Une technologie de pointe pour la centrale de Chavalon
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Technologie ElEktrizitätsproduktion
Technologie production d‘élEctricité
Une technologie de pointe
pour la centrale de Chavalon
Une solution transitoire vers les énergies renouvelables
Les pertes de production électrique résultant de l’arrêt la phase de transition entre l’arrêt des
progressif des centrales nucléaires suisses ne pourront centrales nucléaires et leur remplace-
ment par les énergies renouvelables.
pas, dans un premier temps, être intégralement
compensées par les nouvelles énergies renouvelables et Principe d’une centrale
par l’amélioration de l’efficacité énergétique. Afin d’as- à cycle combiné
surer une production d’électricité flexible et planifiable Une centrale à cycle combiné repré-
qui permettrait de faciliter la phase de transition, sente la technologie la plus efficace en
matière de production d’électricité à par-
Centrale Thermique de Vouvry SA projette de construire tir de ressources fossiles. Un schéma du
une nouvelle centrale à cycle combiné au gaz naturel sur principe de fonctionnement d’une cen-
le site de Chavalon. trale de ce type est présenté en figure 1.
Les équipements principaux sont :
■■ la turbine à gaz, qui fournit environ les
deux tiers de l’électricité produite par la
centrale ;
Andrea Papina
■■ la chaudière de récupération, qui récu-
Suite aux événements de mars 2011 santes à moyen terme, les besoins res- père la chaleur contenue dans les gaz
au Japon, chaque pays a mené des tants pour les 3 à 4 prochaines décennies d’échappement de la turbine à gaz ;
réflexions sur sa propre politique énergé- devront être couverts par le biais d’im- ■■ la turbine à vapeur, qui fournit le tiers
tique. La Suisse a, quant à elle, décidé de portations d’électricité et de production restant de l’électricité produite par la cen-
changer radicalement son approvisionne- thermique à partir de ressources fossiles. trale à partir de la vapeur générée par la
ment en électricité : la production à partir La centrale à cycle combiné au gaz chaudière de récupération.
de centrales nucléaires, qui couvre naturel (CCGT) que Centrale Thermique Tel que son nom l’indique, la centrale
actuellement 40 % des besoins du pays, de Vouvry SA (CTV) projette de à cycle combiné est constituée de deux
sera progressivement abandonnée. construire sur le site de Chavalon cycles : le cycle gaz, dont fait partie la
Afin de compenser cette disparition et (Vouvry/VS) fait partie intégrante de turbine à gaz, et le cycle eau-vapeur com-
de garantir la sécurité d’approvisionne- cette stratégie. D’une puissance d’envi- posé par la chaudière de récupération, la
ment, le Conseil fédéral mise sur la pro- ron 400 MWel pour une production turbine à vapeur et le condenseur. C’est
motion intensive de l’efficacité énergé- annuelle de quelque 2 à 3 TWh, cette la combinaison de ces deux cycles qui
tique, l’énergie hydraulique et les centrale à haut rendement permettrait en permet d’optimiser l’utilisation de l’éner-
nouvelles énergies renouvelables. Ces effet d’assurer une production d’électri- gie fossile pour la production d’électricité
mesures n’étant probablement pas suffi- cité flexible et planifiable, qui faciliterait et de chaleur. A noter que cette dernière
CTV
Gaz
Gaz naturel d'échappement
Air
Chaudière
Turbine
à vapeur
Tours de
refroidissement
Turbine à gaz
Électricité
Eau de Vapeur Figure 1 Schéma du
refroidissement
principe de fonctionne-
Eau d'alimentation ment d’une centrale à
cycle combiné.
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Figure 2 Une turbine techniques et environnementales grâce
Alstom
à gaz. aux différentes installations auxiliaires.
Parmi elles, le traitement de l’eau brute
afin d’obtenir de l’eau déminéralisée
revêt une grande importance. Il permet
d’éviter des dégâts aux équipements pour
des raisons mécaniques (impuretés) ou
chimiques (corrosion). L’eau doit être
traitée afin d’éliminer les polluants tels
que les impuretés organiques, inorga-
niques, les particules en suspension ou
les contaminants biologiques.
Un transformateur élévateur est en
outre nécessaire afin de relier entre eux
les différents niveaux de tension, notam-
ment celui de l’alternateur avec celui du
peut être utilisée directement dans un Le deuxième cycle : le cycle vapeur réseau de transport à très haute tension
processus industriel ou intégralement Dans le cycle vapeur, les gaz d’échap- (THT). L’alternateur, typiquement à deux
convertie en énergie électrique, comme pement de la turbine à gaz entrent dans pôles pour une vitesse de rotation de
cela est prévu pour la centrale de Chava- une chaudière de récupération qui trans- 3000 tr/min, génère de l’électricité à une
lon. forme de l’eau préalablement déminéra- tension de 21 kV, qui est élevée à 220 kV
lisée en vapeur surchauffée qui peut grâce à un transformateur triphasé d’en-
Le premier cycle : le cycle gaz dépasser 550 °C et 130 bar. Cette vapeur viron 500 MVA.
Le cœur du premier cycle est composé est détendue dans une turbine à vapeur
de la turbine à gaz (figure 2). Il s’agit fon- (figure 3) au sein de laquelle l’énergie Chavalon, le renouvellement
damentalement d’une machine tournante cinétique est transformée en mouvement d’un site industriel
qui transforme l’énergie cinétique conte- rotatif de l’arbre, permettant ainsi à un L’emplacement de l’ancienne centrale,
nue dans les gaz issus de la combustion alternateur de produire de l’électricité inaugurée en 1966 et hors service depuis
en énergie mécanique, laquelle est supplémentaire. L’alternateur peut être le 1999, avait été choisi à l’époque à une
ensuite transformée en électricité par un même que celui de la turbine à gaz. Dès altitude de 833 m afin de minimiser les
alternateur. que la vapeur quitte la turbine, elle passe impacts sur l’environnement dans le Cha-
Le principe de fonctionnement de la par un condenseur, constitué de tubes blais. Les gaz d’échappement étaient
turbine à gaz est le suivant. Après avoir traversés par de l’eau de réfrigération, qui ainsi expulsés au-dessus de la couche
été filtré afin d’éliminer les impuretés permet de reconvertir la vapeur en eau. d’inversion qui s’installe souvent en hiver
solides, l’air ambiant (le comburant) est dans la région (figure 4).
comprimé à travers un compresseur axial Les installations auxiliaires La centrale était située à proximité de
fixé sur le même arbre que la turbine. À L’exploitation de la centrale est pos- la raffinerie de Collombey, d’où le com-
la fin du processus de compression, le sible dans le plein respect des contraintes bustible était transporté à Chavalon par
comburant peut atteindre une pression
de 30 bar et une température de 500 °C.
Alstom
Il poursuit alors son parcours vers la
chambre de combustion, dans laquelle,
grâce à l’apport du combustible (généra-
lement du gaz naturel), la combustion a
lieu à une température d’environ 1500 °C.
C’est dans ces conditions que les gaz
issus de la chambre de combustion
actionnent la turbine proprement dite.
Dans cette dernière, les gaz se détendent
sur plusieurs étages (généralement entre
2 et 5) en passant à travers des aubes qui
créent un mouvement rotatif et trans-
mettent un couple à l’arbre de la turbine.
Celui-ci est relié à l’arbre de l’alternateur,
qui génère ainsi de l’électricité.
À la sortie de la turbine, les gaz
d’échappement ont encore une tempéra-
ture supérieure à 500 °C. S’ils ne sont pas
récupérés, ils sont évacués par la chemi-
née et se dispersent dans l’atmosphère
(on parle dans ce cas d’un cycle « simple »
ou « ouvert »). Figure 3 Etages d’une turbine à vapeur.
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CTV
Scanderbeg Sauer Photography
Choix du site de Chavalon
30 m
1270
Air chaud
léger turbulent
953 953 m
120 m
Chavalon
Zone d'inversion = couvercle
680
Air froid
300 m
lourd
Variantes stable
380
Figure 4 Choix du site de Chavalon en 1966. Figure 5 Intérieur de l’ancienne chaudière.
le biais d’un oléoduc de 11,4 km. Elle sur le même arbre qui atteindra une lon- magne et l’Italie. C’est sur cette liaison
était composée de deux unités de gueur d’environ 100 m (configuration que le nouveau pipeline qui alimentera la
142 MWel, chacune dotée d’une chau- « single-shaft »). Cette solution est assez centrale de Chavalon se connectera avec
dière Sulzer monotubulaire à circulation habituelle dans cette classe de perfor- un tube en acier spécial d’environ
forcée (figure 5) brûlant 32 t/h de mazout mance et permet en outre de pallier une 400 mm de diamètre et 10 mm d’épais-
lourd afin de produire 460 t/h de vapeur disponibilité limitée de surface. La classe seur, enterré et donc invisible.
à 540 °C et 190 bar. L’électricité était de puissance sera de l’ordre de 400 MWel.
générée grâce à un alternateur Oerlikon Afin d’atteindre des niveaux d’émis- Une flexibilité maximale de
de 175 MVA, entraîné par une turbine à sions d’oxydes d’azote (NOx) largement fonctionnement
vapeur Escher Wyss de 150 MW. inférieurs aux limites de 50 mg/Nm3 Les nouvelles centrales à cycle com-
Bien que les équipements soient fixées par l’ordonnance pour la protec- biné peuvent fonctionner selon plusieurs
encore en bon état, ils sont devenus obso- tion de l’air (OPair), la centrale sera équi- modes : démarrage journalier, uniquement
lètes. Le rendement atteignable est en pée d’un catalyseur qui permettra d’at- pendant les heures de pointe ou 24h/24.
effet passé de 38 % pour l’ancienne cen- teindre des valeurs de moins de Pour une opération en continu, l’installa-
trale, à 58,5 % pour le projet de nouvelle 10 mg/Nm3, soit 80 % plus basses que la tion n’a pas besoin d’équipements particu-
CCGT. Ce constat a motivé la décision limite légale. liers. Un fonctionnement avec un démar-
de ne pas réutiliser les équipements exis- rage journalier peut, quant à lui, être
tants, mais de construire une nouvelle Un site fort d’atouts importants facilité par l’installation d’appareils sup-
centrale à cycle combiné avec la meil- L’emplacement de Chavalon présente plémentaires qui évitent un refroidisse-
leure technologie disponible, un rende- des atouts très intéressants qui favorisent ment excessif des machines pendant les
ment à la pointe du progrès et des l’installation d’une centrale à cycle com- périodes d’arrêt. Grâce à l’optimisation
impacts sur l’environnement réduits au biné. Premièrement, le site est déjà des séquences de démarrage, il est ainsi
strict minimum. affecté comme zone industrielle depuis possible d’atteindre la pleine puissance de
l’implantation de la centrale dans les l’installation en 30 minutes. Une fois l’ins-
Le projet de nouvelle centrale à années 60. Ainsi, lors de la mise à l’en- tallation en service, des variations de
cycle combiné au gaz naturel quête de la nouvelle centrale, une seule charge entre 100 % et 50 % sont techni-
Les spécificités du site ont été analy- opposition a été déposée de la part d’une quement possibles dans un délai de
sées dans l’étude de faisabilité du projet personne privée. quelques minutes, tout en respectant les
afin d’optimiser la taille de la centrale Deuxièmement, le site est déjà contraintes environnementales.
ainsi que sa configuration (figure 6). Par connecté au réseau de transport THT et Une CCGT peut aussi fournir des pres-
exemple, la disponibilité d’eau à basse ne nécessitera pas la construction d’une tations de services système en faveur du
température a motivé le maintien d’un nouvelle ligne électrique. Les travaux mis réseau THT, en permettant tous les types
système de refroidissement très perfor- à l’enquête concernent le reclassement de réglages de tension ou de fréquence,
mant basé sur des tours de refroidisse- de la ligne actuelle. du primaire au tertiaire. Des variations de
ment par voie humide. Finalement, un gazoduc de transport charge de l’ordre de 2 MW/s sont pos-
L’étude a conseillé une configuration majeur se trouve à 4,5 km du site. Il relie sibles, ce qui permet, par exemple, de
1-1-1, c’est-à-dire une turbine à gaz, une le réseau de gaz français au gazoduc prin- mettre à disposition jusqu’à ± 30 MW de
turbine à vapeur et un seul alternateur cipal qui traverse la Suisse entre l’Alle- puissance de réglage primaire.
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Une solution énergétique
CTV
globalement plus efficace
La centrale prévue à Chavalon récu-
pérera le maximum de chaleur résiduelle
afin de produire exclusivement de l’élec-
tricité, sans utilisation directe de la cha-
leur (par exemple pour du chauffage ou
l’industrie). Ainsi, son rendement sera
d’environ 58,5 %.
Le rendement des couplages chaleur-
force (CCF) peut quant à lui dépasser les
80 %. Toutefois, il est fondamental de dif-
férencier le rendement électrique du ren-
dement thermique. Le rendement élec-
trique est le rapport entre l’électricité
générée et l’énergie contenue dans le
combustible utilisé à cette fin. Le rende-
Figure 6 Photomontage de la nouvelle centrale de Chavalon. ment thermique est le rapport entre la
chaleur utilisable produite et l’énergie
contenue dans le combustible.
Intégration des nouvelles réglage. Vu l’importance de capturer Calculer un rendement total en addi-
énergies renouvelables « sur le moment » la production élec- tionnant l’électricité produite avec la cha-
La nouvelle centrale de Chavalon trique de ces sources renouvelables, le leur générée qui pourrait être utilisée
pourrait jouer un rôle important dans le réseau subit d’importantes fluctuations pour du chauffage à distance, équivau-
développement des nouvelles énergies qui doivent être prises en charge par une drait à affirmer qu’un kWh thermique est
renouvelables (NER). Directement source alternative toujours disponible et égal à un kWh électrique. Or, la chaleur
dépendantes des conditions météorolo- planifiable. Grâce à son exploitation et l’électricité ne sont pas facilement
giques, les éoliennes et les installations flexible, la centrale de Chavalon offrirait interchangeables. Elles n’ont pas les
photovoltaïques génèrent en effet une un moyen efficace de combler les fluctua- mêmes applications et dès lors, les deux
production irrégulière et non prédictible tions imprévisibles provoquées par la types de rendements ne sont pas compa-
qui nécessite un apport en énergie de plupart des NER. rables.
Pour comparer,
il faut rendre comparable
CTV
Un système énergétique qui couple-
rait l’électricité de Chavalon avec des
pompes à chaleur modernes, en rempla-
cement de systèmes de chauffage à éner-
gie fossile, présenterait un excellent
bilan énergétique. Une telle application,
utilisant les réseaux de distribution élec-
triques existants, serait plus simple, plus
rapide et moins coûteuse à mettre en
place qu’un système de chauffage à dis-
tance. Comme indiqué dans la figure 7,
un tel concept serait plus favorable en
termes de rendement énergétique (envi-
ron 4 points de pourcentage) que l’ex-
ploitation de la chaleur produite par la
centrale, qui nécessiterait la réalisation
préalable d’un réseau de chauffage à dis-
tance et limiterait la flexibilité d’exploi-
tation de la centrale.
La question du CO2
La production d’électricité à partir des
CCGT alimentées au gaz naturel est celle
qui génère le moins de CO2 par kWh pro-
duit parmi les centrales à combustible
fossile.
Figure 7 Comparaison des bilans énergétiques avec (à droite) ou sans (à gauche) utilisation Le cadre législatif applicable aux pro-
partielle de la chaleur pour des applications de chauffage à distance. jets de centrales à gaz en Suisse prévoit
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l’obligation pour l’exploitant de la cen- production d’électricité à partir d’éner-
trale de compenser intégralement les gie fossile. Grâce à la flexibilité opéra-
émissions de CO2 qui seraient produites tionnelle qui caractérise ce type de cen-
pendant toute sa durée de vie opération- trale, elle pourrait être exploitée dans
nelle. Pour Chavalon, ces émissions différents modes de production, selon la
pourraient être de l’ordre de 750 000 t/an, demande et à tout moment. Pendant sa
en fonction du régime de fonctionne- durée de vie d’environ 25 ans, elle four-
ment de la centrale. Selon la législation, nirait ainsi un complément fiable et pla-
dès 2013, au moins 50 % des émissions nifiable à la production stochastique des
de CO2 devraient être compensés en NER.
Suisse et le solde par le biais de certifi- Situé en zone industrielle, connecté au
cats de réduction des émissions obtenus réseau THT et proche du gazoduc de
à l’étranger. transport, le site de Chavalon a des atouts
CTV a donc développé un programme importants pour l’implantation d’une cen-
de compensation des émissions de CO2 trale à cycle combiné. Grâce à des équipe-
en Suisse en collaboration avec les asso- ments à la pointe de la technologie, la
ciations InfraWatt, energo et GSP (Grou- centrale récupérera le maximum de cha-
pement professionnel suisse des pompes leur résiduelle afin de produire exclusive-
à chaleur), avec un potentiel supérieur ment de l’électricité. Une solution qui cou-
aux besoins de la centrale. Il s’agit plerait cette électricité avec des pompes à
notamment de récupérer de la chaleur et chaleur modernes, en remplacement de
de l’électricité dans des installations systèmes de chauffage fossiles, présenterait
d’incinération de déchets et de traite- par exemple un excellent bilan énergé-
ment des eaux usées, de rendre des bâti- tique. La centrale de Chavalon respecte-
ments moins énergivores ou encore de rait de plus pleinement les contraintes
développer l’installation de pompes à environnementales et compenserait inté-
chaleur. gralement ses émissions de CO2.
En septembre 2012, l’Office fédéral de
l’environnement (OFEV) et CTV ont Lien
■■ www.chavalon.ch
signé un contrat qui fixe les conditions de
compensation des émissions de CO2 de Informations sur l’auteur
la centrale de Chavalon. Andrea Papina est ingénieur
ETHZ en mécanique, avec forma-
Conclusions tion postgrade auprès de l’IMD à
Ces prochaines années, le parc de Lausanne. Après l’obtention de son
diplôme en 1997, il a acquis une
production d’électricité de Suisse se grande expérience dans tous les
développera par le biais des nouvelles domaines qui touchent les cen-
énergies renouvelables. La centrale à trales thermiques. Il est actuelle-
cycle combiné de Chavalon pourrait ment chef de projet pour la nouvelle centrale à cycle
combiné de Chavalon.
faciliter cette évolution tout en offrant le Centrale Thermique de Vouvry SA, 1003 Lausanne,
meilleur rendement possible pour la andrea.papina@alpiq.com
Zusammenfassung
Spitzentechnologie für das Kraftwerk Chavalon
Eine Übergangslösung hin zu erneuerbaren Energien
Die durch die stufenweise Abschaltung der Schweizer Kernkraftwerke wegfallende Strom
erzeugung kann vorerst nicht vollständig durch die neuen erneuerbaren Energien und die
Steigerung der Energieeffizienz kompensiert werden. Um die mittelfristige Versorgung des
Landes sowie eine flexible und planbare Stromerzeugung sicherzustellen, die die Übergangs
phase erleichtern, plant die Centrale Thermique de Vouvry SA den Bau eines neuen Gasund
DampfKombikraftwerks in Chavalon.
Dank der Einrichtungen, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen, kann dieses
Kraftwerk die gesamte nutzbare Abwärme verwerten, um ausschliesslich Strom zu erzeugen
und auf diese Weise einen Wirkungsgrad von ca. 58,5 % zu erreichen – den höchstmöglichen
Wirkungsgrad für die Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern.
Zusätzlich wird es aufgrund der hervorragende Betriebsflexibilität, die diese Art von
Kraftwerken auszeichnet, möglich sein, je nach Bedarf gemäss unterschiedlichen Erzeugungs
profilen zu produzieren. Ausserdem erfüllt das Kraftwerk Chavalon sämtliche Umweltauflagen
und kompensiert seine CO2Emissionen vollständig. CHeVous pouvez aussi lire
