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Les centrales à gaz et à vapeur, connues sous le nom de centrales à cycle combiné, figurent dans de nombreux pays européens comme l'option de la garantie d'approvisionnement en énergie. La stratégie énergétique de la Fédération helvétique pour l'année 2050 les évoque comme l'une des possibilités alternatives aux centrales nucléaires. Pour augmenter le rendement de la transformation du gaz naturel en électricité jusqu’à 60 pour cent, les centrales à cycle combiné utilisent des turbines à gaz et à vapeur d'eau. Elles se distinguent en outre par des mises en route et arrêts très rapides, ce qui les prédestine à la compensation des fluctuations de la production de parcs d'éoliennes et de centrales hélioélectriques. Mais leur émission en CO2, bien qu'elle soit moins importante que celle de toutes les centrales électriques conventionnelles à base de combustibles fossiles, est encore trop élevée. Dans le cadre d'un projet européen, les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer travaillent à la solution de cet inconvénient.
Cofinancé par la Communauté Européenne, le projet «H2-IGCC» vise le développement des bases technologiques pour centrales à cycle combiné, dans lesquelles le CO2 sera éliminé avant la combustion au sein de la centrale. Le combustible de ces centrales à cycle combiné est majoritairement du gaz naturel, contenant principalement du méthane. D'autres combustibles sont toutefois possibles. Par exemple du gaz de synthèse, le syngaz, un mélange d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO), produit à partir de la gazéification d'hydrocarbures (ou de charbon, de résidus de raffinage ou de biomasse). Il est plus facile de séparer le CO contenu dans le syngaz avant la combustion que de l'extraire des fumées d'une centrale à cycle combinée fonctionnant au gaz naturel. Pour séparer le CO du mélange de gaz de synthèse, on le transforme en CO2 à concentration élevée. Ce processus d’injection de vapeur d'eau est appelé "Réaction de conversion du gaz à l'eau". Le CO2 est ensuite éliminé par lavage, puis comprimé et stocké dans des réservoirs appropriés.
Après ces étapes du procédé, le gaz de synthèse contient plus de 70 pour cent volumique d'hydrogène. Ce combustible, riche en hydrogène, est effectivement plus «propre», mais il est également plus exigeant en ce qui concerne la résistance thermique des composants des turbines à entraîner. Plus réactif que le gaz de synthèse, la combustion d'hydrogène dégage plus de chaleur que le gaz naturel mis en œuvre dans les turbines à gaz classiques. Tout d'abord, ce combustible riche en hydrogène s'enflamme plus vite, si bien que la combustion intervient avant que le combustible et l'air ne soient suffisamment mélangés, ce qui risque d'augmenter les émissions d'oxydes azotiques toxiques (NOx). L'inflammation précoce signifie aussi que la combustion se fait principalement à proximité de l'entrée du carburant dans la chambre de combustion et présente des contraintes supplémentaires pour les matériaux utilisés à ce niveau.
D'autre part, les gaz chauds d'échappement de la combustion d'hydrogène, sortant de la chambre de combustion et traversant la turbine, contiennent d'avantage d'eau que la vapeur d'eau du gaz de synthèse ou du gaz naturel. La vapeur d'eau étant un excellent conducteur de chaleur, les aubes de la turbine atteignent des températures plus élevées ce qui exige impérativement des moyens supplémentaires à leur refroidissement.
La contribution des chercheurs du PSI
La partie "combustion" du projet H2-IGCC a été confiée au PSI. L'objectif de cette partie est le respect des normes d'efficacité et d'émissions pour centrales à cycle combiné actuelles lors du passage au combustible riche en hydrogène. A cet effet, les scientifiques du PSI utilisent des méthodes spécialement développées pour l'examen de la propagation des flammes dans la chambre de combustion. En parallèle, ils recherchent un moyen pour retarder l'inflammation du carburant riche en hydrogène. Les expérimentations se déroulent dans une chambre de combustion de test comportant un vitrage pour l'étude du comportement des flammes. A l'aide d'un rayon laser, ce vitrage spécial permet également l'analyse en temps réel des substances chimiques véhiculées par les flammes. Ces essais thermiques sont accompagnés de nombreuses simulations des phases de combustion assistées par ordinateur.
Au cours des deux premières années, les partenaires du projet ont déjà pu développer les sous-processus de la conception d'une turbine à gaz riche en hydrogène. La phase actuelle du projet doit s'achever en 2013 avec la démonstration d'une telle chambre de combustion dans des conditions réelles du fonctionnement. La phase suivante verra la réalisation d'une installation pilote à cycle combiné.