25 – La centrale électrique
Avertissement : Vous l’aviez compris, ceci n’est qu’un
roman, une fiction, une « pure construction intellectuelle », du pur jus de
neurone garanti 100 % bio, sortie tout droit de l’imaginaire de son auteur.
Toute ressemblance avec des personnages, des lieux, des actions, des situations ayant existé ou existant par ailleurs dans la voie lactée (et autres galaxies), y compris sur la planète Terre, y est donc purement, totalement et parfaitement fortuite !
Toute ressemblance avec des personnages, des lieux, des actions, des situations ayant existé ou existant par ailleurs dans la voie lactée (et autres galaxies), y compris sur la planète Terre, y est donc purement, totalement et parfaitement fortuite !
« Pour produire un courant électrique, vous
savez peut-être qu’il est nécessaire de réunir un gros aimant, une bobine de
fil électrique en cuivre avec plusieurs milliers de spires, et de donner à cet
aimant un mouvement très rapide. Enfin, ce que je voulais dire c’est que je ne
voulais pas supposer que vous ignoriez le procédé… » se corrige-t-elle
dans la foulée.
Normalement, chacun sait qu’il s’agit de
l’alternateur qui permet de remplir la première condition.
L’alternateur est un type de générateur électrique.
Il est constitué d’un rotor et d’un stator. Le rotor,
comme son nom l’indique est une partie tournante et c’est un aimant. Le stator,
lui est constitué d’un enroulement de fil de cuivre, les bobines, là où va
apparaître le courant électrique.
On l’appelle alternateur car il fournit un courant
alternatif : les électrons voyagent dans un sens puis dans un autre, selon les
pôles de l’aimant qui se présentent devant la bobine.
« Pour mettre en mouvement l’aimant de
l’alternateur, il faut le relier à une turbine.
Celle-ci ressemble à une roue de moulin avec des aubes, ou plutôt à un
réacteur d’avion avec des ailettes, sur lesquelles un fluide, air, gaz, vapeur,
eau, va agir, à condition de posséder suffisamment d’énergie et va entraîner la
rotation de la turbine.
La liaison avec le générateur se fait
par l’axe de rotation qui est le fait d’un arbre en acier et on dit qu’ils sont
« couplés ».
Je voulais juste vous préciser que
plusieurs options sont possibles pour ce fluide à forte énergie : un courant
d’eau, turbine hydraulique, un courant d’air, les éoliennes, un gaz sous
pression, la turbine à gaz, ou une vapeur sous pression pour les turbines à
vapeur.
Et dans le cas d’un cycle combiné,
c’est une turbine à gaz et une turbine à vapeur qui entrent en jeu. »
Tout le monde sait ça autour d’elle, dans la Jeep,
hors Alexis qui essaye de suivre et de ne pas paraître trop ignare.
En moins de 10 minutes, ils sont arrivés au pied d’un
bâtiment de 12 mètres de haut qui ne dépasse que de 5 à 6 mètres du sol
rehaussé à cet endroit-là, partiellement dépouillé de son bardage en cours de
montage et d’où émane le bruit strident des machines en rotation : pompes
et turbines.
Du coup, on découvre une cathédrale de tuyaux de
diverses tailles, les uns verticaux, les autres horizontaux et calfeutrés
d’épaisses isolations que la petite équipe visitera en sortie.
Pour l’heure, Florence se dirige vers le poste de
commande : deux types scrutent des écrans installés sur des pupitres, tout
autour d’une table centrale qui interroge Gustave : « Il fait
quoi, le type qui s’assied-là, au milieu, sans un seul écran ? »
C’est la table de restauration… où traine d’ailleurs
une cafetière et quelques tasses sales…
Florence présente l’équipe de quart. « Comme
son nom l’indique, c’est de la vapeur qui va apporter l’énergie nécessaire pour
produire le mouvement de rotation via un couple efficace » commence l’ingénieur
d’astreinte après s’être présenté.
« Dans cette optique, ce qui compte beaucoup
c’est la qualité de la vapeur. C’est avec une forte énergie, on parle ici
d’enthalpie », la quantité d’énergie acquise par un fluide qui
tient compte de son énergie thermique et de son énergie liée à sa pression
élevée, précisera plus tard Julie à Alexis, « et avec une bonne
cohésion interne, on parle alors de faible entropie, où la vapeur doit être
admise dans la turbine. »
Toutefois, la conception de la turbine elle-même est
également primordiale. Bien sûr, la « forme » ou le profil de chaque
ailette, la taille, le matériau, l’état de surface des aubes sont importants
pour favoriser au mieux l’écoulement de la vapeur autour d’elles et optimiser
la récupération d’énergie mécanique.
Ce sont toutes ces caractéristiques que le
constructeur de la machine cherche à optimiser.
La vapeur va devoir s’écouler autour des 400 aubes,
en perdant son enthalpie : elle la transforme en énergie cinétique autour
d’aubages fixes, le stator, puis en énergie mécanique via la force de poussée
sur les aubages mobiles, le rotor.
Pour obtenir une vapeur de forte enthalpie avec une
forte cohésion, il faut donc chercher à lui donner une très haute pression et
une très haute température.
Pour la forte pression, c’est une pompe alimentaire
qui va permettre la mise sous pression de l’eau alimentaire.
Pour la température, une source de chaleur est
nécessaire : en thermodynamique, on parle de « source chaude ». Il peut
s’agir de la chaleur libérée par des réactions nucléaires ou par une réaction
de combustion, charbon, fuel, gaz, biomasse, déchets.
« Ici, la source chaude sont des gaz issus de
la combustion. On mélange l’air, après compression et le gaz préchauffé à 205°
C sous 35 bars, et on allume avec une bougie dans les chambres de combustion de
la turbine à gaz.
Cela produit une source chaude qui sont
les gaz issus de la combustion qui vont vaporiser l’eau de la chaudière pour la
turbine à vapeur.
Mais on utilisera de la vapeur formée
par des réactions nucléaires quand on installera un réacteur de même nature à
proximité, car quelle que soit la source d’énergie primaire, les échangeurs
nécessaires à la production de vapeur à partir d’eau sous pression sont
identiques dans leur principe. »
Julie la ramène et complète en entrant dans le
bâtiment vrombissant qui abrite les échangeurs verticaux, guidé par l’ingénieur
responsable de l’équipe, qui les y aura entrainés en descente dans un escalier
ajouré, rampe sur rampe où il ne faut pas avoir trop le vertige.
« En général, pour des unités de forte
puissance, les gaz, les fumées chaudes issues de la combustion, circulent à
l’extérieur des tubes des échangeurs et transfèrent leur énergie thermique à
l’eau qui circule à l’intérieur : on parle de « chaudière à tubes d’eau ». »
Ces échangeurs, qui doivent être correctement conçus,
diamètre et épaisseur de tubes, configuration, matériau, sont optimisés pour
tirer profit de la chaleur dégagée par une combustion en amont afin d’amener un
certain débit d’eau entrée, en chaudière, à l’état de vapeur à une forte
température : on parle alors de vapeur surchauffée.
Évidemment, selon la température des gaz, donc de
l’endroit où on se trouve dans la chaudière, l’eau récupère une quantité
différente d’énergie.
« On trouve un ou plusieurs « économiseurs »
qui servent à faire monter la température de l’eau encore liquide, un échangeur
« évaporateur » pour vaporiser une partie de l’eau et un système séparatif pour
séparer l’eau de la vapeur formée. C’est le rôle du ballon situé tout en haut
de la chaudière, plus un ou plusieurs surchauffeurs qui servent à monter la
température de la vapeur issue du ballon. »
En sortie du dernier surchauffeur, la vapeur possède
son enthalpie la plus élevée : elle est prête à être turbinée… Des valeurs
autour de 600° C peuvent être atteintes pour des pressions jusque 170 bars.
« À noter que certaines unités vont au-delà
de la pression critique de 221 bars, par exemple 300 bars et 700° C, et dans ce
cas, on parle de cycle « supercritique », mais ce n’est pas notre cas »,
précise-t-il.
« Ces unités y gagnent en qualité de vapeur,
en énergie élevée, mais pas mal de précautions sont à prendre, qualité d’eau,
types de matériaux, etc.
Or, nous avons un problème d’eau :
la nôtre est puisée dans l’océan. Il faut la dessaler avec des filtres
osmotiques. Il faut la déminéraliser, puis l’épurer chimiquement avec une
succession d’acides puis des bases, qu’il faut ensuite décanter et recycler
quand la vapeur retrouve son état liquide… »
Une usine à gaz, c’est bien ça !
« Le rendement sur ce type d’installation est
donc limité à des valeurs voisines de 45 %, en supercritique, pour respecter
les contraintes admissibles imposées par les matériaux.
Mais ce qui fait aussi le rendement,
c’est la température de la source froide, qui doit être la plus basse possible
: c’est elle qui va imposer la température à laquelle la vapeur en sortie de la
turbine va se condenser et donc, va fixer la chute d’enthalpie totale dans la
turbine en imposant le point final.
Ici, nous avons trois circuits de
vapeur : la vapeur haute pression, de 130 bars qui sort à 600/650° et fait
tourner une turbine à vapeur de 11 étages, la moyenne pression qui sort à 565°
après un passage dans une autre turbine à 10 étages d’ailettes sous 25 bars de
pression, et la basse pression à 270° de 10 étages d’ailettes à double flux
montés en « diabolo » sous 6 bars, avant de rejeter de la vapeur à
moins de 100° à l’échappement et encore moins en sortie de cheminée », qui est bariolée de blanc
et de rouge, surmontée de feux rouges clignotants et culminant à 30 mètres
au-dessus du niveau de la mer, 12 au-dessus du haut du sol rehaussé tout autour
de la centrale, en protection des futurs assauts de la mer.
« Ceci dit, dans ce type de machine, à
l’entrée de la turbine primaire, le fluide premier est l’air ambiant aspiré sur
le toit, qui subit une compression dans la première partie de la turbine à gaz.
Le taux de compression classique est de l’ordre de 18 bars, 1 bar en entrée, 18
en sortie, à l’entrée de la chambre de combustion. 18 étages d’ailettes plus
tard, l’air dans le générateur qui est comprimé reçoit alors, dans une deuxième
étape, sa dose de gaz qu’on brûle et qui produit une grande quantité de chaleur
: il s’agit en fait d’une combustion des plus classiques qui permet au mélange
d’atteindre une température très élevée de l’ordre de 1.300° C voire plus dans
la zone de combustion la plus intense. »
L’ingénieur précise : « c’est que cela
nécessite beaucoup de précautions au niveau des matériaux pour supporter de
tels niveaux avec des tuiles en céramique, un refroidissement par injection
d’air, etc.…
Les gaz de combustion sont ensuite
détendus dans une turbine à trois étages, spécialement conçue pour supporter de
tels niveaux de température qui entraine l’arbre en rotation qui va lui-même
faire tourner les aubes du compresseur, et fournir la production d’énergie
mécanique puis d’énergie électrique via le couplage avec le générateur.
En sortie de machine, la température
est de l’ordre de 600 à 650 °C, comme je viens de vous le dire, et va chauffer
l’eau du process qui se vaporisera pour aller dans la turbine à vapeur… la
« chaudière ». Mais tout cela dépend du rythme de la machine. »
Elles ne s’arrêtent jamais, parce que les arbres
pèsent plusieurs tonnes et pourraient se déformer en se refroidissant.
« Déjà, ils rétrécissent à température
ambiante… » indique l’ingénieur.
C’est ainsi que le rendement de la turbine à gaz,
dans cette configuration est limité à 35-40 % pour deux raisons principales :
le travail de compression nécessite une énergie importante, environ 50 % de la
production d’énergie mécanique est ainsi consommée pour la compression, et les
températures de sortie de la machine sont très élevées tel qu’il faut
« refroidir » les pièces en mouvement via des
« réfrigérateurs », des huiles qui assurent également la
lubrification des pièces en mouvement. Mais les gaz en sortie ont une enthalpie
encore très élevée. « Donc on combine avec de la vapeur… »
Les deux cycles sont par conséquent complémentaires
d’un point de vue thermodynamique : la chaleur rejetée par la turbine à gaz
n’est plus « perdue » et constitue au contraire la source chaude pour le cycle
eau/vapeur en aval.
« On gagne beaucoup en rendement dans cette
configuration par rapport aux cycles gaz et vapeur seuls puisque pour une même
consommation d’énergie primaire, ici le gaz, la production électrique est
obtenue à la fois par la turbine à gaz et par les turbines à vapeur après
passage dans la chaudière de récupération. »
Ingénieux en juge Alexis.
Et Gustave regrette que sur ses sous-marins,
nucléaires ou classiques, il n’en soit pas fait autant, faute de place et de
volume à déplacer…
Quant à ses avions embarqués, n’en parlons même
pas ! Eux, ils chauffent seulement les petits oiseaux et la
planète en sortie de tuyère !
« Ici, on produit 150 MW d’électricité en
puissance maximale à 3.000 tours/minute. C’est largement suffisant pour tous
les chantiers en cours. Mais quand il faudra lancer des capsules de 20 à 30
tonnes à 300 km d’altitude et 7.500 m/s, le tout en accélération durant moins
de 90 minutes, il en faudra plus. »
Julie calcule dans sa tête…
« 163,83 mégawatts, sans compter les forces
de frottements de l’atmosphère dans ses couches denses… », précise la
« matheuse ».
Non, affirmera Paul au cours du dîner suivant
constitué de fruits de mer et de fruits : « Une partie de l’énergie
potentielle nécessaire à une satellisation est puisée dans l’énergie cinétique
de départ. »
Débat de spécialistes : « À 5 tonnes de
charge finale, on compte une puissance de 29,63 MW. En une heure, ça fait 1,77
GW/heure. Une seconde tranche de centrale n’est pas indispensable mais ça va
aider, notamment en cas de maintenance ou de panne. Or, comme on installera à
terme une centrale au thorium de 5 gigawatts en nominal, on pourra balancer
plus de charges utiles et plus lourdes, à chaque tir… »
Pour mémoire (n’en déplaise à « Poux-tine ») : « LE PRÉSENT
BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR
UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT «
NON RUSSE » !
Éditions I3
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