Thèse soutenue

Optimisation du cycle de Rankine pour le fonctionnement flexible d'un petit réacteur modulaire : apport de l'admission partielle par secteurs dans les corps de turbines au suivi de charge et à la cogénération

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Auteur / Autrice : Guilherme Vescovi
Direction : Catherine Azzaro-PantelPascal Stouffs
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
Date : Soutenance le 14/12/2023
Etablissement(s) : Toulouse, INPT
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
Jury : Président / Présidente : Sofiane Khelladi
Examinateurs / Examinatrices : Catherine Azzaro-Pantel, Pascal Stouffs, Sofiane Khelladi, Jean Snoeck, Giorgio Simonini
Rapporteurs / Rapporteuses : Assaad Zoughaib, Benoît Stutz

Résumé

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Dans le contexte de la décarbonation du secteur de l’énergie, l’interactions entre les énergies renouvelables variables et l’énergie nucléaire revêt une importance croissante. L’un des principaux objectifs de cette thèse est d’améliorer la flexibilité des centrales nucléaires dans le cadre du suivi de charge et d’explorer la cogénération comme une solution pertinente. Le coeur de ces travaux de recherche consiste à optimiser les performances énergétiques d’un cycle de Rankine couplé à un Petit Réacteur Modulaire (SMR), en utilisant l’admission partielle par secteur (PAA) dans la turbine. Cette approche contraste avec la méthode conventionnelle d’admission à secteur complet (FAA). Un modèle polyvalent d’admission de turbine a été développé en langage Modelica tandis que les autres composants du cycle font appel à la bibliothèque ThermoSysPro. Les optimisations sont réalisées avec Dymola, assisté par l’outil Cyclop, dans le but de dimensionner les composants clefs du cycle, tels que les secteurs PAA, considérant d’abord les pertes d’énergie cinétique en sortie d’étage d’admission. La conception optimale est ensuite réévaluée, en prenant en compte les pertes supplémentaires liées aux aubes et à l’admission partielle, confirmant la pertinence de l’approche. La première étude a permis de maximiser le rendement de production électrique dans des scénarios de suivi de charge. Deux scénarios de flexibilité ont été explorés, avec l’intégration progressive du PAA aux groupes de turbines haute et basse pression (HP et LP). Dans une configuration PAA/PAA, le gain par rapport à FAA/FAA, est d’environ 1,2 à 1,9 points. L’optimisation a également révélé certains résultats contre-intuitifs, mettant en valeur les modèles développés. Une surface d’échange de chaleur finie optimale a ainsi été atteinte pour le réchauffeur HP, même sans contrainte, grâce à l’optimisation du titre de la vapeur extraite, son humidité impactant le rendement de la turbine HP. Par ailleurs, le rendement maximal a été atteint à charge partielle plutôt qu’à pleine charge, car la réduction de l’irréversibilité au condenseur l’emporte alors sur les effets opposés, principalement liés à l’étage d’admission PAA. Dans la seconde étude, un scénario de production purement électrique le jour, suivi d’une cogénération la nuit, a été étudié. La charge thermique de nuit fonctionne à 80%, accordant la même valeur à produire de la puissance électrique ou de la chaleur. Sur cette base, les résultats ont montré des valeurs optimales de 41% pour la chaleur produite en cogénération et de 25% pour la production électrique, démontrant ainsi la flexibilité du système dans la fourniture de quantités substantielles de chaleur à 150°C. L’optimisation multi-cas avec l’admission PAA/PAA a permis d’obtenir une puissance supplémentaire de 60 MWth pour la cogénération à cette température par rapport à FAA/FAA.