Les centrales électriques thermiques doivent déverser une importante quantité de chaleur sur une source froide : ce problème est aggravé dans les centrales nucléaires du fait de leur taille économique importante (1 000 MWe) et de leur plus faible rendement thermodynamique. Jusqu’à présent pour la plupart des centrales thermiques les rivières ont été utilisées comme sources froides où rejeter les calories excédentaires, et ceci pour des raisons d’économie. Mais étant donné le niveau de croissance de la demande d’énergie électrique (doublement en dix ans environ), la capacité d’acceptation calorifique des rivières européennes constituera un élément limitatif pour l’acquisition de sites nouveaux où établir les centrales. Il faudra donc trouver des solutions alternatives à l’utilisation des rivières comme sources froides. Le système de tour sèche de réfrigération est une de ces solutions.
GÉNÉRALITÉS
On sait que, pour des raisons thermodynamiques fondamentales, une centrale électrique thermique doit déverser sur une source froide la chaleur à évacuer du condenseur, à la sortie de la turbine. Cette puissance thermique est du même ordre de grandeur que sa puissance électrique.
Pour une centrale à combustible fossile moderne 38 % de l’énergie thermique sont convertis en énergie électrique utile, 14 % passent à la cheminée, 3 % dans les accessoires et 45 % doivent être dissipés par une source froide pour condenser la vapeur. Le rapport de la perte au condenseur à l’énergie électrique est de 0,45/0,38 = 1,18. Ce qui signifie que pour récupérer 100 kW d’électricité il faut consommer environ 260 kW, dont 118 seront évacués par la source froide.
Pour une centrale nucléaire le bilan est le suivant : 31 % de l’énergie du combustible sont convertibles en électricité, 4 % se répartissent en pertes diverses et 65 % chauffent la source froide du condenseur. Le rapport de la chaleur dissipée à l’énergie électrique est de 0,65/0,31 = 2,1. Ce qui signifie que pour récupérer 100 kW d’électricité nucléaire, il faut consommer environ 320 MW, dont 210 sont évacués par la source froide.
Pour des raisons d’économie les constructeurs de centrales ont, chaque fois que cela était possible, utilisé le débit d’une rivière comme source froide devant évacuer les calories excédentaires ; l’eau de la rivière est réchauffée au-dessus de sa température naturelle d’équilibre et ne dissipe que très lentement cette chaleur.
Dans les pays industrialisés (Europe ou U.S.A.) la demande d’énergie électrique tend à doubler en dix ans environ ce qui conduit à installer des centrales électriques de plus en plus nombreuses ; l’évolution technico-économique conduit à installer des unités puissantes (600-800 MWe pour les combustibles fossiles, 1 000-2 000 MWe pour les centrales nucléaires).
Si ces centrales continuent à déverser leurs calories dans les rivières les températures des eaux s’équilibreront avec l’ambiance à des valeurs notablement plus élevées que suivant l’équilibre naturel, ce qui aurait pour effet une dégradation du système.
Écologique pouvant devenir irréversible, et les dommages risquent de s'étendre très loin au-delà des sites où a eu lieu l'échauffement.
Il est dès maintenant évident que ce problème d’environnement a un poids important dans les conditions d'acquisition de nouveaux sites pour les centrales thermiques et en particulier pour les centrales nucléaires. À première vue, il paraîtrait attrayant de récupérer une si grande quantité de chaleur apparemment gratuite, cela d'autant plus que la combustion de fuel pour le chauffage domestique ou industriel est elle-même source de pollution. Malheureusement il s'agit d’énergie de très basse qualité (faible différence de température et gros débits) et les prévisions pour la récupérer à une échelle significative ne sont pas optimistes.
Une autre solution possible au problème serait de recourir à un lac ou bassin artificiel qui évacuerait naturellement ses calories dans l'ambiance, le prélèvement et refoulement des eaux de la centrale s’effectuant alors en circuit fermé. Cette solution offre en principe les mêmes avantages que l'utilisation des eaux de rivières. La pénalisation économique est constituée par la nécessité d'utiliser des surfaces étendues : une centrale nucléaire de 1 000 MWe en climat tempéré nécessiterait un plan d’eau de 1 500 ha, ce qui représente un investissement considérable en zone industrielle.
Les fleuves étant « saturés », il ne restera finalement que la possibilité d’évacuer les calories dans un autre milieu qui ne peut être que la mer ou l'atmosphère (au moyen de tours de refroidissement). Dans les deux cas, cela se fera en acceptant le prix d'une pénalisation économique (allant de 5 à 20 % du prix du kWh).
Cette aggravation de prix doit être considérée comme le coût effectif de la prévention de la pollution thermique. Pour les tours de refroidissement, les études menées aux U.S.A. et en Europe montrent que les tours humides ont un prix de revient notablement inférieur à celui des tours sèches. Mais les tours humides ont une consommation d'eau importante : environ 3 600 m³/h pour 1 000 MWe nucl. Elles produisent des panaches de vapeur inesthétiques et des brouillards en hiver. Ces inconvénients interdisent leur emploi dans les zones à forte densité de population, ce qui permet de penser que les tours sèches seront plus fréquemment employées malgré leur coût.
L’adoption de sites en bord de mer est une solution économique là où elle est possible, mais peut comporter la nécessité de transporter le courant sur de longues distances (coût : environ 20 à 30 $/MWe/km) et présente un certain nombre d'inconvénients dus à la corrosion des tubes de condenseur par l’eau de mer.
ÉVOLUTION DES AÉRORÉFRIGÉRANTS
Depuis trente ans, l’air a été progressivement préféré comme réfrigérant à l'eau, qui est de moins en moins disponible. De plus en plus, les usines chimiques et pétrochimiques, les raffineries sont équipées de réfrigérants ou de condenseurs à air qui s’avèrent très économiques en entretien tout en ayant une durée de vie plus élevée.
Un aéroréfrigérant est principalement composé :
- — d’un ou plusieurs faisceaux de tubes à ailettes à l'intérieur desquels circule le fluide à refroidir ou à condenser, l'air passant à travers les ailettes en aluminium ;
- — d’un ou plusieurs groupes moto-ventilateurs pour faire circuler l’air ;
- — d'une charpente-support et d'un ou plusieurs caissons de ventilation.
Les aéroréfrigérants peuvent être utilisés à chaque fois que l'on doit dissiper des calories qui ne peuvent être utilisées ailleurs, c'est-à-dire qui ne sont pas à un niveau de température trop élevé, ce qui justifie leur emploi.
L'emploi d'ailettes en aluminium. Le niveau de température ne doit toutefois pas être trop bas. Une approche de 6 °C entre la température de l’air et la température de sortie du fluide est le minimum économiquement admissible. On peut toutefois descendre en dessous de cette approche dans les pays très chauds et très secs en humidifiant au préalable l'air réfrigérant dans une tour humide accolée à l’aéroréfrigérant.
Les aéroréfrigérants ont été utilisés jusqu’à présent dans les domaines suivants :
- — Raffineries de pétrole (unités de distillation, reforming, steamcracking, etc.) ;
- — Usines chimiques (synthèse de l’ammoniac, du méthanol, unités de chlore, PVC, MVC, etc.) ;
- — Condensation de vapeur de turbines industrielles ;
- — Stations de recompression de gaz (réfrigérants de compresseurs) ;
- — Unités de traitement de gaz, unités de stabilisation et de réinjection ;
- — Condensation du fréon dans le conditionnement d’air ;
- — Usines sidérurgiques (circuits de refroidissement des hauts fourneaux).
Dans certaines raffineries actuelles on évacue jusqu'à 500 000 000 kcal/h, soit l'équivalent de la chaleur évacuée dans une centrale classique de 450 à 500 MW. En matière de condenseur de turbine industrielle, nous avons livré à Nangis (SEIF) un appareil capable d’évacuer 45 000 000 kcal/h, ce qui correspond à la chaleur évacuée par une centrale classique de 40 MW, et nous avons fourni en U.R.S.S. pour deux complexes de production d’ammoniac des aérocondenseurs évacuant au total 600 MW.
Pour les centrales de grande puissance, les appareils deviennent d’une autre échelle. Il était donc nécessaire de trouver un système plus spécifique et mieux adapté au problème posé.
DESCRIPTION DU SYSTÈME DES TOURS « SÈCHES »
Il y a lieu de distinguer deux systèmes selon que la condensation se fait directement dans un aérocondenseur pour des centrales de puissance inférieure à 200 MW ou qu'elle se fait indirectement pour des centrales de puissance supérieure à 200 MW.
Le schéma de l’aéroréfrigérant direct est relativement simple. La vapeur est envoyée dans l'aérocondenseur par une tuyauterie de grand diamètre. L'aérocondenseur est constitué d'un condenseur principal qui évacue environ 80 % de la quantité de chaleur et d'un condenseur d’évents en série avec le condenseur principal, qui évacue le reste de la quantité de chaleur et est relié au dispositif de mise sous vide.
Le système à condensation indirecte est constitué d'un :
- — condenseur par surface dans lequel la vapeur, sortant de la turbine, est condensée par un circuit secondaire d’eau de refroidissement ;
- — aéroréfrigérant constitué d'un certain nombre de modules comprenant chacun 20 faisceaux de 3 m de large et de 25 m de long et de 2 ventilateurs de 18,30 m de diamètre dans le cas du tirage forcé, ou d'un certain nombre de faisceaux disposés convenablement à la base d'une tour au tirage naturel ;
- — système de circulation d’eau entre le condenseur et l'aéroréfrigérant (pompes, tuyauteries, vannes) ;
- — système de mise sous azote qui est utilisé lorsque les faisceaux sont isolés (débit réduit, marche en hiver, entretien) ;
- — bâche d’eau condensée pour recevoir l'eau que l'on vidange des faisceaux inutilisés.
Cet ensemble peut être exploité de façon extrêmement souple en fonction du débit à condenser et de la température de l'air. En effet, dans le cas du tirage forcé, un contrôle peut être assuré à l'aide de ventilateurs autovariables en marche, ce qui permet aussi d’économiser de la puissance à bas régime. Dans le cas de la tour au tirage naturel, on peut si nécessaire régler le débit d'air grâce à des persiennes et/ou isoler un certain nombre de faisceaux.
AVANTAGES DU SYSTÈME DE TOUR SÈCHE
1. Facilité d'implantation auprès du centre d'utilisation ou à proximité de la source d'énergie quelles que soient les ressources en eau. On peut ainsi faire des économies sur les lignes de transmission (installation, pertes en ligne) et aussi sur le génie civil qui peut être effectué dans de meilleures conditions.
2. Cette facilité d'implantation favoriserait la production liée d’électricité et d'eau chaude, puisque l'eau chaude ne peut être transportée à plus de 50 km du lieu d'utilisation.
3. Suppression des besoins en eau de réfrigération. Une tour humide de réfrigérant consomme :
2000 à 2400 m³/h pour une centrale de 1000 MW fossiles 3000 à 3600 m³/h pour une centrale de 1000 MW nucléaires.
Une telle consommation correspond aux besoins d'une ville d'environ 250 000 habitants.
4. Solutions aux problèmes d'environnement :
a) Élimination des dangers créés par le brouillard et le verglas sur les routes en hiver aux abords des tours humides ;
b) Élimination des panaches de vapeur ;
c) Élimination du transport par les gouttelettes de produits chimiques (dans le cas d'une centrale classique) qui peuvent être corrosifs pour l'équipement de la centrale ;
d) Élimination du brouillard chargé en gaz de cheminée (dans le cas d'une centrale classique) qui risquent d’être dommageables à la végétation et aux habitations voisines ;
e) Élimination des bassins de décantation pour les purges d'eau.
5. Élimination des risques d'incendie des tours de réfrigération en plastique.
6. Élimination des problèmes de gel en hiver.
7. Élimination de tous les problèmes de corrosion relatifs aux tubes de condenseurs lorsque l'eau de mer est utilisée comme source froide.
8. Réduction du coût de l'entretien de l'équipement, en particulier à cause de l'atmosphère sèche à l’extérieur.
9. Réduction du coût du montage sur le chantier, les faisceaux étant préassemblés en usine.
INCONVÉNIENTS DU SYSTÈME DE TOUR SÈCHE
1. Le prix d'une tour sèche est plus élevé que celui d'une tour humide : de l’ordre de 3 à 5 fois.
À titre d'illustration, le prix d'une tour sèche de 1300 MW étudiée pour l'Iran serait de l'ordre de 350 millions de francs 1978, décomposable comme suit :
— Surface d’échange : 169,5 MF — Génie civil : 82,5 — Tuyauteries et accessoires : 55,0 — Persiennes pour protection contre le gel : 6,0 — Câblage électrique, circuit air comprimé : 7,0 — Aléas divers : 30,0 350,0 MF
Ce prix, établi pour des conditions beaucoup plus défavorables que les conditions françaises, ne tient pas compte de la fourniture des pompes de circulation du circuit principal ni du condenseur par surface, ni du nivellement du terrain.
Il correspond aux conditions de calcul suivantes :
— Approche entre T° eau froide et T° air : 20 °C — Température d'air : 17 °C — Pression au condenseur : 161 mb — Altitude du site (Iran) : 1100 m
Pour de l'air à 36 °C, la pression au condenseur serait de 376 mb à 1100 m (340 mb au niveau de la mer).
2. La pression au condenseur est plus élevée que pour une tour humide et son éventail de variation est plus large, car l'air sec a lui-même un éventail de variation de température plus large que l'air humide.
Ainsi, sur l’exemple précédent, avec une tour humide, les vides seraient de 73 mb pour le fonctionnement nominal et de 120 mb pour le fonctionnement à 36 °C. Ceci a un inconvénient sur le plan du rendement général de la centrale et de la conduite de la turbine, mais les turbiniers ont dès maintenant étudié des turbines capables de fonctionner dans de telles conditions (KWU, ALSTHOM ATLANTIQUE).
On peut atténuer cet inconvénient en employant un système mixte combinant une tour sèche et une tour humide, cette dernière étant seulement utilisée pendant les pointes de température. Cela présente l'avantage de diminuer aussi le prix de l'ensemble tout en réduisant la consommation d'eau à 20 ou 25 % de ce qu'elle serait avec une tour humide. Mais cela nécessite d'avoir de l'eau disponible.
3. L’implantation au sol est plus importante que pour les tours humides.
Dans le cas précédent, nous aurions besoin de 3 tours hyperboliques de 145 m de diamètre de base et de 165 m de hauteur.
Une seule tour de même dimension serait nécessaire.
4. Dans le cas de tirage forcé (avec ventilateurs), il y a une consommation électrique non négligeable de l’ordre de 1 à 2 % de la puissance de la centrale. D’autre part, ces ventilateurs peuvent être cause de bruit. Il y a des moyens pour limiter le bruit des ventilateurs, mais c’est au détriment du prix des ventilateurs ; les pales (plus larges et plus nombreuses) et de la surface d’échange étant peut-être plus élevées, les ventilateurs tournant moins vite.
C’est pourquoi la solution en tirage naturel est la solution vers laquelle tous les constructeurs et utilisateurs s’orientent actuellement.
Ces différents inconvénients entraînent un surcoût. Ce surcoût varie selon les études et les types de centrale. Ainsi, aux U.S.A., les pointes étant en été, le surcoût est plus élevé qu’en Europe où toutes les pointes ont lieu en hiver.
De même, le surcoût est plus grand pour une centrale nucléaire que pour une centrale classique ; on trouve ainsi :
- — U.S.A. : 12 à 16 %
- — R.F.A. : 4 à 7 %
- — Hongrie : 4 à 8 % (classique)
- — Suisse : 6 à 9 % (nucléaire)
La fourchette européenne est donc de 4 à 12 %. Il faut toutefois noter que ce surcoût peut être réduit fortement en partie par les choix judicieux du site (ensoleillement, paravent, lits de rivières, zone d’infiltration si perte en ligne) et, d’autre part, sur la gêne fournie et divers travaux hydrauliques nécessaires pour un site à réfrigération humide.
ETAT DE LA TECHNIQUE
a) En France.
CREUSOT-LOIRE étudie le problème de la réfrigération sèche des centrales classiques ou nucléaires depuis 1970 et des offres ont été faites à l’E.D.F., en tirage mécanique, dès cette époque.
Depuis, la technique a évolué pour tenir compte des objections de l’E.D.F. relatives au bruit et à la consommation des ventilateurs, à la baisse de rendement général et au prix :
- — tours à tirage naturel,
- — tours mixtes : humides et sèches.
C’est ainsi que Creusot-Loire et Hamon ont été amenés à s’associer afin d’apporter le maximum d’expérience à la fois dans le domaine de la surface d’échange par tubes à ailettes (Creusot-Loire) et dans celui du harpage et des accessoires de la tour de tirage (Hamon). Des offres ont été faites par cette association : en France à CORBED et à l’étranger (KWCI, BOC…). Les références d’Hamon en tirage naturel sont bien connues, puisque cette société construit la plus grande part des réfrigérants humides du programme nucléaire français et est aussi très implantée à l’étranger. En ce qui concerne Creusot-Loire, ses références sont très nombreuses en appareil à tirage mécanique, soit en condensation directe, soit en réfrigérant d’eau.
Creusot-Loire et Hamon sont ainsi dès maintenant prêts à construire des ensembles de tours sèches, dans des délais tout à fait compatibles avec ceux d’une centrale nucléaire. La capacité actuelle des ateliers de Nantes de Creusot-Loire est de 1 000 à 1 200 t d’échange par an, soit l’équivalent de ce qui est nécessaire pour une centrale de 1 200 ou 1 300 MW. Cette capacité peut d’ailleurs être étendue très rapidement (doublage possible en moins d’un an) et de façon relativement économique.
Il est intéressant de noter que la commande d’une tour sèche pour une centrale de 1 200 MW apporte de l’ordre de 60 000 heures de travail à l’usine de Nantes, sans compter les retombées sur la sous-…
La traitance, le génie civil, le chantier, etc. De plus, il faut savoir que la technique utilisée par Creusot-Loire pour la construction des tubes bimétalliques à ailettes extrudées en aluminium lui permet de donner des garanties de longévité tout à fait compatibles avec la durée de vie exigée pour les centrales nucléaires.
De nombreuses études et recherches ont été menées pour le compte d’E.D.F. qui étudie le problème des tours sèches depuis quelques années, et l’association va contribuer dans un avenir prochain à l’installation d’une petite unité-pilote de 40 MW.
b) À l’étranger.
Les Allemands sont très actifs dans le domaine grâce à GEA et à BALCKE-DURR. Les Américains s’intéressent aussi de très près au problème avec HUDSON et LUMMUS. Par ailleurs, les Hongrois (HELLER) ont aussi mis un système au point et disposent même des premières références (Angleterre, Russie et bientôt Iran).
La liste des installations existantes ou en construction montre que jusqu’à présent on n’a pas dépassé des unités de 300 MW, mais cela ne prouve rien puisqu’il suffirait de quatre tours identiques pour réaliser le refroidissement d’une centrale de 1200 MW.
Il est à noter que les Allemands (GEA et BALCKE-DURR) ont pu, grâce à des subventions gouvernementales, construire pour RWE la tour sèche de la centrale de Schmehausen (300 MW) : la différence entre le prix de la tour sèche et celui de la tour humide ayant été prise en charge par le gouvernement allemand.
LE MARCHÉ DES TOURS SÈCHES
HAMON et CREUSOT-LOIRE ont étudié un certain nombre de projets fermes dans différents pays :
FRANCE Projet COREDIF : 2500 MW thermique Pilote E.D.F. : 40 MW (sec humide) BRÉSIL Candiotta : 2 × 150 MW (fossile) IRAN KWU* : 4 × 1300 MW (nucléaire) Mashad : 4 × 150 MW (fossile) Ispahan : 3 × 200 MW (fossile) FRAMATOME/ALSTHOM-ATLANTIQUE* : 4 × 1300 MW (nucléaire) CHINE R.P.C. : 1 × 300 MW (fossile) AFRIQUE DU SUD DUVHA : 1 × 600 MW (fossile) Grootvlei : 1 × 200 MW (fossile) GRÈCE Kardia : 2 × 300 MW (fossile)
* Ces projets sont actuellement remis en cause.
ACTIONS À COURT ET À LONG TERME
Nous sommes prêts à livrer à E.D.F. une tour sèche clés en main (un pilote de 300 MW par exemple) et à l’assister dans l’expérimentation de ce matériel pendant plusieurs années.
De plus, nous sommes à sa disposition pour faire les études techniques et économiques nécessaires pour permettre à E.D.F. de faire le choix des sites de ses futures centrales nucléaires.
D. DI PACE.
