Micro-turbine à air chaud avec combustion externe

Etude générale du système 

Choix du type de turbine 

Il existe une multitude de systèmes de turbines pour la production d’électricité (combustion externe, combustion interne avec ou sans récupérateur, à cycle combiné , etc.). De la plus simple à combustion interne ou directe (schématisée en Figure 96, à gauche) qui est utilisée en microcogénération au gaz naturel , à des systèmes plus complexes adaptés à un plus grand nombre de combustibles et de plus en plus performants, ces systèmes sont de plus en plus utilisés. Les turbines à combustion externe (schématisé en Figure 96, à droite), un temps mis de côté, refont leur apparition pour des utilisations liées à des combustibles dont les produits de combustion sont moins « propres » (présence de goudrons ou de particules) et ne pouvant être utilisés sous pression. Les cycles thermodynamiques des turbines sont représentés par le cycle de Joule-Brayton. Ceux de la turbine à combustion directe et à combustion externe sont représentés en Figure 97 respectivement à gauche et à droite.Dans les deux cas, le point 1 est l’entrée dans le compresseur, le 2 la sortie du compresseur, 3 l’entrée dans la turbine et 4 la sortie de la turbine, cette numérotation est conservée dans toute cette partie comme indice de positionnement pour le calcul des propriétés du gaz. Il y a donc une première étape de compression puis le gaz comprimé est chauffé de façon isobare avant d’être détendu dans la turbine. Le travail produit par la détente est en partie consommé par le compresseur, une autre est perdue à cause des pertes mécaniques (frottements) et le reste sert à la rotation du rotor de l’électrogénérateur permettant ainsi la production d’électricité. Les deux systèmes se différencient sur la méthode de production de chaleur pour réaliser la chauffe isobare du gaz. Dans le cas du cycle direct, une combustion sous atmosphère pressurisé est réalisée entre les points 2 et 3, les gaz de combustion transmettent ensuite leur énergie à la turbine. Dans le cas du cycle externe, un échangeur haute température est placé entre 2 et 3, il permet la récupération de l’énergie de la combustion qui a lieu en dehors de la turbine (dans la chaudière à granulés dans notre cas). Le grand avantage thermodynamiquement est que l’air utilisé pour la combustion est celui qui sort de la turbine, celui-ci est alors préchauffé. De plus, les gaz de combustion ne traversent pas la turbine limitant ainsi l’encrassement de cette dernière . Cette dernière technologie est donc adaptée pour des combustibles solides tels que le charbon et la biomasse. Néanmoins, il reste possible d’utiliser une turbine à combustion interne avec des combustibles solides en passant par une étape de gazéification (suivi d’une étape de purification) qui conduit à la production d’un gaz qui peut alors se substituer aux combustibles classiquement utilisés (gaz naturel, fioul, …). . D’un point de vue théorique cette application est possible mais les coûts et les problèmes techniques liés à l’étape de purification freinent considérablement son développement industriel. L’utilisation d’une turbine à combustion externe apparaissait donc comme le meilleur choix dans le cadre du projet AGATCO. 

Méthode de fabrication par frittage laser 

La fabrication des éléments composant la micro-turbine à combustion externe est réalisée par frittage laser, plus précisément par frittage laser sélectif (ou SLS pour Slective Laser Sintering). C’est un procédé de fabrication additive où un laser vient chauffer et fusionner une poudre en un matériau solide en se basant sur un modèle 3D numérique Le procédé d’impression par SLS est présenté dans la Figure 98. Une fine couche de poudre est étalée dans le bac de droite à l’aide d’une raclette. Puis le laser vient balayer la section transversale du model 3D pour faire fusionner les particules sélectionnées, la poudre non fusionnée sert de support pour la pièce.Une fois la couche terminée, la zone de fabrication s’abaisse et une nouvelle couche de poudre est déposée et le laser balaye la section transversale suivante. Ces étapes se répètent jusqu’à la fin de l’impression. Une fois finie et refroidie, la pièce est retirée puis nettoyée pour retirer l’excès de poudre. La poudre récupérée peut être réutilisée après élimination des grosses particules par filtration. Durant les travaux de la thèse, les pièces mobiles de la turbine ont été réalisées chez BOYKO Center, les éléments statiques par l’école nationale d’ingénieur de St Etienne et enfin la fabrication de l’échangeur a été confiée à Phénix system un fabricant de machine de frittage.

Caractéristiques concepteur

 Les données transmises ici sont tirées du rapport de BOYKO  qui décrit les caractéristiques de la turbine et de l’échangeur de chaleur du projet. Les caractéristiques sont données pour une microturbine en céramique, aucune nouvelle spécification n’a été fournie lorsque le choix du matériau de fabrication a changé pour le Nickel Alloy HX. Le changement de matériau a été réalisé car le Nickel Alloy Hx présente des caractéristiques compatibles avec la haute température. De plus, le frittage laser avec ce matériau est maitrisé et son tarif d’achat est largement plus faible que celui de la céramique. Le Tableau 16 présente les performances visées par le concepteur pour le compresseur, la turbine et l’électrogénérateur.A partir des données du constructeur, il est possible de calculer les températures de sortie de l’air du compresseur et de la turbine (l’ensemble du système étant considéré adiabatique). Les caractéristiques de fonctionnement de l’échangeur de chaleur sont ensuite déduites et la température de sortie des fumées de l’échangeur calculée. Une fois toutes ces données rassemblées, le diagramme Température/ Entropie du cycle thermodynamique de la micro-turbine est tracé. 

Calculs des températures de sortie compresseur et turbine 

Les données concepteur indiquent les températures d’entrée dans chacun des éléments (compresseur et turbine), le taux de compression et de détente ainsi que les rendements isentropiques de compression et de détente. Ces valeurs permettent de calculer les températures de sorties de compresseur et de turbine. 

Température de sortie compresseur 

La température de sortie du compresseur (qui est aussi la température d’entrée de l’air comprimé dans l’échangeur de chaleur) est calculée en fonction du taux de compression et du rendement isentropique du compresseur.

Caractéristiques de l’échangeur de chaleur 

Les caractéristiques de l’échangeur de chaleur ont été déterminées en fonction des besoins de la micro-turbine. Les fumées de la combustion doivent entrer dans l’échangeur à 𝑇5 = 1200°𝐶, et l’air comprimé entre à 𝑇2 = 124°𝐶 et doit sortir à 𝑇3 = 1100°𝐶 pour entrer dans la turbine. A partir de la température d’entrée de l’air comprimé dans l’échangeur, de la température de sortie de l’air comprimé de l’échangeur, la température d’entrée des fumées dans l’échangeur et les débits de part et autre de l’échangeur il est possible de calculer l’efficacité que doit atteindre l’échangeur ainsi que la puissance de l’échange. Puis une fois la puissance échangée connue, la température de sortie des fumées de l’échangeur (𝑇6) peut être calculée.

Calcul du flux échangé 

Le flux échangé correspond au débit d’énergie nécessaire pour que le fluide réalise la variation de température souhaité : Φ = 𝑚̇ 3 × 𝐶𝑝 ̅̅̅ × (𝑇3 − 𝑇2) = 16,9 𝑘𝑊 (57) Ce résultat permet de relever un premier indicateur, l’énergie apporté par le combustible est de seulement 15 kW et l’énergie à fournir à l’échangeur de chaleur est supérieur. L’air chaud revenant de la turbine est donc primordial pour pouvoir réussir à répondre à la demande énergétique. Cet air apporte en plus du combustible 16,5kW d’énergie.

Calcul de l’efficacité de l’échangeur

 L’efficacité d’un échangeur de chaleur est le rapport entre la quantité d’énergie réellement échangée Φ et le flux maximum échangeable Φ𝑚𝑎𝑥 dans un échangeur idéal (contre-courant, longueur infinie et parfaitement isolé de l’extérieur) [138]. Le flux maximum échangeable correspond au débit d’énergie nécessaire pour effectuer la variation de température maximale sur le circuit dont le débit calorifique (produit du débit massique avec la capacité calorifique) est le plus faible, ce circuit étant dit limitant : Φ𝑚𝑎𝑥 = (𝑚̇ × 𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛 × Δ𝑇𝑚𝑎𝑥 (58) La variation de température maximale correspond à la différence entre les températures d’entrée des différents fluides. Dans notre cas, le circuit possédant le débit calorifique le plus faible est celui dans lequel le fluide froid circule : (𝑚̇ × 𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛 = (𝑚̇ 3 × 𝐶𝑝3) < (𝑚̇5 × 𝐶𝑝5) 

Calcul de la température de sortie des fumées de l’échangeur (𝑻𝟔)

 Selon la solution de combustion choisie, sans recyclage ou avec recyclage (cf. Chapitre 2, 3.2), les températures de sortie de l’échangeur vont légèrement différer du fait de la petite variation de débits entre les deux solutions proposées car nous avons fait le choix de limiter le refroidissement de la chambre de combustion dans le cas du recyclage. Les données concernant la solution sans recyclage sont indiquées par l’indice SR, et pour la solution avec recyclage par l’indice R. L’échangeur est considéré comme adiabatique, donc la totalité de l’énergie délivrée par les fumées chaudes est transmise à l’air comprimé froid. Les résultats regroupés dans le Tableau 17 prennent en compte la variation du 𝐶𝑝 moyen entre l’entrée et la sortie pour les calculs, les fluides étant assimilés à de l’air pour les deux circuits. Le solveur d’Excel est utilisé pour réaliser le calcul par itération sur la température 𝑇6, avec comme valeur cible la puissance échangée, comme cellule variable 𝑇6 et comme contrainte que la puissance échangée sur l’air comprimé (entre 2 et 3) soit égale à la puissance échangée sur les fumées (entre 5 et 6).