Un saut d’efficacité pour les turbines à cycle Brayton

Les chercheurs du Sandia National Laboratories (SNL) viennent d’entrer dans la phase d’essai d’un  générateur d’électricité, avec comme espoir d’atteindre une efficacité de conversion (thermique vers électrique) augmenter jusqu’à 50%.

Plus précisément, cette amélioration serait de 50% pour les centrales nucléaires équipées de turbines à vapeur, ou de 40 % pour les turbines à gaz classiques. Par ailleurs, le système aurait la particularité d’être très compact, ce qui signifie que les coûts d’investissement seraient relativement faibles.

Le procédé se concentre sur une turbine à cycle de Brayton utilisant du dioxyde de carbone supercritique (S-CO2)**, qui est habituellement utilisé dans la production d’électricité (thermique et nucléaire), incluant les réacteurs de prochaines générations. A terme, l’objectif est de remplacer les turbines à vapeur à cycle de Rankine, qui possèdent moins d’efficacité, demeurent corrosifs à haute température et occupent 30 fois plus d’espace en raison de la nécessité de disposer de grandes turbines et de condenseurs pour les surplus de vapeur. Celle à cycle de Brayton pourrait produire 20 mégawatts d’électricité à partir d’un système évoluant dans un espace de 4 mètres cubes seulement.

Le cycle de Brayton, du nom de l’ingénieur George Brayton (1830–1892) qui l’a développé, est aussi connu sous le nom du cycle de Joule. Le principe de base fonctionne en chauffant l’air dans un espace confiné, puis en le relâchant dans une direction particulière. Il existe deux types de cycles de Brayton selon qu’il soit ouvert, ou refermé sur l’atmosphère, utilisant une combustion interne ou fermé utilisant un échangeur de chaleur.

"Cette machine est en fait un moteur à réaction fonctionnant sur un liquide chaud", a déclaré l’investigateur principal du projet, Steve Wright, du Sandia. "Il y a énormément d’intérêts scientifiques et industriels dans les systèmes de production d’électricité supercritique (CO2) utilisant toutes les sources d’énergies possibles, comme le solaire, la géothermie, les combustibles fossiles, les biocarburants et le nucléaire."

Sandia possède actuellement deux boucles supercritique CO2 en test. Le terme "boucle" est dérivée de la forme que prend le fluide lorsqu’il traverse chaque circuit. Une boucle de production d’énergie est située à Arvada, dans le Colorado, où elle a produit environ 240 kilowatts d’électricité durant la phase d’essai qui a débuté en Mars 2010. Depuis, elle a été modernisée et devrait être livrée au Sandia cet été.

La seconde boucle, basée au Sandia à Albuquerque, est utilisée pour étudier les problèmes inhabituels dans la compression, les roulements, les jointures, et les frictions qui existent près du point critique, là où le dioxyde de carbone atteint la densité des liquides, mais qui garde pour autant de nombreuses propriétés gazeuses.

Le Sandia prévoit dans l’immédiat de continuer à développer et à exploiter de petites boucles d’essai afin d’identifier les caractéristiques clés et les technologies. Le laboratoire prévoit aussi la commercialisation de cette technologie, ainsi que le développement d’une usine de démonstration à échelle industrielle, de 10 MW.

Un système concurrent, développé également au Sandia, utilise le cycle de Brayton avec de l’hélium comme fluide de travail. Il est conçu pour fonctionner à des températures d’environ 925 degrés C. Les scientifiques s’attendent à produire de l’électricité avec un rendement compris entre 43 et 46 %. Par contre, le système à cycle de Brayton supercritique offre la même efficacité que leur homologue à l’hélium, mais à une température considérablement inférieure (250 à 300° C).

Enfin, l’équipement du S-CO 2 est plus compact que celui du cycle à l’hélium, qui à son tour est plus compact que le cycle à vapeur classique.

** Au-dessus de sa température et de sa pression critiques, le dioxyde de carbone se comporte comme un fluide supercritique et peut adopter des propriétés à mi-chemin entre celles d’un gaz et celles d’un liquide. Les propriétés du dioxyde de carbone supercritique à une température supérieure à 500°C et des pressions supérieures à 7,6 mégapascals permettent au système de fonctionner avec un rendement thermique très élevé, dépassant même ceux d’une centrale électrique au charbon.