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H. Safa
LA COGÉNÉRATION DANS LA
TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Henri Safa
Institut international de l’énergie nucléaire, I2EN, France
&
Direction scientifique, Direction de l’énergie nucléaire, CEA, France
1SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
H. Safa
950
750
400
50
150
100
70
18
7
2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
Charbon
Fioul
Gaz
Photovoltaïque
Eolien
Hydraulique
Nucléaire
Production d'électricité: émissions de CO2 (en g/kWhe)
émissions directes
émissions indirectes
LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
2SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
Comment limiter l’usage de sources carbonées ?
H. Safa
LES ÉMISSIONS DE CO2
DUES À LA PRODUCTION ÉLECTRIQUE
3SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
Source: AIE, mars 2014
L’électricité en France est déjà décarbonée !
H. Safa 4SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
L’ÉNERGIE EN FRANCE
43.3%
31.7%
19.7%
5.2%
Energie primaire en France par utilisation (2016)
Chaleur
Electricité(hors chauffage)
Transport
Non-énergétique
Total = 250 Mtep
Il faut décarboner les transports et surtout la chaleur !
H. Safa 5SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
On peut décarboner la chaleur grâce à la
cogénération qui est :
1. techniquement réalisable
2. économiquement compétitive
H. Safa
QU’EST-CE QUE LA COGÉNÉRATION ?
6SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
En mode Cogénération
Excellent rendement énergétique
global (peut dépasser 90% !!)
En mode électrique pur
Rendement de 34% (Nucléaire) à 56%
(Gaz dans un cycle combiné CCGT)
Refroidissement (Chaleur dissipée)
ÉLECTRICITÉ
Refroidissement(Chaleur dissipée)
Autre produit énergétique(Chaleur, Carburant,Vapeur, Eau…)
CENTRALE ÉLECTRIQUE
ÉLECTRICITÉ
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2/3 de l’énergie
est dissipée dans
l’environnement
1/3 de l’énergie de
fission est transformée
en électricité
Un réacteur à eau pressurisée (REP)
RÉCUPÉRATION DE CHALEUR FATALE
7SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
H. Safa 8
UNE CENTRALE NUCLÉAIRE
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
H. Safa 9
LA SALLE DES MACHINES
Les gros composants du turbo-alternateur
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
Turbine à basse pression d’ALSTOM
Source: EDFAlternateur
H. Safa 10
LE CONDENSEUR
Le condenseur est situé en-dessous de la turbine à basse pression
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
Source: TVO, Finlande
EPR, Olkiluoto 3
H. Safa 11
EXERGIE & RENDEMENT
iQ
WWW = PBPHP
Le travail produit par la turbine à basse pression WBP
décroît lorsque la température de sortie augmente
)T
T - (1 . Q=E 0
outout
L’exergie augmente avec la température de sortie
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
H. Safa
De la chaleur à température ambiante n’a aucune valeur intrinsèque
L’exergie est une grandeur plus appropriée qui prend en compte la
température à laquelle une quantité de chaleur est produite
.S0T-H=E
)T0T
- (1 . Q=EValeur exergétique d’une quantité de
chaleur Q à une température T
L’EXERGIE
Exemple d’un REP 1300 MWeT
hot
T
coldWp Qi WHP WBP W gross Qs
carnot
(°C) (°C) (MW) (MW) (MW) (MW) (MWe) (MW) (%) (%)
288 39 9 3 920 -417 -936 1 353 -2 562 44.4% 34.3%
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay 12
H. Safa
MODIFICATIONS DU CIRCUIT SECONDAIRE
13SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
TURBINE
BP
ECHANGEUR
CONDENSEUR
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0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tem
pér
atu
re (
°C)
Entropie S (J/g/K)
AB
C D
E
F
GCondensation
Ebullition
Détente 2
Détente 1
Réchauffage
LE CYCLE THERMODYNAMIQUE DE RANKINE
Modification de la turbine Basse Pression (sortie à 2 bars)
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0
500
1 000
1 500
2 000
2 500
3 000
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
0 50 100 150 200
Exer
gy
(MW
)
Elec
tric
Eff
icie
ncy
(%
)
Temperature (°C)
Efficiency
Exergy
EXERGIE ETRENDEMENT ÉLECTRIQUE
Compromis entre production d’électricité et exergie
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H. Safa
LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
16SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
Il faut décarboner les usages non électriques :
1. Le transport
2. L’industrie
3. Le chauffage résidentiel et tertiaire
H. Safa
LA CHALEUR EN FRANCE
17
En France, le poste chaleur représente
80% de l’énergie consommée dans le résidentiel-tertiaire
40% des besoins de l’industrie
Usages domestiques: chauffage, eau chaude sanitaire, cuisson
Industrie: Séchage, raffinage de pétrole, chimie, transformation des
matières, fusion, évaporation, stérilisation, …
80% des usages se font à une température inférieure à 400°C
65% des usages se font à une température inférieure à 120°C
Les besoins en chaleur se trouvent
principalement à basses températures
H. Safa
LES BESOINS DE CHALEUR
18
0
50
100
Ch
auff
age …
Des
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Pap
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ogè
ne
Sid
éru
rgie
De
man
de
an
nu
elle
(TW
h)
Usages de la chaleur en France> 400°C
< 400°C
< 140°C
456 TWh
Le chauffage urbain est le principal poste de consommation
H. Safa
ÉTUDE DES BESOINS DE CHALEUR
19SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
2156 sites industriels des
secteurs pertinents à moins de
100 km à vol d’oiseau d’au
moins une des 19 centrales
Source: Etude du CVT ANCRE,
Sébastien Sylvestre, « Cogénération nucléaire
Intérêts et potentiels d’une offre de chaleur
basse température pour l’industrie française »
2016
H. Safa
CHAUFFAGE URBAIN AVEC LES REJETS THERMIQUES DES CENTRALES
20
RETOUR
FLUIDE
CHAUD
ALLER
Réacteur nucléaire
longueur ~ 100 km
Réseau de chaleur
Connexion
au réseau
de chaleur
Cogénération Nucléaire
Ligne de transport
Station de
pompage
Station de
pompage
H. Safa
SCHÉMA DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION
10 km
21
Agglomération
Centrale nucléaire
Ligne de transport de la chaleur
Zone industrielle
Aéroport
Une ligne de transport à longue distance qui
délivre de la chaleur sous la forme d’eau chaude
à une agglomération urbaine, un aéroport et des
zones industrielles.
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
H. Safa
Diamètre
Epaisseur de l’isolant e
Conductivité thermique de l’isolant < 0.04 W/m.K
e
T
T0
sol
conduite
isolant
)T-(T )2e(1Ln
2=dz
dQ0
< 120 W/m
Pertes thermiques totales 2% de la
puissance transportée sur 100 km !
LES PERTES THERMIQUES DUES AU TRANSPORT
H. Safa
DH distribution Back-up Transport
COMPÉTITIVITÉ DE LA COGÉNÉRATION
Décomposition des coûts de la chaleur
| PAGE 23
Source: Martin Leurent,
Thèse au CEA, « Les conditions de développement économique de la cogéneration nucléaire »
H. Safa
La récupération de la chaleur d’une centrale électrique pour le chauffage urbain ou des applications industrielles est techniquement réalisable
La cogénération améliore le rendement énergétique de la centrale électrique (de 33% à plus de 80%)
La ligne de transport est une réalisation clé pour la compétitivité économique. La chaleur peut être transportée à longues distances (> 100 km) avec de très faibles pertes (1%)
La cogénération nucléaire pour la chaleur urbaine permettra une réduction massive des émissions de CO2
ainsi qu’une économie d’énergie et de la flexibilité.
24
CONCLUSIONS
SFP – le 6 juillet 2017, Orsay
