Produire de l’électricité grâce à des turbines à CO2 supercritique plus efficaces que les turbines à vapeur

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La capacité à transformer l’énergie en travail grâce à la machine à vapeur est à l’origine de la première révolution industrielle, la seconde a été introduite grâce à l’invention des semi-conducteurs et au développement des technologies de l’information et de la communication. Alors qu’aujourd’hui certains évoquent une troisième révolution industrielle basée sur la décentralisation de la production énergétique et manufacturière, nos centrales électriques reposent toujours sur l’utilisation de la vapeur d’eau pour faire tourner des turbines. Les améliorations apportées au fil du temps par les constructeurs ont atteint des limites de rendement et la recherche de gains supplémentaires même faibles engendrerait des coûts prohibitifs. Une des pistes pour développer des centrales significativement plus efficientes serait d’utiliser du CO2 à l’état supercritique (CO2-S).

L’état supercritique est atteint au-dessus d’un certain couple de pression et de température, pour le CO2 lorsque la pression dépasse 73 atmosphères et la température 31 degrés, dans cet état le fluide présente des propriétés intermédiaire entre l’état gazeux et liquide.

La densité du CO2 supercritique est environ double de celle de la vapeur d’eau ce qui lui confère une haute densité énergétique. Le CO2-S est plus facile à comprimer que la vapeur d’eau et permet d’extraire l’énergie de la turbine à plus haute température. D’après les chercheurs du NETL (National Energy Technology Laboratory à Pittsburgh) à puissance égale les dimensions de la turbine pourraient être réduites d’un facteur 10 avec un gain très important sur son coût ; typiquement une turbine CO2-S de 4 étages pourrait avoir la même puissance qu’une turbine à vapeur de 10 ou 15 étages. Richard Dennis, manager du département turbines au sein du NETL estime qu’une turbine CO2-S de 4 étages, d’un diamètre de 10 cm et d’une longueur de 1.20 m, pourrait alimenter en électricité l’équivalent de mille logements ; il prévoit une amélioration du rendement de ce type de turbine de 3 à 4% par rapport aux technologies actuelles.

Les usages de ces turbines à CO2-S peuvent être multiples : solaire à concentration, cycle combiné à gaz, centrale à charbon avec CCS (Carbone Capture and Storage) ou centrales nucléaires, sous-marins…

Afin de soutenir le développement de cette technologie, la requête budgétaire du Président Obama pour l’année fiscale 2016 prévoit un financement de 44 millions de dollars en faveur de l’initiative sur le CO2 supercritique. Le secrétaire d’état à l’énergie Ernest Moniz a annoncé dans le cadre de cette l’initiative le développement d’une centrale de démonstration de 10 MW. Dans ce projet, la centrale utiliserait un cycle de Brayton et fonctionnerait en circuit fermé, le but étant de valider ce cycle et la turbomachine qui l’accompagne dans l’optique d’une application à l’industrie du solaire à concentration.

En octobre 2014, Toshiba a par ailleurs annoncé produire une turbine pour une centrale de démonstration à gaz de 25 MW dans le Texas dont le développement serait réalisé par un joint-venture appelé NET Powers. Cette centrale fonctionnerait au C02-S avec un cycle semi-ouvert et une étape d’oxycombustion (injection d’oxygène pur au combustible), ceci permettrait, après élimination de l’eau, la collecte du CO2 sans nécessité d’équipement supplémentaire de capture, réduisant d’autant les couts de cette opération. Cette centrale devrait voir le jour d’ici la fin de l’année 2016, l’idée étant qu’elle serve de base pour la construction d’une première vraie centrale commerciale de 295 MWe (MW électrique).

Si le travail s’est aujourd’hui concentré sur la turbine, l’utilisation de CO2-S nécessitera également une adaptation des matériaux des conduites de l’installation pour faire face au pouvoir corrosif du CO2. Les démonstrateurs élaborés jusqu’à présent avait une puissance de l’ordre de quelques kilowatts ; construire un démonstrateur de plusieurs MW constitue un défi de taille et constituera un grand pas en avant.

Sources :


- http://www.scientificamerican.com/article/can-carbon-dioxide-replace-steam-to-generate-power/
- http://nextbigfuture.com/2013/12/roadmap-to-supercritical-co2-turbines.html
- Centrale de démonstration du DoE : http://energy.gov/eere/sunshot/project-profile-10-megawatt-supercritical-carbon-dioxide-turbine
- Centrale de démonstration avec turbine Toshiba : http://www.worldindustrialreporter.com/toshiba-provide-u-s-demonstration-power-plant-unique-supercritical-co2-turbine/

Rédacteurs :


- Clement Lefort, attaché adjoint pour la science et la technologie deputy-envt@ambascience-usa.org ;
- Pierre Michel, attaché pour la science et la technologie attache-envt@ambascience-usa.org ;
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