Les énergies fossiles

Les centrales thermiques à flamme
Auteurs : david Wilgenbus(plus d'infos)
Résumé :
Les centrales thermiques à flamme sont aussi appelées centrales thermiques classiques. Elles utilisent comme combustible le fioul, le gaz naturel et le charbon.
Publication : 31 Juillet 2001

Les centrales thermiques à flamme sont aussi appelées centrales thermiques classiques. Elles utilisent comme combustible le fioul, le gaz naturel et le charbon. Elles représentent, en Europe, 40 % de l'équipement et fournissent actuellement le complément nécessaire pour ajuster la production à la consommation. Elles servent également en cas de vagues de froid ou en cas de demande inattendue de consommation. En cas d'urgence, douze minutes suffisent pour commencer à produire de l'électricité pour les plus performantes.

En 1973, ces centrales assuraient 55 % de la production française d'électricité. Suite au choc pétrolier de cette même année, le gouvernement d'alors a décidé d'accélérer la conversion du parc des centrales électriques au nucléaire. Actuellement, les centrales thermiques classiques n'assurent plus que 8 % de la poduction française d'électricité.

Fonctionnement

Les centrales thermiques classiques produisent de l'électricité en entraînant des turbines à l'aide de vapeur d'eau sous pression. Tout d'abord, un combustible est brûlé dans les brûleurs de la chaudière. La température au niveau de ces brûleurs est de 1500°C environ. Cette combustion produit de la chaleur qui a pour conséquence :

- d 'augmenter la pression à 170 bars environ (pression régnant dans la chaudière) ;
- et de vaporiser l'eau circulant dans le circuit autour de 560°C (du fait de la pression élevée, la température d'ébullition de l'eau n'est plus à 100°C mais autour de 560°C).

Cette vapeur entraîne alors successivement trois turbines qui entraînent à leur tour un alternateur. C'est cet alternateur qui produit l'électricité. Du fait de ce passage dans les turbines, la pression de la vapeur d'eau a diminué jusqu'à 50 mbars environ.

La vapeur passe ensuite dans un condenseur où elle est refroidie pour redevenir liquide. Le condenseur est un circuit d'eau très souvent reliée à une tour de refroidissement. La vapeur d'eau échange de sa chaleur avec l'eau du circuit de refroidissement et redevient liquide tandis que l'eau du circuit de refroidissement passe dans la tour de refroidissement où elle est refroidie par des courants d'air ascendant puis repart vers le condenseur. On peut aussi utiliser ce circuit de refroidissement pour faire de la cogénération .

Il y a donc deux circuits fermés : le circuit de refroidissement et le circuit de circulation qui actionne les turbines.

Les combustibles

Il existe trois types de combutible :

- solide : le charbon ;
- liquide : le fioul ;
- gazeux : gaz naturel ou gaz des hauts fourneaux ( gaz qui sort par l'ouverture supérieure des hauts fourneaux au cours de la fusion de la fonte).

Chaque chaudière ne peut en utiliser qu'un seul car chaque combustible exige un brûleur particulier.

Dans les chaudières utilisant le charbon , il faut d'abord transformer celui-ci en fines particules dans un broyeur, puis mélanger ces particules à de l'air réchauffé avant d'introduire le tout sous pression dans le brûleur.

Pour le fioul , il faut le liquifier en le chauffant avant de l'injecter dans les brûleurs car il est trop visqueux pour être utilisé tel quel.

Quant au gaz , aucun traitement n'est nécessaire. Il est directement envoyé dans les brûleurs.

Jusqu'en 1979, le fioul était le principal combustible utilisé dans les centrales thermiques à flamme mais les deux chocs pétroliers lui ont valu sa destitution au profit du charbon. Actuellement, en puissance installée (puissance que peuvent développer les centrales), le charbon représente 48,3 %, le fioul, 46 % et le gaz, 5,7 %.

Les fumées émises

La combustion dans la chaudière à charbon produit des cendres. Elles sont récupérées à plus de 99 % dans des dépoussiéreurs électrostatiques et sont utilisées dans la fabrication des ciments et des revêtements routiers ou encore comme adjuvant dans les bêtons pour les améliorer.

Les gaz émis

La combustion dans la chaudière produit des gaz qui sont rejetés dans l'atmosphère. Parmi ces gaz, on trouve de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone CO 2 , du dioxyde de soufre SO 2 , des oxydes d'azote NO x ...

NOM CAUSES EFFETS
Gaz carbonique CO 2

combustion

respiration...

effet de serre

monoxyde de carbone CO

chaudière mal réglée

moteurs à essence et à gazole...

maladie cardio-vasculaire

intoxication mortelle si aération insuffisante

Oxydes d'azote NO x

secteur du transport

centrales thermique à flamme (3 % des émissions de NO x ) : combustion du charbon et du fioul

effet de serre

pluies acides

pollution photochimique (ozone...)

Dioxyde de soufre SO 2

secteurs des transports, industriel, agricole, tertiaire, résidentiel

centrales thermiques à flamme (7 % des émissions de SO 2 ) : combustion du charbon et du fioul

pluies acides

irritation respiratoire

Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote étant nocifs et entre autre responsables des pluies acides, ils sont retraités afin de réduire leur émission.

Réduction des émissions de dioxyde de soufre

Les centrales françaises disposent de trois techniques pour réduire les émissions de dioxyde de soufre dans l'atmosphère.

La première méthode, dont le rendemant est de 90 %, consiste à laver les gaz par désulfurisation . Avant d'atteindre la cheminée, les fumées sont refroidies puis lavées dans un brouillard d'eau saturée en calcaire qui forme, par réaction, du gypse, communément appelé pierre à plâtre (le gypse est d'ailleurs revendu aux industries plâtrière). Les gaz ainsi lavés sont alors réchauffés et renvoyés à la cheminée. Ils ne contiennent plus que 10 % du dioxyde de soufre initial.

La seconde méthode, dont le rendement est de 50 %, consiste à injecter du calcaire ou de la chaux dans le foyer de la chaudière . Le soufre réagit pour former du sulfate de calcium qui est capturé par les dépoussiéreurs électrostatiques avec les cendres volantes.

La troisième méthode concerne uniquement les centrales fonctionnant au fioul. Elle consiste à diminuer la teneur en soufre du fioul . En général, le fioul contient 3 % de soufre. Après traitement, il en contient moins de 1 %. Les rejets de dioxyde de soufre sont donc divisés par trois par rapport à un fioul non traité.

Réduction des émissions d'oxydes d'azote

Pour réduire les émissions des oxydes d'azote, on peut effectuer :

- une dénitrification primaire ;
- ou bien une dénitrification avale.

Lors d'une dénitrification primaire , on étage la combustion et on réduit la température de flamme. Au départ, on abaisse la température de flamme en réduisant la quantité d'air amenée aux brûleurs et, uniquement pour les chaudières fonctionnant au fioul, en réduisant la taille des goutelettes de combustible par mélange à des goutelettes d'eau.
Ainsi, on retarde la combustion. Pour achever et étager la combustion, on réinjecte de l'air chaud plus haut dans la flamme.

La dénitrification avale est un dénitrification qui a lieu en aval de la chambre de combustion. Elle a pour rôle de décomposer les oxydes d'azote NO x en azote N et en oxygène O.

Le rendement

Au début du XX e siècle, le rendement des centrales thermiques à flamme était de 13 %. Après la seconde guerre mondiale, il atteint 38 %. Cette progression continue et à la fin des années 80, il est de 45 %.

Le recours au thermique devrait probablement augmenter dans les années à venir puisque le coût du charbon tend à diminuer, le rendement tend à augmenter et les émissions de fumées sont constamment réduites.