Livre de référence pour les étudiants souhaitant comprendre le fonctionnement des centrales thermiques productrices d’électricité dans le contexte de la transition énergétique.
La question énergétique est une question sociétale centrale en particulier dans le contexte du réchauffement climatique, mais également au gré des difficultés d’approvisionnement (gaz, pétrole) qui touchent la société dans son ensemble. La production d’électricité joue un rôle central pour diminuer les émissions de CO2 de l’industrie ou du transport. Elle doit cependant être elle-même idéalement :
– décarbonée,
– pilotable,
– si possible renouvelable.
Dans ce contexte, les centrales thermiques jouent un rôle primordial car 76% de l’électricité produite dans le Monde provient de ces installations :
– centrales à flamme (charbon, gaz, biomasse),
– nucléaire,
– solaire thermodynamique,
– ou encore géothermiques.
Ce livre traite de la thermodynamique, depuis les bases jusqu’aux thématiques avancées, nécessaire à la compréhension du fonctionnement de ces installations. Il propose également de nombreux exercices corrigés.
Il s’inscrit pleinement dans le contexte du débat énergétique en mettant les différents modes de production du bouquet électrique actuel et futur dans une perspective environnementale (réchauffement climatique), économique, sociétal (disponibilité) et de développement durable.
Partie I – Energétique
1 L’enjeu énergétique
1.1 Concepts de base
Energie carbonée, intermittente, renouvelable, pilotable, fatale
Gestion de la demande électrique
Analyse en exploitation et en cycle de vie
1.2 Le bouquet électrique
Le bouquet électrique mondial, français, allemand, pays en développement
1.3 La transition électrique
Cas de la France, de l’Allemagne, des pays en développement
Critères pour le choix du bouquet électrique
Exercices de ce chapitre
2 Panorama des centrales thermiques électrogènes
2.1 Principes thermodynamiques et rendement
2.2 Eléments de base d’une centrale thermique électrogène
Fluide thermodynamique, Cycles direct et indirect, échangeurs thermiques, Turbine et Compresseur
2.3 Centrale nucléaire
Principe de fonctionnement, caractéristiques, filières, le nucléaire dans le Monde
2.4 Centrale thermique à flamme
Principe de fonctionnement, caractéristiques, filières, le thermique à flamme dans le Monde
2.5 Centrale solaire thermodynamique
Principe de fonctionnement, stockage d’énergie et mode hybride, filières, le solaire thermodynamique
dans le Monde
2.6 Centrale géothermique
Principe de fonctionnement, caractéristiques, filières, la géothermie dans le Monde
Exercices de ce chapitre
Partie II Thermodynamique appliquée
3 Le système thermodynamique et ses transformations
3.1 Le système thermodynamique
3.2 Gaz parfait
3.3 Au-delà du gaz parfait
Approche appliquée en thermodynamique
3.4 Transformations thermodynamiques
Exercices de ce chapitre
4 Le premier principe de la thermodynamique
4.1 Échange d’énergie sous forme de travail
Travail des forces de pression, Travail d’écoulement, Travail technique
4.2 Echange d’énergie sous forme de chaleur
4.3 Premier principe pour un système fermé
4.4 Premier principe pour un fluide en écoulement
Premier principe en régime permanent, Premier principe généralisé
4.5 Application du premier principe aux éléments des machines thermiques
Cas des échangeurs thermiques, des turbines et pompes/compresseurs
Exercices de ce chapitre
5 Le second principe de la thermodynamique
5.1 Énoncé du second principe
5.2 Evolution du système
Diagramme entropique
5.3 Inégalité de Clausius
5.4 Enoncés historiques du second principe
5.5 Application du second principe aux éléments des machines thermiques
Exercices de ce chapitre
6 Les transitions de phase
6.1 Etats et phases de la matière
6.2 Les diagrammes de phases
6.3 Le titre en vapeur
6.4 Chaleurs de transition de phase
Exercices de ce chapitre
III Cycles électrogènes
7 Les machines thermiques motrices
7.1 Enoncé de Carnot
Aspects historiques et version moderne
7.2 Diagramme de Raveau
7.3 Moteur de Carnot
Rendement relatif, réaliser un moteur de Carnot, le cycle de Carnot
7.4 Améliorer le rendement
Cogénération & cycle combiné
Exercices de ce chapitre
8 La Centrale Turbine à Vapeur
8.1 Un moteur de Carnot en régime diphasique
8.2 Cycle de Rankine
8.3 Cycle de Hirn
8.4 Resurchauffe et détente fractionnée
8.5 Soutirage de vapeur
Exercices de ce chapitre
IV Transferts thermiques
9 Bases du transfert thermique
9.1 Les modes de transfert thermique
9.2 Equation de la chaleur
9.3 Résistances thermiques
10 Transfert thermique au caloporteur
10.1 Ecoulements laminaire et turbulent
10.2 Calcul du coefficient conducto-convectif
10.3 L’eau comme caloporteur dans un REP
Propriétés de l’eau en REP, asymétrie haut-bas, dénoyage du coeur
10.4 Le sodium liquide comme caloporteur en RNR
Propriétés des métaux liquides, cas d’un réacteur à neutrons rapides
11 Les échangeurs thermiques
11.1 Bilan énergétique
11.2 Echangeur co-courant
11.3 Echangeur contre-courant
11.4 Méthode NUT
Exercices de ce chapitre
Correction des exercices
