Moteurs à flux continu : turbines

2.3.1.1 Turbines à vapeur et assimilés (cycle de Hirn)

Le cycle à vapeur de Rankine est souvent difficile à réaliser : Cela supposerait que la machine de détente soit soumise à un mélange de vapeur et de liquide, généralement mal supporté par les organes internes (problèmes d'érosion, contraintes thermo-mécaniques) [21]. Le cycle généralement adopté en pratique est donc un cycle à surchauffe de vapeur (cycle de Hirn).

Le rendement des TAV est amélioré lorsque la condensation du cycle inférieur s'effectue à une température aussi proche que possible de l'ambiante, comme il en est pour le refroidissement de tous les moteurs thermiques. Or, à la pression atmosphérique l'eau condense vers 100°C. L'abaissement de la température de condensation impose un tirage au vide de la vapeur en sortie de turbine, par exemple une condensation à 50°C doit se faire à 0,06 bars (figure 2.10). Cette contrainte supplémentaire impose des installations spécifiques (désaérateur, pompe à vide, voir figure 1.14) coûteuses en terme d'investissement et consommatrices d'énergie, donc à l'efficacité limitée.

Figure 2.10 : Schéma de la centrale PS10 à Almeria : Une température de condensation de 50°C impose le tirage au vide à 0,06 bar. (Abengoa)

Le rendement augmente également avec la pression de surchauffe du cycle primaire [21]. Cela nécessite un dimensionnement, des matériaux et des procédés de fabrication élaborés (aubages en alliages monocristallins, prise en compte de la dilatation, du fluage à haute température...) ainsi qu'une maintenance spécialisée régulière (typiquement tous les 5000 à 8000 heures).

Ces contraintes notoires des cycles à vapeur font que les TAV et autres machines à vapeur sont peu adaptées aux basses puissances – tout au moins pour le domaine de la conversion thermomécanique pure , cela est moins évident dans le domaine de la cogénération chaleur-force [57] [58] [59]. D'une part, les installations de petite taille voient le rendement propre des turbines chuter (rendement isentropique [60]) tandis que les ratios des pertes thermiques des circuits externes augmentent relativement au volume cyclé. Cela explique que les turbines commerciales sont généralement prévues pour des puissances d'au moins 1MW (figure 2.10). Des rendements intéressants peuvent être obtenus en multipliant les détentes (détente étagées, resurchauffe, cycles en cascade...), mais cela est surtout appliqué pour des puissances d'au moins 10MW.

Figure 2.11 : Une micro-TAV à contre-pression mono-étage. Ces machines sont disponibles dans une gamme de puissance mécanique de 50 à 2600 kW (Elliott)

Il existe des turbines à vapeur et pseudo-turbines commerciales de très petite puissance, pour lesquelles il est le plus souvent choisi de ne pas recourir au tirage au vide du condenseur, on parle alors de turbines à contre-pression (figures 2.11 et 2.12). Des plus simples aux plus

élaborées, ces machines affichent des rendements de conversion thermomécanique modestes [60].

L'appellation de turbine est parfois utilisée pour désigner des machines à flux discontinu (ex : machines spiro-orbitales, quasiturbines, rotors Wankel ...). Ces dernières, adaptées aux systèmes de petite puissance [46] [60] affichent dans ce cas des performances similaires à de réelles turbines dans les mêmes conditions. Par ailleurs il existe peu de TAV commercialement disponibles réellement adaptées aux très petites puissances [61] [62].

Si la turbine en soi peut être de conception relativement simple, les circuits annexes restent assez complexes (échangeurs spécialisés pour le préchauffage, l'évaporation, la surchauffe, la condensation, contrôleurs de pression...voir figure 1.14 p.34) même pour une simple machine à contre-pression, à plus forte raison si on cherche à améliorer le rendement avec des machines en cascade (échangeurs de resurchauffe, mélangeurs...).

Figure 2.12 : Micro-turbine à ailettes toroïdales (TIVMTM) d'une puissance de 5 à 200 kW (Mechanology)

Il reste à souligner que la présence de vapeur favorise la corrosion, les TAV doivent être fabriquées avec des matériaux et/ou des revêtements résistants.

Un alternative aux machines à vapeur est la combinaison de cycles ORC (Organic Rankine Cycle). Comme il a été évoqué au 1.3.5 il est possible d'utiliser des fluides organiques, habituellement utilisés pour la réfrigération ou la climatisation (R134a, R245fa...) pour réaliser des cycles moteur fermés à apport et extraction de chaleur externe, et ce même pour des températures de source modestes. Là encore les offres commerciales dans le domaine des très petites puissances sont rares [63] [57].

On notera toutefois que la structure système reste très similaire à celle des machines à vapeur d'eau, avec des contraintes supplémentaires relatives à l'utilisation des fluides frigorigène. Ces derniers imposent en effet que la machine soit parfaitement hermétique ou à fuites réduites si l'on veut une machine fiable et respectueuse de l'environnement, et dans tous les cas la surveillance périodique du circuit par du personnel agréé est obligatoire.

Il apparaît donc que, de par leur gamme de puissance, la complexité des installations (maintenance, impact sur l'environnement) les TAV et machines à ORC ne soient pas les mieux adaptées pour la motorisation de la micro-centrale que nous envisageons.

2.3.1.2 Turbine à cycle de Brayton-Joule

Plus communément connues sous l'appellation de turbines à gaz (TAG) ou turbines à combustion (TAC), leurs parties mobiles sont constituées, outre la machine de détente, d'un dispositif de compression du gaz. Dans la forme la plus commune, les TAG sont à apport de chaleur interne (combustion de GN, fioul, kérosène...) et à cycle ouvert (pour assurer l'apport de comburant), récupératif ou non (cycles primaires de centrales électriques, aviation).

Il est toutefois possible de réaliser des TAG à cycle fermé, l'apport de chaleur se faisant alors via des échangeurs [21] [64]. Ce type de machine est notamment envisagé dans le développement des centrales solaire hybrides (figure 1.13), les tours solaires permettant le captage à des températures équivalentes à celles des combustions fossiles.

Comme pour les cycles ORC, le rendement propre des machines dynamiques (turbines) de compression et de détente chute considérablement lorsque le régime baisse. Elle sont de fait plus adaptées au fonctionnement à puissance constante.

Les TAG atteignent généralement un fonctionnement optimal pour des vitesses élevées, pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers de tours/min. De ce fait, comme dans le cas des TAV, les TAG nécessitent des précautions de conception, de fabrication et de maintenance. Les hautes vitesses sont d'ailleurs un facteur de risque accru en terme de fiabilité, et l'obligation d'utiliser un réducteur de vitesse pour entraîner une génératrice un facteur de pertes énergétiques.

Figure 2.13 : Performances et vues en coupes de micro-TAG à combustion de GN 30 kW (haut) et 200 kW (bas) . On notera l'influence significative de la taille de la machine sur le rendement ainsi que l'influence de la température ambiante (nb : 32°F ≈ 0°C ; 100°F ≈ 37°C ). (Capstone)

Toutefois la boucle système des TAG est nettement plus simple que pour les TAV. Par ailleurs il est possible de réaliser des turbines de petite taille aux performances raisonnables [65] [66] [67]. On parle de micro-turbines (figure 2.13) dans la gamme 30kW – 500kW. Comme dans le cas des TAV, on retrouve un effet d'échelle sur le rapport rendement / puissance pénalisant les machines de petites puissances (figure 2.13), c'est pourquoi les générateurs et cogénérateurs à micro-TAG sont généralement dimensionnées pour des puissances supérieures à 100kWe.

Par exemple : Héliofocus [68] projetait (2009) la fabrication de "micro-centrale" solaire à TAG de 100kW alimentée à 1000°C par une parabole de 24m de diamètre. Peu d'informations sont

disponibles sur ce projet, mais il est probable que ce niveau de puissance unitaire et les dimensions colossales qui en résultent aient été choisies en vue d'optimiser le système en terme de rendement thermodynamique et thermoéconomique.

Comme pour les machines à cycle vapeur, il est possible de réaliser des cycle gaz avec des machines volumétriques alternatives ou discontinues. Ce type de machine est plus connu sous le nom de moteur d'Ericsson. Nous verrons que, si les principes de fonctionnement de la machine de Joule et de la machine d'Ericsson sont très voisins, les conditions de fonctionnement et les contraintes associées sont assez différentes.