Turbine à gaz à cycle fermé

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Schéma d'une turbine à gaz à cycle fermé

Ensemble compresseur C et turbine T
échangeur de chaleur haute température w
échangeur de chaleur basse température ʍ
charge mécanique ~, par exemple générateur électrique

Une turbine à gaz à cycle fermé (en anglais: Closed-cycle gas turbine, ou CCGT) est une turbine qui utilise un gaz (par exemple de l'air, de l'azote, de l'hélium, de l'argon[1],[2], etc.) comme fluide de travail dans le cadre d'un système thermodynamique fermé. La chaleur est fournie par une source externe[3]. Ces turbines à recirculation suivent un cycle de Brayton[4].

Contexte[modifier | modifier le code]

Le brevet initial pour une turbine à gaz à cycle fermé a été délivré en 1935 et la technologie a été utilisée commercialement pour la première fois en 1939[3]. Sept CCGT ont été construites en Suisse et en Allemagne en 1978[2]. Historiquement, les CCGT ont été principalement utilisées comme moteurs à combustion externe « avec des combustibles tels que le charbon bitumineux, le lignite et le gaz de haut fourneau », mais elles ont été remplacées par des turbines à gaz à cycle ouvert utilisant des combustibles plus propres (par exemple « le gaz naturel ou le fioul »), en particulier dans des systèmes à cycle combiné de grande efficacité[3]. Les systèmes CCGT aéroportés ont démontré une grande disponibilité et fiabilité[5]. Le système à base d'hélium le plus remarquable à ce jour a été Oberhausen 2, une centrale de cogénération de 50 mégawatts qui a fonctionné de 1975 à 1987 en Allemagne[6]. Par rapport à l'Europe, qui est à l'origine du développement de la technologie, la CCGT n'est pas bien connue aux États-Unis[7].

Énergie nucléaire[modifier | modifier le code]

Des réacteurs refroidis au gaz alimentant des turbines à gaz à cycle fermé à base d'hélium ont été suggérés dès 1945[7]. Le réacteur nucléaire expérimental ML-1 du début des années 1960 utilisait une CCGT à base d'azote fonctionnant à 0,9 MPa[8]. Le réacteur modulaire à lit de boulets, qui a été annulé, était destiné à être couplé à une CCGT à l'hélium[9]. Les réacteurs nucléaires du futur (réacteurs de 4e génération) pourraient utiliser une CCGT pour la production d'électricité[3]. Par exemple Flibe Energy a l'intention de produire un réacteur à fluorure de thorium liquide couplé à une CCGT.

Développement[modifier | modifier le code]

Les turbines à gaz à cycle fermé sont prometteuses pour les générations futures de production d'énergie solaire[3] à haute température et d'énergie de fusion[2].

Ils ont également été proposés comme technologie pour l'exploration spatiale à long terme[10].

Des turbines à gaz à cycle fermé au dioxyde de carbone supercritique sont en cours de développement. « Le principal avantage du cycle au CO2 supercritique est une efficacité comparable à celle du cycle de Brayton de l'hélium à une température nettement inférieure » (550 °C contre 850 °C), mais avec l'inconvénient d'une pression plus élevée (20 MPa contre 8 MPa)[11]. Les laboratoires Sandia (en anglais : Sandia National Laboratoires) ont pour objectif de développer une CCGT de démonstration au CO2 supercritique de 10 MWe d'ici 2019[12].

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Closed-cycle gas turbine » (voir la liste des auteurs).

Références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ Nitrogen or Air Versus Helium for Nuclear Closed Cycle Gas Turbines | Atomic Insights
  2. ↑ a b et c « AN ASSESSMENT OF THE BRAYTON CYCLE FOR HIGH PERFORMANCE POWER PLANTS » [archive du ] (consulté le )
  3. ↑ a b c d et e Hans Ulrich Frutschi, Closed-Cycle Gas Turbines, ASME Press, (ISBN 0-7918-0226-4, lire en ligne [archive du ]) Note: avant-propos (y compris la préface et l'introduction; PDF link) is open access.
  4. ↑ Thermodynamics and Propulsion: Brayton Cycle
  5. ↑ C. Keller, « Forty years of experience on closed-cycle gas turbines », Annals of Nuclear Energy, vol. 5, nos 8–10,‎ , p. 405–422 (DOI 10.1016/0306-4549(78)90021-X)
  6. ↑ Harry Valentine, « The Potential for Air-cooled High-Temperature Nuclear Reactors », sur energycentral.com
  7. ↑ a et b C. F. McDonald, « Helium turbomachinery operating experience from gas turbine power plants and test facilities », Applied Thermal Engineering, vol. 44,‎ , p. 108–181 (DOI 10.1016/j.applthermaleng.2012.02.041)
  8. ↑ « ML-1 Mobile Power System: Reactor in a Box | Atomic Insights » [archive du ] (consulté le )
  9. ↑ (en) « Gas turbine power conversion systems for modular HTGRs : Report of a Technical Committee meeting held in Palo Alto, United States of America, 14–16 November 2000 » [PDF], sur Agence internationale de l'énergie atomique, p. 102-113
  10. ↑ Introduction to Gas Turbines for Non-Engineers (see page 5)
  11. ↑ V. Dostal, M.J. Driscoll, P. Hejzlar, « Archived copy » [archive du ] (consulté le ) MIT-ANP-Series, MIT-ANP-TR-100 (2004)
  12. ↑ Sandia National Laboratories: Supercritical CO2-Brayton Cycle

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