Les générateurs de vapeur des centrales thermiques (à cycle de vapeur) nécessitent un apport constant d’eau froide pour maximiser le transfert d’énergie thermique. La façon dont cette eau est à nouveau refroidie dans le condenseur après qu’une grande partie de l’énergie thermique de la vapeur a été dépensée dans les turbines à vapeur ou les échangeurs de chaleur est une considération très importante dans la conception et la construction de ces centrales. Le système le plus évident et le plus simple est le refroidissement direct « à passage unique », où l’eau est tirée directement d’une rivière ou d’un autre plan d’eau à proximité et libérée après avoir traversé le condenseur. Ce type de système est de loin le moins cher, mais il est également impacté à la fois par les saisons et les considérations environnementales.
Là où l’eau de surface fraîche est moins abondamment disponible, le refroidissement par évaporation dans un système de recirculation, comme avec des bassins de pulvérisation et des tours de refroidissement, est une bonne alternative. Bien que légèrement plus coûteux, un grand avantage de ceux-ci est qu’ils nécessitent beaucoup moins d’eau et ont beaucoup plus de contrôle sur la température de l’eau d’admission, ce qui peut augmenter l’efficacité de l’usine. Enfin, le refroidissement à sec est essentiellement un système en boucle fermée, extrêmement utile dans les zones où l’eau est rare. C’est ce dernier type de refroidissement qui permet aux centrales thermiques de fonctionner même dans les régions désertiques.
Alors que le climat mondial change – avec des événements météorologiques plus extrêmes – choisir la bonne solution de refroidissement est plus important que jamais, et nous oblige à moderniser les centrales thermiques existantes avec des solutions plus efficaces. Si vous avez déjà été curieux de savoir comment les centrales électriques gardent le côté cool au frais, lisez la suite !
Installations de refroidissement
Se débarrasser de la chaleur excédentaire est un aspect commun de nombreux systèmes, des véhicules et des bâtiments HVAC jusqu’aux centrales thermiques de niveau gigawatt, mais les principes et technologies de base restent les mêmes. Bien que les immeubles de bureaux aient tendance à ne pas utiliser de refroidissement par aspiration directe, ils ont souvent des tours de CVC sur le toit qui utilisent le refroidissement par évaporation d’une manière qui est essentiellement une version réduite de la tour de refroidissement par évaporation d’une centrale thermique, ou alternativement un circuit fermé à sec. système de refroidissement.
Au sein des différentes catégories de centrales thermiques (principalement au charbon, au gaz et au nucléaire), il existe de nombreuses similitudes entre ces différents types de centrales, mais aussi des différences notables. Le plus important est peut-être que les centrales au charbon se débarrassent d’une partie (environ 15 %) de leur énergie thermique excédentaire dans leurs gaz d’échappement (fumées) et que les centrales au gaz utilisent principalement les gaz d’échappement, tandis que les centrales nucléaires doivent utiliser pleinement leurs condenseurs pour ce.
Chaque type de centrale a quelques configurations possibles différentes pour leurs boucles de vapeur et de refroidissement, la configuration commune pour les centrales au charbon étant celle de la chaudière qui sert à la combustion du combustible et qui contient également la boucle du circuit de vapeur qui entraîne les turbines à vapeur. Les centrales à gaz sont le canard étrange ici, car leur utilisation d’une turbine à gaz plutôt qu’à vapeur dans leur premier étage signifie qu’au moins les turbines à gaz à circuit ouvert (OCGT) sans deuxième étage n’ont pas de circuit de vapeur et donc de condenseur.
La configuration OCGT a cependant un rendement assez faible d’environ 30 %, c’est pourquoi la turbine à gaz à cycle combiné (CCGT) utilise un deuxième étage avec un échangeur de chaleur dans l’échappement chaud qui crée un circuit de vapeur avec un générateur de vapeur d’accompagnement qui booste l’ensemble. efficacité à 50-60%. Cela signifie que les centrales CCGT nécessitent également une solution de refroidissement similaire à d’autres centrales thermiques, même si l’efficacité thermique assez élevée rend ces besoins de refroidissement relativement faibles.
Étant donné que toutes ces centrales thermiques qui ont un cycle de vapeur exécutent un cycle de Rankine non idéal, leur efficacité thermique est déterminée en grande partie par la différence entre les côtés chaud et froid. L’effet de ceci peut être observé par l’efficacité thermique d’un certain nombre d’usines dans le monde, la condition optimale étant située près d’une masse d’eau froide – comme un lac profond – la température de la vapeur dans le circuit de vapeur étant l’autre facteur. C’est pourquoi, par exemple, le réacteur à neutrons rapides à sels fondus de Beloyarsk 3 (BN-600 FNR) atteint un rendement thermique de 41,5 %, alors que les réacteurs à eau légère (LWR) atteignent généralement un rendement compris entre 30 et 38 %. Cela place les réacteurs nucléaires à haute température comme la série BN dans le même stade que les centrales au charbon supercritiques d’aujourd’hui (environ 40 % d’efficacité thermique).
Bien que dans certaines situations, une partie de l’énergie thermique excédentaire puisse être utilisée via un échangeur de chaleur supplémentaire à des fins telles que le chauffage urbain, l’eau de refroidissement passera toujours par le condenseur pour le refroidissement.
Considérations environnementales
Comme pour tout processus qui interagit avec l’environnement, l’apport et le rejet potentiel d’eau de refroidissement affecteront l’environnement local et/ou l’écologie d’une manière ou d’une autre. Les exemples évidents ici sont l’absorption de la vie marine comme les poissons et les petites créatures ainsi que les œufs, et la libération d’eau plus chaude dans l’environnement marin dans le cas d’un refroidissement direct. Ce sont généralement des sujets très controversés qui sont souvent exploités contre les centrales thermiques, avec un accent particulier sur les centrales nucléaires par des groupes antinucléaires, bien que les centrales nucléaires n’utilisent qu’un peu plus d’eau de refroidissement que les centrales au charbon.
Le fait est qu’il existe des réglementations strictes pour les températures de rejet de l’eau des centrales thermiques, chaque nation et chaque région ayant sa propre augmentation autorisée de la température de l’eau des rivières, et les centrales thermiques étant étranglées si les températures de prise d’eau dépassent un certain seuil. Pendant ce temps, l’élimination des débris, des matières végétales et d’autres particules de l’eau de prise est une préoccupation majeure, que ce soit pour les turbines des barrages hydroélectriques ou pour les centrales thermiques. L’objectif est d’empêcher tout sauf l’eau de pénétrer à travers les filtres à débris, les biocides étant particulièrement cruciaux dans les systèmes de refroidissement à recirculation pour empêcher l’accumulation de biofilms et l’encrassement.
Un effet de ces filtres et écrans de débris est que la vie marine peut les empiéter, ce qui a tendance à être fatal. Pourtant, il s’agit d’un problème commun à toutes les solutions de refroidissement à passage unique, ainsi qu’aux barrages hydroélectriques. Des études environnementales ici, comme pour Diablo Canyon en Californie, ont indiqué que même si c’est quelque chose qui se produit définitivement, l’impact total sur l’environnement est négligeable. La construction de tours de refroidissement et la recirculation de l’eau pour réduire considérablement la consommation d’eau de refroidissement requise sont préférées de nos jours, en particulier pour les nouvelles usines intérieures, où l’utilisation de tours de refroidissement est de plus en plus courante.
Équilibrer le budget
Lorsqu’une centrale thermique est située à côté d’un océan ou d’un grand lac, il est difficile de discuter du fait que le bilan hydrique est un problème. Là où les choses deviennent beaucoup moins spacieuses dans ledit budget, c’est lorsque l’usine est située à côté d’une rivière, car le niveau d’eau dans les rivières a tendance à fluctuer, ainsi que la température de l’eau. C’est un facteur qui rend le refroidissement à passage quelque peu problématique, surtout dans le cas d’un été chaud avec peu de pluie.
Un avantage moins évident de renoncer au refroidissement à passage unique en faveur du refroidissement par recirculation est celui de la sécurité. Cela a été illustré récemment lors de la guerre russo-ukrainienne, lorsque les forces russes ont fait sauter le barrage de Kakhovka qui contenait le réservoir qui fournissait également de l’eau de refroidissement à la centrale nucléaire de Zaporizhzhia (ZNPP). Étant donné que le ZNNP a été conçu avec un système de recirculation contenant un bassin de pulvérisation (un prédécesseur moins cher des tours de refroidissement), son bassin de refroidissement contient une quantité importante d’eau qui s’évapore très lentement lorsque les six réacteurs de la centrale sont en cours d’utilisation. Si un refroidissement à passage unique avait été utilisé, la disparition du réservoir aurait nécessité des procédures d’urgence immédiates. Au lieu de cela, le bassin de refroidissement peut être rempli via des méthodes alternatives telles que des puits locaux, transformant une urgence potentielle en une complication logistique ennuyeuse.
À l’autre extrémité du spectre du bilan hydrique, loin de l’eau abondante au large des côtes californiennes, nous trouvons l’État aride de l’Arizona, qui tire plus d’un tiers de son énergie électrique de la centrale électrique de Palo Verde. Le condenseur de cette centrale thermique est refroidi à l’aide des eaux usées traitées des villes voisines, et démontre ainsi à quel point les tours de refroidissement à évaporation peuvent être efficaces.
Si le budget hydrique est encore plus contraint, l’alternative aux tours de refroidissement par voie humide est le refroidissement sec, qui utilise l’équivalent de radiateurs et un flux d’air forcé sur ses ailettes. Étant donné que cela est nettement moins efficace que le refroidissement par voie humide (par évaporation), ce n’est pas une méthode souvent envisagée pour les centrales thermiques commerciales. Même ainsi, il a été utilisé dans le passé sur des centrales prototypes, telles que le réacteur nucléaire allemand THTR-300, et certaines centrales au charbon utilisent le refroidissement par air, comme dans certaines des centrales au charbon d’Eskom en Afrique du Sud, y compris certaines unités datant de les années 90.
Fait intéressant, il y a un intérêt croissant pour les rénovations de refroidissement à sec pour les centrales existantes (à combustible fossile), comme cela est couvert dans un article récent de Haibo Zhai et al. en énergie appliquée. Bien que l’environnement et le climat locaux doivent être pris en compte avec de telles rénovations et nouvelles constructions, la tendance générale semble être l’éloignement du refroidissement à passage unique et l’utilisation de méthodes de refroidissement qui utilisent moins d’eau et dépendent moins de les caprices de l’environnement, sans parler des catastrophes causées par l’homme.
