VALORISATION DES GAZ D’ECHAPPEMENT DES CENTRALES …

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

D’ANTANANARIVO

MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL

PARCOURS : GENIE INDUSTRIEL

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur

en Génie industriel

Grade Master

Présenté par :

Monsieur RAKOTONJANAHARY Harimanantsoa Fanantenana

Directeur de mémoire :

Monsieur RAKOTONINDRINA Tahiry Fanantenana

Soutenu le : 17 juin 2017

Promotion 2015

VALORISATION DES GAZ D’ECHAPPEMENT DES

CENTRALES THERMIQUES

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

D’ANTANANARIVO

MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL

PARCOURS : GENIE INDUSTRIEL

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur

en Génie industriel

Grade Master

Présenté par :

Monsieur RAKOTONJANAHARY Harimanantsoa Fanantenana

Directeur de mémoire :

Monsieur RAKOTONINDRINA Tahiry Fanantenana, Enseignant chercheur à

l'E.S.P.A

Encadreur professionnel :

Monsieur RAKOTOFIRINGA Jean Marc Auguste, Représentant du ministère de

l’énergie

Président du Jury :

Monsieur RAMILISON Jean Masy, Maître de conférences à l’E.S.P.A

Membres du Jury :

Monsieur ANDRIAMANALINA William, Enseignant chercheur à l'E.S.P.A

Monsieur RAZAFIMAHATRATRA Tafika, Enseignant chercheur à l'E.S.P.A

Soutenu le : 17 juin 2017

Promotion 2015

VALORISATION DES GAZ D’ECHAPPEMENT DES

CENTRALES THERMIQUES

i

RAKOTONJANAHARY Harimanantsoa Fanantenana

REMERCIEMENTS

Avant toute chose, je rends grâce au Seigneur, qui m’a donné l’énergie, la santé et la

volonté nécessaires, sans quoi je n’aurai pas pu achever ce mémoire de fin d’études.

J’adresse également mes plus vifs remerciements et toute ma gratitude à :

Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Directeur de l’Ecole Supérieure

Polytechnique d’Antananarivo, qui m’a autorisé à faire cette soutenance,

Madame RAKOTOMANANA Dina, Responsable de la mention Génie

Mécanique et Industriel,

Monsieur RAMILISON Jean Masy, Maître de conférences à l’E.S.P.A,

Président du jury de ce présent mémoire,

Monsieur RAKOTONINDRINA Tahiry Fanantenana, Enseignant

chercheur à l'E.S.P.A, et Directeur de ce mémoire, qui malgré ses

préoccupations et ses multiples responsabilités, a accepté de m’encadrer

pédagogiquement, de me donner des conseils, et qui m’a beaucoup aidé

pour la réalisation et l’achèvement du présent mémoire,

Monsieur RAKOTOFIRINGA Jean Marc Auguste, Représentant du

ministère de l’énergie, qui m’a proposé ce sujet et qui a accepté d’être

mon encadreur professionnel,

Aux examinateurs :

Monsieur ANDRIAMANALINA William, Enseignant chercheur à

l’E.S.P.A

Monsieur RAZAFIMAHATRATRA Tafika, Enseignant chercheur

à l’E.S.P.A.

Tous les enseignants de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo

qui nous ont donné les connaissances indispensables à notre formation

durant ces cinq années d’études,

Mes très chers parents et toute ma famille qui n’ont cessé de me soutenir

aussi bien matériellement que moralement tout au long de mes études.

Tous mes amis et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la

réalisation de ce mémoire.

Merci à tous

ii


TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ................................................................................................................. i

TABLE DES MATIERES ...................................................................................................... ii

LISTE DES ABREVIATIONS ET SYMBOLES ............................................................... v

LISTE DES INDICES ET EXPOSANTS ............................................................................ v

LISTE DES SYMBOLES ...................................................................................................... vi

Liste des abréviations ............................................................................................................ viii

LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................... ix

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................... ix

INTRODUCTION......................................................................................................... 1

Chapitre I. NOTIONS SUR LES PRINCIPES THERMODYNAMIQUES ET

TRANSFERTS THERMIQUES ............................................................................ 2

I.1. Théories de base en thermodynamique .................................................. 2

I.1.1. Les systèmes thermodynamiques ........................................................ 2

I.1.2. Gaz parfaits .......................................................................................... 3

I.1.3. Premier principe de la thermodynamique ........................................... 4

I.1.4. Second principe ................................................................................... 5

I.2. Transferts thermiques [3] ........................................................................ 9

I.2.1. Définitions ........................................................................................... 9

I.3. Les différents modes de transferts ..................................................... 11

I.3.1. La conduction .................................................................................... 11

I.3.2. Convection ......................................................................................... 13

I.3.3. Rayonnement ..................................................................................... 14

Chapitre II. GENERALITES SUR LES CENTRALES THERMIQUES ........... 16

II.1. Historique .............................................................................................. 16

II.2. Définition .............................................................................................. 16

II.3. Les différents types de centrales thermiques ....................................... 17

II.3.1. Centrales nucléaires .......................................................................... 17

II.3.2. Centrales récupérant de la chaleur préexistante ............................... 18

II.3.3. Centrales à flamme ........................................................................... 21

Chapitre III. Les gaz d’échappement des centrales thermiques .......................... 25

III.1. Définition .............................................................................................. 25

III.2. La composition des gaz d’échappement ............................................... 25

iii


III.2.1.1. Monoxyde de carbone (CO) ......................................................... 25

III.2.1.2. Dioxyde de carbone (CO2) ............................................................ 25

III.2.1.3. Oxydes d’azotes ............................................................................ 26

III.2.1.4. Hydrocarbures (HC) ..................................................................... 27

III.2.1.5. Les suies ........................................................................................ 27

Chapitre I. Méthode de valorisation ................................................................... 30

I.1. La technologie ORC (Cycle organique de Rankine) ............................ 30

I.1.1. Fonctionnement ................................................................................. 31

I.1.2. Les éléments constitutifs ................................................................... 32

I.1.3. Fluide de Travail .............................................................................. 34

I.1.4. Les différentes configurations d’un ORC.......................................... 37

I.1.5. Analyse thermodynamique d’un système ORC ................................ 41

Chapitre II. Application du Cycle organique de Rankine ................................... 44

II.1. Choix et dimensionnement de l’évaporateur ......................................... 44

II.1.1. Fluide de Travail ............................................................................... 45

II.1.2. Flux thermique échangé. .................................................................. 46

II.1.3. Calcul de l’efficacité thermique ....................................................... 46

II.1.4. Facteur de déséquilibre ..................................................................... 47

II.1.5. Nombre d’unité de Transfert ............................................................ 47

II.1.6. Détermination de la surface d’échange ............................................ 47

II.1.7. Calcul de la vitesse d’écoulement .................................................... 48

II.1.8. La section totale des tubes ................................................................ 48

II.1.9. Le nombre de tubes nécessaire ......................................................... 48

II.1.10. La longueur du faisceau : ................................................................ 48

II.2. Choix et calcul de la turbine. ................................................................. 49

III.2.1. Triangle de vitesse et angle d’écoulement ....................................... 50

III.2.2. Le moment couple et puissance ....................................................... 55

III.2.3. Transformation en énergie électrique .............................................. 56

II.3. Dimensionnement du condenseur ......................................................... 58

II.3.1. La puissance thermique de l’échangeur. .......................................... 58

II.3.2. Nombre de tubes ............................................................................... 58

II.3.3. La surface d’échange ........................................................................ 59

II.3.4. La longueur du faisceau : ................................................................. 60

iv


II.4. Coût de l’installation ............................................................................. 61

Chapitre III. Logiciel de calcul du Cycle Organique de Rankine ........................ 62

III.1. Objectif .................................................................................................. 62

III.2. Fonctionnalités ...................................................................................... 62

III.2.1. Fluides utilisés ................................................................................. 62

III.2.2. Affichage des propriétés des fluides choisis par l’utilisateur ......... 62

III.2.3. Entrée des valeurs nécessaires par l’utilisateur ............................... 63

III.2.4. Calcul des paramètres des éléments du cycle .................................. 63

III.2.5. Calcul des puissances et rendement................................................. 63

III.4. Technologie de développement ............................................................. 64

III.4.1. Langage PHP ................................................................................... 64

III.4.2. Ajax ................................................................................................. 64

III.4.3. Jquery .............................................................................................. 64

III.4.4. Bootstrap .......................................................................................... 64

III.3. Outil de développement ........................................................................ 65

III.3.1. WampServer .................................................................................... 65

III.3.2. Sublime Text 2 ................................................................................ 65

III.4. Capture d’écran ..................................................................................... 65

Chapitre I. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ............................................. 68

I.1. INTRODUCTION................................................................................. 68

I.2. AVANTAGES ENVIRONNEMENTALES DE L’ORC ..................... 68

I.2.1. Réduction de l’émission des gaz à effet de serre ............................... 68

I.2.2. Préservation des combustibles d’origine fossile. .............................. 69

I.2.3. Réduction de la pollution de l’air ...................................................... 70

I.2.4. Prévention des maladies provoquées par les gaz d’échappement ..... 70

I.3. POLLUTIONS PRODUITES PAR L’UTILISATION DU MODULE

ORC 70

I.3.1. Pollutions produites par les fluides de travail.................................... 70

Chapitre II. IMPACTS SOCIO-ECONOMIQUES ............................................. 74

II.1. Création d’emploi .................................................................................. 74

II.2. Efficacité énergétique ............................................................................ 75

CONCLUSION ........................................................................................................... 76

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 77

ANNEXES .............................................................................................................................. 78

v


LISTE DES ABREVIATIONS ET SYMBOLES

LISTE DES INDICES ET EXPOSANTS

c Chaud

cond Condenseur

alt Alternateur

E Evaporateur

e Entrée

Ext Extérieur

f Froid

Ft Fluide de travail

ind Inducteur

Int Intérieur

Is Isentropique

p Pompe

s Sortie

T Turbine

vi


LISTE DES SYMBOLES

SYMBOLE DESIGNATION UNITE

A Surface d’échange m2

B Epaisseur m.

C Vitesse absolue de l’écoulement m/s

Cp Chaleur spécifique J/kg.K

D Diametre m.

E Efficacité thermique

F Fréquence Hz

H Enthalpie J

I Intensité de courant A

Ix Intensité énergétique W/str

K coefficient d’échange W/m2.K

L Longueur faisceau m

Lv Chaleur latente J/kg

Lx Luminance énergétique W/m2.str

m Masse Kg

M Masse molaire kg/mol

N Nombre de mole

Nt Nombre des tubes

NUT nombre d’unité de transfert

p Pression Pascal,bar

P Puissance W

Q Quantité de chaleur J

R Constante de gaz J. kg -1 K-1

r Rayon m

Rd Facteur de déséquilibre

Re Nombre de Reynold

vii


S Section m2

T Température °C, K

U Energie interne J

Ur vitesse périphérique m/s

V Volume m3

Ve Vitesse d'écoulement m/s

W Travail J

Wr vitesse relative m/s

α angles des vitesses absolues rad, °

β angles des vitesses relatives. rad, °

ζ Coefficient de pertes

η Rendement

λ Conductivité thermique W/m.K

μ viscosité cinématique m2/s

ℳ Moment couple N.m

Φ Flux W

viii


Liste des abréviations

CFC Chlorofluorocarbones

CSS Cascading Style Sheets

FFH Feed Fluid Heater

GWP Global Warming Potential

HFC Hydrofluorocarbure

HTML Hypertext Markup Language

ODP Ozone Depletion Potential

ORC Organic Rankine Cycle

PHP Hypertext Preprocessor

PNUE Programme des Nations Unies pour l’Environnement

SQL Structured Query Language

ix


LISTE DES TABLEAUX

TABLEAU 1: PROPRIETES THERMODYNAMIQUES DE QUELQUES FLUIDES DE TRAVAIL ...... 37

TABLEAU 2: COUT DE L'INSTALLATION ............................................................................ 61

LISTE DES FIGURES

FIGURE 1:TRAVAIL D'UN PISTON MOBILE ........................................................................... 4

FIGURE 2:SCHEMA D'UNE CONDUCTION THERMIQUE........................................................ 11

FIGURE 3:SCHEMA D'UNE CONVECTION ........................................................................... 14

FIGURE 4:SCHEMA D'UN RAYONNEMENT ......................................................................... 15

FIGURE 5:SCHEMA DE DEFINITION DES ANGLES ............................................................... 15

FIGURE 6: FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE NUCLEAIRE ........................................... 17

FIGURE 7:CENTRALE SOLAIRE A TOUR ............................................................................. 18

FIGURE 8: CENTRALE SOLAIRE PARABOLIQUE ................................................................. 19

FIGURE 9: CENTRALE GEOTHERMIQUE EN ISLANDE ......................................................... 20

FIGURE 10: CENTRALE A FLAMME ................................................................................... 21

FIGURE 11:SCHEMA BLOC D'UN ALTERNATEUR................................................................ 24

FIGURE 12: REPARTITION DES REFERENCES ORC PAR PAYS EN 2009 .............................. 30

FIGURE 13: SCHEMA D’UN CYCLE ORC ........................................................................... 32

FIGURE 14: CHOIX DU FLUIDE SELON LA TEMPERATURE DE LA SOURCE CHAUDE ............. 36

FIGURE 15: SCHEMA D’UN CYCLE ORC STANDARD ......................................................... 39

FIGURE 16:SCHEMA D’UN CYCLE ORC AVEC SOUTIRAGE ................................................ 40

FIGURE 17:SCHEMA DES DIVERS COMPOSANTS D'UN ORC .............................................. 41

FIGURE 18: DIAGRAMME T-S DU CYCLE .......................................................................... 41

FIGURE 19: GEOMETRIE D'UN ECHANGEUR A TUBES ET CALANDRE .................................. 45

FIGURE 20: ETAGE D'UNE TURBINE .................................................................................. 49

FIGURE 21: ECOULEMENT DANS LE STATOR ..................................................................... 51

FIGURE 22: ECOULEMENT A TRAVERS LE ROTOR ............................................................. 53

FIGURE 23:L'INTERFACE INITIALE .................................................................................... 65

FIGURE 24: PROPRIETES DU FLUIDE CHOISI ...................................................................... 66

FIGURE 25: LES PARAMETRES DU CYCLE ......................................................................... 66

FIGURE 26: PUISSANCE ET RENDEMENT DU CYCLE ........................................................... 67

FIGURE 27: CROISSANCE DES ABONDANCES ATMOSPHERIQUES(A) EN PARTIE PAR BILLION

ET LES EMISSIONS ANNUELLES EN CO2 PAR ANNEE (B) POUR 4 HFCS MAJEURS ...... 71


1

INTRODUCTION

Actuellement, la protection de l’environnement et la lutte contre le changement

climatique sont devenues des enjeux mondiaux. Les activités humaines dégradent

l’environnement : prélèvement des ressources sans souci de leur renouvèlement,

déforestation, éradication des espèces animales et végétales, pollution de l’eau et du sol

ainsi que de l’air ; ceux qui menacent la survie de tous.

Certaines ressources, comme les énergies fossiles, ne sont pas renouvelables, et sont

consommées de façon massive, jusqu’à épuisement. De plus, toutes les étapes de leur

exploitation et de leur consommation sont extrêmement nocives pour l’environnement.

Les ressources renouvelables sont consommées sans préoccupation de reproduction, les

habitats de la biodiversité sont détruits progressivement, pendant que les espèces

animales et végétales sont majoritairement menacées. Il n’en est pas moins du rejet

massif de gaz à effet de serre qui réchauffe la planète très rapidement et de façon durable.

Ces problèmes nous ont conduit à nous pencher sur ce sujet de mémoire

intitulé : « Valorisation des gaz d’échappement des centrales thermiques ». L’objectif,

c’est de récupérer les gaz des centrales thermiques et les transformer en énergie

mécanique ou électrique.

Pour mieux cerner ce sujet, on va diviser ce mémoire en trois grandes parties :

la première partie se penchera sur les principes thermodynamiques et le

contexte général sur les centrales thermiques.

la seconde partie sera consacrée à la méthode de valorisation

et la dernière partie étudiera les impacts environnementaux et socio-

économiques.

ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES


2

Chapitre I. NOTIONS SUR LES PRINCIPES

THERMODYNAMIQUES ET TRANSFERTS THERMIQUES

I.1. Théories de base en thermodynamique [1], [2]

I.1.1. Les systèmes thermodynamiques

Le système étudié est un ensemble séparé du milieu extérieur. Par exemple, on

considèrera un gaz contenu dans un récipient fermé. Il faudra alors préciser si le récipient

fait partie du système ou du milieu extérieur. La séparation entre le système et le milieu

extérieur est parfois appelée frontière.

Ce système peut à priori échanger avec le milieu extérieur de la matière et/ou de

l’énergie. On classe donc les systèmes en plusieurs catégories en fonction des types

d’échanges qu’ils ont avec le milieu extérieur :

les systèmes isolés : sont les systèmes qui ne peuvent rien échanger (ni matière

ni énergie).

Dans ce cas, il n’existe aucune relation entre les phénomènes qui se produisent

au sein du système et ceux qui se produisent à l’extérieur.

les systèmes fermés : sont les systèmes qui ne peuvent échanger que de l’énergie

(et non de matière).

Les systèmes ouverts : sont les systèmes qui ne sont ni isolées, ni fermés.

les systèmes mécaniquement isolés : sont les systèmes qui ne peuvent échanger

de matière ni d’énergie mécanique.

les systèmes thermiquement isolés ou calorifugés : sont les systèmes qui ne

peuvent échanger de matière ni d’énergie thermique.


3

I.1.2. Gaz parfaits

Les gaz parfaits sont des modèles thermodynamiques permettant de décrire les

comportements des gaz réels à basse pression. Ces modèles ont été développés au

XIXème siècle. En constatant que tous les gaz tendent vers ce même comportement à

pression suffisamment basse, quelle que soit la nature chimique du gaz ce qu’exprime

la loi d’Avogadro, découverte en 1811 : la relation entre la pression, le volume et la

température est, dans ces conditions, indépendante de la nature du gaz.

I.1.3.1. Loi des gaz parfaits

Si la quantité de matière est exprimée en mole :

𝐩. 𝐕 = 𝐧. 𝐑. 𝐓 (1-1)

p : pression [Pa]

V : volume [m3]

n : quantité de matière [mole]

R : constante des gaz parfait avec R = 8.3145 [J/ (mol. K)]

T : température [K]

-Si la quantité de matière est exprimée en unité de masse :

Soit M la masse molaire du gaz, la masse des n moles est alors m = n.M.

Introduite dans la loi d´état, cette relation donne :

𝐏. 𝐕 = 𝐦. 𝐫. 𝐓 (1-2)

r : [J/ (mol. K)]

Avec r = R/M la constante réduite des gaz parfaits. Cette constante dépend de la nature

du gaz puisqu’elle dépende de sa masse molaire M.


4

I.1.3. Premier principe de la thermodynamique

Considérons un système fluide qui subit une transformation entre deux états

d’équilibre (1) et (2).

La variation d’énergie interne est due aux échanges avec le milieu extérieur, sous

forme de travail et sous forme de chaleur.

𝚫𝐔𝟏𝟐 = 𝐖 + 𝐐 (1-3)

ΔU12 = U2 – U1 : variation d’énergie interne du système

W : Travail fourni par le milieu extérieur (valeur algébrique)

Q : Quantité de chaleur échangée avec le milieu extérieur (valeur algébrique)

Propriété :

U est une fonction d’état. Cela veut dire que sa variation ne dépend que de l’état

initial et de l’état final, et donc est indépendante de la nature de la transformation.

Travail des forces de pression reçu par le système

Considérons un fluide enfermé dans un cylindre ferme par un piston mobile.

Figure 1:Travail d'un piston mobile


5

Cas des transformations quasi-statiques Une transformation est dite quasi-statique si l’équilibre mécanique est réalisé

tout au long de la transformation.

𝛿𝑊 = − 𝑝𝑑𝑉

Avec p : pression du système

Par intégration :

I.1.4. Second principe

Insuffisance du premier principe :

L'observation des phénomènes naturels montre l'existence d'un grand nombre de

transformations spontanées qui se produisent toujours dans un sens déterminé. Ces

transformations sont irréversibles, par exemple :

dans une enceinte adiabatique, si on met en présence un corps chaud et un corps

froid, on constate que les températures s'égalisent.

une roue en mouvement est ramenée à l'arrêt par le frottement du frein. Il y a

échauffement du frein. La variation d'énergie interne du frein correspond à la

perte d'énergie cinétique de la roue. Le processus inverse dans lequel le

refroidissement se transformerait en énergie cinétique, quoique compatible avec

le premier principe, ne se produit jamais.

Enoncés du second principe Enoncé de Clausius

La chaleur ne passe pas d'elle même d'un corps froid à un corps chaud. Cela

revient à dire que le passage de la chaleur d'un corps froid à un corps chaud ne peut se

faire sans dépenser de l'énergie. Le postulat de Clausius n'est qu'une expression

particulière, du principe général de l'irréversibilité des transformations réelles. Les

transformations réelles s'exécutent dans un sens bien déterminé et sont toujours

𝐖 = − ∫ 𝒑𝒅𝑽

𝑽𝟐

𝑽𝟏

(1-4)


6

irréversibles. L'une des causes les plus importantes d'irréversibilité des phénomènes

réels est liée à l'existence des forces de frottement.

Enoncé de Kelvin

Il est impossible de construire une machine qui, dans un cycle de

transformations, se contenterait d'emprunter une quantité de chaleur à une seule source

de chaleur (cycle monotherme) pour fournir une quantité équivalente de travail.

Cela revient à dire qu'il est impossible de transformer intégralement de la chaleur

en travail.

Dans un cycle monotherme :

W<0, Q>0 impossible

Donc W≥0, Q≤0

Pour un cycle irréversible : W>0 et Q<0

Pour un cycle réversible :

Sens aller : W≥0 et Q≤0

Sens retour : -W≥0 et -Q≤0

Donc W=0 et Q=0

Cas de transformations dithermes fermées :

Un système décrit un cycle ditherme lorsqu'il échange de la chaleur avec deux

sources de chaleur.

𝑇1 : Température de la source chaude

𝑄1 : Quantité de chaleur échangée avec la source chaude

𝑇2 : Température de la source froide

𝑄2 : Quantité de chaleur échangée avec la source froide

W : Travail échangé avec le milieu extérieur

Le premier principe s’écrit :

W+ 𝑄1+ 𝑄2 =0


7

Cas d’une machine motrice

W<0 et 𝑸𝟏+ 𝑸𝟐>0

Il y a 3 possibilités :

{

(1) 𝑄1 > 0 𝑒𝑡 𝑄2 > 0 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑠𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

(2) 𝑄1 < 0 𝑒𝑡 𝑄2 > 0 𝑎𝑣𝑒𝑐 | 𝑄1| < 𝑄2 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑠𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒(3) 𝑄1 > 0 𝑒𝑡 𝑄2 < 0 𝑎𝑣𝑒𝑐 |𝑄2| < 𝑄1

C’est la (3) qui traduit le principe de fonctionnement des moteurs thermiques

W<0, 𝑸𝟏>0 et 𝑸𝟐 < 𝟎 𝒂𝒗𝒆𝒄 |𝑸𝟐| < 𝑸𝟏

Le rendement thermique est donc

𝜼𝒕𝒉 =

|𝑾|

𝑸𝟏

(1-5)

𝜼𝒕𝒉 = 𝟏 −

|𝑸𝟐|

𝑸𝟏 < 𝟏

(1-6)

𝑇1

SYSTEME

𝑇2⬚

𝑸𝟏>0

𝑸𝟏>0

𝑸𝟐<0

𝑸𝟏>0

W<0


8

Cas d’une machine réceptrice :

W>0 et 𝑸𝟏+ 𝑸𝟐<0

Avec 𝑸𝟏<0 et 𝑸𝟐>0 |𝑸𝟏|>𝑸𝟐

C’est le principe de fonctionnement du réfrigérateur et des pompes à chaleur. Avec ce

principe, on réalise des cycles frigorifiques.

Pour un réfrigérateur, le rendement appelé performance est :

𝒆𝒓 =

𝑸𝟐

𝑾

(1-7)

𝒆𝒓 =

𝟏

| 𝑸𝟏|𝑸𝟐

− 𝟏

(1-8)

Pour une pompe à chaleur,

𝒆𝒑 =

| 𝑸𝟏|

𝑾

(1-9)

𝒆𝒑 =

𝟏

𝟏 −𝑸𝟐

|𝑸𝟏|

> 𝟏 (1-10)

𝑇1

SYSTEME

𝑇2⬚

𝑸𝟏<0

𝑸𝟏>0

𝑸𝟐>0

𝑸𝟏>0

W>0


9

I.2. Transferts thermiques [3]

I.2.1. Définitions

I.2.1.1. Champ de température :

Les transferts d’énergie sont déterminés à partir de l’évolution dans l’espace et

dans le temps de la température : T = f (x, y, z, t). La valeur instantanée de la température

en tout point de l’espace est un scalaire appelé champ de température. Nous

distinguerons deux cas :

Champ de température indépendant du temps : le régime est dit permanent ou

stationnaire.

Evolution du champ de température avec le temps : le régime est dit variable ou

transitoire.

I.2.1.2. Gradient de température :

Si l’on réunit tous les points de l’espace qui ont la même température, on obtient

une surface dite surface isotherme. La variation de température par unité de longueur est

maximale le long de la normale à la surface isotherme. Cette variation est caractérisée

par le gradient de température :

𝒈𝒓𝒂𝒅⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ (𝐓) = �⃗⃗� 𝝏𝑻

𝝏𝒏

(1-11)

Avec �⃗� : vecteur unitaire de la normale

𝜕𝑇

𝜕𝑛 : Dérivée de la température le long de la normale

I.2.1.3. Chaleur sensible

Lorsque un corps qui reçoit ou cède de la chaleur s’échauffe ou se refroidit sans

changer d’état, on parle alors de chaleur sensible. La variation de température T que va

subir un corps de masse m est reliée à la quantité de chaleur Q par le coefficient de

proportionnalité 𝑐𝑝 (chaleur spécifique ou capacité calorifique)


10

Par définition, la chaleur spécifique 𝑐𝑝 correspond à la quantité de chaleur qu’il

faut fournir à un matériau de masse donnée pour que sa température s’élève d’un degré.

𝑪𝒑 =

𝟏

𝒎 .𝒅𝑸

𝒅𝑻

(1-12)

La quantité de chaleur échangée entre deux corps respectivement aux températures 𝑇1

et 𝑇2(𝑇1 > 𝑇2) s’exprime par :

𝑸𝟏→𝟐 = 𝒎. 𝒄𝒑(𝑻𝟏 − 𝑻𝟐) (1-13)

I.2.1.4. Chaleur latente

On parle de chaleur latente lorsque le corps qui reçoit ou cède de la chaleur

l’utilise pour changer d’état, sans que sa température ne varie.

La quantité de chaleur qu’il faut fournir à un matériau de masse donnée pour que,

à température constante, celui-ci change d’état est donnée par :

𝐐 = 𝐦. 𝐋𝐯 (1-14)

où Lv est la chaleur latente de changement de phase [J/kg]

I.2.1.5. Flux de chaleur

La chaleur s’écoule sous l’influence d’un gradient de température des hautes vers

les basses températures. La quantité de chaleur transmise par unité de temps et par unité

d’aire de la surface isotherme est appelée densité de flux de chaleur :

𝝓 =𝟏

𝑺.𝒅𝑸

𝒅𝒕

(1-15)

Où S est l’aire de la surface (m2).

On appelle flux de chaleur la quantité de chaleur transmise sur la surface S par unité de

temps :

𝛗 =

𝒅𝑸

𝒅𝒕

(1-16)


11

I.3. Les différents modes de transferts

Il existe trois modes essentiels de transferts de chaleur :

-La conduction

-Le rayonnement

-La convection

I.3.1. La conduction

La conduction est une transmission de la chaleur dans la matière par vibration

moléculaire. Elle concerne surtout les solides, mais aussi les liquides et les gaz pour

lesquels elle est négligeable par rapport à la convection ou au rayonnement.

Figure 2:Schéma d'une conduction thermique

Deux lois régissent les transferts thermiques selon que l’on se place en régime

permanent (Loi de Fourier) avec la notion de conductivité thermique, ou en régime

transitoire, ce dernier mettant en œuvre le concept de diffusivité thermique.

Régime permanent

Dans ce régime, la température est constante en fonction du temps en tout point

de l’espace considéré .


12

Loi de Fourier La loi de Fourier a été établie expérimentalement par Joseph Fourier en 1822.Elle

exprime la proportionnalité entre le flux de chaleur à travers une surface par unité de

temps et l’élévation de température de part et d’autre de cette surface.

On détermine expérimentalement que, dans une direction ox donnée, la

puissance calorifique 𝑃1→2(ou flux de chaleur) qui traverse un volume, défini par une

section S et une longueur L, établit entre les deux extrémités une différence de

température telle que :

𝐏𝟏→𝟐 = 𝐝𝐐𝟏→𝟐

𝐝𝐭=

−𝛌. 𝐒(𝑻𝟐 − 𝑻𝟏)

𝐋

(1-17)

Le coefficient de proportionnalité λ, exprimé en W.m-1.K-1 est appelé

conductivité thermique. En notation différentielle et en considérant que les axes sont

orientés du chaud vers le froid, cette expression devient :

𝒅𝑷

𝒅𝑺= −𝛌.

𝒅𝑻

𝒅𝒙

(1-18)

Pour un matériau isotrope, la loi de Fourier s’exprime comme suit :

𝒅𝑷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗

𝒅𝑺= −𝝀. 𝒈𝒓𝒂𝒅⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗(𝑻)

(1-19)

Pour un matériau anisotrope, la conductivité thermique n’est plus un scalaire

mais un tenseur �̿� et la relation précédente se généralise comme suit :

𝒅𝑷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗

𝒅𝑺= −�̿�. 𝒈𝒓𝒂𝒅⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗(𝑻)

(1-20)


13

En exprimant ces équations pour un volume élémentaire, on obtient l’équation de

poisson :

𝒅𝑷

𝒅𝑽= −𝝀𝜵𝟐⃗⃗ ⃗⃗ (𝑻)

(1-21)

En régime permanent, 𝑑𝑃

𝑑𝑉=0 et 𝛻2⃗⃗ ⃗⃗ (T)=0. C’est l’équation de Laplace. Si le volume

possède une source de chaleur interne q alors :

𝜵𝟐⃗⃗ ⃗⃗ (𝐓) + 𝐪 = 𝟎 (1-22)

Régime transitoire :

Dans ce régime, soit la température n’a pas atteint une valeur d’équilibre, soit

elle varie périodiquement dans le temps.

Bilan énergétique Nous supposerons qu’il n’y a pas de source de chaleur à l’intérieur du volume

considéré.

Par conséquent, à partir de l’équation de poisson, on a :

𝝀. 𝜵𝟐⃗⃗ ⃗⃗ (𝑻) = 𝒄𝒑.

𝒅𝑻

𝒅𝒕

(1-23)

I.3.2. Convection

On dit qu’il a convection lorsqu’il y a déplacement de la matière. Ce phénomène

concerne aussi bien les gaz que les liquides dans des situations qui peuvent être très

différentes.


14

Figure 3:Schéma d'une convection

Dans un écoulement de fluide en contact avec une paroi solide, il existe le long de la

paroi, une mince couche de fluide qui s’écoule très lentement car le fluide est comme

accroché aux aspérités de la paroi ; on admet qu’il n’y a pas d’échange de matière et que

dans cette région la chaleur ne peut se transmettre que par conduction. Au sein du fluide,

la chaleur se transmet par mélange des particules de fluide, provoquant ainsi une

égalisation rapide de la température ; on parle ainsi de température de mélange du

fluide𝑇𝑓.

En convection naturelle ou en convection forcée, on utilise une forme modifiée

et empirique de la loi de Fourier.

𝑷 = 𝒉. (𝑻𝒑 − 𝑻𝒇) [𝑾/𝒎𝟐] (1-24)

Où h représente le coefficient d’échange thermique par convection ou simplement « le

coefficient de convection » [W/𝑚2. 𝐾]

I.3.3. Rayonnement

Contrairement aux deux autres modes d’échanges d’énergies que sont la conduction ou

la convection, le rayonnement ne nécessite pas l’existence d’un support matériel. Il se

propage dans le vide, comme tout type de milieu. Si ce milieu est homogène, il se

propage en ligne droite.


15

Figure 4:Schéma d'un rayonnement

Intensité énergétique dans une direction :

On appelle intensité énergétique Ix le flux par unité d’angle solide émis par une

surface dS dans un angle solide dentourant la direction Ox :

𝑰𝒙 =

𝒅𝝋𝒙

𝐝𝛀

(1-25)

Luminance énergétique :

Soit l’angle fait par la normale �⃗� à la surface émettrice S avec la direction Ox. La

projection de dS sur le plan perpendiculaire à Ox définit la surface émettrice apparente

dSx . L’intensité énergétique élémentaire dIx dans la direction Ox par unité de surface

émettrice apparente dSx s’appelle la luminance énergétique Lx.

𝑳𝒙 = 𝒅𝑰𝒙

𝒅𝑺𝒙=

𝒅𝑰𝒙

𝒅𝑺 𝒄𝒐𝒔 𝜶=

𝒅𝟐𝝋𝒙

𝒅𝜴 𝒅𝑺 𝐜𝐨𝐬𝜶

(1-26)

Figure 5:Schéma de définition des angles


16

Chapitre II. GENERALITES SUR LES CENTRALES THERMIQUES

II.1. Historique

La première centrale , la Pearl Street Station, a été mise en service le 4 septembre

1882 par Thomas Edison dans le bas-Manhattan, ce qui a permis de faire fonctionner

l'éclairage électrique des bureaux du New York Times et d'autres bâtiments aux

alentours de Wall Street. La centrale ne délivrant que du courant continu ne pouvait

fournir efficacement qu'un petit secteur géographique. Le premier générateur, baptisé

"Jumbo", était bien moins efficient que ceux d'aujourd'hui : il avait un rendement de 3 à

4 % de l'énergie du charbon utilisé. Quelques années après, Edison a cependant vu

l'intérêt de la cogénération en réutilisant la chaleur générée par le système électrique

pour chauffer les bâtiments. Six années après Edison, l'invention par Nikola Tesla du

courant alternatif a permis de transporter le courant électrique à bien plus grande

distance que le courant continu, et donc de limiter le nombre de centrales nécessaires.

II.2. Définition

Une centrale thermique est une centrale qui produit de l'électricité à partir d'une

source de chaleur selon le principe des machines thermiques.

En fait, une centrale électrique est un site industriel destiné à la production

d'électricité. Les centrales électriques alimentent en électricité, au moyen du réseau

électrique, les consommateurs, particuliers ou industriels éloignés de la centrale. La

production d'électricité y est assurée par la conversion en énergie électrique d'une

énergie primaire qui peut être soit mécanique (force du vent, force de l'eau des rivières,

des marées...), soit chimique (réactions d'oxydoréduction avec des combustibles, fossiles

ou non tels que la biomasse), soit nucléaire, soit solaire...

Ces énergies primaires peuvent être renouvelables (biomasse) ou quasiment

inépuisables (énergie solaire) ou au contraire peuvent constituer des ressources dont la

disponibilité est limitée dans le temps (combustibles fossiles).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Pearl_Street_Station

https://fr.wikipedia.org/wiki/4_septembre

https://fr.wikipedia.org/wiki/Septembre_1882

https://fr.wikipedia.org/wiki/1882

https://fr.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison

https://fr.wikipedia.org/wiki/Manhattan

https://fr.wikipedia.org/wiki/The_New_York_Times

https://fr.wikipedia.org/wiki/Wall_Street

https://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_continu

https://fr.wikipedia.org/wiki/Cog%C3%A9n%C3%A9ration

https://fr.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla

https://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_alternatif

https://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectricit%C3%A9

https://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_thermique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Production_d%27%C3%A9lectricit%C3%A9

https://fr.wikipedia.org/wiki/Production_d%27%C3%A9lectricit%C3%A9

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Consommateur

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_primaire


17

II.3. Les différents types de centrales thermiques (1), (2)

Les centrales thermiques se répartissent en trois grandes catégories, selon la

nature de leur source de chaleur :

Centrales nucléaires

Centrales récupérant de la chaleur préexistante (solaire, géothermique…)

Centrales à flamme

II.3.1. Centrales nucléaires

Une centrale nucléaire est un site industriel utilisant la fission de noyaux

atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en électricité

(entre 30 % et 40 % en fonction de la différence de température entre la source froide et

chaude). C'est la principale mise en œuvre de l'énergie nucléaire dans le domaine civil.

Une centrale nucléaire est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la

puissance électrique varie de quelques mégawatts à plus de 1 500 mégawatts pour le

réacteur soviétique de grande puissance. Selon les promoteurs du futur réacteur

européen, il devrait atteindre une puissance record de 1 600 mégawatts.

Figure 6: Fonctionnement d’une centrale nucléaire


18

II.3.2. Centrales récupérant de la chaleur préexistante

II.3.2.1. Centrale solaire thermodynamique

Le soleil envoie chaque année 1.080.000.000 térawatt heures d’énergie sur la

terre l’équivalent de 60.000 fois la consommation mondiale annuelle d’électricité.

L’énergie solaire possède ainsi le plus grand potentiel parmi toutes les énergies

renouvelables.

Une centrale solaire thermique (ou centrale solaire thermodynamique ou encore

heliothermodynamique) est une centrale qui concentre les rayons du soleil à l'aide de

miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur qui permet en général de produire de

l'électricité.

On distingue 3 types de centrale solaire :

o Centrale à tour

o Centrale constituée de capteurs cylindro paraboliques.

o Centrale constituée de capteurs paraboliques.

Figure 7:Centrale solaire à tour


19

Figure 8: Centrale solaire parabolique

II.3.2.2. Centrale géothermique

La géothermie est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du

globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par extension, la géothermie désigne

aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie de la Terre qui est convertie en chaleur.


20

On distingue trois types de géothermie :

o La géothermie peu profonde à basse température ;

o La géothermie profonde à haute température ;

o La géothermie très profonde à très haute température.

Ces trois types de géothermie prélèvent la chaleur contenue dans le sol.

L'énergie géothermique est exploitée dans des réseaux de chauffage et d'eau chaude

depuis des milliers d'années en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin

méditerranéen.

L'augmentation des prix de l'énergie et le besoin d'émettre moins de gaz à effet de serre

la rendent plus attrayante.

Figure 6: Centrale géothermique de Nesjavellir en Islande Figure 9: Centrale géothermique en Islande


21

II.3.3. Centrales à flamme

Une centrale thermique à flamme utilise l'énergie fournie par la combustion d'un

combustible (charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hauts-fourneaux).

II.3.3.1. Fonctionnement d’une centrale à flamme

Quel que soit le combustible, celui-ci brûle dans une chaudière tapissée de tubes

à l’intérieur desquels circule l’eau à chauffer. Sous l’effet de la chaleur, l’eau se

transforme en vapeur, laquelle est alors envoyée sous pression vers les turbines. Les

turbines tournent grâce à la vapeur. Elles entraînent un alternateur qui produit de

l’électricité. La vapeur qui a été utilisée est envoyée vers un condenseur dans lequel

circule de l’eau froide. Au contact de celle-ci, la vapeur se transforme en eau, qui est

récupérée et envoyée à nouveau dans la chaudière. L’eau utilisée pour le refroidissement

est restituée au milieu naturel ou renvoyée dans le condenseur.

Figure 10: Centrale à flamme


22

II.3.3.2. Les différents types de centrales à flamme

En fonction du combustible utilisé, il y a trois types de centrales thermiques à

flamme :

Les centrales au charbon

Les centrales au fioul

Les centrales au gaz

II.3.3.3. Les éléments constitutifs d’une centrale à flamme

a) La chaudière

La chaudière est un dispositif permettant de chauffer l'eau et de produire de la vapeur si

l'eau est chauffée au-delà de la pression atmosphérique.

Industriellement, on utilise les chaudières pour produire la vapeur nécessaire au

fonctionnement des procédés. La source de chaleur peut être fournie par un combustible

(gaz, fioul, charbon…)

Classification des chaudières

Les chaudières peuvent être classées comme suit :

-La nature de la vapeur produite

o De basse pression : la pression varie de 8 à 16 bars

o De moyenne pression : la pression varie de 16 à 45 bars

o De haute pression : la pression se trouve au-delà de 45bars

Leur type de circulation d’eau

o Chaudière sans circulation dirigée

o Chaudière à circulation naturelle

o Chaudière à circulation dirigée ou contrôlée

Leur type constructif

o Chaudière à tube d’eau

o Chaudière à tube de fumée


23

b) La turbine

Une turbine est un moteur à combustion externe fonctionnant selon le cycle

thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement

d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d’eau

Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :

L’eau venant de la chaudière est chauffée, vaporisée et surchauffée.

La vapeur est envoyée vers la turbine où elle se détend en fournissant de l’énergie

mécanique

La vapeur détendue est condensée au contact d’une source froide sous vide

partiel

La turbine comprend un ou plusieurs étages assurant chacun deux fonctions :

- La détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l’énergie potentielle

en énergie cinétique.

- La conversion de l’énergie cinétique en couple de rotation de la machine par le

biais des aubages mobiles.

c) L’alternateur

Le principe physique qui permet de produire de l’électricité avec un alternateur

est le magnétisme.

En tournant, le rotor produit un champ magnétique. Sous son effet, dans le cuivre de la

bobine du stator, il va se créer naturellement, un courant électrique. C’est ce courant

induit qui est récupéré et utilisé en sortie de l’alternateur. Dans les centrales, l’alternateur

est souvent couplé avec une turbine par un axe de transmission. C’est cet axe qui

transmet le mouvement rotatif au rotor.


24

d) Le condenseur

Un condenseur est un appareil dont la fonction principale est de liquéfier (ou

condenser) de la vapeur sur une surface froide.

À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un

condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve.

L'eau ainsi obtenue est récupérée et envoyée dans la chaudière pour recommencer un

autre cycle. L'eau utilisée pour le refroidissement est restituée à son milieu naturel ou

renvoyée dans le condenseur.

Figure 11:Schéma bloc d'un alternateur


25

Chapitre III. Les gaz d’échappement des centrales thermiques

III.1. Définition

Les gaz d’échappement des centrales thermiques sont des gaz provenant de la

combustion de fiouls, de charbons et des gaz.

Ils sont rejetés dans la nature et peuvent engendrer des effets négatifs sur

l’environnement et sur la santé humaine.

III.2. La composition des gaz d’échappement

III.2.1.1. Monoxyde de carbone (CO)

Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa molécule est

composée d'un atome de carbone et d'un atome d'oxygène. Ce corps composé est à l'état

gazeux dans les conditions normales de pression et de température.

Le monoxyde de carbone CO est un gaz incolore, inodore, sans vapeur, inflammable,

formant avec l’air un mélange explosif, peu soluble.

Le mécanisme de formation du CO peut résulter :

- De la combustion à faibles températures des flammes froides.

- De l’oxydation à haute température des hydrocarbures présents dans le

combustible.

- De la décomposition des aldéhydes.

-De la dissociation du gaz carbonique à haute température.

III.2.1.2. Dioxyde de carbone (CO2)

Le dioxyde de carbone est un composé chimique dont la formule est CO2. Il se

présente, sous les conditions normales de température et de pression, comme un gaz

incolore, inodore, à la saveur piquante.

Le CO2 est un gaz à effet de serre bien connu, transparent en lumière visible mais

absorbant dans le domaine infrarouge, de sorte qu'il tend à bloquer la réémission vers

zim://A/A/Oxyde.html

zim://A/A/Mol%C3%A9cule.html

zim://A/A/Atome.html

zim://A/A/Carbone.html

zim://A/A/Oxyg%C3%A8ne.html

zim://A/A/Gaz.html

zim://A/A/Conditions%20normales%20de%20pression%20et%20de%20temp%C3%A9rature.html

zim://A/A/Compos%C3%A9%20chimique.html

zim://A/A/Formule%20chimique.html

zim://A/A/Atmosph%C3%A8re%20normalis%C3%A9e.html

zim://A/A/Gaz.html

zim://A/A/Gaz%20%C3%A0%20effet%20de%20serre.html

zim://A/A/Lumi%C3%A8re%20visible.html

zim://A/A/Infrarouge.html


26

l'espace de l'énergie thermique reçue au sol sous l'effet du rayonnement solaire ; il serait

responsable de 26 % de l'effet de serre à l'œuvre dans notre atmosphère.

La formation du gaz carbonique résulte de la combustion complète de tout composé

carboné avec parfois l’étape intermédiaire de la formation de l’oxyde de carbone puis

de sa combustion selon les deux réactions suivantes dont la seconde est très lente et ne

joue aucun rôle dans le mécanisme de la formation du CO2 :

CO + OH · → CO2 + H ·

CO + O · + M →CO2 +M

III.2.1.3. Oxydes d’azotes

On appelle oxyde d'azote toutes les formes oxydées de l'azote, dont :

- Le protoxyde d'azote (N2O)

- Le monoxyde d'azote (NO)

- Le trioxyde de diazote (N2O3)

- L’ion nitrate (NO3-)

- Le dioxyde d’azote (NO2)

- Le pentoxyde de diazote (N2O5)

Toutes ces molécules sont collectivement notés NOx ; il s'agit d'un terme

générique, notamment utilisé pour les mesures quantitatives globales de ces polluants

qui peuvent notamment avoir des impacts en termes d'effet de serre, d'acidification de

l'air, des pluies et des eaux, d'eutrophisation, et de santé.

La formation d’oxyde d’azote, essentiellement sous forme d’oxyde nitrique NO est dû à

l’oxydation de l’azote de l’air ou de l’azote contenu dans le carburant ; dans les

mélanges pauvres et aux températures et pressions élevées atteintes au moment de la

combustion :

O · + N2O→ NO + NO

H · + N2O→ N H · + NO

zim://A/A/%C3%89nergie%20thermique.html

zim://A/A/Rayonnement%20solaire.html

zim://A/A/Effet%20de%20serre.html

zim://A/A/Azote.html

zim://A/A/Protoxyde%20d%27azote.html

zim://A/A/Monoxyde%20d%27azote.html

zim://A/A/Trioxyde%20de%20diazote.html

zim://A/A/Nitrate.html

zim://A/A/Pentoxyde%20de%20diazote.html

zim://A/A/NOx.html

zim://A/A/Polluant.html

zim://A/A/Effet%20de%20serre.html

zim://A/A/Sant%C3%A9-environnement.html


27

III.2.1.4. Hydrocarbures (HC)

Un hydrocarbure (HC) est un composé organique contenant exclusivement des

atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H).

Sous forme de carbone fossile, ils sont une ressource énergétique essentielle pour

l'économie depuis la révolution industrielle, mais aussi source de gaz à effet de serre

issus de leur utilisation massive.

Les hydrocarbures rejetés dans les gaz de combustion d’échappement résultent :

Des phénomènes d’extinction de la flamme à proximité des parois où sa

température est plus faible et dans les espaces morts.

De la propagation incomplète de la flamme à proximité en mélange

pauvre ou à faible charge (basse pression et température) qui se traduit

par son extinction.

En mélange riche, du non combustion du carburant en excès,

l’oxygène étant en quantité insuffisante

III.2.1.5. Les suies

La suie est un ensemble de composés chimiques résultant de la combustion

incomplète de combustibles fossiles. Les suies se présentent sous la forme de substances

solides ou goudronneuses d'aspect noirâtre et riches en carbone.

La formation des suies est liée au mode de combustion et à la nature du combustible.

Elle est constituée de composés carbonés agglomérés, formant des particules d'une

vingtaine de nanomètres, disposées en spirale.

zim://A/A/Chimie%20organique.html

zim://A/A/Atome.html


zim://A/A/Hydrog%C3%A8ne.html

zim://A/A/Carbone%20fossile.html

zim://A/A/Ressource%20%C3%A9nerg%C3%A9tique.html

zim://A/A/%C3%89conomie.html

zim://A/A/R%C3%A9volution%20industrielle.html


zim://A/A/Combustion.html

zim://A/A/Combustible.html

zim://A/A/Substance.html



METHODE DE VALORISATION DES GAZ

D’ECHAPPEMENT DES CENTRALES

THERMIQUES


30

Chapitre I. Méthode de valorisation

La récupération et la valorisation des chaleurs perdues constituent un moyen efficace

pour la diminution de la consommation énergétique et l’augmentation de l’efficacité

énergétique.

I.1. La technologie ORC (Cycle organique de Rankine) [4], [5], [6], (3), (4),(5)

Parmi les technologies actuelles et potentiellement utilisées pour la valorisation

de l'énergie thermique rejetée par les différents secteurs industriels, on cite les cycles de

Rankine utilisant des fluides de travail organiques.

Depuis plusieurs années, le cycle de Rankine et l'utilisation des fluides

organiques ont fait l'objet de recherches scientifiques. Ces derniers sont introduits pour

générer de l'électricité à partir de la chaleur rejetée par des centrales thermiques

traditionnelles.

Figure 12: Répartition des références ORC par pays en 2009


31

I.1.1. Fonctionnement

Le Cycle Organique de Rankine (ORC) permet de transformer des sources

thermiques basse température en électricité grâce à l'utilisation de fluides réfrigérants

organiques : la chaleur récupérée va être utilisée pour chauffer puis vaporiser le fluide

organique, qui sera ensuite détendu dans une turbine alimentant un générateur. Le fluide

est ensuite condensé pour recommencer le cycle ORC (circuit fermé).

Le cycle organique de Rankine est un cycle de Rankine utilisant un composé organique

au lieu de l’eau comme fluide de travail. En effet, l’eau est un fluide de travail excellent

pour le cycle de Rankine classique si la température de source thermique est

suffisamment élevée.

Un module ORC comprend 4 composants principaux :

Un évaporateur

Une turbine

Un condenseur

Une pompe

En sortie de pompe, le fluide organique à l’état liquide est dirigé vers

l’évaporateur. Le fluide y est réchauffé jusqu’à la température d’ébullition, vaporisé et

éventuellement surchauffé. La vapeur du fluide organique produite dans l’évaporateur

(grâce à la chaleur cédée par la source chaude) est ensuite détendue dans la turbine pour

produire de l’électricité. En fonction de la nature du fluide, en fin de détente, le fluide

est soit à l’état de vapeur surchauffée (fluide sec) ou à l’état diphasique (fluide humide).

Dans le cas de l’utilisation d’un fluide sec (type de fluide généralement utilisé),

la détente dans la turbine ORC se fait en permanence à l’état de vapeur et il n y a donc

pas, à l’inverse du cycle de Rankine « classique » (utilisant l’eau, un fluide humide,

comme fluide de travail), apparition de gouttelettes entrainant une érosion de la turbine.

Cela permet ainsi de réduire les coûts de maintenance. De plus, en présence d’un fluide

sec, il est possible de récupérer une partie de l’énergie thermique (sensible) de la vapeur

de fluide organique et d’augmenter ainsi le rendement du cycle en préchauffant le fluide


32

organique en sortie de pompe à travers un échangeur de chaleur appelé « récupérateur »

ou « régénérateur ». A la sortie du récupérateur, la vapeur passe alors dans le condenseur.

Dans le condenseur, le fluide est éventuellement refroidi jusqu’à la température

de condensation (fluide sec), condensé et sous-refroidi. Notons que le sous-

refroidissement peut être assuré par un échangeur spécialement dédié à cet effet. Le

fluide à l’état liquide et à basse pression est ensuite amené à la haute pression au moyen

de la pompe.

Figure 13: Schéma d’un cycle ORC

I.1.2. Les éléments constitutifs

I.1.2.1. Les échangeurs de chaleur

Un ORC comprend au moins deux échangeurs de chaleur (un évaporateur et un

condenseur). Toutefois des échangeurs additionnels peuvent être utilisés au sein même

de l’ORC, tels que le récupérateur ou le sous-refroidisseur. D’autres échangeurs peuvent


33

également être utilisés au niveau de la source et du puits de chaleur et parcourus par les

fluides secondaires.

Il existe différents types d’échangeurs variant selon la forme, la compacité, les

matériaux, la configuration des écoulements (contre-courant, co-courant, courants

croisés, etc.)

On peut citer les échangeurs à plaques, les échangeurs tubulaires, les échangeurs

à tubes en U, …. Selon le type d’application, l’un ou l’autre sera privilégié.

Les échangeurs de chaleur doivent présenter les caractéristiques suivantes :

• Important coefficient de transfert de chaleur global, ce qui permet de minimiser

toutes les différences de température entre la source chaude et le fluide travail et entre

la source froide et le fluide de travail.

• Faibles pertes de charges, afin de limiter les consommations des auxiliaires

(pompes et ventilateur.

I.1.2.2. Machine de détente

La machine de détente est un élément important de l’ORC étant donné que son

efficacité influence fortement la performance du système global. On distingue les

machines volumétriques des turbomachines. Les premières sont mieux adaptées que les

dernières à la gestion des plus faibles débits. Elles seront donc utilisées dans des

systèmes ORC caractérisés par de plus faibles puissances installées. Parmi les machines

volumétriques, on retrouve principalement des détendeurs à vis et dans une moindre

mesure des détendeurs à spirales ou à piston. Quant aux turbomachines, elles peuvent

être axiales ou radiales.

I.1.2.3. La pompe

La pompe est un autre élément important de l’ORC. Contrairement aux systèmes

fonctionnant avec l’eau comme fluide de travail, la consommation de la pompe d’un

ORC peut représenter une fraction non négligeable de la puissance produite par la

turbine. On veillera donc à utiliser une pompe présentant un rendement acceptable.

D’autre part, la pompe joue un rôle essentiel dans le contrôle de l’ORC en dehors de son

point de fonctionnement nominal en permettant d’ajuster le débit de fluide au travers du

système.


34

I.1.3. Fluide de Travail

Pour la conception du cycle ORC, l’une des étapes les plus importantes est

l’identification du fluide de travail approprié car les propriétés thermo-physiques et de

transport des fluides de travail influencent fortement la performance, la taille et la

conception du système.

Pour la production d’électricité à basse température, les fluides organiques à basse

température d’ébullition présentent de vrais potentiels. Actuellement, il y a beaucoup de

recherches focalisées sur la sélection du fluide de travail pour le système ORC.

I.1.3.1. Critères de choix du fluide de travail organique

Un fluide de travail idéal pour le cycle de Rankine doit satisfaire les critères

thermodynamiques et physiques suivants :

La température critique du fluide de travail doit être bien supérieure à la

température la plus élevée du cycle (cas sous-critique).

La pression de saturation à la température maximale du cycle ne doit pas

être excessive. La pression élevée amène de problèmes de contrainte

mécanique.

-La pression de saturation à la température minimale (c’est-à-dire la

pression de condensation) du cycle ne doit pas être trop faible pour éviter

les problèmes d’étanchéité et la pénétration de l’air ambiant dans le

système.

Le point triple doit être bien inférieur à la température ambiante minimale

qui est désirée. Cela assure que le fluide ne se solidifie pas à tous les

points de fonctionnement du système incluant le temps de traitement à

l’extérieur du cycle.

Une faible valeur de chaleur spécifique du liquide. Cela réduit la quantité

de chaleur demandée pour augmenter la température du liquide sous-

refroidi à la température d’évaporation.


35

Une viscosité faible, une chaleur latente importante de vaporisation, une

conductivité thermique élevée et une bonne capacité de mouillage du

fluide de travail sont préférées. Ces propriétés assurent que les chutes de

pression en traversant les échangeurs et les tuyaux auxiliaires sont faibles

et que le taux d’échange thermique dans des échangeurs est important.

Un bon fluide de travail doit avoir des volumes spécifiques faibles. Ces

propriétés affectent les taux de transfert thermique dans les échangeurs

de chaleur. Le volume spécifique de vapeur se rapporte directement aux

tailles et coût d’achat des composants du cycle.

La pente (dS/dT) de la courbe de saturation de vapeur du fluide de travail

dans le diagramme T-s est préférée au voisinage de zéro. Cela prévient la

production excessive de condensat ou de surchauffe pendant la détente.

Cela assure aussi que le rejet de chaleur dans le condenseur se fait à la

température minimale du cycle.

Non-corrosivité et compatibilité avec les matériaux communs du système

sont des critères importants de sélection.

Le fluide de travail doit être chimiquement stable à tous les niveaux de

température utilisée dans le système. La résistance de décomposition

thermique du fluide de travail en présence des lubrifiants et des matériaux

du container est un critère important.

Le fluide doit avoir des bonnes propriétés de lubrification.

Le choix du fluide dépend aussi de la température de la source chaude :

Les réfrigérants sont utilisés pour les sources basse température :

<150°C

Des hydrocarbures permettent de valoriser des sources à moyenne

température :

150°C-250°C


36

Les siloxanes sont utilisés pour des sources chaudes avec des

températures bien plus élevées : >250°C

I.1.3.2. Classification des fluides de travail

Les fluides de travail du système ORC peuvent être classifiés en plusieurs

catégories selon la méthode de classification. Quelques catégories de fluides organiques

peuvent être présentées comme suit:

Fluides purs et mélanges (azéotrope, quasi-azéotrope et non-azéotrope)

Hydrocarbures(HCs), Perfluorocarbures(PCFs), Chlorofluorocarbures (CFCs),

Hydrofluorocarbures (HFCs), Hydrofluoroléfines (HFOs),

Hydrofluorochlorocarbures (HCFCs), Siloxanes et alcools

Fluides réfrigérants, Fluides non réfrigérants

Fluides mouillants, séchants et isentropiques

Figure 14: Choix du fluide selon la température de la source chaude


37

En effet, selon la pente (dT/dS) de la courbe de saturation de vapeur dans le

diagramme T-S, les fluides organiques sont classifiés en trois catégories :

-Les fluides séchants possèdent une pente positive. Exemple : n-pentane

-Les fluides mouillants, une pente négative. Exemple :

-Les fluides isentropiques se caractérisent par une courbe verticale de saturation

de vapeur.

Tableau 1: Propriétés thermodynamiques de quelques fluides de travail

Fluides Pente de la courbe

de saturation de

vapeur

Point critique Température

d’ébullition à 1

atm

Eau Mouillant 374°C – 220 bar 100°C

R11 Isentropique 198°C – 44.1 bar 23.5°C

R22 Mouillant 96.1°C – 49.9 bar 41.1°C

R113 Séchant 214°C – 34.4 bar 47.8°C

R123 Isentropique 184°C – 36.7 bar 27.7°C

R134a Mouillant 101°C – 40.6 bar 26.4°C

R245fa Isentropique 154°C – 36.4 bar 14.6°C

R601 (n-pentane) Séchant 196°C – 33.6 bar 35.5°C

R601a (iso pentane) Séchant 187°C – 33.7 bar 27.5°C

C6H6 (benzène) Séchant 289°C – 49 bar 79.8°C

C7H8 (Toluène) Séchant 319°C – 41 bar 110.4°C

C8H10 (p-xylene) Séchant 343°C – 35 bar 66.65°C

I.1.4. Les différentes configurations d’un ORC

I.1.4.1. Cycles ORC standard

Dans un cycle ORC standard, dans un premier temps, le fluide de travail qui se

trouve à l’état du liquide saturé (ou légèrement sous-refroidi) à la pression de

condensation est porté à haute pression grâce à la pompe, cette pression est inférieure

(ORC sous critique) ou supérieure (ORC supercritique) à sa pression critique. Ensuite,

le fluide de travail est chauffé, puis vaporisé (cycle sous-critique) dans l’échangeur de


38

chaleur à haute pression grâce à la chaleur du fluide qui constitue la source de chaleur

du cycle.

Dans le cas du cycle ORC supercritique, l’étape d’évaporation avec le changement de

phase présente dans le cas sous-critique disparaît.

A la sortie de l’échangeur de chaleur à haute pression, le fluide de travail libère son

énergie dans les aubages de la turbine pendant l’étape de détente. Finalement, le fluide

cyclé à la pression basse est refroidi et condensé voire légèrement sous-refroidi en

rejetant son énergie à un puits froid avant d’être renvoyé vers l’échangeur de chaleur

à haute pression pour compléter la boucle.

C’est le cycle ORC sous-critique, dans lequel la vapeur saturée ou légèrement

surchauffée est détendue à travers la turbine, qui est le plus souvent utilisé pour la

récupération des rejets thermiques et qui est le plus souvent étudié.

Les cycles ORC supercritiques présentent également leur importance car ce

dernier peut amener à un rendement plus élevé. En effet, l’avantage majeur du cycle

ORC supercritique par rapport au cycle sous-critique est une meilleure adéquation entre

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

pendant l’étape de transfert de chaleur à haute pression. L’absence du procédé

d’évaporation isotherme dans le cas supercritique permet à la source thermique d’être

refroidie à une température plus basse que dans le cas sous-critique malgré une valeur

identique du pincement au niveau de l’échange de chaleur à haute pression. Cela conduit

à une meilleure utilisation de la ressource de chaleur.

La configuration supercritique du cycle ORC présente des problèmes de design

et de mise en œuvre qui restent à surmonter. C’est en particulier le cas du fonctionnement

à haute pression qui demande l’utilisation de matériaux plus résistant, le rapport élevé

des pressions à travers la turbine qui s’en accommode mal mécaniquement et pouvant

influencer ses performances, le transfert de chaleur vers un fluide se trouvant à l’état

supercritique et finalement les incertitudes inhérentes aux propriétés du fluide de travail

dans la région supercritique.


39

I.1.4.2. Cycles ORC avec un échangeur de chaleur interne

Avec les fluides de travail séchant, la vapeur à la sortie de la turbine du cycle

ORC se trouve en situation de vapeur surchauffée. Avant refroidissement et

condensation de cette vapeur, une partie de son énergie est transférée au liquide

provenant de la pompe au niveau d’un échangeur interne de récupération.

L’échangeur interne dans ce cycle est appelé récupérateur ou économiseur.

I.1.4.3. Cycle ORC « régénératif » (ou avec sous-tirage)

Une autre solution pour améliorer la performance du cycle ORC est le cycle à

sous-tirage que l’on appelle aussi cycle régénératif. Une partie du débit vapeur est

soutirée de la turbine pour aller réchauffer le liquide avant son entrée dans l’échangeur

de chauffage. L’intérêt de cette façon de procéder est le fait que le liquide à la sortie de

la pompe est d’abord chauffé avec source (la vapeur soutirée de la turbine) qui se trouve

à une température qui n’est pas excessivement différente de la température du fluide à

chauffer.

Dans cette configuration, nous considérons qu’un échangeur de type de contact

direct (Feed-Fluid heater – FFH) est inclus dans le circuit du cycle ORC standard

Figure 15: Schéma d’un cycle ORC standard


40

La vapeur soutirée de la turbine est mélangée avec le liquide provenant de la pompe 1

dans le régénérateur. Le mélange peut sortir du FFH à l’état de liquide légèrement sous

refroidi pour éviter tout risque de cavitation au niveau de la pompe 2.

Ce mélange est comprimé par la pompe 2 jusqu’à la haute pression du cycle qui

est donc une pression supérieure à la pression critique du fluide de travail pour absorber

la chaleur de la source thermique dans l’échangeur de chaleur à haute pression. La

vapeur sortante de la turbine au point est refroidie et condensée voire légèrement sous-

refroidie en cédant la chaleur à un puits froid avant d’être mélangée avec la vapeur

sortante de la turbine.

Figure 16:Schéma d’un cycle ORC avec soutirage


41

I.1.5. Analyse thermodynamique d’un système ORC

Figure 18: Diagramme T-S du cycle

Figure 17:Schéma des divers composants d'un ORC


42

Comme l’indique la figure, le cycle organique de Rankine comprend 4 phases :

1-2 : Transformation isentropique

2-3 : Vaporisation isobare

3-4 : détente isentropique

4-1 : Condensation isobare

I.1.5.1. Procédé de pompage :

Puissance mécanique de la pompe :

�̇�𝒑 = �̇�𝒇𝒕(𝒉𝒑,𝒐𝒖𝒕 − 𝒉𝒑,𝒊𝒏) (2-1)

Puissance électrique de la pompe :

�̇�𝒑𝒆𝒍𝒆𝒄 =

�̇�𝒑

𝜼𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓

(2-2)

Rendement isentropique de la pompe :

𝜼𝒊𝒔𝒑

=𝒉𝒑,𝒐𝒖𝒕

𝒊𝒔 − 𝒉𝒑,𝒊𝒏

𝒉𝒑,𝒐𝒖𝒕 − 𝒉𝒑,𝒊𝒏

(2-3)

I.1.5.2. Procédé de vaporisation

Le flux de chaleur échangée par l’évaporateur avec le système :

�̇� = �̇�𝒇𝒕(𝒉𝑬,𝒐𝒖𝒕 − 𝒉𝑬,𝒊𝒏) (2-4)

I.1.5.3. Procédé de détente

Puissance mécanique la turbine :

�̇�𝐭 = �̇�𝐟𝐭(𝐡𝐭,𝐢𝐧 − 𝐡𝐭,𝐨𝐮𝐭) (2-5)


43

Rendement isentropique de la turbine :

𝛈𝐢𝐬𝐭 =

𝐡𝐭,𝐢𝐧 − 𝐡𝐭,𝐨𝐮𝐭

𝐡𝐭,𝐢𝐧 − 𝒉𝒕,𝒐𝒖𝒕𝒊𝒔

(2-6)

I.1.5.4. Procédé de condensation

Flux de chaleur rejetée au puits froid :

�̇�𝐜 = �̇�𝐟𝐭(𝐡𝐜𝐨𝐧𝐝,𝐢𝐧 − 𝐡𝐜𝐨𝐧𝐝,𝐨𝐮𝐭) (2-7)

I.1.5.5. Performance du cycle

Puissance mécanique du cycle :

�̇�𝐧𝐞𝐭 = �̇�𝐭 − �̇�𝐩 (2-8)

Rendement thermique du cycle :

𝜼𝒕𝒉 =�̇�𝐧𝐞𝐭

�̇�

𝜼𝒕𝒉 =�̇�𝐭 − �̇�𝐩

�̇�

(2-9)


44

Chapitre II. Application du Cycle organique de Rankine

Notre travail consiste à utiliser les gaz d’échappement d’une centrale dont on connait

les diverses caractéristiques pour faire fonctionner le module ORC.

C’est le cas d’une centrale à biomasse dont le gaz d’échappement est à basse température

et qui possède les caractéristiques suivantes :

Température des gaz : 110°C

Débit massique : 2,4kg/s

Capacité thermique : 1043 J/kg.K

II.1. Choix et dimensionnement de l’évaporateur

L’évaporateur échange avec l’extérieur de la matière et de la chaleur. Il est composé de

deux ports matériels. L’un est une entrée du fluide de travail à l’état liquide et l’autre

une sortie de ce fluide à l’état vapeur.

Dans le cas d’un cycle organique de Rankine, les types d’échangeur de chaleur les plus

adaptés sont les échangeurs à tubes et calandre.

Les principaux avantages retenus généralement pour les échangeurs à tubes et

calandre sont les suivants :

Ils fournissent des rapports surface de transfert de chaleur sur volume ou

poids relativement important.

Ils peuvent être facilement nettoyés.

Ils offrent une grande flexibilité pour satisfaire presque toutes demandes

de service.

Les échangeurs de chaleur à tube et calandre peuvent être conçus pour

fonctionner à haute pression par rapport à l’ambiance et à haute

différence de pression entre les deux fluides circulants respectivement

dans le tube et dans la calandre.


45

La meilleure disponibilité relative des corrélations permettant la

détermination des paramètres thermo-économique de ce type

d’échangeurs.

La figure suivante montre la géométrie générale d’un échangeur de chaleur à

tube et calandre.

II.1.1. Fluide de Travail

Comme la température de la source chaude est assez basse, on va choisir le fluide

frigorigène R 134A comme fluide de travail.

R 134 : -Masse volumique : 1 206 kg/ m3

- Chaleur massique : 1 ,425 KJ/ (kg.K)

-Chaleur latente de vaporisation : 215,9 KJ/kg

-Point d’ébullition (1,013 bar) = -26,6 °C

-Viscosité : μ= 0,197. 10-3 kg/m.s

On veut chauffer le fluide de travail de 0°C à 50°C

Le débit massique du fluide dans l’échangeur est de 0.3 kg/s.

Figure 19: Géométrie d'un échangeur à tubes et calandre


46

II.1.2. Flux thermique échangé.

La puissance thermique transmise entre l’échangeur et le fluide de travail est en fonction

de la température d’entrée 𝑇𝑓𝑒𝐸 et sortie 𝑇𝑓𝑠

𝐸 du fluide ainsi que son débit massique �̇�𝑓𝐸

circulant dans l’évaporateur :

�̇�𝑬 = �̇�𝒇𝑬. 𝒄𝒑𝒇(𝑻𝒇𝒔

𝑬 − 𝑻𝒇𝒆𝑬 ) (3-1)

�̇�𝐸 = 0,3 . 1425. (50 − 0)

�̇�𝑬 = 𝟐𝟏𝟑𝟕𝟓 𝐖

A partir de ce résultat, on connait la température du gaz à la sortie de l’évaporateur.

�̇�𝐸 = �̇�𝑐𝐸 . 𝑐𝑝𝑐(𝑇𝑐𝑒

𝐸 − 𝑇𝑐𝑠𝐸)

D’où 𝑻𝒄𝒔𝑬 = 𝑻𝒄𝒆

𝑬 −�̇�𝒄

𝑬

�̇�𝒄𝑬.𝒄𝒑𝒄

𝑇𝑐𝑠𝐸

= 𝟏10 −21375

2,4.1043

𝑻𝒄𝒔𝑬 = 𝟏𝟎𝟏, 𝟒𝟔°𝑪

II.1.3. Calcul de l’efficacité thermique

Pour caractériser la performance E d’un échangeur, il faut comparer sa puissance

thermique avec le flux maximum.

La définition de E ne prend en compte que 3 des 4 températures consternées.

𝑬 =

�̇�𝒄. 𝒄𝒑𝒄(𝑻𝒄𝒆 − 𝑻𝒄𝒔)

�̇�𝒇.𝒄𝒑𝒇(𝑻𝒄𝒆 − 𝑻𝒇𝒆)

(3-2)


47

𝐸 =2,4.1043. (110 − 101,46))

0.3.1425. (110 − 0)

𝑬 = 𝟎, 𝟒𝟓

II.1.4. Facteur de déséquilibre

𝑹𝒅 =�̇�𝒇𝒄𝒑𝒇

�̇�𝒄𝒄𝒑𝒄

(3-3)

𝑅𝑑 =0,3 . 1425

2,4 . 1043

𝑹𝒅 = 𝟎, 𝟏𝟕

II.1.5. Nombre d’unité de Transfert

A partir de l’efficacité et du facteur de déséquilibre Rd, on peut tirer la valeur du nombre

d’unité de transfert NUT. Pour un échangeur à tube et calandre, on a :

𝑵𝑼𝑻 =

𝟏

𝟏 − 𝑹𝒅 𝑳𝒏

𝟏 − 𝑹𝒅𝑬

𝟏 − 𝑬

(3-4)

𝑵𝑼𝑻 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟓

II.1.6. Détermination de la surface d’échange

En entrant dans l’évaporateur, le fluide est en phase liquide. Donc on a un type

d’échange liquide /gaz. Ce type d’échange dans un évaporateur à tube et calandre a un

coefficient d’échange environ K= 300 W/m2.K.

La surface d’échange Σ est donnée par la formule suivante :

𝑨 =

𝑵𝑼𝑻 𝑿 �̇�𝑪𝒄𝒑𝒄

𝑲

(3-5)

𝑨 = 𝟑, 𝟔𝟑 𝒎𝟐


48

II.1.7. Calcul de la vitesse d’écoulement

Le fluide étant en phase liquide et circulant dans une conduite à section circulaire, le

nombre de Reynold est de l’ordre de Re= 2300

On a choisi des tubes de diamètre d= 15 mm.

𝑽𝒆 =

𝑹𝒆. 𝝁

𝝆 . 𝒅

(3-6)

𝑽𝒆 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟓 𝒎/𝒔

II.1.8. La section totale des tubes

𝑺 =

�̇�𝒇

𝝆. 𝑽

(3-7)

𝑺 = 𝟏𝟎−𝟐 𝒎𝟐

II.1.9. Le nombre de tubes nécessaire

𝑵𝒕 =

𝑺

𝝅. 𝒅𝟐/𝟒

(3-8)

𝑁𝑡 = 56,67

Comme il faut avoir un nombre entier, on prendra donc l’entier immédiatement

supérieur.

𝑵𝒕 = 𝟓𝟕

II.1.10. La longueur du faisceau :

𝑳 =

𝑨

𝑵.𝝅. 𝒅

(3-9)

𝑳 = 𝟏. 𝟑𝟓 𝒎


49

II.2. Choix et calcul de la turbine.

En phase de dimensionnement, on retient généralement les hypothèses suivantes :

Le travail des forces de pesanteur est négligeable et la détente est adiabatique.

Le fluide est non visqueux et suit les lois des gaz parfaits.

Les vitesses absolues sont axiales à l’entrée du distributeur et à la sortie de la

roue

L’écoulement est permanent et axisymétrique : l’écoulement est moyenné dans

des différentes sections d’entrée et de sortie des grilles fixes et mobiles.

Habituellement, pour les turbines l’étage est composé d’un stator et d’un rotor, dans cet

ordre. Ainsi, on note le point d’entrée du fluide dans le stator avec l’indice 1, le point

d’entrée du rotor, correspondant avec la sortie du stator, avec l’indice 2, et finalement la

sortie du rotor avec l’indice 3.

Les symboles utilisés pour l’étude de cette turbine sont :

C : Vitesse absolue de l’écoulement

Wr : Vitesse relative de l’écoulement

Ur : Vitesse périphérique du rotor

𝑪𝒖, 𝑪𝒎 et 𝑪𝒙 composantes tangentielles, radiales et axiales de la vitesse absolue.

𝑾𝒓𝒖, 𝑾𝒓𝒎 et 𝑾𝒓𝒙 composantes tangentielles, radiales et axiales de la vitesse relative.

α angles des vitesses absolues

β angles des vitesses relatives.

Figure 20: Etage d'une turbine


50

On a choisi d’utiliser une turbine Siemens SST-010.

Elle possède les caractéristiques suivantes :

- Diamètre de la roue : 0,4 m

- Vitesse de rotation : ω = 520 rad/s

- Angle d’écoulement à l’entrée : 𝛼1= 0°

- Angle d’écoulement à la section 2 :𝛼2= 70°

- Angle d’écoulement relatif à la section 3 : 𝛽3 = −70°

- Epaisseur à la section 1 : 𝐵1=0.03m

- Epaisseur à la section 2 : 𝐵2=0,04 m

- Epaisseur à la section 3 : 𝐵3=0.05m

- Coefficient de pertes dans le stator : 𝜁𝑐 = 0.0156

- Coefficient de pertes dans le rotor : 𝜁𝑤 = 0.0094

A l’entrée de la turbine, la vapeur est à la température 50°C .La pression correspondante

dans la table thermodynamique est 13, 18 bar.

III.2.1. Triangle de vitesse et angle d’écoulement

III.2.1.1. Ecoulement dans la section 1

La densité du fluide est :

𝝆𝟏 =𝒑𝟏

𝑹𝑻𝟏 (3-10)

𝜌1 =13,18. 105

287. 323

𝝆𝟏 = 𝟏𝟒. 𝟐𝟏 𝒌𝒈/𝒎𝟑

Le débit massique qui traverse la turbine est :

�̇� = 𝐶1𝜌12𝜋𝑅𝐵1 (3-11)


51

Donc la vitesse absolue dans la section 1 est :

𝑪𝟏 =

�̇�

𝟐𝝅𝒓𝝆𝟏𝑩𝟏

(3-12)

𝐶1 =3

2 ∗ 3,14 ∗ 0.2 ∗ 14,21 ∗ 0,03

𝑪𝟏 = 𝟓, 𝟔 𝒎/𝒔

III.2.1.2. Ecoulement dans la section 2 :

Figure 21: Ecoulement dans le stator

La température dans la section 2 est égale à celle dans la section 1

𝑇2 = 𝑇1

𝑇2 = 50°𝐶

La pression dans la section 2 est :

𝑝2 = 𝑝1(1 − 𝜁𝑐) (3-13)

𝑝2 = 13,18(1 − 0.0156)

𝑝2 = 12,97 𝑏𝑎𝑟


52

La densité est :

𝝆𝟐 =𝒑𝟐

𝑹𝑻𝟐

𝜌2 =12,97. 105

287.323

𝝆𝟐 = 𝟏𝟑, 𝟗𝟗 𝒌𝒈/𝒎𝟑

La vitesse absolue est :

𝑪𝟐 =

�̇�

𝟐𝝅𝒓𝝆𝟐𝒄𝒐𝒔 𝜶𝟐𝑩𝟐

(3-14)

𝐶2 =3

2 ∗ 3,14 ∗ 0,2 ∗ 13,99 ∗ cos 70 ∗ 0,04

𝑪𝟐 = 𝟏𝟐, 𝟒𝟖 𝒎/𝒔

La vitesse périphérique est :

𝑼𝒓 = 𝒓.𝝎 (3-15)

𝑈𝑟 = 0.2 ∗ 520

𝑼𝒓 = 𝟏𝟎𝟒 𝒎/𝒔

On obtient la vitesse relative par la relation suivante :

𝑾𝒓𝟐𝟐 = 𝑪𝟐

𝟐 + 𝑼𝒓𝟐𝟐 − 𝟐 𝑪𝟐𝑼𝒓𝟐 𝐬𝐢𝐧𝜶𝟐 (3-16)

𝑾𝒓𝟐 = 𝟗𝟐, 𝟑𝟕 𝒎/𝒔


53

Et l’angle de la vitesse relative est :

𝐜𝐨𝐬𝜷𝟐 =

𝑪𝟐

𝑾𝒓𝟐. 𝐜𝐨𝐬 𝜶𝟐

(3-17)

cos 𝛽2 =12,48

92,37cos 70

cos 𝛽2 = 0,046

𝜷𝟐 = 𝟖𝟕, 𝟑𝟓°

III.2.1.3. Ecoulement dans la section 3

Figure 22: Ecoulement à travers le rotor


54

La pression à la section 3 est :

𝑝3 = 𝑝2(1 − 𝜁𝑤)

𝑝3 = 12,97(1 − 0,0094)

𝑝3 = 12,84 𝑏𝑎𝑟

La température correspondante à cette pression dans la table thermodynamique est

𝑇3 = 49°C

La densité est :

𝝆𝟑 =𝒑𝟑

𝑹𝑻𝟑

𝜌3 = 12,84 ∗ 105

287 ∗ 323

𝝆𝟑 = 𝟏𝟑, 𝟖𝟗 𝒌𝒈/𝒎𝟑

La vitesse relative est :

𝑾𝒓𝟑 =

�̇�

𝟐𝝅𝒓𝝆𝟑 𝒄𝒐𝒔𝜷𝟑𝑩𝟑

(3-18)

𝑊𝑟3 = 3

2.3,14.0,2.13,89. cos(−70) 0,05

𝑾𝒓𝟑 = 𝟏𝟎𝟎, 𝟓 𝒎/𝒔

La vitesse absolue est obtenue par la formule suivante :

𝑪𝟑𝟐 = 𝑾𝒓𝟑

𝟐 + 𝑼𝟑𝟐 + 𝟐 𝑾𝒓𝟑𝑼𝟑 𝐬𝐢𝐧𝜷𝟑 (3-19)

𝑪𝟑 = 𝟗𝟒, 𝟔 𝒎/𝒔


55

L’angle de la vitesse absolue est :

𝐜𝐨𝐬𝜶𝟑 =

𝑾𝒓𝟑

𝑪𝟑. 𝐜𝐨𝐬 𝜷𝟑

(3-20)

cos 𝛼3 = 0,0364

𝜶𝟑 = 𝟖𝟕, 𝟗𝟏°

III.2.2. Le moment couple et puissance

Le moment couple du rotor est :

𝓜 = �̇�. 𝒓(𝑪𝟑𝒖 − 𝑪𝟐𝒖) (3-21)

ℳ = �̇�. 𝑟(𝐶3 sin 𝛼3 − 𝐶2 sin 𝛼2)

𝓜 = 𝟒𝟗, 𝟔𝟖 𝑵.𝒎

La puissance de la turbine est :

𝑷 = 𝓜.𝝎 (3-22)

𝑃 = 49.6 ∗ 520

𝑷 = 𝟐𝟓𝟕𝟗𝟐 𝑾


56

III.2.3. Transformation en énergie électrique

On va relier cette turbine avec un alternateur pour avoir de l’énergie électrique.

On a choisi un alternateur bipolaire qui débite un courant avec une tension entre

phases de 220 V de fréquence f= 50Hz dans une charge dont le facteur de puissance

est de 0.85.

L’alternateur est muni d’un inducteur qui a une résistance R=50 Ω avec un courant

d’excitation de 2A.

Cet alternateur a un rendement de 75%

La vitesse de rotation de l’alternateur est :

Avec Np : nombre de paires de pôles.

𝜔𝑎𝑙𝑡 =60.50

1

𝝎𝒂𝒍𝒕 = 𝟑𝟎𝟎𝟎 𝒕𝒓/𝒎𝒊𝒏

Vu que la vitesse de rotation de la turbine est différente à celle de l’alternateur, on a

besoin d’un réducteur de rapport de transformation :

𝒌 =𝝎

𝝎𝒂𝒍𝒕 (3-24)

𝑘 =4968.15

3000

𝒌 = 𝟏, 𝟔𝟓

𝝎𝒂𝒍𝒕 =

𝟔𝟎. 𝒇

𝑵𝒑

(3-23)


57

La puissance absorbée par l’inducteur est :

𝑷𝒊𝒏𝒅 = 𝑹. 𝑰𝒊𝒏𝒅𝟐 (3-25)

𝑃𝑖𝑛𝑑 = 50.22

𝑷𝒊𝒏𝒅 = 𝟐𝟎𝟎 𝑾

La puissance totale absorbée par l’alternateur est :

𝑷𝒂𝒃𝒔 = 𝑷𝒊𝒏𝒅 + 𝑷 (3-26)

Avec P : Puissance mécanique de la turbine

𝑃𝑎𝑏𝑠 = 200 + 25 792𝑊

𝑷𝒂𝒃𝒔 = 𝟐𝟓 𝟗𝟗𝟐 𝑾

La puissance fournie à la charge par l’alternateur est :

𝑷𝒂𝒍𝒕 = 𝑷𝒂𝒃𝒔. 𝜼 (3-27)

𝑃𝑢𝑎𝑙𝑡 = 25992. 0,75

𝑷𝒂𝒍𝒕 = 𝟏𝟗 𝟒𝟗𝟒 𝑾

Le courant débité par l’alternateur est :

𝑰 =

𝑷𝒂𝒍𝒕

√𝟑𝑼𝐜𝐨𝐬𝝋

(3-28)

𝐼 =19 494

√3. 220.0,85

𝑰 = 𝟔𝟎, 𝟏𝟖 𝑨


58

II.3. Dimensionnement du condenseur

On utilise un condenseur qui utilise un échangeur de chaleur à faisceau de tube

horizontal, à quatre passes côté tubes.

Ceux-ci ont un diamètre intérieur D int= 15mm et un diamètre extérieur D ext= 20mm

On dispose comme fluide froid une eau de rivière dont la température est de 15°C.On

suppose que la variation de la température de l’eau ne dépasse pas 𝛥𝑇𝑒𝑎𝑢=10°C.

Cette eau circule dans le tube à une vitesse V=0,5m/s

Ce condenseur a un coefficient global d’échange K= 700 W/m2 K.

II.3.1. La puissance thermique de l’échangeur.

Le fluide circule dans l’échangeur avec un débit massique 0.3kg/s.

La puissance thermique de l’échangeur se calcule en écrivant le bilan sur le fluide

chaud.

�̇�𝑪 = �̇�𝒄. 𝑳𝒗

(3-29)

Le fluide a une chaleur latente de vaporisation 𝐿𝑣 = 217,2 . 103 𝐽/ 𝑘𝑔.

�̇�𝐶 = 0.03 . 217.2

�̇�𝑪 = 𝟔𝟓𝟏𝟔𝟎 𝑾

II.3.2. Nombre de tubes

Le débit d’eau nécessaire est :

�̇�𝑒𝑎𝑢 =�̇�𝐶

𝛥𝑇𝑒𝑎𝑢𝑐𝑝𝑒𝑎𝑢

�̇�𝑒𝑎𝑢 =65160

10.4180

�̇�𝑒𝑎𝑢 = 1,56𝑘𝑔/𝑠


59

Le débit masse dans un tube est :

�̇�𝑡 =𝜌𝑒𝑎𝑢 ∗ 𝜋 𝑑2 ∗ 𝑉

4

�̇�𝑡 =1000. 3.14 ∗ 152. 10−6. 0.5

4

�̇�𝑡 = 0.088𝑘𝑔/𝑠

Les N tubes sont montés en parallèle, et le débit total s’écrit :

�̇�𝑒𝑎𝑢 = 𝑁 . �̇�𝑡

𝑵𝒕 =�̇�𝒆𝒂𝒖

�̇�𝒕

𝑁𝑡 = 17,72

On prendra l’entier immédiatement supérieur, donc :

Nt=18

Et avec 4 passes, il y a au total :

𝑵𝒕 = 𝟕𝟐 𝒕𝒖𝒃𝒆𝒔

II.3.3. La surface d’échange

La surface d’échange est :

𝑨 =

�̇�𝒄

𝑲. (𝑻𝒗𝒂𝒑𝒆𝒖𝒓 − 𝑻𝒆𝒂𝒖)

(3-30)


60

𝐴 = 65160

700(49 − 15)

𝑨 = 𝟐, 𝟕𝟑 𝒎𝟐

II.3.4. La longueur du faisceau :

𝑳 =

𝑨

𝑵.𝝅.𝑫𝒆𝒙𝒕

(3-31)

𝐿 =2,73

72.3.14.20. 10−3

𝑳 = 𝟎, 𝟔 𝒎


61

II.4. Coût de l’installation

Tableau 2: Coût de l'installation

Désignation Caractéristiques Quantité Prix unitaire Montant

Turbine SST-

010

Diamètre de la

roue : 0,4 m

Vitesse de rotation :

ω = 520 rad/s

1 20 400 000 Ar 20 400 000 Ar

Evaporateur Type : A tube et

Calandre

Nombre de tubes :

57

1 4 417 200 Ar 4 417 200 Ar

Condenseur

Type : A faisceau de

tubes

Nombre de tubes :

72

1 3 200 000 Ar 3 200 000 Ar

Pompe Pompe

volumétrique

1 915 000 Ar 915 000 Ar

Conduite Tuyau et joints 1 100 000 Ar 1 100 000 Ar

Fluide de

Travail

Nom : R 134 A 2 600 000

Coût total 32 632 200 Ar

La charge de la main d’œuvre s’élève à 3 263 220 qui fait 10 % de la somme

des autres charges


62

Chapitre III. Logiciel de calcul du Cycle Organique de Rankine

III.1. Objectif

Le Cycle Organique de Rankine est un cycle qui utilise des fluides organiques comme

fluide de travail. Ces fluides ont chacun des caractéristiques qui les différencient des

autres.

Ces caractéristiques peuvent influencer les résultats de calcul dans le cycle.

Notre but est de connaitre le comportement du cycle en variant le fluide de travail. La

création d’un logiciel est indispensable à l’analyse de ces comportements.

Nous avons créé une application web qui permettra de faire les calculs dans le cycle

organique de Rankine.

III.2. Fonctionnalités

III.2.1. Fluides utilisés

On a choisi d’utiliser 6 fluides organiques dans la conception de ce logiciel. La

suite de tous les calculs dépend des caractéristiques de ces fluides.

Ces fluides sont :

R 134 a

R 22

R 404 a

R 407 f

R 427 a

R 717

III.2.2. Affichage des propriétés des fluides choisis par l’utilisateur

Selon le choix de fluide de l’utilisateur, cette application va afficher les différentes

propriétés :

Formule chimique

Température critique

Pression critique

Capacité calorifique


63

III.2.3. Entrée des valeurs nécessaires par l’utilisateur

L’utilisateur doit remplir un formulaire qui contient des valeurs nécessaires pour

la suite de tous les calculs.

Ce formulaire contient :

Le débit massique du fluide

La température avant l’évaporation

La surchauffe

La température avant la condensation

Le refroidissement

III.2.4. Calcul des paramètres des éléments du cycle

A partir des données saisies par l’utilisateur, on procède au calcul des différents

paramètres des éléments (évaporateur, turbine, condenseur, pompe) du cycle tel que :

Température d’entrée

Température de sortie

Pression d’entrée

Pression de sorite

Entropie d’entrée

Entropie de Sortie

Enthalpie d’entrée

Enthalpie de sortie

III.2.5. Calcul des puissances et rendement

A partir des paramètres des éléments du cycle, on peut calculer :

Les différentes puissances :

Puissance thermique échangée dans l’évaporateur

Puissance fournie par la turbine

Puissance fournie par la pompe

Le rendement du cycle


64

III.4. Technologie de développement

III.4.1. Langage PHP

Le PHP est un langage informatique utilisé sur l’internet. Le terme PHP est un

acronyme de Hypertext Preprocessor.

Ce langage est principalement utilisé pour produire un site ou une application web

dynamique. Il est courant que ce langage soit associé à une base de données.

III.4.2. Ajax

Ajax est un acronyme d’Asynchronous JavaScript and XML.

Ajax permet de construire des applications web et des sites web dynamiques

interactifs sur le poste client en se servant des différentes technologies ajoutées aux

navigateurs web.

Les applications Ajax fonctionnent sur tous les navigateurs Web : Mozilla

Firefox, Internet Explorer, Google Chrome…

III.4.3. Jquery

Jquery est une bibliothèque JavaScript libre et multiplateforme créée pour

faciliter l’écriture des scripts côté client dans le code HTML des pages web. La

bibliothèque contient notamment les fonctionnalités suivantes :

Evénements

Effets visuels et animations

Manipulation des feuilles de style en cascade.

Ajax

Plugin

III.4.4. Bootstrap

Bootstrap est une collection d’outils utile à la création du design (graphisme, animation

et intéractions avec la page dans le navigateur) de sites et d’applications web. C’est un


65

ensemble qui contient des codes HTML et CSS, des formulaires, boutons, outils de

navigation et autres éléments interactifs, ainsi que des extensions JavaScript en option.

III.3. Outil de développement

III.3.1. WampServer

WampServer est une plateforme de développement web de type Wamp,

permettant de faire fonctionner localement des scripts PHP. WampServer n’est pas en

soi un logiciel mais un environnement comprenant deux serveurs, un interpréteur de

script(PHP), ainsi qu’un administrateur Web des bases MySQL.

III.3.2. Sublime Text 2

Sublime Text intègre la plupart des fonctionnalités de base d’un éditeur de texte,

dont la coloration syntaxique personnalisable, l’auto complétion, un système de plugins.

III.4. Capture d’écran

L’image suivante nous montre le formulaire de saisie que l’utilisateur doit remplir avant

de procéder à tous calculs.

Figure 23:L'interface initiale


66

Après avoir choisi le fluide de travail, l’utilisateur peut consulter les propriétés du fluide.

Figure 24: Propriétés du fluide choisi

Une fois le formulaire rempli, l’application fait les calculs des paramètres et

donne des résultats illustrés dans l’image suivante.

Figure 25: Les paramètres du cycle


67

L’application calcule aussi les puissances ainsi que le rendement du cycle.

Figure 26: Puissance et rendement du cycle

IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ET

SOCIO-ECONOMIQUES


68

Chapitre I. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX

I.1. INTRODUCTION

Par définition, l’environnement est l’ensemble des caractéristiques physiques,

chimiques et biologiques des écosystèmes plus ou moins modifiées par l’action de

l’homme. En d’autres termes, l’environnement représente l’ensemble des milieux

naturels et artificiels entourant l’homme auquel il est en relation directe comme l’eau,

l’air, les conditions sociales, économiques et les infrastructures. L’Etude d’Impact

Environnemental est une étude qui décrit le projet et son environnement et analyse les

impacts ou effets négatifs et positifs du projet sur l’environnement. L’identification de

tous les impacts négatifs permet de définir les mesures de prévention et d’atténuation de

ces impacts négatifs.

I.2. AVANTAGES ENVIRONNEMENTALES DE L’ORC

I.2.1. Réduction de l’émission des gaz à effet de serre

La récupération des gaz d’échappement favorise la réduction de l’émission des

gaz à effet de serre.

L’effet de serre est l’effet naturel de la basse atmosphère, ou troposphère, qui

contribue à retenir une partie de la chaleur solaire reçue à la surface de la Terre et à

maintenir l'équilibre thermique de la planète. La modification de la composition de la

troposphère par les rejets anthropogéniques (lies aux activités humaines) pourrait

amplifier le phénomène au point de présenter un danger pour les sociétés humaines. C'est

ce risque que l'on désigne aussi par l'effet de serre. Le Dioxyde de carbone, le méthane,

l'oxyde d'azote (N2O) et les composes chlorofluorocarbones (CFC) contenu dans la

fumée des gaz d’échappement des centrales thermiques, absorbe les radiations

infrarouges mais ne les réfléchit pas à la surface de la terre comme il se doit. Ils sont

susceptibles d'accroitre l'effet de serre et de réchauffer la troposphère, provoquant de ce

fait une augmentation de l'évaporation et une amplification du rôle de la vapeur d'eau.

Si l'élévation de la teneur de ces gaz à effet de serre se poursuit, les scientifiques estiment

que la température moyenne de l'air pourrait s'élever de 2 à 6 °C au cours des cent


69

prochaines années. Cela est à la base des théories concernant le réchauffement de la

planète. Une hausse de cette ampleur pourrait modifier les climats de la Terre.

I.2.2. Préservation des combustibles d’origine fossile.

Le cycle organique de Rankine permet de produire de l’énergie à partir des rejets

thermiques. Ce qui entrainera une réduction de l’utilisation des combustibles fossiles.

On appelle combustible fossile tous les combustibles riches en carbone

essentiellement des hydrocarbures issus de la Méthanisation d’êtres vivants morts et

enfouis dans le sol depuis plusieurs millions d’années, jusqu’à parfois 650 millions

d’années. Il s’agit du pétrole, du charbon et du gaz naturel.

Ce sont des énergies non renouvelables, au même titre que l’énergie nucléaire,

car leur reconstitution naturelle demanderait des millions d’années pour être achevée.

Outre leur épuisement inéluctable, l’exploitation de ces combustibles est à l’origine de

problèmes environnementaux relatifs aux dégâts écologiques liés à leur extraction et à

leur utilisation (réchauffement climatique dont seraient en partie responsables les gaz à

effet de serre tels que le dioxyde de carbone massivement émis par leur combustion).

L’utilisation par l’humanité de quantités considérables de combustibles fossiles

est à l’origine d’un déséquilibre important du cycle du carbone, ce qui provoque une

augmentation de la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère terrestre et,

par voie de conséquence, entraîne des changements climatiques. Les réserves de

combustibles fossiles de la planète sont fixes et, au rythme de consommation actuel, leur

épuisement doit être envisagé. Malgré les violentes polémiques, ce fait est aujourd’hui

reconnu, tant par les scientifiques que par les industriels, à quelques nuances

chronologiques près. La différence d’échéance se compte en décennie.

Pour donner un ordre de grandeur de la vitesse d’utilisation des combustibles

fossiles, on considère que, au rythme actuel, l’humanité aura épuisé en moins de 200 ans

les réserves accumulées pendant plusieurs centaines de millions d’années (pour fixer les

idées, on prendra 200 millions d’années, sachant que le carbonifère dura environ

60 millions d’années). On constate ainsi que l’humanité épuise les réserves de

combustibles fossiles environ un million de fois plus vite que ce que la nature a mis pour

les constituer.

zim://A/A/Combustible.html


zim://A/A/Hydrocarbure.html

zim://A/A/M%C3%A9thanisation.html

zim://A/A/P%C3%A9trole.html

zim://A/A/Charbon.html

zim://A/A/Gaz%20naturel.html

zim://A/A/%C3%89nergie%20non%20renouvelable.html

zim://A/A/%C3%89nergie%20nucl%C3%A9aire.html

zim://A/A/R%C3%A9chauffement%20climatique.html



zim://A/A/Dioxyde%20de%20carbone.html

zim://A/A/Combustion.html

zim://A/A/Cycle%20du%20carbone.html


zim://A/A/Atmosph%C3%A8re%20%28Terre%29.html

zim://A/A/Carbonif%C3%A8re.html


70

I.2.3. Réduction de la pollution de l’air

La valorisation des gaz d’échappement permet de réduire la pollution de l’air

qu’on respire. L’amélioration de la qualité de l’air passe, notamment, par une réduction

des émissions de polluants atmosphériques. Pour autant, la baisse des émissions ne se

traduit pas par une diminution proportionnelle des concentrations de polluants. En effet,

pour un niveau d’émission donné, les conditions météorologiques contribuent à

augmenter, ou à réduire, le niveau de la pollution locale.

La présence de particules dans l’atmosphère engendre des risques avérés pour la

santé humaine, à des concentrations très faibles et des coûts économiques pour la société.

Pour réduire les émissions de particules et leur présence dans l’atmosphère, il

faut agir dans tous les secteurs d’activité, sur les émissions primaires et sur les émissions

de précurseurs de particules.

I.2.4. Prévention des maladies provoquées par les gaz d’échappement

La récupération de ces gaz évitera quelques maladies qui peuvent atteindre les

populations environnantes. L’exposition à des concentrations importantes de gaz

d’échappement entraîne des signes d’irritation des yeux ou des voies respiratoires, dus

essentiellement à la présence d’oxyde d’azote. Inhaler des gaz d’échappement peut

conduire à une intoxication aigue au monoxyde de carbone : fatigue, nausées, maux de

tête, perte de connaissance, comas parfois mortels…Les particules dans ces gaz

pénètrent dans les bronches et les alvéoles pulmonaires et peuvent provoquer des

infections respiratoires .L’exposition au gaz d’échappement est associé à une

augmentation du risque de cancer des poumons et dans une moindre mesure, à une

augmentation de risque de cancer de la vessie.

I.3. POLLUTIONS PRODUITES PAR L’UTILISATION DU MODULE ORC

I.3.1. Pollutions produites par les fluides de travail

Les HFCs sont des gaz à effet de serre employés dans les réfrigérateurs, les

climatiseurs et les applications industrielles. Alors qu’ils n’appauvrissent pas la couche

d’ozone, plusieurs HFCs sont des gaz à effet de serre forts dont l’utilisation augmente

rapidement en raison des remplacements par les substances appauvrissant la couche

d’ozone.


71

Sans intervention, les émissions de HFC pourraient atteindre près de 20 % des

émissions de dioxyde de carbone d’ici 2050, une préoccupation grave de l’atténuation

climatique. Selon les observations atmosphériques dans un rapport du Programme des

Nations Unies pour l’Environnement (PNUE), l’abondance des HFCs dans

l’atmosphère augmente rapidement.

Selon la Commission Européenne, les gaz fluorés (F-gaz) incluant les HFCs,

PFCs et SF6 rendent compte de 2 % des émissions totales de gaz à effet de serre de

l’Union Européenne, mais ces émissions ont présenté une croissance de 60 % depuis

1990 contrairement à tous les autres gaz à effet de serre qui ont été diminués. Les F-gaz

n’endommagent pas la couche d’ozone mais sont des gaz à fort effet de serre avec un

effet du réchauffement jusqu’à 23000 fois plus que le dioxyde de carbone.

Figure 27: Croissance des abondances atmosphériques(a) en partie par billion et

les émissions annuelles en CO2 par année (b) pour 4 HFCS majeurs


72

Même si la contribution des composés fluorés à l'augmentation de l'effet de serre

est beaucoup plus faible que celle d'autres gaz comme le CO2 ou le CH4, le très fort

taux de croissance de leur concentration au cours du siècle dernier a amené la

communauté internationale à remettre en cause leur utilisation, du fait de leur rôle dans

la destruction de la couche d'ozone. La manière dont le sujet de la couche d'ozone a été

instruit au niveau international est particulièrement exemplaire : après quelques

tergiversations, loin d'adopter une attitude conservatrice, les industriels ont globalement

appuyé une réglementation contraignante, dans le cadre du le Protocole de Montréal, qui

a pris effet début 1989. Ce n'est pas courant et les raisons de ce comportement sont

multiples. Toutefois, il apparaît clairement qu'ils se livrent entre eux à une course

technologique où ceux qui ont investi dans les recherches de substituts aux CFC

cherchent à valoriser leur avance en préconisant un cadre réglementaire strict limitant

les parts de marché de leurs concurrents.

Les deux principales réglementations internationales en vigueur sont le

protocole de Montréal et le protocole de Kyoto. Les paragraphes qui suivent donnent

quelques informations essentielles sur le contenu de ces accords et leurs contextes

historiques.

I.3.1.1. Protocole de Montréal

Le « Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche d'ozone

» a pour objectif de réduire et d'éliminer les substances qui appauvrissent la couche

d'ozone suite à la mise en évidence de la responsabilité des fluides frigorigènes de

synthèse (CFC, HCFC). Basé sur la Convention de Vienne sur la protection de la couche

d'ozone adoptée en 1985, le protocole a été signé par 24 pays et par la Communauté

européenne en 1987.

Le protocole impose la suppression de l'utilisation des substances appauvrissant la

couche d'ozone : sont concernés les fluides chlorés tels que les CFC et HCFC. Depuis

2001, la production et l'utilisation des CFC sont définitivement interdites. Les appareils

HCFC neufs sont interdits depuis le 1er janvier 2010. Aujourd'hui, les HCFC ne peuvent

plus être utilisés qu'en maintenance pour compléter la charge d'installation existante.

Leurs productions seront interdites à partir de 2015.


73

L'Europe, en anticipant l'interdiction de 2010 d'une dizaine d'années [législation

européenne], a contribué au développement des HFC dès les années 90s.

Afin de mesurer l'impact d'un fluide sur la couche d'ozone, l'ODP (Ozone Depletion

Potential) est défini comme le rapport de la capacité de destruction de la couche d'ozone

d'un fluide donné à celle du R11.

I.3.1.2. Protocole de Kyoto

La signature du protocole de Montréal a conduit à la disparition progressive des

fluides à fort impact sur la couche d'ozone. Cependant en raison de la confirmation du

réchauffement climatique par les émissions de gaz à effet de serre, l'impact des fluides

frigorigènes sur l'effet de serre prend une place plus en plus importante dans les

réglementations. Le protocole de Kyoto est un traité international dont l'objectif est la

réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Signé en 1997 à Kyoto, ce protocole vise à réduire de 5.2 % les émissions de six gaz à

effet de serre. Les gaz comme le dioxyde de carbone, le méthane, le protoxyde d'azote

et substituts des CFC sont concernés. Cette diminution des gaz à effet de serre devait

s'effectuer entre 2008 et 2012, en ayant comme niveau de référence l'année 1990.

Pour évaluer l'impact d'un gaz sur le réchauffement climatique, le GWP (Global

Warming Potential) est défini comme étant le rapport entre la contribution d'une unité

du gaz (x) et la contribution d'une unité du gaz de référence (r), en l'occurrence le CO2.

Le GWP exprime le potentiel de réchauffement d'un gaz à effet de serre comparé à celui

du dioxyde de carbone. C'est un indicateur de la masse de CO2 émise donnant un effet

de réchauffement équivalent à celui de la masse du fluide frigorigène. Etant donné que

la durée de vie dans l'atmosphère de ces gaz varie, et donc que leur impact varie au cours

du temps, on définit cet indicateur sur une base de 100 ans.

Le projet de modification du règlement européen 842-2006 (F-gas) paru en 2012 tendrait

à imposer des contraintes plus strictes à court terme :

- La recharge d'installations existantes sera interdite pour les fluides dont le GWP

est supérieur à 2500

- Il sera interdit d'utiliser des fluides dont le GWP est supérieur à 150 pour les

installations neuves.

Ces restrictions conduiraient à la suppression progressive des HFC et à leur

remplacement (partiel ou total) par les fluides de 4ième génération, les HFO.


74

Chapitre II. IMPACTS SOCIO-ECONOMIQUES

II.1. Création d’emploi

L’implantation du module ORC nécessite des mains d’œuvre. Ce projet va créer

des emplois pour la population locale afin de réduire le chômage.

Les principaux effets sur l’emploi sont :

Les emplois résultant directement de l’implantation du module ORC. Des

ouvriers et des personnels seront recrutés pour la réalisation de ce projet.

Les emplois résultant indirectement de l’implantation.

Le nombre de jeunes qui sont sous employés ou qui font face à des emplois de mauvaise

qualité avoisinent le 80%. Une situation qui démontre la pauvreté en emploi présente à

Madagascar.

Pour les populations pauvres et vulnérables, qui, très souvent, ne possèdent pas de terres

ou ont peu de capital, l’emploi constitue le moyen le plus sûr d’accroître le niveau de

vie. C’est aussi la principale voie de sortie de la pauvreté. On constate que de nombreux

ménages échappent à la pauvreté lorsque certains de leurs membres trouvent un emploi

ou peuvent améliorer leur revenu. A l’inverse, la perte d’un emploi ou la diminution du

revenu peut faire sombrer un ménage dans la pauvreté. L’amélioration des opportunités

d’emploi est donc un volet central du plan d’action pour le développement.

Les emplois peuvent favoriser une transformation à trois niveaux :

Le niveau de vie : la pauvreté recule lorsque le travail permet aux individus d’améliorer

leurs conditions de vie, en particulier dans le pays où les possibilités de redistribution

sont limitées.

La productivité : L’efficacité augmente au fur et à mesure que les travailleurs deviennent

plus compétents et que des emplois productifs se créent tandis que d’autres, qui le moins,

disparaissent.

La cohésion sociale : la société s’épanouit lorsque les emplois mettent en contact des

individus issus de groupes ethniques et de milieux sociaux différents, et créent le

sentiment que des opportunités sont à saisir, ainsi qu’un sentiment d’appartenance.


75

II.2. Efficacité énergétique

L’utilisation du module ORC augmente l’efficacité énergétique. L’efficacité énergétique

désigne l’état d’un système pour lequel la consommation d’énergie est minimisée pour

un service rendu identique. C’est un cas particulier de la notion d’efficience.

Depuis quelques années, on lui associe souvent le concept d’intelligente ou de réseau

intelligent. L’efficacité énergétique s’appuie généralement sur l’optimisation des

consommations, qui passe par la recherche de la moindre intensité énergétique, une

utilisation rationnelle de l’énergie, de processus et outils plus efficaces. Le volet

économies d’énergie cherche à réduire les gaspillages et les consommations inutiles.

C’est donc aussi un élément important de la performance environnementale.

L’efficacité énergétique vise aussi à réduire les coûts écologiques, économiques et

sociaux induits par la production, le transport, et la consommation d’énergie. Elle

contribue à réduire l’empreinte écologique(en diminuant l’empreinte énergétique et

parfois l’empreinte carbone). Elle augmente la sécurité énergétique, et l’adaptation au

changement climatique, de la transition écologique et plus encore de la transition

énergétique.


76

CONCLUSION

Le travail présenté sur ce mémoire a permis de connaitre le fonctionnement du cycle

organique de Rankine qui récupère les gaz d’échappement des centrales thermiques.

Ce cycle nous ouvre des nouvelles perspectives sur la valorisation des gaz et sur la

production d’énergie.

Dans la deuxième partie de ce mémoire, on a pu élaborer les méthodes de

dimensionnement du cycle et concevoir un logiciel qui analyse le comportement du

cycle selon le fluide de travail choisi.

Du point de vue environnemental, l’étude a montré les impacts positifs et négatifs de

l’utilisation du cycle organique de Rankine.

La valorisation des gaz d’échappement des centrales ne se limite pas à ce mémoire, elle

nécessite encore des recherches plus poussées.

Pour un pays en voie de développement comme Madagascar, la transformation des

pertes thermiques en énergie est en tous cas bénéfique.


77

BIBLIOGRAPHIE

[1] -Paul CHAMBADAL, « La thermodynamique », Edition EYROLLES, 1974, 116

pages;

[2] S. Poncet, cours thermodynamique, 2012-2013

[3]- YVES JANNOT, << Transferts thermiques>>, 2012, 161 pages ;

[4]- VAN LONG LE, <<Étude de la faisabilité des cycles sous-critiques et

supercritiques de Rankine pour la valorisation de rejets thermiques>>, Thèse doctorale,

2014, 267 pages

[5]- Bauduin Maxime, Projet Peyresq : Cycle organique de Rankine, 2011, 122 pages

[6]- Sandeep Goel, Market Potential study for Organic Rankine Cycle Technology in

India, 2014, 68 pages;

WEBOGRAPHIE

(1)www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie

(2) www.connaissancedesenergies.org/une-centrale-thermique-utilise-toujours-du-

combustible-fossile-130620

(3) www.ecoren.fr/cycle-organique-de-rankine-ORC.php

(4) www.enertime.com/fr/technologie/solutions/modules-orc

(5) www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/thermodynamique-

et-energetique-42216210/cycles-organiques-de-rankine-cor-be8048/

http://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie

http://www.enertime.com/fr/technologie/solutions/modules-orc


A

ANNEXES

Annexe 1 : Base de données constituant les propriétés des fluides


B

Annexe 2: Base de données constituant la table thermodynamique d’un fluide

Nom de l’auteur : RAKOTONJANAHARY

Prénom de l’auteur : Harimanantsoa Fanantenana

Contact : +261 341968785

E-mail :[email protected]

Thème du mémoire : « Valorisation des gaz d’échappement des centrales thermiques »

Nombre de pages : 77

Nombre de tableaux : 02

Nombre de figures : 27

RESUME

La connaissance des problèmes environnementaux engendrés par la production

d’énergie nous a permis de choisir le thème : « Valorisation des gaz d’échappement des

centrales thermiques ». L’objectif est d’utiliser les gaz d’échappement comme source

chaude d’un cycle appelé Cycle Organique de Rankine. Le cycle produit de l’énergie

mécanique que l’on transforme en énergie électrique.

On a aussi conçu un logiciel permettant de connaitre le comportement du cycle en variant

le fluide de travail utilisé.

ABSTRACT

The knowledge of the environmental problems generated by the production of energy

allowed us to choose the theme: VALORISATION OF EXHAUST GAS FROM

THERMAL POWER PLANT. The objective is to use the exhaust gases as a hot source

of a cycle called Organic Rankine Cycle (ORC). The cycle produces mechanical

energy which is transformed into electrical energy. We have also designed a software

to know the behaviour of the cycle by varying the working fluid used.

Mots clés : Centrales, gaz, échappement, fluide, turbine

Documents

VALORISATION DES GAZ D’ECHAPPEMENT DES CENTRALES …