Brevet FR2670826A1 — publié le 19920626

DESCRIPTION. Pour la saison de chauffage, nous proposons une modification du fonctionnement des centrales thermiques nucléaires ou non, afin de récupérer une grande partie de l'énergie perdue lors de la transformation de la chaleur en travail. Soit une centrale thermique de 100 ì MW (mégawatts), à la sortie de l'alternateur on dispose de 100 MW mais on a dissipé 230 ; ,AW dans l'eau de la rivière voisine. En acceptant une légère diminution de la puissance électrique soit 90 tMW, on dispose d'une puissance de chauffage de 240 MW largement suffisante ,pour chauffer une ville de 240000 habitants. ETUDE D'UNE CENTRALE THERMIQUE. En décrivant une centrale thermique nous allons constater les efforts faits par les thermodynamiciens pour réaliser des machines ayant le meilleur rendement.Pour eux ,le rendement c'est le rapport entre l'énergie fournie et l'énergie entrant sous forme de charbon,fuel,uranium. Le fonctionnement d'une centrale thermique est schématisé sur la figure 1. CHAUDIERE: Le fluide utilisé est l'eau et sa vapeur;l'eau est à une température de 320"C soit 320+273=593 K..A cette température de 320"C il correspond une pression P=127atmosphères ou 127 bars. Cette eau est chauffée par des brûleurs au charbon,fuel,gaz ou par un fluide provenant d'une pile atomique. L'eau se vaporise:la vapeur est surchauffée à la température TI=52700 soit 527+273=800K. La pression est toujours de 127 atmosphères. Le rendement de l'ensemble brûleurs-chaudiére est très bon, voisin de 0,95. CONDENSEUR: A l'autre extrêmité de la chaîne thermique,on trouve le condenseur:la vapeur d'eau doit être condensée sous forme liquide au fur et à mesure que la vapeur arrive au contact du condenseur.Une fois condensée l'eau sera réintroduite dans la chaudière. Les thermodynamiciens ont porté leurs efforts sur le condenseur: la température T2 est voisine de 30"C soit 30+273=303K ,la pression est 0,2 atmoshère. Pour maintenir cette température de 300il faut refroidir par un fort courant d'eau.Pour une centrale de 100 MW(puissance électrique fournie) si on admet de l'eau à 200il faut un débit de 5 m3/s pour rejeter de l'eau à 30"C. MACHINE THERMIQUE: Entre la chaudière et le condenseur, il y a la machine thermique dans laquelle se fait la transformation chaleur-travail. On n'utilise pas le système cylindre-piston mais le système des turbines. L'utilisation d'une seule turbine donnerait un très mauvais rendement. On utilise 4 turbines en série,dont les pales mobiles sont solidaires du même axe de rotation qui entraîne le rotor de l'alternateur. La vapeur 527"C -127 AT. actionne la turbine HP (Haute Pression).Elle en sort 325"C-26 AT. Elle est réchauffée sous la même pression à 527"C avant d'être envoyée dans la turbine MP1 (moyenne pression).Elle en sort 425"C-12AT. Elle est envoyée dans MP2.Elle en sort 1200C-0,8AT. Enfin elle est envoyée dans la ou les 2 turbines BP (basse pression). Elle en sort 30"C-0,2AT. Les dimensions des turbines sont de plus en plus grandes:le volume de la vapeur augmente au fur et à mesure que la pression diminue. RECHAUFFAGE DE L'EAU DU CONDENSEUR: Cette eau doit être ramenée dans la chaudière. Des soutirages de vapeur à différentes températures vont servir à porter la température de l'eau liquide à la température de 320"C avant d'être injectée dans la chaudière. On prend donc successivement de la vapeur à 60"C,120"C,325"C. Pourquoi ceci? C'est pour que le rendement global de l'installation soit le meilleur possible; c'est antithermodynamique d'utiliser la chaleur donnée par un brûleur (1200"C) pour chauffer de l'eau de 20"C à 10000, quand on peut la chauffer par contact avec quelque chose à 10000. CONCLUSION: Une centrale thermique (nucléaire ou non) est un appareil presque parfait des premières machines à vapeur à une centrale thermique le rendement est passé de 0,05 à 0,31 Le rendement d'un moteur à explosion est de l'ordre de 0,23. FONCTIONNEMENT D'UNE CENTRALE THERMIQUE.(fig 2) La figure 2 donne le schéma de fonctionnement d'une centrale thermique de 100 MW (mégawatt).100 MW représentent la puissance électrique fournie à I'EDF. Les 350 MW sont fournis par la combustion de 15 kg de fuel par seconde (ou 20 kg de charbon) ou par échange de chaleur avec le fluide caloporteur provenant d'une pile atomique. La turbine actionne des alternateurs qui donnent une puissance voisine de 100 MW (le rendement est très bon). L'eau de refroidissement du condenseur provient d'une rivière ; elle est grossièrement filtrée. QUE PEUT-ON FAIRE AVEC 230 MW D'EAU A 30 C ? A proximité de la centrale : chauffer une piscine,des serres ( c'est d'ailleurs à peine suffisant). Loin de la centrale :rien, ce n'est pas rentable. MODIFICATION DU FONCTIONNEMENT DE LA CENTRALE. Nous modifions (fig.3) le fonctionnement de la centrale en supprimant le dernier étage BP de la turbine et en modifiant la turbine MP2 de façon qu'à la sortie la vapeur d'eau soit à 80"C sous 0,5AT Cette modification entraîne: -Le rendement de l'installation va diminuer,au lieu de 100MW à la sortie de la turbine nous ne disposerons que de 90MW. -L'eau de refroidissement est à 80"C ,à chaque seconde on dispose de 700 litres d'eau chaude à 80"C qui représentent une puissance de 240MW. R E M A R Q U E .'t faut que sur la centrale existent les 2 possibilités. Pendant l'été,la centrale fonctionne avec les 4 étages de la turbine, alors que l'hiver elle fonctionnera avec 3 étages. QUE PEUT-ON FAIRE AVEC 240MW D'EAU CHAUDE A IOO"C I 100 C ? Près de la centrale: serres,laveries... Loin de la centrale: chauffage des appartements, serres, piscines, laveries. Nous considérons que pour chauffer un appartement de 3-4 pièces il faut 3KW(kilowatt) en permanence, s'il y a 3 personnes il faut donc 1 KW par personne pour le chauffage (la moitié doit suffire). Donc autant de KW disponibles à la sortie du condenseur,autant de personnes chauffées. Avec 240 MW soit 240000 KW on chauffe une ville de 240000 habitants. Quelques chiffres relatifs à la région parisienne: Dans la région parisienne, les centrales de Porcheville, Vitry ,Aubervillers, Saint-Ouen, Montereau, Vayre; ces centrales représentent une puissance électrique de 7000 MW soit au condenseur une puissance calorifique de 14000 MW soit 14000000 KW soit le chauffage de 14 millions de personnes (la population de la règion parisienne. La centrale nucléaire de Nogent de 2 fois 1300 MW soit 5800 MW au condenseur permettrait à elle seule le chauffage de Paris. Un rêve: en France , la puissance électrique d'origine thermique est de 35000 MW en moyenne soit 70000 MW au condenseur soit le chauffage de 70 millions de personnes. UTILISATION DE L'ENERGIE CALORIFIQUE DE L'EAU A 80"C. L'eau des condenseurs ou l'eau de retour du chauffage des villes peut servir à chauffer des serres, des piscines.... Chaque fois que l'EDF construit une centrale thermique (nucléaire ou non),il faut prévoir ,à proximité,une grande zone (100 hectares)pour y implanter des serres,comme cela a été tenté (sans succés) à Saint-Laurent des Eaux. , concombres, plantes,....Pour développer la culture sous serres, il faut créer un C.A.P.agricole spécialité "SERRES" et ainsi on ne verra plus sur le marché français des tomates primeurs venant de Hollande. Des crédits spéciaux peuvent et doivent être dégagés pour construire des serres près des centrales. A l'heure actuelle , on peut envisager la formation d'au moins 50000 personnes. D'ici l'an 2000 plus de la moitié des légumes frais sera produit sous serres. (radis; fraises, salades, tomates, concombres,haricots....). TRANSPORT DE L'EAU CHAUDE. Pour chauffer les appartements il faut transporter de l'eau chaude sur de grandes distances puisque à l'heure actuelle,les centrales sont loin des villes;Les calculs qui vont suivre sont faits pour une centrale thermique de 100 MW électriques,située à 100 kilomètres d'une ville de 240000 habitants. Le tube choisi de 600 mm de diamètre (R1=300mm) doit transporter 700 litres par seconde. La vitesse de l'eau avec un tel tube sera de l'ordre de 2 mètres par seconde (la même que celle de l'eau froide dans les grosses conduites). II faut que le tube soit isolé par une épaisseur de 300 mm d'isolant thermique (laine de verre). Malgré l'isolation, il y aura des pertes. Le calcul des pertes donne 4 MW: la perte d'énergie au cours du transport est nègligeable devant les 240 MW transportés. PRIX DE REVIENT DE L'INSTALLATION II faut prévoir une installation schématisée en coupe par la figure 4. Prix pour un mètre linéaire: prix du tube aller 400f +pose 1000 calorifugeage 300 prix du tuyau retour 500 prix du logement béton 2000 tranchée 400 réfection route 400 Prix total du mètre 4600 francs Donc pour 100 km: 4600*100000=460 000 000 francs Pour la sécurité nous prenons 500 millions de francs. Il faut ajouter le prix des pompes :2 sur l'aller et 2 pour le retour,le prix d'une pompe est de l'ordre de 1 million de francs. L'installation de l'eau en ville doit revenir en moyenne à 2000 francs le mètre.Pour une ville de 240000 habitants il faut compter 100 km.Ce qui fait 2000*100000=150 000 000 francs . Total 700 millions de francs. JUSTIFICATION DU PRIX DE L'INSTALLATION Avec un investissement de 650 millions de francs, on chauffe une ville de 240000 habitants. A l'heure actuelle une personne dépense plus de 2500 francs par an pour se chauffer, ce qui pour la ville fait une somme de 600 millions de francs.(soit environ le prix de l'installation). REMARQUES 1- I'eau de retour sera à une température de 30 à 40"C. Elle pourra servir à chauffer l'eau des piscines, les serres, les laveries.. 2-l'eau qui circule dans les immeubles doit être celle qui vient de la centrale; II faut un échangeur pour l'eau chaude. 3-pendant l'été, il faut assurer l'eau chaude, donc une mini-circulation de l'eau de la centrale doit être assurée. Rappelons que pendant l'été la centrale fonctionne normalement:turbine à 4 étages et condenseur à 30"C 4-les pompes de circulation demandent une mise au point et sont appelées à un grand développement. 5-il est sûr que la circulation de l'eau va poser des problèmes. Ces problèmes doivent être résolus facilement en les comparant à ceux posés par le transport par pipe-line du pétrole de l'Alaska: les distances sont très grandes et les quantités transportées sont du même ordre de grandeur. 6-pourquoi le problème soulevé ici ne s'est-il pas posé avant?.Quand le pétrole valait 5 centimes le litre ou le kilo,il aurait été ridicule de transporter de l'eau chaude. Les centrales ont évolué dans un milieu fermé: toutes les études ont porté sur les centrales nucléaires. II faudra convaincre les thermodynamiciens des centrales d'avoir un rendement un peu moins bon.(le rendement au lieu d'être 0,30 sera 0,28). 7-en France en moyenne 35000 MW électrique donc 70000 MW disponibles au niveau du condenseur,donc chauffage de toute la population urbaine,donc une économie (150 jours de chauffage) de 20millions de tonnes de pétrole .En 1989 la France a importé 70 millions de tonnes de pétrole. 8- au moins 1000 villes (ou ensembles de villes) seraient intéressées par ce projet.Pour le financement on peut imaginer que chaque ville lance un emprunt auprès des contribuables de la ville.l'argent prêté serait exonéré d'impots et ce sans plafonnement (économie d'énergie);cet emprunt serait remboursé par 1,2,3,.. années de chauffage gratuit 9-pour réaliser l'installation pour 1 ville il faudrait un minimun de 600 personnes ce qui au total ferait 600000 emplois. A ces emplois il faut ajouter ceux créés par le développement des sociétes fabriquant tuyaux,pompes,isolation.e.t.c.. 10-du point de vue philosophique, a-t-on le droit de gaspiller de l'énergie, de jeter l'énergie dans les rivières? 11les représentants des grandes puissances se sont réunis pour diminuer la quantité de gaz carbonique afin d'éviter le réchauffement de la planète: la modification proposée ici, faite à l'échelle de la planète, dans tous les pays situés dans les zones tempérées ou froides entrainerait une diminution du tiers du dioxyde de carbone fabriqué par l'homme. REVENDICATIONS 1) Modification du fonctionnement d'une centrale thermique, pendant la période de chauffage, de façon à récupérer une bonne partie de l'énergie qui à l'heure actuelle est rejetée dans la rivière voisine de la centrale. 2) La modification selon la revendication 1 consiste à supprimer la ou les turbines basse pression de la centrale. 3) La modification selon la revendication 1 peut porter sur la turbine moyenne pression de façon à avoir de la vapeur d'eau à la température de 80"C sous une pression de 0.5 atmospère. Cette modification entraîne une diminution de la puissance de la centrale de 10%. 4) La modification selon la revendication 1 fait que le débit de l'eau de refroidissement du condenseur passera de 5000 à 700 litres par seconde. 5) La modification selon la revendication 1 fait que l'on dispose à la sortie du condenseur d'une énergie pour le chauffage supérieure au double de l'énergie électrique fournie par la centrale. 6) La modification selon la revendication 1 entraîne le transport de l'eau chaude dans des tuyaux calorifugés de façon à limiter la perte entre 1 et 2%. 7) La modification selon la revendication 1 entraine que, une fois l'installation des tuyaux faite, le chauffage serait très économique. 8) La modification selon la revendication 1 entraine pour la France une économie qui pourrait aller jusqu'à 20 millions de tonnes de pétrole. 9) La modification selon la revendication 1 faite sur les centrales thermiques (nucléaires ou non) des pays froids et tempérés, diminuera la fabrication du gaz carbonique du tiers et donc une diminution du réchauffement de l'atmosphère. 10) La modification selon la revendication 1 s'impose des points de vue philosophique: a-t'on le droit de jeter l'énergie dans les rivières? et écologique: a t'on le droit de réchauffer la planète?