Les centrales électriques de turbine à gaz fonctionnent sur le principe du cycle de Brayton, un processus thermodynamique qui convertit l'énergie de carburant en énergie mécanique, qui est ensuite transformée en énergie électrique. Le processus implique plusieurs étapes clés:
Admission à l'air et compression
Le processus commence par l'apport de l'air ambiant, qui est entraîné dans la section du compresseur de la turbine. Le compresseur, souvent un dispositif axial ou centrifuge en plusieurs étapes, fait pression sur l'air à un niveau élevé - 10 à 30 fois sa pression d'origine. Cet air comprimé est ensuite dirigé dans la chambre de combustion.
La combustion
dans la chambre de combustion, le gaz naturel (ou un autre carburant) est mélangé à l'air comprimé et enflammé. Le processus de combustion génère des gaz extrêmement à température à haute température, atteignant des températures allant jusqu'à 1 500 ° C (2 732 ° F). Ces gaz chauds se développent rapidement, créant une énergie à haute pression.
L'expansion à travers la turbine
Les gaz à haute pression et à haute température sont ensuite dirigés à travers les lames de turbine. Au fur et à mesure que les gaz se dilatent et se refroidissent, ils font tourner les lames de turbine, convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique. La turbine est connectée à un générateur via un arbre, qui fait tourner le générateur pour produire de l'électricité.
Récupération d'échappement et de chaleur (facultative)
Dans les stations de turbine à gaz à cycle simple, les gaz d'échappement sont libérés dans l'atmosphère. Cependant, dans les centrales à cycle combiné, un générateur de vapeur de récupération de chaleur (HRSG) capture la chaleur des déchets de l'échappement. Cette chaleur est utilisée pour produire de la vapeur, qui entraîne une turbine à vapeur secondaire, augmentant encore l'efficacité. Il s'agit d'une caractéristique clé des centrales à gaz modernes, augmentant considérablement leur production énergétique globale.
L'ensemble du processus est très efficace, en particulier dans les configurations à cycle combiné, où l'efficacité totale peut atteindre jusqu'à 60%, dépassant de loin les centrales électriques traditionnelles au charbon.
Les centrales électriques de turbine à gaz peuvent être classées en deux types principaux en fonction de leur conception et de leur efficacité opérationnelle: les centrales à cycle simple et à cycle combiné.
Les centrales à cycle simple, également appelées centrales à cycle libre, sont la forme la plus élémentaire de production d'électricité de turbine à gaz. Ils sont constitués d'un compresseur, d'une chambre de combustion et d'une turbine, les gaz d'échappement déchargés directement dans l'atmosphère.
Caractéristiques clés:
Coût initial inférieur: les plantes à cycle simple sont moins coûteuses à construire par rapport aux plantes à cycle combiné.
Startup plus rapide: ils peuvent atteindre la pleine puissance en quelques minutes, ce qui les rend idéaux pour faire appel à des applications d'alimentation (fournissant de l'électricité pendant les périodes de demande de pointe).
Efficacité inférieure: généralement, ils atteignent une efficacité d'environ 30 à 40%, car ils ne récupérent pas la chaleur des déchets.
Cas d'utilisation:
Les centrales à gaz à cycle simple sont souvent utilisées dans les régions où la demande d'électricité fluctue considérablement, comme pendant les chaudes journées d'été lorsque la demande de climatisation pic. Ils sont également employés dans des zones éloignées où la connexion du réseau est difficile.
Les centrales de turbine à gaz combinées s'améliorent sur la conception du cycle simple en capturant la chaleur des déchets des gaz d'échappement et en l'utilisant pour produire de l'électricité supplémentaire. Ceci est réalisé grâce à un générateur de vapeur de récupération de chaleur (HRSG) et à une turbine à vapeur.
Caractéristiques clés:
Efficacité plus élevée: les usines à cycle combiné peuvent atteindre des efficacités de 50 à 60%, ce qui en fait l'une des formes les plus efficaces de production d'électricité à base de combustible fossile.
Émissions inférieures: parce qu'ils utilisent moins de carburant par unité de production d'électricité, les usines à cycle combiné produisent moins d'émissions de gaz à effet de serre par rapport aux centrales au charbon.
Plus grande flexibilité: ils peuvent ajuster la production en fonction de la demande, ce qui les rend adaptés à la fois pour la puissance de base et le pic.
Cas d'utilisation:
Les centrales de gaz à cycle combiné sont largement utilisées dans les pays développés où la stabilité et l'efficacité du réseau sont essentielles. Ils sont particulièrement efficaces dans des régions avec de nombreuses approvisionnements en gaz naturel, tels que les États-Unis, l'Europe et certaines parties de l'Asie.
Tableau de comparaison: Cycle simple par rapport aux centrales à gaz combinées à cycle combiné
| Caractéristique de la centrale à gaz à | cycle | simple |
|---|---|---|
| Efficacité | 30–40% | 50–60% |
| Coût initial | Inférieur | Plus haut |
| Heure de démarrage | Plus rapide (minutes) | Plus lent (heures) |
| Émissions | Plus élevé par unité de puissance | Inférieur par unité de puissance |
| Meilleur cas d'utilisation | Puissance de pointe, zones éloignées | Power de base, grilles à haute demande |
Les centrales électriques de turbine à gaz offrent plusieurs avantages par rapport aux autres formes de production d'électricité, en particulier en termes d'efficacité, d'impact environnemental et de flexibilité opérationnelle.
Comme mentionné, les centrales à cycle combiné à gaz peuvent atteindre une efficacité allant jusqu'à 60%, significativement plus élevée que les centrales au charbon (environ 33 à 40%). Cette efficacité est obtenue en capturant et en réutilisant la chaleur des déchets, qui serait autrement perdue dans une usine de cycle simple.
Déchange d'efficacité:
Turbine à gaz (cycle de Brayton): 30 à 40% d'efficacité.
Turbine à vapeur (cycle Rankine): efficacité supplémentaire de 20 à 30%.
Efficacité combinée totale: jusqu'à 60%.
Cette grande efficacité signifie que les centrales à gaz utilisent moins de carburant pour produire la même quantité d'électricité, réduisant à la fois les coûts opérationnels et l'impact environnemental.
Le gaz naturel est plus propre que le charbon ou le pétrole, produisant beaucoup moins d'émissions lorsqu'elles sont utilisées dans les centrales de turbine à gaz. Les réductions clés comprennent:
Dioxyde de carbone (CO₂): jusqu'à 50% moins de co₂ par unité d'électricité par rapport au charbon.
Oxydes d'azote (NOx): les turbines à gaz modernes utilisent des technologies de combustion avancées pour minimiser les émissions de NOx.
Le dioxyde de soufre (SO₂) et les particules: pratiquement zéro so₂ et minimaux émissions de particules, contrairement aux centrales charbonnières.
Cela fait de la puissance de gaz un carburant de transition dans le mouvement vers les énergies renouvelables, car elle aide à réduire l'empreinte carbone de la production d'électricité.
Les centrales électriques de turbine à gaz peuvent augmenter ou descendre rapidement en réponse à la demande de grille. Cette flexibilité est cruciale pour équilibrer les sources d'énergie renouvelables comme le vent et le solaire, qui sont intermittents.
Powing Power: Les plantes à cycle simple peuvent fournir de l'énergie en quelques minutes, ce qui les rend idéales pour manipuler des pointes soudaines en demande.
Power Basoad: Les centrales à cycle combiné peuvent fonctionner en continu, fournissant une puissance stable au réseau.
Contrairement aux centrales à vapeur traditionnelles, les turbines à gaz nécessitent beaucoup moins d'eau pour le refroidissement. Les plantes à cycle combiné utilisent environ 30 à 50% moins d'eau que les plantes au charbon, ce qui les rend plus durables dans les régions de scarce d'eau.
Le coût du gaz naturel a généralement été plus faible et plus stable que le charbon ou le pétrole ces dernières années, ce qui rend la puissance de gaz économiquement attrayante. De plus, la baisse de la consommation de carburant dans les usines à cycle combiné réduit les coûts opérationnels à long terme.
Cependant, il y a quelques défis:
Dépendance à l'égard du gaz naturel: les fluctuations des prix du gaz peuvent avoir un impact sur la rentabilité.
Fuites de méthane: l'extraction et le transport du gaz naturel peuvent entraîner des émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre.
Malgré ces préoccupations, les progrès de la technologie des turbines à gaz et des réglementations plus strictes contribuent à atténuer ces problèmes.
Les centrales électriques de turbine à gaz jouent un rôle vital dans les systèmes énergétiques modernes, offrant un équilibre entre l'efficacité, les performances environnementales et la flexibilité opérationnelle. Que ce soit dans des configurations à cycle simple ou à cycle combiné, ces plantes fournissent une électricité fiable tout en réduisant les émissions par rapport aux combustibles fossiles traditionnels.
Alors que le monde se déplace vers un avenir à faible teneur en carbone, la puissance de gaz est susceptible de rester un élément clé du mélange d'énergie, complétant les sources d'énergie renouvelables comme l'éolien et l'énergie solaire. En comprenant le fonctionnement de ces centrales électriques et de leurs avantages, nous pouvons mieux apprécier leur rôle dans la garantie d'un approvisionnement énergétique stable et durable.
Une centrale à gaz à cycle simple génère de l'électricité en utilisant uniquement une turbine à gaz, tandis qu'une usine de cycle combiné ajoute un générateur de vapeur de récupération de chaleur et une turbine à vapeur pour capturer la chaleur des déchets, ce qui augmente considérablement l'efficacité.
Les usines à cycle simple atteignent une efficacité de 30 à 40%, tandis que les usines à cycle combiné peuvent atteindre jusqu'à 60%, ce qui en fait l'une des formes les plus efficaces de production d'énergie à base de combustible fossile.
Oui, les centrales à gaz produisent beaucoup moins d'émissions (Co₂, NOx, SO₂) par rapport aux centrales au charbon. Cependant, les fuites de méthane pendant l'extraction et le transport restent une préoccupation.
Oui, les turbines à gaz peuvent accélérer ou descendre rapidement, ce qui les rend idéales pour équilibrer les sources d'énergie renouvelables intermittents comme le vent et l'énergie solaire.
La puissance de gaz devrait jouer un rôle de transition, combler l'écart entre les combustibles fossiles et les énergies renouvelables. Les progrès de la capture du carbone et du mélange d'hydrogène peuvent encore améliorer sa durabilité.
