Production thermique d’électricité et cycles thermodynamiques alternatifs

Les turbines à gaz (ou "à combustion") actuelles opèrent selon des cycles de Brayton ouverts dans lesquels le fluide moteur est constitué par de l’air et par les produits de combustion. Durant les dernières décennies, cette technologie a réalisé des progrès remarquables et a produit de nouvelles générations de machines dont les rendements ont franchi la barre des 60 % en cycle combiné et dont les émissions de NOx au gaz naturel ont pu être plafonnées à 25 parties par million. En outre, ces turbines sont capables de brûler un large éventail de combustibles et tout particulièrement de l’hydrogène dilué ou pur ainsi que des biocombustibles gazeux (biogaz) et liquides (éthanol, biodiesel...).
A l’échelle mondiale, ces progrès ont permis de réduire l’empreinte CO2 des parcs de centrales électriques car de nombreuses chaudières au charbon ont été remplacées par ces générations de turbines qui ont des rendements sensiblement supérieurs et émettent nettement moins de CO2.
Cependant, les énergies fossiles font face à présent à un « défi existentiel » en raison des menaces de plus en plus lourdes que les gaz à effet de serre font peser sur le climat. De ce fait, le secteur de la production électrique entame de profonds changements dans le cadre d’une transition énergétique accélérée qui se traduira notamment par le développement rapide des énergies renouvelables, le déploiement de modes de production d’électricité décentralisés et l’évolution des réseaux électriques, actuellement du type vertical (de producteur à consommateur) vers des réseaux intelligents.
Toutefois, la production thermique restera nécessaire pour deux raisons principales :
- l’électrification rapide des économies et notamment du transport qui va créer des appels de puissance électrique sans précédents
- le besoin de pallier le caractère intermittent des renouvelables et d’assurer la stabilité des réseaux avec, en premier lieu, la régulation de leur fréquence.
Mais ceci ne dispensera pas le segment de production thermique d’opérer des mutations vitales qui imposeront de nouveaux gains accrus de rendement et une réduction drastique des émissions de CO2 par capture et séquestration. Dans ce contexte difficile qui pèse sur le futur de la production thermique, certains cycles thermodynamiques alternatifs ont cependant des points forts en termes d’efficience énergétique et de sobriété carbone. En particulier, les cycles de Brayton semi-ouverts qui, tels le cycle d’Allam, font appel à l’oxy-combustion, sont capables de fournir des centrales à « capture inhérente » du CO2 et les cycles fermés basés sur du CO2 supercritique (« sCO2 ») ont de forts potentiels de rendement dans le cadre de la récupération de flux de chaleur secondaires.
Cet article résumera l’évolution récente des cycles de Brayton à l’air et présentera ensuite les atouts des cycles de Brayton alternatifs du type oxyfuel et sCO2.