Analyse quantitative des cycles, bilans énergétiques et exergétique

L'analyse des performances d'une technologie conduit de manière classique à calculer son bilan énergétique. En complément, notamment lorsque l'on cherche à optimiser un système, l'établissement de son bilan exergétique présente un grand intérêt, car ce bilan permet de quantifier les irréversibilités.

Bilans exergétiques des cycles simples

Pour les cycles simples, dresser un bilan exergétique ne pose pas de difficulté particulière mais demande à être fait avec grand soin faute de quoi des erreurs peuvent être commises.

La note méthodologique détaillée téléchargeable depuis le lien ci-dessous a été rédigée à cet effet. Elle est complétée par une feuille de calcul Excel qui permet, moyennant quelques précautions, de réutiliser les fichiers de résultats de Thermoptim.

De plus, la séance Diapason S06, qui traite spécifiquement de l'établissement des bilans exergétiques, vous guidera dans vos premiers pas, et les séances S23, S28 et S32 vous aideront à dresser les bilans exergétiques d'une turbine à gaz, d'une centrale à vapeur ou d'une machine frigorifique à compression de vapeur.

 

---

Bilans exergétiques des cycles complexes

Même en utilisant le tableur ci-dessus, l'établissement du bilan exergétique d'un système un peu compliqué peut se révéler difficile en pratique, et ceci pour deux raisons principales  :

• d'une part de nombreuses modifications doivent être apportées au tableur ; même si chacune est relativement simple, leur nombre multiplie les risques d'erreur ;
• d'autre part les bilans exergétiques n'étant pas conservatifs, il n'existe pas de moyen simple de vérifier la cohérence du bilan obtenu.

Dès lors que le système étudié est un peu complexe, l'établissement de son bilan exergétique peut ainsi se révéler un parcours semé d'embûches

Structures productives

Il se trouve qu'il est possible d'automatiser l'établissement des bilans exergétiques, même pour des systèmes complexes, en introduisant un nouveau type de schéma appelé structure productive par Valero, qui est un graphe permettant de représenter les produits ou consommations d'exergie des différents composants d'un système énergétique.

Notons qu'il n'est bien évidemment pas impératif de recourir aux structures productives pour dresser des bilans exergétiques. Ce que nous disons, c'est que les structures productives :

• permettent d'obtenir une représentation graphique très parlante des flux d'exergie dans un système énergétique
• peuvent être très largement automatiquement générées dès lors que l'on dispose d'un schéma Thermoptim et de son paramétrage thermodynamique
• facilitent et sécurisent l'établissement des bilans exergétiques
• présentent de plus l'intérêt de déboucher sur des analyses thermo-économiques pour ceux qui souhaitent en effectuer.

Structure productive d'un cycle à vapeur

Une telle structure productive s'interprète très simplement : la centrale à vapeur est une machine qui reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau de la chaudière, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau de la pompe, qui sont les deux unités productives à gauche de l'écran. Cette exergie est dissipée dans la turbine et dans le condenseur. Le travail net correspond à la fraction de puissance mécanique non recyclée.

Une structure productive peut être partiellement établie si l'on connaît le schéma physique (schéma Thermoptim) et le paramétrage thermodynamique (projet Thermoptim) :

•  dans une première étape, on crée toutes les unités productives en respectant des règles de correspondance précises. Etant donné qu'il faut généralement deux icônes pour chaque composant (l'unité productive et le nœud), il est fréquent que l'on introduise des jonctions en série et des embranchements en série, qui peuvent très bien être regroupés pour simplifier la structure productive ;
• aussi, dans une deuxième étape, on identifie les pseudos-noeuds en série, et on les fusionne ;
• dans une troisième étape, on finit de renseigner la structure productive, en paramétrant les écrans des bilans exergétiques associés à chaque UPD. Par exemple, les entrées d'exergie bleues (puissance mécanique) ne sont pas connectées à ce stade, tout comme ne sont pas définies les températures des sources externes avec lesquelles des exergies-chaleur sont échangées.

Il est alors possible de générer automatiquement le bilan exergétique du cycle.

Bilan exergétique pour le cycle à vapeur obtenu à partir de la structure productive

Vous trouverez quelques compléments sur les structures productives dans les documents suivants :

• une séance Diapason qui présente cette démarche et fournit quelques exemples de bilans exergétiques générés de cette manière
• une page Web présentant les structures productives et bilans exergétiques de quelques cycles.

Remarque

La version de Thermoptim qui permet d'éditer des structures productives et de dresser des bilans exergétiques est en cours de développement et n'est pas encore diffusée commercialement. Si vous êtes intéressé par ces développements, adressez-vous à info-th@thermoptim.org.

Référence

Valero, A., Serra, L., Uche, J., Fundamentals of thermoeconomics, lectures 1-3, Euro summer course on sustainable assesment of clean air technologies, téléchargeable sur le site Web du CIRCE.