Objectif rendement !

Il faut souvent près de 10 ans pour planifier et construire une centrale électrique.De fait, après quelques années d’exploitation, la plupart des centrales ne sont déjà plus conformes aux normes technologiques. Pourtant, le remplacement d’éléments clés et la révision du système de commande suffisent pour répondre aux nouvelles exigences et ainsi réduire la consommation d’énergie et les émissions de CO2

Les ingénieurs de la centrale Siemens de Mülheim, près de Düsseldorf, ont développé toute une gamme de solutions visant à optimiser les performances et le rendement des centrales électriques.

Comment mieux illustrer la recherche de performances qu’en évoquant une écurie de Formule 1 bien rodée ? Des mécaniciens expérimentés sont au stand, prêts à changer les pneus, serrer les boulons et réajuster quelques éléments de carrosserie, pour quelques km/h de plus.

D’une certaine manière, la mise au point d’une centrale électrique repose sur le même principe. Une centrale doit souvent fonctionner à pleine charge et générer ainsi une grande quantité d’énergie, généralement sous forme d’électricité. Lorsque le réseau réclame moins d’énergie, la centrale est exploitée à charge partielle.

À la différence d’une voiture de course, une centrale est plus performante lorsqu’elle fonctionne à une cadence régulière. Aucune turbine à gaz ni aucune chaudière au charbon ne peut atteindre sa puissance maximale en quelques secondes. Selon le type de centrale, il leur faudra 10 minutes à plusieurs heures pour atteindre une puissance maximale.

Le recours croissant aux sources d’énergie renouvelables entraîne de fortes fluctuations de capacité, et les compagnies d’électricité doivent désormais être capables d’accroître leur production en très peu de temps. Dans la mesure où le vent et le soleil sont des facteurs variables, les centrales solaires et éoliennes alimentent le réseau de façon irrégulière. Ainsi, des centrales de base conventionnelles doivent permettre de pallier les périodes d’obscurité ou de vent faible, ce qui implique une souplesse d’exploitation plus élevée que jamais, notamment pour compenser les variations de charge et éviter les pannes.

Les centrales les plus anciennes parviennent difficilement à compenser les changements rapides de charge. La généralisation de l’utilisation de sources d’énergie renouvelables rend nécessaire la mise à niveau de nombreuses centrales de base. Mais une autre raison, tout aussi urgente, implique la modernisation des turbines, chaudières et alternateurs existants : le coût des combustibles, tels que le gaz et le pétrole, risquant d’augmenter considérablement sur le long terme, les exploitants cherchent à optimiser le rendement de leurs centrales. En outre, en contrepartie de ces investissements,ils espèrent bien – ainsi que leurs clients – réduire les émissions de CO2 par kW produit.

Tirer le meilleur parti des centrales

Selon les estimations de la BDEW (Fédération allemande des industries de l’énergie et de l’eau), 25 % des capacités de production d’énergie de l’Allemagne, soit 130 GW, doivent être remplacés pour des raisons de protection du climat et de vétusté (de nombreuses centrales sont en service depuis 30 voire 40 ans). La BDEW estime l’investissement nécessaire à 40 milliards d’euros d’ici à 2020.

Parallèlement, l’Agence Internationale de l’Énergie indique que la somme colossale de 16 000 milliards de dollars devra être engagée d’ici 2030 pour étendre et moderniser l’infrastructure énergétique mondiale, dont environ 10 000 milliards seront destinés aux systèmes d’alimentation.

La modernisation et la mise à niveau des centrales électriques constituent des activités majeures de Siemens Energy. À Mülheim an der Ruhr, en Allemagne, Ralf Hendricks et ses collègues de l’unité Lifetime Management s’attachent à transformer les centrales à cycle combiné, exploitées en charge de base, en véritables bolides de course. Pour le compte d’un client britannique, ils ont récemment mis à niveau une centrale à cycle combiné sans en remplacer un seul élément. Ils ont commencé par inspecter l’installation pour évaluer son état et définir un ensemble de mesures adapté aux besoins du client. Puis, une équipe d’experts de Mülheim et Erlangen s’est rendue sur place et a passé 3 jours à optimiser tous les paramètres de cette centrale de 400 MW. Ils ont notamment modifié les rampes de charge des turbines à gaz et à vapeur et ajusté les taux de pression de la chaudière.

Grâce au réglage précis de ces paramètres, l’équipe a pu perfectionner le système de commande, permettant ainsi aux installations d’atteindre une pleine charge en un temps record. « L’optimisation de la technologie de commande en boucle ouverte et fermée nous a permis de tirer le meilleur parti de la centrale », explique Ralf Hendricks. Après avoir été à l’arrêt pendant 10 heures, la turbine peut désormais atteindre sa pleine charge et injecter ses 400 MW dans le réseau en 1 heure au lieu de 2, et ce, sans ajout de nouveaux équipements.

Ces investissements sont vite rentabilisés. Généralement, l’exploitant rentre dans ses frais au bout de 2 ou 3 ans. Et les économies se retrouvent bien au-delà de l’exploitation de la centrale, grâce, par exemple, à la technique de refroidissement forcé, qui consiste à refroidir activement la turbine à vapeur par extraction de l’air de la chambre. « Le temps nécessaire au refroidissement de la turbine, et donc à l’arrêt de la centrale, est passé de 160 à 60 heures », explique Ralf Hendricks, soit un gain de quatre jours : une économie considérable pour un exploitant qui souhaite procéder à une inspection de routine ou des opérations de maintenance. Les fournisseurs d’énergie ayant recours à cette technique peuvent économiser des millions d’euros sur chaque révision, pour des coûts d’investissement minimes.

Des mégawatts « verts »

Au-delà du raccourcissement des temps de démarrage et d’arrêt, la mise à niveau individuelle des éléments d’une centrale permet non seulement d’accroître sa durée de vie, mais aussi son rendement et, par conséquent, de réduire ses émissions de CO2.

Souvent, il est également possible d’optimiser les performances des turbines sans augmenter la consommation de combustibles et ainsi de développer la capacité de production sans effets supplémentaires sur l’environnement. L’efficacité d’une turbine dépend considérablement des aubes et de la circulation du flux. À ce titre, les avancées réalisées en simulation 3D ces 20 dernières années ont permis de développer des aubes affichant une très faible résistance au flux. En outre, des améliorations supplémentaires apportées au niveau du passage des aubes offrent une réduction supplémentaire des pertes, assurant un rendement extrêmement élevé. La quantité d’énergie thermique transférée du gaz ou de la vapeur vers les aubes est ainsi optimale.

Grâce à ces technologies, le rendement peut être accru sans augmentation du volume de gaz brassé par les aubes et donc, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des turbines plus imposantes. Cet aspect est crucial dans la mesure où il est généralement impossible d’agrandir les turbines au sein d’une installation existante. « Pour nos clients, il s’agit là d’un avantage majeur », explique Norbert Henkel, responsable de la mise à niveau des turbines à vapeur chez Siemens, à Erlangen, en Allemagne. « Chaque année, nous assurons la mise à niveau des turbines de 20 à 25 centrales. »

Enfin, il convient de s’intéresser à l’alternateur, qui convertit le mouvement rotatif de la turbine en énergie électrique. Affichant généralement un rendement proche de 100 %, l’alternateur doit cependant être adapté aux autres éléments qui, par nature, vieillissent plus rapidement. Dans les centrales anciennes, les aubes doivent être remplacées, soit parce que le matériau s’est dégradé et entraîne des risques de dysfonctionnement soit pour accroître le rendement de la turbine. « Imaginez un coureur cycliste qui utiliserait un vélo de ville », explique Anastassios Dimitriadis de Siemens Energy, à Mülheim. « Nous devons vérifier que l’alternateur existant est capable de gérer le surplus de performances. » Si nécessaire, un nouveau rotor sera installé ou l’alternateur sera rembobiné.

Vers toujours plus de puissance

Siemens a déjà augmenté les performances de nombreuses centrales. Prenons l’exemple de la centrale nucléaire de Forsmark, en Suède, où toutes les pièces internes des turbines basse pression ont été récemment remplacées. Cette opération a permis non seulement d’accroître la capacité de l’installation de 30 MW — soit près de 3 % de sa puissance nominale de 1200 mégawatts — mais également de prolonger sa durée de vie. Une technique qui peut également s’appliquer aux centrales à charbon : grâce aux technologies Siemens, la puissance de 690 MW de la centrale de Mehrum, située à l’est de Hanovre, dans le nord de l’Allemagne, a augmenté de 38 MW, faisant ainsi passer le rendement de 38,5 à 40,4 %.

Source d’économies substantielles pour les compagnies d’électricité, « la modernisation est un aspect clé de l’optimisation du rendement et de la protection du climat », commente Nikolaus Schmidt de Eon Energie, à Hanovre.Pour Nikolaus Schmidt, Mehrum est un parfait exemple de projet d’optimisation du rendement énergétique, à l’instar de la centrale à charbon de Farge, près de Brême, dont le rendement est passé de 39 à 42 %. Il estime que la mise à niveau de Mehrum et Farge représente une augmentation de capacité globale de 200 « mégawatts verts », ce qui se traduira, pour Eon, par une réduction des émissions de CO2 de près d’un million de tonnes d’ici 2010.

« L’industrie énergétique souffre systématiquement d’un temps de retard sur les dernières avancées technologiques », précise Thomas Sattelmayer, Professeur de thermodynamique à l’Université technique de Munich. À chaque mise en service d’une nouvelle centrale électrique, celle-ci est déjà dépassée. « Il est donc judicieux de profiter des maintenances de routine pour mettre à niveau le rendement des installations », ajoute-t-il. Également porte-parole de l’alliance bavaroise pour la recherche énergétique « Kraftwerk 21 », Thomas Sattelmayer considère l’optimisation des centrales électriques comme une source inépuisable d’opportunités commerciales.

Quoi qu’il en soit, l’intérêt qu’ont les gouvernements à réduire les émissions de CO2 des centrales coïncide avec les objectifs des compagnies d’électricité, qui souhaitent bénéficier du meilleur rendement possible. Ainsi, il est fort probable que nous assistions, dans les années à venir, à une hausse considérable du nombre de projets visant à optimiser le rendement et le temps de démarrage des centrales.

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Auteur : Jeanne Rubner