant la première unité dans le domaine qui a jamais atteint le premier feu.
Maintenant, GE délivre sur ces promesses, délivrant les plus avancées, efficaces et efficaces plantes de gaz au monde, partout au monde. La première plante de gaz à cycle combiné GE-HA a été commissionnée en Bouchon, en France, et a été immédiatement célébrée pour atteindre une efficacité nette de 62,22%. Et nous ne nous arrêtons pas là.
Les plantes avec cette technologie H.A. imprécédente sont aussi en train de devenir une réalité au Japon, aux États-Unis et au Pakistan. Avec des unités H.A.
installées sur presque tous les continents, GE's Gas Power Systems est en train de nous diriger vers notre commitment de pouvoir tout le monde. Voilà, alors j'espère que ces vidéos, qui sont des vidéos commerciales et donc pas toujours scientifiquement exactes, notamment la vidéo où vous voyez l'air représenté par des bulles qui passe vraiment partout à l'intérieur de la turbine, alors qu'au final, il passe vraiment juste sur le conduit extérieur, ce genre de choses. En tout cas, j'espère que ces vidéos, il y en a certaines qui vous montrent plusieurs vues éclatées d'une turbine, vous auront un peu mieux compris comment était constituée une turbine. Ici, on va se concentrer sur un modèle thermodynamique très simple, qui va se concentrer sur le fluide plutôt que sur les éléments mécaniques.
Donc le modèle de la turbine, il est constitué de trois éléments ici, parce que la turbine, pour rappel, c'est un cycle qui va être ouvert. C'est un système ouvert, donc ça veut dire qu'on va avoir à chaque fois des éléments, donc les transformations vont se faire en système ouvert, on va avoir à chaque fois des éléments qui sont traversés par un fluide de manière constante. Donc ici, dans un compresseur, j'ai tout le temps de l'air qui rentre et tout le temps de l'air qui ressort. C'est un compresseur ici qui n'a pas la forme d'un compresseur à piston. C'est vraiment plutôt un turbo-compresseur et donc il fonctionne lui avec toujours de l'air qui rentre en permanence et de l'air qui ressort.
On pourra peut-être en reparler si on a le temps dans les questions-réponses. Mais donc ici on va avoir une action en permanence et ce n'est pas une action qui va être une action volumétrique. Dans un compresseur à piston, c'est ce qu'on appelle un compresseur volumétrique où on va vraiment jouer sur le volume.
On va accélérer le fluide, augmenter son énergie cinétique, et puis on va transformer cette énergie cinétique en pression lorsqu'on va ralentir celui-ci. C'est un peu particulier, mais ici on aura bien un système qui est ouvert. Pourquoi est-ce que le cycle est ouvert ?
Parce qu'à la fin d'une turbine à gaz, on rejette des gaz comburés, des gaz brûlés, dans lesquels il y a beaucoup moins d'oxygène, et donc on ne pourrait pas réutiliser... ces mêmes gaz et donc en fait ici on va toujours prendre de l'air frais et rejeter des gaz comburés. On le rejette, on prend l'air à pression atmosphérique et on rejette forcément également dans l'air et donc on va rejeter à pression atmosphérique.
Ça c'est une des caractéristiques dont on parlera et qui est très importante ici parce que le cycle à vapeur vu qu'il s'agit d'un cycle fermé, il n'y a pas de référence de pression et donc on va aller choisir une pression en fonction de la température de la source froide et une pression qui sera beaucoup plus basse que la pression atmosphérique. Ici, on est limité, on va devoir commencer au point 1 à pression atmosphérique, et on va rejeter au point 4 à pression atmosphérique également. Du coup, on va bien avoir ici deux niveaux de pression à nouveau, un niveau de pression en 1 et 4, et un autre niveau en 2 et 3. Alors, qu'est-ce qu'on va faire ? Le principe ici, c'est qu'on va passer d'abord dans un compresseur, puis dans une chambre de combustion, et puis on va détendre dans une turbine. On va repartir du fait, si vous vous souvenez, ce qu'on avait vu avec les gaz parfaits, On a vu, tiens, mais en fait, ça demande plus d'énergie de faire une compression d'un gaz chaud que d'un gaz froid.
Si vous vous souvenez, on avait dit, tiens, mais en fait, le travail, c'est quoi ? Eh bien, on va avoir, c'est l'air dans un diagramme TS, et si on regarde le TDS, si vous vous souvenez, on avait dit, tiens, T delta S, eh bien, plus T est haut, pour un même delta S, eh bien, plus on aura de travail. OK, et donc ?
Comprimer un gaz qui est à 20°C va demander moins de travail, 20°C à 1 bar, que de comprimer un gaz qui est à 300°C à 1 bar. C'est justement ça qu'on va utiliser comme principe dans la turbine à gaz. On va venir dans une turbine à gaz, comprimer un gaz froid, et donc ici un gaz froid va être à peu près à 20°C.
On va ressortir ici du compresseur déjà à une température de 500°C, 600°C, voire 700°C. Et puis on va rentrer dans la chambre de combustion et là on va ressortir à des températures de 1500°C. Et on va détendre. Et bien, en fait, comme je vous dis, comprimer un gaz chaud, ça demande plus de travail. Et bien, en fait, détendre un gaz chaud va donner plus de travail que détendre un gaz qui est froid.
Donc typiquement, si je faisais une compression jusque 700°C et puis une détente de 720°C, et bien je vais normalement avoir plus ou moins le même travail de compression que le même travail de détente. Et bien ici, je vais faire une compression de 20°C à 700°C. Et je vais passer de ces 700°C à... quelque chose comme 1500°C et donc je vais faire une détente qui cette fois-ci va libérer beaucoup plus de travail qu'une détente qui aurait été de 700°C à 20°C et je vous ai dit que la détente de 700°C à 20°C c'est la même chose que la compression de 20°C à 700°C et bien donc en fait je vais avoir une turbine qui va me produire un travail beaucoup plus grand que ma compression.
Et bien c'est vraiment ça qui va nous permettre du coup de récupérer plus de travail in fine. Donc je vais faire une compression, je chauffe Et comme j'ai chauffé, ma détente va produire plus de travail. Qu'est-ce que ça m'a coûté ?
Eh bien, ça m'a coûté le flux de chaleur à la source chaude. Le flux de chaleur à la source chaude, eh bien, c'est la chaleur libérée par la combustion dans la chambre de combustion. Ici, est-ce que j'ai une perte à la source froide ? Eh bien, pas vraiment de perte réelle à la source froide, parce que je dis, OK, de 4 à 1, eh bien, c'est un cycle qui est ouvert, et donc je n'ai pas de transformation de 4 à 1. Mais dans les faits, effectivement, mes gaz en 4 que je rejette à l'atmosphère, tout ça c'est de la chaleur perdue et donc c'est de la chaleur qui est rendue à la source froide au final. Et donc je pourrais virtuellement tracer ici une transformation entre 4 et 1, qui est le fait que mes gaz 4, je les relâche à l'atmosphère, et l'atmosphère est aux conditions 1. Alors ici c'est une représentation qui est vraiment typique pour les turbines à gaz, donc on a bien un sens de rotation, ici je n'ai pas un vrai sens de rotation, parce qu'à nouveau je n'ai toujours pas de vraie transformation, mais donc j'ai un sens de...
rotation qui est horlogée et donc je vais avoir ici un cycle qui est moteur qui va produire du travail ici c'est un peu particulier parce qu'on dit tiens en fait le compresseur et la turbine à gaz ils sont sur le même axe bien oui parce qu'en fait ici je vais faire purement du transfert mécanique j'aurais pu dire et ça c'est ce qui se passe dans une turbine dans une centrale vapeur et bien la turbine va produire de l'électricité et puis en fait je vais alimenter ma pompe par de l'électricité également à un autre endroit du circuit. Et en plus, là, la consommation de la pompe, elle est négligeable, mais quand on fait des vrais bilans, je vais l'intégrer, même si elle est très faible, etc. Bien ici, je vais tout mettre sur le même arbre. Donc en fait, je vais avoir mon compresseur qui va être alimenté par quoi ? Parce que, par le fait que la turbine, elle va produire beaucoup de travail, qui va faire tourner un arbre, et cet arbre, en fait, va venir faire tourner le compresseur et tourner, en fait, ici, mon alternateur.
OK ? Et donc... La somme au final du travail de l'alternateur plus le travail du compresseur est égale à ce qui est produit par la turbine. C'est un système qui a une transmission qui est purement mécanique et donc ça a un rendement qui est relativement élevé. Plus que si je devais justement avoir production d'électricité et puis transport de cette électricité, à nouveau transformer l'électricité en travail mécanique.
A chaque fois il y a des rendements en conversion électrique qui sont là, même si les rendements sont très bons. Il y a à chaque fois des petites pertes. Et ici, j'ai un cycle sur lequel tout est sur le même arbre. Alors ici, c'est un cycle très simple.
Et vous verrez que si on commence à faire des cycles qui sont plus complexes, parfois on peut avoir des cycles avec deux arbres, ce genre de choses. Mais ça, ce sera de la matière que vous verrez dans les cours suivants. Et ici, on va se limiter aux cycles qui sont très simples. Alors ça, c'est pour le modèle thermodynamique. Ce modèle thermodynamique, maintenant, quand je le regarde dans un diagramme, ici, je vais utiliser un diagramme à nouveau HS.
Donc, pourquoi pas un TS ? Parce que, et ça, c'est la même chose que pour les cycles frigos, du coup, si on fait un HS, on verra tout de suite les grandeurs. On va y revenir par la suite. Mais surtout, il ne faut pas s'inquiéter, parce qu'ici, comme on va utiliser une loi des gaz parfaits, H, c'est quoi ? H est CP fois T.
Pour un gaz parfait, CP est constant, et donc, on aura juste... CP fois TS. Et donc, en fait, ici, c'est un diagramme TS avec une constante CP.
Et donc, au final, ça va avoir exactement la même forme dans un TS ou dans un HS. Si vous appliquez justement cette constante, au lieu d'avoir vous appliquez un facteur 1 sur CP sur votre diagramme H et vous dites voilà, mon échelle, c'est 1 sur CP fois H, et bien, c'est exactement un TS. OK ? Alors, pourquoi est-ce que je dis que c'est directement dans un HS on va tout voir ? Et bien, parce qu'en fait, Ce que vous allez voir, les parties, les hauteurs dans le diagramme HS, ça va être vos variations d'enthalpie.
Et vos variations d'enthalpie, pourquoi est-ce qu'on peut tout voir ? Parce que le travail moteur, que ce soit sur le compresseur ou sur la turbine, on va avoir Wm, comme on est en système ouvert, c'est Wm est égal à ΔH moins Q. Et on va dire ici dans les deux cas qu'on isole complètement le compresseur et la turbine, et donc Wm est égal à ΔH.
A est dans la chambre de combustion, dans la chambre de combustion on a Wm, donc ça c'est la chambre de combustion, là c'est compresseur et turbine. Donc dans la chambre de combustion, qu'est-ce qu'on va avoir ? On va avoir Wm égale delta H moins Q, mais dans cette chambre de combustion, il n'y a pas de travail moteur, vous pouvez voir ça comme un simple échangeur de chaleur, et donc qu'est-ce qu'on a ? On a Q est égal à delta H. Donc vous voyez bien ici que la partie verticale ici c'est ce qui est apporté à ma chambre de combustion, la partie verticale c'est ce qui est fourni comme travail au compresseur, et là c'est ce que la turbine va produire.
Donc vous voyez ici que votre rendement ça va être quoi ? Ça va être ce que produit la turbine, moins ce qui va être pris par le compresseur. Donc c'est ça qu'il faut regarder dans un cycle à vapeur.
On regarde juste ce que la turbine produit parce qu'on néglige ce qui est donné au compresseur. Mais ici, on va devoir réduire. Alors ici, vous prenez à peu près cette hauteur-là. Donc ça, c'est le travail compresseur.
Donc ça, vous le perdez. Et donc ça, c'est ce qui va être produit par votre turbine. Et donc si je regarde, ça c'est ma turbine.
et ça c'est en fait ma chaleur bien je peux déjà parce que pour rappel le rendement c'est avec la même chose c'est le travail que je récupère divisé par le flux de chaleur à la source chaude et bien j'aurai un rendement ici grosso modo on va dire 35% ça c'est ce qui est un peu représenté donc là aussi visuellement je peux directement voir en fait les différentes transformations alors pour rappel ici donc je pars J'ai deux niveaux de pression dans ma turbine. Ça, c'est le niveau P1 et ça, c'est le niveau P2. P1, c'est l'atmosphère.
Attention qu'ici, vous avez en trait continu les transformations. Et ici, en trait discontinu, de 4 à 1, ce que je vous ai dit, ce n'est pas vraiment une transformation qui existe. C'est juste pour dire que vous êtes sur la même isobar parce que vous relâchez à la même pression. Et ici... entre et ici en discontinue, ce que vous avez également c'est de 1 à 2s donc ça c'est dire tiens qu'est ce qui se passe si j'ai une transformation isentropique et ça c'est mon point 2 réel qui peut être pour rappel soit exprimé avec un rendement isentropique soit exprimé avec un rendement polytropique interne et donc le point 2 je le trouve par rapport au point 2s et puis alors après j'ai mon point 3, mon point 4s qui est toujours sur l'isentropique et mon coup Point 4 qui est réel, qui lui aussi peut être trouvé grâce à un rendement isentropique ou un rendement polytropique interne.
Ça c'est pour le schéma, le diagramme HSS et les transformations. Ici, c'est peut-être un peu rapide, mais ce sont toutes des transformations que vous connaissez et sur lesquelles on a longtemps travaillé. Des compressions isentropiques, des compressions polytropiques, etc. Et une détente isentropique ou polytropique. et là il s'agit juste d'un chauffage de gaz isobar.
Alors le flux de chaleur à la source chaude et bien ce qu'on va avoir c'est H3-H2, le flux de chaleur à la source froide lui c'est H1-H4 comme je vous ai dit c'est un flux de chaleur qui est virtuel parce que c'est pas vraiment un échange de chaleur avec une source froide c'est vraiment juste la chaleur qui est relarguée sur l'extérieur. Ici je peux calculer mon travail de compresseur bien comme l'intégrale de 1 à 2 de Vdp plus Wf. Je néglige le delta K et le delta G delta Z.
Le G delta Z, pourquoi ? Parce qu'on peut dire justement que sur mon compresseur, tout va se trouver sur le même axe. Pour rappel, si vous regardez sur les vidéos, tout est à l'horizontale.
Donc, je n'aurai d'office pas de G delta Z. Et pour le delta K, l'accélération-décélération du fluide est négligeable par rapport à la quantité de chaleur amenée par la compression. Et donc, j'ai ici H2 moins H1. Ou par exemple, ça c'est pour vous rappeler, avec un rendement isentropique, il suffit de calculer H2S moins H1 et le diviser par le rendement isentropique interne. Pareil, la turbine, là j'ai H4 moins H3 et le travail de la turbine, il faut bien faire attention, il sera négatif alors que celui du compresseur, lui, est positif.
Et donc, là c'est pour rappeler le fait que le travail moteur, c'est quoi ? C'est la différence entre Q1 et Q2. Mais c'est aussi, surtout, ici je vais avoir...
le travail de la turbine plus le travail du compresseur. Vous me dites, ah oui, mais attention, est-ce qu'on n'avait pas dit que ce que je récupérais, c'était la turbine moins le compresseur ? Oui, mais ceci est négatif, ceci est positif.
Et donc, si vous faites la somme des deux, vous allez avoir quelque chose qui est négatif ici, quelque chose qui est positif là. Le total sera quelque chose qui est négatif, mais plus petit que le travail de la turbine. Le rendement total du cycle, ici, c'est Wgm sur Q.
Ici, j'ai oublié de mettre... Ok. Ici, négatif, je dois mettre des barres pour prendre la valeur absolue. Et donc ici, j'ai 1 moins mon flux de chaleur en Q2 sur le flux de chaleur en Q1, pour rappel. Donc ça, c'est toujours les mêmes formules pour le rendement.
Qu'est-ce que je peux également regarder ? Eh bien ici, on va tout de suite regarder quels sont les paramètres d'optimisation, les limites et les contraintes. Eh bien, la contrainte...
la plus simple à voir, j'ai des contraintes naturelles et des contraintes technologiques. La contrainte naturelle ici, c'est mon point 1 et mon point 4, ils sont à pression atmosphérique. Et même le point 1, je le prends sur l'extérieur et donc c'est de l'air ambiant.
Et donc effectivement, plus il fait froid dehors, plus votre rendement normalement sera efficace, sera grand. Pourquoi ? Parce que là justement, j'aurai ma température de source froide qui sera...
la plus basse possible. Pour rappel, c'est avoir le plus grand écart entre la température de source chaude et la température de source froide. Après, comme je vous l'avais déjà dit, ce n'est pas toujours vrai parce que quand il fait plus froid dehors, vous avez aussi les hypothèses du fait que dire que mon compresseur est parfaitement isolé et ne perd pas de chaleur et que ma turbine ne perd pas de chaleur, sont également plus fausses quand il fait froid dehors parce que vous allez avoir plus de perte de chaleur s'il fait plus froid, etc.
Par contre, il y a effectivement, quand il fait trop chaud, Vous allez diminuer votre rendement et donc il y a certaines technologies dans des pays chauds qui sont par exemple le fait d'humidifier un peu l'air. Donc parce que si vous êtes dans un pays chaud où l'air est très sec, vous rajoutez de l'eau dans votre air, ça va diminuer sa température d'entrée et ce genre de choses. Il y a plein de petites améliorations qui peuvent être apportées au cycle, qui existent et qui sont très intéressantes à découvrir, mais que vous découvrirez dans le cours de machines motrices avec M.
Van Doren, pour ceux qui l'auront. Alors, le rendement thermique, du coup ici, c'est, pour rappel, la valeur absolue de H4-H3, donc le travail de la turbine, plus H2-H1 sur H3-H2, donc ça c'est ce qui est reçu à la socle chaude. Alors, je disais donc que...
1 et 4, eux, étaient limités en pression. Et le 4, lui, n'est pas vraiment limité en température. Vous pouvez, entre guillemets, rejeter à la chaleur que vous voulez. Mais si vous avez remarqué, on n'en parlera pas ici, et on en avait déjà parlé tout au début du cours, si le 4 est à une température qui est relativement élevée, ce qu'on fait très souvent maintenant, c'est qu'on va réutiliser cet air rejeté à une température élevée pour alimenter la chaudière.
d'un cycle à vapeur et créer les turbines gaz vapeur, c'était rappelé dans la petite vidéo de General Electric. Et donc on va à ce moment-là augmenter le rendement global du cycle parce qu'on va réutiliser ici une partie de la chaleur qui aurait été, si on avait fait une turbine classique, qui aurait été rejetée directement vers l'extérieur. Ça a des petits inconvénients dans le sens où une turbine à gaz seule est beaucoup plus réactive.
C'était rappelé dans la vidéo, mais donc elle monte très vite en régime, alors que la partie vapeur va prendre plusieurs heures. Donc pour une turbine à gaz, on peut avoir du suivi de crête beaucoup plus fort que pour la partie vapeur de la turbine à gaz. Mais bon, il y a des systèmes qui existent, donc des systèmes justement qui permettent de bypasser la partie vapeur si vous voulez monter très vite en puissance pour la turbine à gaz et que le cycle à vapeur suive seulement plus tard. Vous détériorez le rendement global, mais en tout cas, ça vous permet de faire du suivi de pic.
Ce qui est justement demandé pour le moment sur le réseau, comme on en a déjà discuté, c'est ce qui est demandé par le fait qu'il y ait des énergies qui sont intermittentes, comme l'éolien, etc. Et donc, vous pouvez à ce moment-là moduler plus facilement la puissance de votre turbine gaz ou de votre turbine gaz vapeur. L'autre, donc ça, c'est pour les contraintes naturelles sur le point 1 et le point 4. Donc le point 4, juste en pression, le point 1 en pression et en température.
Le point 2, il n'a pas vraiment de contraintes sur la pression ni sur la température, mais il va dépendre fortement du point 3. Parce qu'en fait, le point 3, la même chose que pour la vapeur vive, ici, au point 3, on va avoir des contraintes de pression et de température qui sont imposées par les limites technologiques. Alors ici, on va être à des pressions qui sont plus faibles qu'avec la vapeur. On va plutôt se retrouver à des pressions de l'ordre de 20, 22, 23 bar. Mais on va être à des températures qui sont beaucoup plus élevées.
On va fonctionner avec des températures qui sont plus élevées parce qu'on va avoir des zones de combustion, etc. qui sont beaucoup plus faibles que la chaudière dans un cycle à vapeur. Et donc on va pouvoir utiliser des matériaux différents et beaucoup moins de matériaux. Et donc on va partir sur des céramiques, etc. qui sont beaucoup plus chers. Il faut savoir que le premier robage de la turbine, vous avez vu dans les vues éclatées, c'est des petites ailettes qui font de l'or de 10-15 cm de haut.
Une ailette coûte plusieurs dizaines de milliers d'euros. On va partir sur des valeurs à 50-60 000 euros la petite ailette pour le premier étage de turbine parce qu'on va partir sur des matériaux très compliqués à l'intérieur justement pour qu'on puisse atteindre ces températures-là. et c'est des choses qui sont plus difficiles à faire justement sur une turbine à vapeur, pour atteindre ces températures-là, on va avoir toutes des petites trous, des refroidissements.
Donc on va réinjecter de l'air froid à tout petit débit pour refroidir le matériau à l'intérieur de l'huile d'être, etc. Et donc c'est vraiment des technologies très compliquées et qui demandent vraiment toute une ingénierie derrière. Alors à l'heure actuelle, je pense que les...
Les turbines les plus performantes et les plus récentes vont peut-être monter avec des matériaux jusqu'à 1600°C, quelque chose comme ça, pour le premier étage de turbine. Comme le gaz se détend, la température chute relativement vite, donc c'est vraiment le premier étage qui est le plus critique. Et parfois, certains étages plus bas sont moins critiques, et donc les ailettes sont moins chères.
Par contre, elles sont un peu plus grandes, justement, vu que le gaz se détend et que le passage de... de gaz à ce moment là est plus grand. Donc voilà ça c'est pour vous parler des contraintes vraiment de la turbine c'est très intéressant à voir et pourquoi aussi oui je vous parlais de démarrage et de temps pendant lesquels la turbine peut monter en puissance je parlais de temps de réactivité pour du GV de crête pour une turbine de l'ordre de 30 minutes à une heure mais Ce qu'il faut faire attention, c'est que là, je parle d'un démarrage qui se fait quand même à chaud.
Donc ça veut dire que votre turbine est déjà en train de tourner à très bas régime ou autre, parce que si vous avez un démarrage à froid, c'est un peu plus long. Et pourquoi ? Parce qu'en fait, comme le gaz passe au cœur de la turbine, vous avez une partie qui est la partie qui tourne, qu'on va appeler la partie rotor, la partie rotorique, et vous avez l'extérieur de la turbine qui a une partie fixe.
Et il ne faudrait pas, si vous démarrez et que vous montez trop vite en puissance, eh bien... Comme la partie extérieure est en contact avec l'air, cette partie-là refroidit le cœur, enfin moins en tout cas, et donc ce que vous risquez d'avoir, c'est que l'intérieur, la partie rotorique qui tourne, se dilate plus rapidement que l'extérieur. Et donc vous devez bien faire attention à ce genre de choses, parce que si vos ailettes se dilatent plus vite que le corps, comme il est en train de refroidir avec l'air extérieur, et bien...
il perd une partie de la chaleur, il chauffe moins vite, vous risquez d'avoir vos ailettes qui vont venir frotter sur votre partie extérieure. Et là, c'est du coup très problématique. Alors, il y en a qui vont me dire, Oui, mais pourquoi est-ce qu'on ne va pas laisser un espace plus grand ? Toutes ces pièces sont vraiment millimétrées, parce que si vous laissez un espace plus grand, il y a beaucoup d'air qui va passer dans votre turbine sur l'extérieur, qui ne va pas vouloir passer à l'intérieur de votre turbine.
Et donc, vous allez avoir un grand bypass. Et si vous avez du bypass, c'est de l'énergie qui est perdue. Le but, c'est vraiment, c'est comme si vous étiez en train de dire, oui, mais moi, j'ai un couloir d'air qui fait 60 cm de diamètre et je viens mettre une toute petite éolienne au milieu, elle ne va pas bien tourner, alors que si vous prenez une belle éolienne, une belle hélice, elle va vraiment bien tourner parce qu'elle va vraiment être occupée, en fait, tout le couloir de vent et bien occuper la surface de vent.
Alors la dernière chose que je voulais voir avec vous dans cette vidéo, c'est un exemple réel. Alors un exemple réel, ici j'ai repris une petite turbine, une turbine qui est relativement ancienne, mais pour laquelle j'avais vraiment toutes les caractéristiques. Et donc cette petite turbine, enfin pourquoi je dis une petite turbine, parce qu'elle fait 230 MW, et à l'heure actuelle on va avoir des turbines à gaz qui vont monter jusqu'à 300 MW. 400 mégawatts quoi attention juste pour la turbine à gaz ici parce que on va parler de cycle turbine gaz vapeur combiné qui font qui vont faire 6 700 voire 800 mégawatts bien ça c'est pour la turbine à gaz plus le cycle vapeur donc ici on a une relativement petite turbine 230 mégawatts ça devient quand même des puissances intéressantes parce que intéressante ça fait entre 100 et 200 éoliennes quoi donc ça devient quand même de la belle machine quoi Ici, ce qu'on va avoir, c'est une température extérieure qu'on a pris à 15°C.
Une température, ici, vous voyez, c'est là qu'on peut voir qu'elle est un peu plus ancienne, parce que la température max est de 1400°C. Un rapport de compression de 18°C. Je vous le dis maintenant, on monte un peu plus haut également.
Un rendement de compresseur de 90%. Un rendement de turbine de 90% également. Et un rendement mécanique, ici.
Donc ça, c'est la chambre de combustion. ça ne sera utile que pour calculer les débits de combustible donc un rendement de combustion de 95% et une perte mécanique ici de 0,15 donc d'un 1,5% donc un rendement mécanique de 98,5% alors ici les différents états vous voyez qu'on part d'une pression d'un bar à 100 kg pascal c'est un bar qu'on monte à 18 et entre la chaudière enfin dans la chambre de combustion pardon C'est pas une chaudière, c'est une chambre de combustion. Et donc ici, vous allez passer de 18 à 17,1. Pourquoi ?
A cause des frottements. Nous, on fera l'hypothèse d'une isobar, mais comme l'exemple que j'avais donné pour le cycle à vapeur, ici, dans une turbine à gaz, on va avoir des frottements et donc la pression ne restera pas parfaitement la même. On va avoir une compression qui va aller, comme c'est 18, on n'atteindra pas les 5-600°C dont je vous parlais tout à l'heure, mais on va partir en plus de 15°C. Donc on va...
partir de 15°C arriver à peu près à 430°C. Si on en a 20, ou 21, ou 22, on va forcément monter plus haut en température. Ici, l'entalpie, vous voyez qu'en fait, c'est juste le CP de l'air multiplié par la température. Ici, c'est un peu plus que le CP de l'air.
Pourquoi ? Parce que... Ici, c'est toujours le CP de l'air, mais ici, ça va être un peu plus le CP de l'air que le CP de l'air parce qu'on va avoir des gaz de combustion.
Et donc... Ici, vous voyez à chaque fois, on a l'enthalpie qui est super proche de la température. Ici, ce sera différent parce que le CP va varier avec le fait qu'on va rajouter du carburant et donc on va produire beaucoup de CO2, beaucoup d'H2O, etc.
Ne vous inquiétez pas, dans les exercices, soit on vous donnera un CP facile à calculer, soit on dira, ok, les fumées, on va les assimiler à de l'air pour ne pas se compliquer la vie. Alors, l'entropie, vous voyez que l'entropie, forcément, elle ne fait que croître. parce que je n'ai pas une isentropie pour de 1 à 2 et ni pour de 3 à 4. Et le fait de chauffer, j'ai un apport d'entropie externe qui est à ce moment-là très très grand.
La dernière colonne, ne vous inquiétez pas avec ça, c'est un concept que vous verrez plus tard, et j'ai juste oublié de la retirer. Alors pour vous donner une idée de ce que ça donne, pour avoir ces 230 MW, j'ai un débit d'air de 437 kg par seconde. Donc c'est, je vous rappelle, 1,2 kg d'air à peu près par mètre cube. Et donc là je vais avoir grosso modo...
380 m3 d'air qui rentre dans ma turbine par seconde pour vous donner une idée de la taille que ça représente donc à peu près pas loin des 400 m3 et donc vous dites ok c'est quelque chose qui fait Vous avez 10 mètres sur 10 m x 4 mètres de haut donc ça vous fait déjà un beau volume qui passe à chaque seconde à l'intérieur de votre turbine quoi Et vous voyez que le combustible, là, j'ai 11,2 kg de gaz naturel par seconde. Donc là, si vous regardez, c'est aussi pour vous donner un autre ordre de grandeur, j'ai 56 000 m3 de gaz qui passent à chaque heure. Là, le lambda, ça, on y reviendra plus tard, ça, c'est le...
Enfin, on va le dire justement maintenant, parce que quand je dis on y reviendra plus tard, c'est dans les cours suivants. Qu'est-ce que c'est le lambda ? En fait, c'est... la quantité d'air par rapport à la quantité de carburant que vous voulez brûler.
Et donc, en fait, ici, on met 2,3 fois trop d'air pour brûler le carburant. Alors, pourquoi est-ce qu'on met beaucoup plus d'air qu'il en faudrait pour brûler cette quantité de carburant ? Eh bien, en fait, qu'est-ce qu'on veut faire ?
Eh bien, en fait, c'est justement pour contenir la température. Comment est-ce qu'on fait pour ne pas atteindre plus de 1400°C, pour ne pas abîmer les matériaux, etc. ? Là, ce qu'on va faire, c'est qu'on va diluer cette chaleur dans plus d'air. Parce que sinon, la température d'une flamme de gaz, c'est toujours la même température normalement, et c'est une température qui est bien supérieure aux 1400°C. On va ramener plus d'air pour diluer cette flamme, et que la température n'atteigne pas des températures trop excessives pour abîmer la turbine.
Alors ici, ça c'est la masse de gaz totale qui est simplement la masse de gaz à la sortie, c'est la masse d'air à l'entrée plus la masse de combustible parce que forcément le débit massique est conservé et donc toute la masse que vous faites entrer dans votre turbine doit sortir. Alors la puissance primaire, c'est 560 MW. La puissance opératrice, ça c'est la puissance que vous mettez comme combustible. La puissance opératrice, ça c'est 180, la machine opératrice. Pour rappel, c'est le compresseur, donc c'est 187 MW.
La puissance motrice, c'est 426 MW. Et donc vous faites 426 moins les 180, et vous obtenez avec la perte mécanique plus ou moins les 230 MW, enfin exactement les 230 MW électriques. Le rendement du cycle est donc de 43%. Et comme j'ai un rendement mécanique, donc ça c'est le rendement du cycle, c'est vraiment la partie thermodynamique, donc c'est...
turbine moins compresseur en mécanique. Si je rajoute le rendement de conversion électrique, j'ai un rendement total de 41%. Et une perte à l'échappement au final.
Donc là, je rejette encore 330 MW de chaleur à l'échappement, à l'échappement qui est à 654°C. Et donc là, c'est pour ça qu'on va mettre un cycle à vapeur derrière parce qu'il me reste encore 330 MW de chaleur produit à 650°C. Il y a une bonne partie de cela que je vais pouvoir récupérer pour, par exemple, chauffer de la vapeur jusqu'à 400-450°C. 400-450°C, ce ne sera pas un site la vapeur qui sera très performant, très haut rendement, mais il y aura déjà moyen d'avoir un rendement de l'ordre de 30-35% de récupéré, de l'encore transformé en électrique, ce qui permettrait du coup de récupérer 100 MW et donc d'augmenter de 10-15% le rendement total. Si vous avez bien remarqué dans la vidéo, c'est pour ça qu'ils en parlent et qu'ils donnent deux chiffres après la virgule, mais ils parlent d'un rendement sur leur turbine gaz vapeur de 62,22%.
Pourquoi est-ce qu'on parle des 22% ? Pour eux, c'est très important ces chiffres significatifs parce que les records à l'heure actuelle de turbines ne se jouent pas de 62% à 61% et à 63% ou à 64%, mais en train de jouer sur des dixièmes, voire des centièmes de pourcents gagnés. Et quand on parle de machines qui ont...
qui tournent énormément et qui ont ce genre de puissance au final, 1% de 230 MW, ça fait quand même 2,3 MW, c'est l'équivalent d'une belle petite éolienne. Voilà, j'espère que cette vidéo vous aura permis d'en apprendre beaucoup plus sur les turbines à gaz, et comme d'habitude, si vous avez des questions, n'hésitez pas !