Cycles à vapeur CAPILI ou ORC pour une production électrique par énergie thermique à basse température

Principe de fonctionnement du convertisseur thermohydraulique CAPILI 

Le convertisseur thermo-hydraulique CAPILI est un procédé moteur qui permet de transformer une énergie thermique en un travail hydraulique, lui-même transformé en énergie mécanique puis électrique via l’utilisation d’une turbine hydraulique couplée à une génératrice. Ce procédé a déjà été décrit et traité par H. Semmari [54]. Les principes de fonctionnement seront néanmoins rappelés dans cette partie afin d’en faciliter la compréhension au lecteur. La Figure IV-1 donne le schéma de principe de procédé CAPILI. Le cycle moteur est un cycle à vapeur de type Rankine avec un générateur de vapeur EM à hautes pression et température et un condenseur CM à basses pression et température. Le travail du cycle est transmis au liquide de transfert dans les cylindres de transfert (CTM) où il est transformé en électricité via la turbine hydraulique (HyT). Le liquide de transfert à basse pression en sortie de turbine peut chasser les vapeurs basses pressions présentes dans le cylindre de transfert (CT’M) jusque dans le condenseur afin que ces vapeurs soient condensées. Les condensats sont ensuite pressurisés par la pompe PM et refoulés dans l’évaporateur EM afin de boucler le cycle. Comme pour le procédé CHV3T, les fonctions des cylindres de transfert sont interverties alternativement chaque demi-cycles. À la différence d’un autre procédé thermo-hydraulique traité dans la partie bibliographique (section I.4), l’avantage du procédé CAPILI  qui le rend également plus complexe à mettre en œuvre  est la possibilité de récupérer l’énergie de détente des vapeurs à haute pression et ainsi atteindre théoriquement de hauts rendements exergétiques. La production de travail se fait en 2 temps (voir cycle schématisé en Figure IV-2): – dans une première phase, une quantité déterminée de vapeur à Ph est introduite dans CTM. Ces vapeurs haute pression chassent une partie du liquide de transfert dans le second cylindre de transfert, c’est entre ces deux CT que le liquide de transfert traverse une turbine hydraulique et produit ainsi du travail. Durant cette première phase, la récupération de travail se fait à différentiel de pression constant. Cette phase correspond aux transformations simultanées : b→c et d→e dans la Figure IV-2. – durant la seconde phase, quand une certaine quantité de vapeur à Ph est entrée dans le cylindre de transfert, ce dernier est isolé de l’évaporateur. Une fois isolée, cette vapeur va se détendre en continuant à chasser le reste de liquide de transfert, jusqu’à atteindre la pression Pb. Ainsi la pression en amont de la turbine hydraulique est décroissante de Ph à Pb durant cette seconde phase. La récupération de ce travail sous un ΔP variable représente un vrai verrou technologique, les turbines hydrauliques travaillant d’habitude dans des conditions opératoires relativement stables. Cette phase correspond aux transformations simultanées : c→d et e→a dans la Figure IV-2. On remarque ici que la majorité des composants sont identiques à la partie motrice du CHV3T, seules la pompe PM et la turbine hydraulique HyT sont ajoutées. Ainsi l’évolution du procédé de cogénération à celui de trigénération peut être effectuée à moindre coût Le procédé se décline en deux variantes, le CAPILI dit 1er type, qui est celui présenté précédemment et le CAPILI 2eme type qui doit permettre une meilleure efficacité, proche en théorie de celle de la machine de Carnot. Avec le CAPILI de 1er type le fluide de travail en sortie du condenseur est à l’état de liquide saturé ou mieux sous-refroidi. Comme dans un cycle classique de Rankine il est ensuite pressurisé, idéalement de façon isentropique, et est introduit sous forme de liquide sous-refroidi dans le générateur de vapeur (transformation a→b dans Figure IV-2), ce qui induit une irréversibilité intrinsèque à ce cycle. Avec la variante de 2ème type, l’objectif est d’amener le fluide de travail dans le générateur de vapeur à l’état de liquide saturé et non sous-refroidi et toujours idéalement en lui faisant suivre une isentrope. Dans ces conditions la pompe de pressurisation classique du CAPILI 1er type est remplacée par une bouteille de séparation liquide gaz particulière, connectée au liquide de transfert, et dont la fonction est de pressuriser le fluide de travail à l’état de mélange biphasique liquide-vapeur. Cette variante (2ème type) bien que plus performante est plus difficile à mettre en œuvre, la pressurisation d’un mélange liquide-vapeur n’a jamais été expérimentée sur le procédé CAPILI et l’utilisation de cette bouteille limite par ailleurs l’écart de températures des sources et puits de chaleur exploitable par la machine. Ces raisons font que la variante de CAPILI 2ème type ne sera pas plus détaillée ni exploitée dans le cadre de cette étude et que par simplification dans la suite de ce chapitre on appellera CAPILI le procédé CAPILI de 1er type. 

Performances du procédé thermo-hydraulique CAPILI en fonctionnement quasi-statique 

En fixant certaines hypothèses simplificatrices, on peut calculer les performances du cycle CAPILI et les comparer à celles du cycle de Rankine remplissant la même fonction de production électrique à partir d’énergie solaire. Le bilan en quasi-statique permet également d’évaluer quel fluide de travail est le plus pertinent et d’avoir une première idée du dimensionnement de certains composants du procédé. Dans un deuxième temps, cette étude  quasi-statique doit permettre de définir les conditions opératoires favorisant le rendement du procédé. Un compromis apparaît nécessaire entre l’élévation du rendement thermodynamique du procédé et la dégradation de celui des capteurs solaires, toutes deux dues à une élévation de la température de la source chaude. 

Étude en quasi-statique du procédé CAPILI 

L’évaluation des performances du procédé CAPILI tient compte des hypothèses simplificatrices suivantes : • Les variations d’énergies cinétique et potentielle sont négligeables ; • L’inertie thermique du système n’est pas prise en compte ; • Les pertes de charge dues à la circulation des fluides et les pertes thermiques sont négligées ; • Les rendements de la pompe et de la turbine sont considérés constants et fixés à 0,6. Le rendement de la turbine hydraulique a été pris volontairement assez faible de manière à prendre en compte, même dans cette étude simplifiée, l’impact négatif du différentiel de pression variable; • Le rendement de la génératrice incluant son accouplement est constant et fixé à 0,9 ; • Les volumes des canalisations contenant le fluide de travail sont négligeables ; • Les variations du nombre de moles de fluide de travail à l’état gazeux dans les évaporateurs, condenseurs et bouteilles séparatrices sont négligeables. Cela revient à considérer que les pressions sont stables dans ces 3 composants et/ou que les volumes gazeux correspondants sont faibles devant le volume d’un cylindre de transfert.

Détermination de la température d’évaporation optimale

Le choix de la température d’évaporation a une forte influence sur le rendement thermique du procédé. Son augmentation, à température de condensation constante, permet d’atteindre a priori un meilleur rendement énergétique, en supposant le rendement exergétique constant. Mais d’autre part, l’augmentation de la température Th implique une température délivrée par les capteurs solaires plus importante ce qui pénalise leurs performances. À cela peut s’ajouter d’autres contraintes comme une pression haute à ne pas dépasser pour limiter les risques de rupture ou de fatigue des matériaux ainsi que les coûts de fabrication. Ainsi pour chaque réfrigérant couplé à un modèle de capteur solaire, il existe une température optimale d’utilisation qui maximise le rendement électrique du procédé rapporté au flux solaire incident comme on peut le voir sur la Figure IV-3.  La démarche décrite dans la section IV.2.1 pour un couple (fluide de travail, capteur solaire) a été systématisée pour tous les couples envisagés compatibles avec le sous-système CHV3T. La température optimale d’utilisation du procédé est ainsi déterminée, en plus des habituels COP et COA. On en déduit le rendement global de production électrique du procédé (ηG) associé à chaque fluide wfM pouvant être mis en œuvre dans le procédé CHV3T. Plusieurs exemples sont donnés dans le Tableau IV.3. On remarque ici que le choix de la technologie de capteur solaire a un impact important sur les performances du procédé CAPILI. Le rendement des capteurs plans chute rapidement avec l’élévation de la température, ce qui engendre une température optimale plus faible (≈80 °C) et donc un rendement thermique plus faible au niveau du procédé thermodynamique. Pour un même capteur solaire, le choix du fluide de travail impacte de façon moins significative les performances globales du procédé (+/- 0,4%), le plus gros des pertes dépendent du rendement des capteurs solaires ainsi que de la chaîne de conversion énergétique hydraulique/mécanique/électrique.