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Optimisation rationnelle des performances ´ energ´ etiques et environnementales

Optimisation rationnelle des performances ´ energ´ etiques et environnementales d’une centrale ` a charbon pulv´ eris´ e fonctionnant en oxy-combustion Hayato Hagi To cite this version: Hayato Hagi. Optimisation rationnelle des performances ´ energ´ etiques et environnementales d’une centrale ` a charbon pulv´ eris´ e fonctionnant en oxy-combustion. G´ enie des proc´ ed´ es. Ecole Nationale Sup´ erieure des Mines de Paris, 2014. Fran¸ cais. <NNT : 2014ENMP0041>. <tel- 01139472> HAL Id: tel-01139472 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01139472 Submitted on 5 Apr 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. MINES ParisTech Département Énergétique et Procédés 60 Boulevard Saint-Michel 75272 Paris Cedex École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École nationale supérieure des mines de Paris Spécialité “ Énergétique et procédés ” présentée et soutenue publiquement par Hayato HAGI le 9 décembre 2014 Optimisation rationnelle des performances énergétiques et environnementales d’une centrale à charbon pulvérisé fonctionnant en oxy-combustion Directeur de thèse : Chakib BOUALLOU Co-encadrement de la thèse : Yann LE MOULLEC Jury M. François MARÉCHAL, Professeur, LENI, EPFL Président Mme Catherine AZZARO-PANTEL, Professeur, LGC, ENSIACET Rapporteur M. Lionel ESTEL, Professeur, LSPC, INSA de Rouen Rapporteur M. Youssef JOUMANI, Docteur, Air Liquide Examinateur M. Chakib BOUALLOU, Professeur, CES, MINES ParisTech Examinateur M. Yann LE MOULLEC, Docteur, EDF R&D Examinateur M. Maroun NEMER, Docteur, CES, MINES ParisTech Invité T H È S E Préface Cette thèse est soumise en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’École nationale supérieure des mines de Paris, dans la spécialité Énergétique et procédés. Ces travaux ont été réalisés de décembre 2011 à décembre 2014 dans les locaux d’EDF R&D à Chatou (Yvelines) et du Centre d’efficacité énergétique des systèmes (CES) à Palaiseau (Essonne), sous la supervision du Professeur Chakib Bouallou, du docteur Maroun Nemer de Mines ParisTech et du docteur Yann Le Moullec d’EDF R&D. Ce travail de thèse a été financé par le projet « Vers des centrales zéro émission » d’EDF R&D, ainsi que par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche au travers du dispositif de Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) mis en œuvre par l’Agence Nationale de la Recherche et de la Technologie (ANRT). Tout d'abord, je tiens à remercier mes encadrants de thèse, Chakib, Yann et Maroun, qui m'ont guidé sur le long chemin menant au métier de chercheur. Merci à eux de m'avoir apporté leur expérience et leurs conseils avisés durant ces trois années, ce fut un réel plaisir pour moi de les avoir à mes côtés tout au long de cette aventure scientifique. Je tiens ensuite à exprimer ma gratitude envers les membres du jury pour avoir accepté de juger mon travail de thèse. Je tiens à remercier tout particulièrement Catherine Azzaro-Pantel et Lionel Estel pour m'avoir consacré un temps plus que conséquent en acceptant le rôle de rapporteur, et François Maréchal, pour la lecture attentive de mon manuscrit et pour avoir assuré la présidence du jury. Je remercie la société EDF pour avoir financé ma thèse. Je remercie particulièrement Etienne Decossin et Fabrice Chopin, respectivement chef de groupe et chef de projet CCS pour m'avoir accordé leur confiance et accueilli dans le groupe "Nouvelles Filières de Production et Thermochimie" d'EDF R&D à Chatou. Merci également à Julien Najac, successeur au poste de chef de groupe à la fin de ma thèse, pour l'intérêt porté à mes travaux. Je remercie tous les membres du groupe pour leur accueil au sein de l'équipe, cette expérience n'aurait pas pu être aussi épanouissante sans eux. Mention particulière à Thibaut et Yann pour l'émulation intellectuelle quotidienne et Mounir, le plus parfait des collègues de bureau (à égalité, bien sûr, avec Eve) mais aussi tous les autres pour lesquels je ne vais pas écrire d'anecdotes au risque de voir les remerciements devenir un chapitre à part entière (Albannie, Bo, Charles, Guillaume, Lynda, Mohamed, Olivier, Sébastien, Yoann, ...). J'exprime également ma gratitude envers toute l'équipe du Centre d'Efficacité énergétique des Systèmes de MINES ParisTech et particulièrement à Rocio Valdez Carranza qui a répondu à chacune de mes nombreuses sollicitations, du premier au dernier jour, avec gentillesse et sympathie. Merci à ma famille (et belle famille) et à mes amis pour l'intérêt qu'ils ont pu porter à mes travaux et pour leurs encouragements durant ces trois ans. Leur présence a été déterminante dans la réussite de cette expérience. Je remercie bien évidemment tous ceux qui m'ont fait l'honneur de venir assister à la soutenance et/ou de venir partager un moment de convivialité autour du dîner qui a couronné cette journée qui restera gravée en moi à jamais. Enfin, mes plus sincères remerciements vont envers la personne qui a eu la patience de me supporter au quotidien pendant ces trois années de thèse. Merci à Maud pour avoir supporté mes moments d'absence durant lesquels mon esprit était obnubilé par l'exergie, pour le soutien inconditionnel et les efforts pour essayer de comprendre le fonctionnement des ASU et des CPU, pour les relectures attentives de mon manuscrit, pour m'avoir aidé à préparer ma soutenance et pour m'avoir totalement libéré du stress de l'organisation du pot de thèse. Ces trois années de thèse m'ont permis de grandir, non seulement d'un point de vue scientifique et technique mais également en tant qu'homme. Cela, je le dois avant tout à vous tous, et j'aimerais que vous sachiez que je vous en serai reconnaissant à jamais. Merci !!! Table des matières CHAPITRE 1 - INTRODUCTION 1 1.1 CONTEXTE GENERAL 1 1.1.1 SOCIETE MODERNE ET EMISSIONS DE GAZ A EFFET DE SERRE 1 1.1.2 LA PLACE DU CHARBON DANS LE MIX ENERGETIQUE D’AUJOURD’HUI ET DE DEMAIN 2 1.1.3 LE CAPTAGE ET STOCKAGE DU CO2 (CSC) 3 1.2 LE CAPTAGE DU CO2 PAR OXY-COMBUSTION 5 1.2.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 5 1.2.2 DESCRIPTION DU PROCEDE 5 1.2.3 PERFORMANCES ENERGETIQUES ET SURCOUT DE L’ELECTRICITE PRODUITE 7 1.3 METHODES D’ANALYSE DE PROCEDES VISANT L’AMELIORATION DE LEURS PERFORMANCES ENERGETIQUES ET ENVIRONNEMENTALES 8 1.3.1 LA METHODE DU PINCEMENT 8 1.3.2 L’ANALYSE DU CYCLE DE VIE 9 1.3.3 LIMITES DE L’ANALYSE DU PINCEMENT ET DE L’ANALYSE DU CYCLE DE VIE 10 1.4 ANALYSE EXERGETIQUE 11 1.4.1 DEFINITION DE L’EXERGIE 11 1.4.2 ENVIRONNEMENT DE REFERENCE 12 1.4.3 EXERGIE CONTENUE DANS UN FLUX DE MATIERE 12 1.4.4 CAS DES ENERGIES MECANIQUE, ELECTRIQUE ET THERMIQUE 13 1.4.5 PERTES EXERGETIQUES 14 1.4.6 BILAN EXERGETIQUE 14 1.4.7 RENDEMENT EXERGETIQUE 15 1.4.8 OUTILS D’ANALYSE EXERGETIQUE 15 1.5 OBJECTIFS DE LA THESE ET PLAN DU MANUSCRIT 16 1.5.1 OBJECTIFS DE LA THESE 16 1.5.2 PLAN DU MANUSCRIT 16 CHAPITRE 2 - METHODOLOGIE 19 2.1 DETERMINATION DU PERIMETRE DE L’ETUDE 20 2.1.1 ENJEUX LIES A LA DEFINITION DU PERIMETRE DE L'ETUDE 20 2.1.2 INFLUENCE DU PERIMETRE DEFINI SUR LA NATURE DE L’ETUDE 20 2.2 IDENTIFICATION DES VOIES D'AMELIORATION PAR ANALYSE EXERGETIQUE 21 2.3 EXPLOITATION DES INFORMATIONS OBTENUES PAR L’ANALYSE EXERGETIQUE 22 2.3.1 CLASSEMENT DES PERTES EXERGETIQUES 22 2.3.2 PERTES EVITABLES ET NON EVITABLES ET IDENTIFICATION DU POTENTIEL DE REDUCTION DES PERTES PAR ANALYSE EXERGETIQUE DETAILLEE 23 2.4 INTEGRATION THERMIQUE OPTIMALE A ARCHITECTURE DE PROCEDE FIXEE 24 2.4.1 SOURCES ET PUITS DE CHALEUR DU PROCEDE 24 2.4.2 METHODOLOGIE D’INTEGRATION THERMIQUE OPTIMALE 24 2.5 MINIMISATION DES PERTES PAR MODIFICATIONS STRUCTURELLES DU PROCEDE 25 2.5.1 UNE SOURCE DE PERTE EXERGETIQUE, PLUSIEURS STRATEGIES DE VALORISATION 25 2.6 ETUDE DES EFFETS DE COUPLAGE 26 2.7 PROCEDE OPTIMAL ET CONTRIBUTION DES DIFFERENTES MODIFICATIONS DE PROCEDE SUGGEREES 26 CHAPITRE 3 - DESCRIPTION DU SYSTEME ETUDIE 29 3.1 LA CENTRALE A CHARBON PULVERISE AERO-COMBUSTION 29 3.1.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 30 3.1.2 DESCRIPTION DU SYSTEME REEL ET DE SON FONCTIONNEMENT 32 3.1.3 MODELISATION DE LA CENTRALE A CHARBON PULVERISE 34 3.2 CENTRALE OXY-COMBUSTION DE BASE 42 3.2.1 ÎLOT CHAUDIERE ET TRAITEMENT DES FUMEES 43 3.2.2 UNITE DE SEPARATION D’AIR 47 3.2.3 UNITE DE PURIFICATION ET DE COMPRESSION DU CO2 49 3.3 CRITERES DE PERFORMANCES D’UNE CENTRALE OXY-COMBUSTION 51 3.3.1 PERFORMANCES DE LA CENTRALE AERO-COMBUSTION DE REFERENCE 52 3.3.2 PERFORMANCES DE LA CENTRALE OXY-COMBUSTION DE BASE 53 CHAPITRE 4 - OPTIMISATION ENERGETIQUE D'UNE CENTRALE OXY-COMBUSTION A L'ETAT DE L'ART 57 4.1 DETERMINATION DU PERIMETRE DE L’ETUDE 58 4.1.1 ÎLOT CHAUDIERE 58 4.1.2 ÎLOT CYCLE ELECTROGENE 58 4.1.3 ÎLOT TRAITEMENT DES FUMEES 59 4.1.4 UNITE DE SEPARATION D’AIR 59 4.1.5 UNITE DE PURIFICATION ET DE COMPRESSION DU CO2 59 4.1.6 INTEGRATION THERMIQUE 60 4.2 ANALYSE EXERGETIQUE 60 4.3 EXPLOITATION DES INFORMATIONS OBTENUES PAR L’ANALYSE EXERGETIQUE 61 4.3.1 CLASSEMENT DES PERTES EXERGETIQUES 61 4.3.2 PERTES EVITABLES ET PERTES NON EVITABLES – IDENTIFICATION DU POTENTIEL DE REDUCTION DES uploads/Geographie/ 2014enmp0041.pdf