Des turbines à vapeur plus petites ont été conçues pour atteindre la puissance de leurs homologues traditionnels tout en utilisant un espace minimal – grâce à un milieu innovant.
Les turbines à vapeur, qui convertissent l’énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique pour la production d’électricité, ont longtemps été des outils fondamentaux dans la production d’énergie. Malgré leur importance, la grande taille des turbines à vapeur pose des défis considérables en termes d’installation et d’espace requis. En fin de compte, ces limitations ont entravé leur faisabilité dans les zones urbaines où l’espace disponible est limité.
Les chercheurs de l’Institut de recherche du Sud-Ouest ont fabriqué une turbine de la taille d’un bureau correspondant à la puissance des turbines conventionnelles géantes.
Turbine à vapeur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Exploration de la roue énergétique de la turbine à vapeur
Les générateurs de turbines à vapeur exploitent la vapeur haute pression pour produire de l’électricité. Dans les grandes lignes, cela fonctionne en utilisant la vapeur provenant des chaudières, généralement chauffées par la combustion de combustibles fossiles, pour faire tourner les pales reliées à un rotor, convertissant ainsi le mouvement de rotation en énergie utilisable. En couplant le rotor à un générateur, les turbines convertissent le mouvement rotatif en électricité, régi par la loi de Faraday.
Le principe de fonctionnement de la turbine à vapeur est le cycle de Rankine. Celui-ci commence par la compression du fluide de travail dans une pompe, suivie du chauffage dans une chaudière pour produire de la vapeur haute pression. Cette vapeur se dilate à travers une turbine, créant du travail mécanique avant de se condenser dans un condenseur. Le liquide condensé est ensuite renvoyé dans la chaudière pour répéter le cycle.
Schéma du cycle de Rankine. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons (Par Andrew Ainsworth)
Traditionnellement, les turbines à vapeur ont été entravées par leur grande taille en raison des limites de la vapeur en tant que fluide de travail. Les turbines intègrent de nombreuses étapes pour accueillir l’expansion du volume de vapeur lorsque la pression diminue. Au fur et à mesure que la vapeur traverse ces étapes, elle perd de la pression et de l’énergie thermique, et le volume se dilate, ce qui nécessite des diamètres plus grands et des pales plus longues dans les étapes successives pour une extraction d’énergie optimale.
Les turbines plus petites peuvent améliorer les performances du système en réduisant les pertes d’énergie liées à la tuyauterie prolongée et en améliorant l’efficacité du transfert de chaleur. Ceci est particulièrement crucial dans les zones urbaines caractérisées par un espace limité.
STEP pour l’efficacité énergétique des turbines à vapeur
Les chercheurs ont réussi à démontrer la réduction de la taille des turbines à vapeur. Le projet, connu sous le nom de Super Critical Transformational Electric Power (STEP) démo-pilote, se concentre sur le remplacement de l’eau par un nouveau fluide de travail appelé dioxyde de carbone supercritique (CO2).
Dans des conditions normales, le CO2 est un gaz présent dans l’atmosphère, mais il peut se solidifier en glace sèche par refroidissement ou pressurisation. À des températures et des pressions élevées, il entre dans un état supercritique, présentant des propriétés d’un liquide et d’un gaz, appelé CO2 supercritique (sCO2). Cette substance, de plus en plus utilisée comme solvant industriel, peut devenir un milieu pour la rotation de la turbine. Étant donné que sa densité change très peu avec les variations de température ou de pression, elle se révèle 10% plus efficace pour la production d’énergie que l’eau. Ce passage du cycle de Rankine traditionnel au cycle de Brayton offre des améliorations en termes d’efficacité énergétique.
Recompression dans un cycle de Brayton fermé. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Département de l’Énergie
Les chercheurs ont exploité l’efficacité accrue pour réduire les dimensions de la turbine, ce qui a permis de créer une turbine sCO2 de trois pieds correspondant à la puissance d’une turbine à vapeur de 65 pieds. Cet équipement a été construit pour 155 millions de dollars, marquant la première démonstration et mise à l’essai à grande échelle du sCO2 en tant que fluide de travail. Le prototype de turbine de la taille d’un bureau résultant produirait apparemment suffisamment d’énergie pour alimenter 10 000 foyers.
Les turbines au CO2 représentent l’avenir
Cette recherche est importante car elle démontre que les turbines à vapeur peuvent désormais être réduites de la taille habituelle d’un bus urbain à celle d’un bureau. À mesure que les énergies renouvelables augmentent et que le réseau électrique devient plus distribué, la possibilité de créer de l’électricité hautes performances à partir de plus petites turbines à vapeur pourrait avoir d’importantes implications pour la stabilité future du réseau électrique.