Groupe
d’information sur les éoliennes (La Roche-en-Ardenne)
Dossier sur les coûts et les nuisances des éoliennes
Une importante évolution technologique récente a été la mise au point de turbines à gaz naturel pour générer de l'électricité industrielle.
Dans les 30 dernières années, la puissance totale des nouvelles turbines à gaz a dépassé la puissance électrique installée en 1970. On a parlé d'une ruée sur les turbines à gaz comparable aux ruées sur l'or.
Le remplacement de nombreuses centrales à charbon par celles au gaz a eu une effet positif sur la réduction des émissions de CO2 mais cette solution est incomplète et condamnée à longue échéance car elle ne peut pas dépasser une réduction de 30 % et est menacée par l'épuisement des réserves de gaz naturel qu'on ferait mieux de garder comme combustible indispensable pour le transport routier.
Progrès technologiques pour utiliser le gaz naturel
Les améliorations techniques concernent l’exploitation (captage du gaz naturel), le transport (gazoducs soudés et pompes à rotors) et l’utilisation efficace du gaz naturel (rendement augmenté jusqu'à 60% par des TGV, Turbine-Gaz-Vapeur).
Les turbines
Les centrales électriques à vapeur existent depuis plus de 100 ans. La principale amélioration est le remplacement dans les machines de Watt des moteurs à pistons par des turbines. La température maximum de la vapeur, même sous haute pression ne dépasse pas 500°C, ce qui fait que les ailettes en acier des turbines résistent bien et peuvent être amincies et profilées.
L’optimisation aérodynamique des profils d’ailettes, étudiée pour les avions à réaction, améliore les rendements, ce qui permet de fabriquer de puissants compresseurs d’air à ailettes. On peut atteindre de fortes pressions avec plusieurs étages de rotors dans des compresseurs axiaux compacts. La mise au point des turbines a servi aux gazoducs car leurs pompes emploient des turbines de construction et d’entretien facile.
Cycle thermodynamique des moteurs et turbines
Pour optimiser le cycle thermodynamique des moteurs à essence à 4 temps, il faut une compression réduisant le volume par 10 en multipliant la pression par 10. Les soupapes en métal spécial doivent supporter des températures élevées.
Le bon rendement thermodynamique de ce cycle peut aussi être obtenu avec des turbines (dessin ci-dessous). La compression est réalisée dans des turbines ayant plusieurs étages de rotors pour réduire le volume par 10. La combustion est réalisée dans une chambre de combustion séparée où le carburant, pétrole ou gaz, est mélangé à l’air comprimé et allumé.
La détente est la période motrice des moteurs de voitures. La détente se passe ici dans une turbine actionnée par les gaz d’échappement, ce qui fournit la puissance pour actionner le compresseur et pour faire tourner un alternateur. Le schéma représente des turbines séparées pour l'entraînement du compresseur et pour l’alternateur. Des systèmes plus simples emploient une seule turbine sur un axe commun mais ne permettent pas des réglages précis. Le gaz ne s’allume et ne brûle bien que dans une étroite plage du pourcentage air/carburant.
Cycle thermodynamique
Le cycle des moteurs est un cycle fermé représenté sur des
graphiques thermodynamiques. La puissance est d'autant plus forte que
la zone en couleur est plus vaste.
Dans les turbines à gaz, de l'énergie est récupérable entre le point 4 et la zone froide en 1. Comme la combustion du gaz naturel produit de la vapeur d'eau, on améliore le cycle en plaçant un condenseur avant la cheminée.
L’eau de condensation acide, au lieu de se retrouver dans des pluies acides, coule au fond du condenseur et doit être est évacuée sans polluer. Pour résister aux acides, les parois et tubes des chaudières doivent être en acier inoxydable ou en céramique .
Le rendement est meilleur si la compression (point 2) est forte et si la température maximum (point 3) est élevée mais des contraintes limitent ce qui est réalisable.
Turbine à gaz industrielle
La première turbine à gaz qui ait été utilisée industriellement pour une centrale électrique a été opérationnelle à Neuchâtel en 1939.
Comme pour les moteurs de voitures, le cycle d’une machine thermodynamique est d’autant plus performant qu’est grande la différence entre la température maximum (la source chaude) et la température minimum (la source froide).
Une difficulté pour augmenter le rendement des turbines à gaz vient des limites de résistance à la chaleur des ailettes de la turbine de sortie. Un dispositif mélangeant de l’air au gaz brûlant peut assurer que la température est en-dessous de la limite tolérée.
Le rendement de la centrale de Neuchâtel (4 MW) était de 18 % en 1939 pour une température de la source chaude de 538°C. Les constructeurs avaient l’intention d’arriver à 23 % en poussant la température jusqu’à 648°C.
Cinq ans plus tard, à la fin de la première guerre, les Allemands utilisent des avions à réaction, très rapides mais pas encore au point et consommant beaucoup. Ces avions utilisent le principe des moteurs à turbine, sauf que l’alternateur est supprimé et que les gaz s’échappent librement à l’arrière, propulsant l’avion par réaction (dessin extrait de [66], droits réservés).
Pendant la guerre froide, d’énormes crédits de recherche et de développement sont consacrés aux avions à réaction. L’acier des ailettes est remplacé par des métaux spéciaux. La température est maintenant portée à 1260°C et le rendement approche de 40 %. Les firmes qui ont acquis l’expertise pour construire des moteurs d’avion fabriquent maintenant aussi des centrales à gaz.
Principe des centrales thermiques classiques
Le dessin suivant montre les composants principaux.
Pour améliorer le cycle thermodynamique, il faut refroidir le fluide à la sortie. La source froide était un condenseur dans la machine de Watt et dans les centrales thermiques. L’air qui sort d’une turbine à gaz est beaucoup plus chaud que l'eau chaude qui sort des centrales à vapeur. Un refroidissement de ce gaz d'échappement améliore le cycle thermodynamique. Pour de très grandes centrales, le refroidissement par évaporation d'eau est le plus efficace mais il faut suffisamment d'eau. D'autres systèmes de refroidissement sont possibles.
La chaudière d'un moteur à charbon
La chaudière est la chambre de combustion des moteurs de Watt. La flamme réchauffe de l'eau ou un autre fluide circulant dans des tuyauteries. La chaudière est toujours utilisée dans les centrales électriques classiques qui sont chauffées par du charbon, par du gaz, par du pétrole, par les biomasses (bois, déchets), par la chaleur du sous-sol (géothermie et pompes à chaleur), par le rayonnement solaire concentré sur des tuyauteries ou par l'énergie d'un réacteur nucléaire. Toutes les centrales sont thermiques sauf celles qui utilisent la force de l'eau et du vent et celles qui emploient des panneaux photovoltaïques..
Pour chaque source fossile ou végétale, il faut des installations spéciales pour préparer le combustible et le mélanger à l’air sans générer trop de polluants. Des centrales peuvent être réglées pour accepter plusieurs types de combustibles. Pour bien brûler les déchets, on les mélange à du charbon et on les brûle dans des centrales classiques et donc assez peu performantes.
Centrales modernes au charbon
Dans quelques prototypes de centrales nouvelles, le charbon est vaporisé ou réduit en fine poussière. Il est injecté avec du gaz comprimé dans une chaudière sous pression. Le rendement est alors similaire à celui d'un moteur à essence ou d'une turbine à gaz. Une forte température de flamme produit plus de NOx polluant. La combustion avec de l'oxygène pur produit du CO2 plus concentré, ce qui diminue la quantité à réinjecter dans le sous-sol. La combustion dans l'oxygène produit une température très élevée et il faut protéger les murs et tuyaux de la chaudière.
Zone froide du cycle thermodynamique
Le rendement d’un cycle thermodynamique dépend de la différence entre la phase chaude et la phase froide. Des centrales thermiques ou nucléaires des zones tempérées utilisent le refroidissement produit par l’eau d’un fleuve ou de la mer ou par l’évaporation de l’eau dans de vastes tours. (Ces émissions accroissent la pluviosité).
Les centrales solaires
chauffant un fluide caloporteur par des réflecteurs solaires tirent
leur énergie en refroidissant ce fluide, ce qui n’est possible que
par des échangeurs (radiateurs) avec l’air ambiant au Sahara. Le
fluide est refroidi à 100°C au Sahara contre 30°C dans des tours
d’évaporation. Le rendement du cycle de Carnot est donc de :
[(500°C-30°C)/770°K=61%] ou
[(500°C-100°C)/770°K)=52%],
une différence de rendement de près de 15%.
Cogénération
Le gaz de combustion très chaud sortant d’une turbine à gaz peut servir à réchauffer un fluide pour le chauffage des locaux. Cette utilisation combinée est appelée cogénération. Leur rendement est étudié sur une autre page.
De petites turbines de ce type peuvent être intégrées à de grands immeubles, à des quartiers administratifs, à des ensembles commerciaux, à des ateliers ou à des usines. La fumée produite par la combustion du gaz naturel, bien que provenant d’une plus grosse unité de consommation, est moins polluante que celles des anciennes chaudières à charbon ou à mazout qui servaient pour le chauffage des locaux.
L’alternateur doit être d’un type spécial pour pouvoir alimenter le réseau après s'être synchronisé, tout en le stabilisant, ce qui n’était pas le cas des premières centrales de cogénération. Les vendeurs d'équipement renouvelable préféreraient que la stabilité du réseau soit assurée par le réseau, quel que soit le système de production, mais c'est une solution moins sûre que de partager la responsabilité de chacun. Les moyens de pression des lobbies du renouvelable sur les médias, et donc indirectement sur les hommes politiques, est telle que l'on est pas sûr à notre époque que la meilleure solution technique soit choisie.
Pendant les saisons chaudes, des installations spéciales de refroidissement transforment directement le fluide chaud pour alimenter un circuit parallèle de fluides froids.
La flexibilité de la production d’électricité
Pour modifier la puissance d’une turbine à gaz, il suffit en principe de réduire la quantité de gaz injecté. Ce n’est pas si simple, car les compresseurs et les turbines doivent tourner à vitesse constante pour que l’effet aérodynamique des ailettes soit optimalisé et on ne peut donc varier la puissance qu’au détriment du rendement.
Comme les turbines à gaz sont petites et nombreuses (par rapport à celles des centrales thermiques classiques), on peut en arrêter quelques unes tout en les préchauffant et les faire repartir à pleine puissance avec des délais de l’ordre de la minute.
Les centrales à gaz peuvent ainsi, avec l’aide de quelques dispositifs rapides de stabilisation du réseau, compenser les variations de charge du réseau. Elles peuvent aussi compenser les variations de production éolienne mais ces variations dues à un vent irrégulier sont assez imprévisibles et bien plus importantes que celles de consommation.
Flexibilité de la cogénération
La cogénération n’est pas compatible avec la flexibilité. Une centrale de cogénération fonctionne quand elle doit produire de l’eau chaude, c'est-à-dire toute l’année, et aussi quand il faut réchauffer les bâtiments, soit en Belgique, pendant 50 % de l’année. Il faut en plus un système opérationnel pour climatiser les bureaux pendant l'été. La production d’électricité est un sous-produit de cette utilisation principale. La cogénération est plus rentable et consomme moins de CO2 que les meilleures éoliennes.
L’eau chaude dans les boilers et dans le circuit de chauffage ou de refroidissement stocke l’énergie calorifique pendant quelques heures. Si ces installations sont surdimensionnées pour un stockage calorifique durant une demi-journée, l’électricité peut être produite seulement pendant les périodes de pointe journalière de consommation. Les centrales de cogénération sont tributaires des besoins de chaleur et ne sont pas utilisables comme backup à la demande.
Un article raconte les problèmes non résolus de la cogénération au Danemark, où la puissance de la cogénération est de plus de 2 GW. L'autorisation de produire par cogénération risque d'être gérée en temps réel par un organisme central. Doit-on donner priorité à l'électricité éolienne invendable pour chauffer l'eau des installations de cogénération ? Les critères techniques ont-ils encore du poids par rapport aux pressions des lobbies ?
Cogénération industrielle et immobilière
La cogénération concerne deux applications d’intermittence différente : La cogénération des usines ayant besoin de chaleur pour leurs processus industriels et la cogénération des bâtiments publics, industriels (magasins, ateliers) et des immeubles d’habitation. Une économie d’échelle est possible si de nombreux bâtiments utilisent une centrale commune de cogénération pour des quartiers entiers. Le transport et le stockage des fluides chauds est un domaine en plein développement. Il demande des innovations techniques et des procédures pour les autorisations. En général, les conduites de gaz existent dans les villes.
La réalisation d’un système de cogénération est assez ardue car il faut obtenir l'accord de nombreuses parties. Comme pour l’éolien, des opportunistes essaient de contrôler la gestion de coopératives de cogénération et l’attribution des autorisations politiques et de tirer ainsi un bénéfice anormal de subsides peu en rapport avec les coûts et avantages environnementaux réels.
Le chauffage électrique est une aberration quand l’électricité est produite en consommant du combustible fossile, puisque l’on perd un tiers de l’énergie même si le vent permettait d’économiser 20 % de cette énergie. Par contre, le chauffage électrique est parfaitement justifié s’il provient du nucléaire, surtout si l’on prépare le stockage pendant les périodes creuses, grâce à des compteurs intelligents (qui font payer moins cher le courant nocturne).
Les informations sur les dispositifs industriels
Les développement industriels sont tenus secrets et ne sont divulgués que dans des brevets. Les industriels laissent diffuser quelques communications scientifiques mais souvent assez tard et sans chiffres précis. C’est encore la situation pour les turbines à gaz modernes. Depuis des dizaines d’années, les informations ne viennent plus que du service des communications des entreprises et sont plutôt des informations publicitaires que scientifiques.
Le calcul du rendement est déformé par des contraintes publicitaires. Les concepts ne sont pas définis et les publicitaires mélangent allègrement les rendements calorifiques et électriques sans tenir compte des pertes ni des énergies nécessaires pour faire tourner un générateur.
Le rendement d’une chaudière dépend de la façon dont sont définis les rendements de chaque échangeur de chaleur. Les publicistes préfèrent les meilleurs chiffres et, comme du carburant brûlé a un rendement calorifique de 100 %, la plupart de communications se basent sur cette performance.
Le rendement de la transformation de chaleur en électricité, était, à l’époque où ce coefficient était soigneusement établi, de l’ordre de 25 à 40 % (ou de 1/4 à 1/2,5).
Pour la cogénération, les publicistes additionnent une performance électrique de 40 % avec une performance calorifique de 100 % sur les 40 % de chaleur restante dans les gaz d’échappement pour arriver à des rendements de 80 % sans qu’on puisse les accuser de publicité mensongère.
Les cycles combinés
Depuis les chocs pétroliers de 1974 et 1979, il devient rentable d’avoir des installations compliquées et chères pour améliorer le rendement des centrales. C’est le but des cycles combinés.
Le dessin montre comment les gaz d’échappement de la turbine à gaz servent à réchauffer une centrale thermique classique qui contient sa propre turbine. Le rendement de la turbine d’entrée est encore acceptable puisque la chaudière refroidit (moins bien qu'un condenseur) les gaz d’échappement. La seconde partie est une centrale thermique à vapeur qui a un rendement de l’ordre de 33 % sur l’énergie calorifique contenue dans les gaz d’échappement (45 %). Au total 35 % + 33 % de 45 % = 50 %. Ce chiffre, déjà optimiste, est retravaillé par les publicistes jusqu’à ce qu’ils trouvent une formulation qui ne contient pas d’erreurs évidentes (c’est à dire, qui pourraient être expliquées et jugées sérieuses par des juristes étudiant ce cas). Le rendement des centrales TGV (Turbine-Gaz-Vapeur) passe ainsi de 50 à 65 %. Il n’y a plus beaucoup de chaleur à récupérer dans une centrale TGV mais des applications de cogénération sont néanmoins considérées.
Rendement à puissance variable
Le rendement dépend de la puissance délivrée. Comme pour les voitures, le rendement est optimum pour une puissance donnée et est réduit pour des charges différentes. Les centrales à puissance variable ont un rendement qui peut être fortement réduit pour la charge maximum ou pour une charge moitié. Les émissions de CO2 par unité de puissance sont plus fortes pour une utilisation s'écartant de l'optimum. Une stratégie de gestion du réseau est de préchauffer un nombre de centrales suffisants pour le pic possible de puissance. Les centrales préchauffées sont mises en route à leur puissance optimum au fur et à mesure de la demande. Une seule centrale est arrêtée au lieu de réduire la puissance de plusieurs. Les centrales hydroélectriques conservent un bon rendement pour des puissances variables et sont donc très utiles dans un grand réseau.
La flexibilité des centrales TGV est surtout possible pour la première turbine. La seconde turbine a des temps de réponse et des rendements moyens comme ceux des centrales à vapeur. Les centrales TGV ne peuvent pas servir de backup sur toute l’étendue de leur pleine puissance si les fluctuations sont rapides et importantes. Le rendement de centrales TGV travaillant à puissance variable est réduit de plusieurs pourcents (Slides 13 et 14 d'une présentation TGV).
Le rendement publié et réel
Les producteurs d’électricité ont pris l’habitude de ne pas tenir compte dans le rendement des pertes dans le réseau et de leurs propres consommations, par exemple nécessaires pour faire tourner les moteurs de la centrale. Ces deux pertes sont chacune de l’ordre de 7 %, soit 14 %, plus que ce que peuvent produire un nombre maximum d’éoliennes capables d’utiliser la centrale comme backup.
Les rendements des éoliennes (qui interviennent pour le calcul du facteur de charge) sont calculés à partir de la puissance mécanique produite par le rotor sans tenir compte des pertes des engrenages, de l’alternateur, du câble et des cabines de liaison au réseau, et des consommations propres de l’éolienne pour rester en mouvement quand il n’y a pas de vent ou pour s’orienter face à celui-ci quand il fluctue.
Comment vendre du gaz naturel ?
Le gaz de charbon (CO) était répandu dans les villes depuis le XIXe siècle. Vers 1970, le vieux gaz de ville est remplacé par du gaz naturel. En Europe, la source est le gaz naturel de la mer du Nord (méthane). L’utilisation domestique sert surtout pour les fours et réchauds des cuisines. Le gaz de ville n’est pas vraiment compétitif avec le charbon mais, vers 1970, le gaz naturel est moins cher que l’ancien gaz de ville, ce qui justifie son usage pour chauffer les maisons.
La ruée vers les centrales à gaz
En 1970, la guerre froide est mise en veilleuse et les commandes militaires sont réduites, y compris les turbines d’avion. Les constructeurs d'avions militaires se convertissent à la fabrication de turbines à gaz civiles performantes. Le rendement du gaz passe de 30 % (celui des centrales classiques alimentées au gaz au lieu de charbon) à 45 % pour les nouvelles turbines à gaz construites en série. Il suffit donc des 2/3 du gaz pour produire la même électricité. Pour un prix du charbon produisant un MWh pour 20 $, le gaz naturel devient compétitif à 30 $ pour la même quantité de calories.
Le gaz naturel était une production gênante, brûlée dans des torchères. Des pompes à turbine le transportent maintenant sur de longues distances dans des gazoducs à haute pression. Le gaz sert dans des générateurs à gaz dont le prix de construction est devenu inférieur, à puissance égale, à celui des centrales classiques à charbon. Nous sommes en 1972. L’opportunité offerte par les turbines à gaz provoque une ruée. Le nombre de turbines à gaz augmente rapidement dans le monde jusqu’à pouvoir produire, avec le nucléaire, presque toute l’électricité demandée. Malgré cette consommation, un excédent de gaz naturel est toujours disponible.
Les pétroliers américains ont donc un problème pour rentabiliser toute la production de gaz naturel. Comment valoriser les forages donnant un excédent de gaz naturel au lieu de pétrole au Canada, au Mexique ou aux États-Unis ? Comment trouver plus de clients ?
Le problème était alors lié à un autre événement, anticipé depuis 1970 mais éclatant vers 1974, le premier choc pétrolier, ce qui touchait l'Amérique qui employait alors beaucoup de pétrole pour produire de l'électricité. Les manœuvres contre le nucléaire civil ont débuté à cette date.
L'invention des turbines a gaz performantes a contribué aux grandes manœuvres pour vendre le gaz naturel.