Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

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Dédicace

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A

Ø Ma mère, Samouanayon TIAO

Ø Mon cher regretté père, Drissa NEBIE

Ø Mon épouse, Diane Clotilde Saré NEBIE, et ma fille perla Ashley Olivia NEBIE

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Remerciements

Ce travail n'aurait pas pu voir le jour sans l'aide et le concours combien inestimable de plusieurs personnes, à qui nous tenons à exprimer très sincèrement toute notre reconnaissance:

Au Pr Florent KIENOU, pour avoir accepté présider le Jury.

A Mr Karim KABORE, pour sa participation au Jury en qualité de rapporteur.

A Mr François de Salle OUEDRAOGO, Directeur Général de la SONABEL, mes remerciements pour m'avoir accordé ce stage au sein de son entreprise.

Grand merci au Dr François OUEDRAOGO, enseignant-chercheur à l'université de Nazi Boni, qui malgré ses multiples occupations a accepté de superviser mes travaux de recherche.

A Mr Hamidou SAWADOGO, Chef de service Production Thermique Ouaga Nord, mes remerciements pour avoir accepté de diriger mes travaux de stage en entreprise.

Au corps enseignants et aux personnels administratifs de l'ESTA, je dis merci pour leur disponibilité et leur patience.

Je n'oublie pas non plus de remercier l'ensemble des agents de la centrale de production thermique de Kossodo.

A toute ma famille et à mes amis qui m'ont soutenu par leurs encouragements pour la réussite de ce travail, je les remercie du fond du coeur.

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Sommaire

Dédicace I

Remerciements II

Sommaire III

Liste des figures IV

Liste des tableaux V

Liste des sigles et abréviations VI

Nomenclature des variables VII

Introduction générale 1

Chapitre 1: Généralités sur le site d'étude, le projet d'étude, les combustibles et la

combustion 4

Chapitre 2: Dimensionnement du cycle à vapeur 19

Chapitre 3: Etude environnementale et financière 37

Conclusion générale et perspectives 43

Bibliographie 45

Webographie 45

Table des matières 47

Annexes 50

Resumé 55

Abstract 55

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Liste des figures

Figure 1 : Parcours des combustibles pour atteindre le G8 15

Figure 2 : Fonctionnement d'un moteur à quatre temps 17

Figure 3 : Cycle à vapeur existant 20

Figure 4 : Cycle à vapeur utilisé dans le cadre de l'étude 21

Figure 5 : Diagramme TS du cycle à vapeur 22

Figure 6 : Caractéristiques de l'eau à l'entrée de la chaudière 29

Figure 7: Caractéristiques de l'eau à la sortie de la chaudière 30

Figure 8 : Caractéristiques de la vapeur à la fin de la détente 33

Figure 9 : Diagramme unifilaire général 35

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Liste des tableaux

Tableau 1 : Caractéristiques des groupes thermiques de Kossodo 5

Tableau 2 : Caractéristiques du HFO et du DDO 16

Tableau 3 : Caractéristiques du fluide à l'entrée et à la sortie de la chaudière28

Tableau 4 : Caractéristiques de la vapeur au niveau de la turbine 34

Tableau 5 : Coût d'investissement (CI) 39

Tableau 6 : Coût de maintenance (CM) 40

Tableau 7 : Chiffre d'affaire lié à la mise en place de la turbine à vapeur 40

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Liste des sigles et abréviations

CI Coût d'investissement

CM Coût de maintenance

CRCO Centre Régionale de Consommation de Ouagadougou

DDO distillate diesel oil

G1 groupe thermique N°1

G2 groupe thermique N°2

G3 groupe thermique N°3

G4 groupe thermique N°4

G5 groupe thermique N°5

G6 groupe thermique N°6

G7 groupe thermique N°7

G8 groupe thermique N°8

HFO Heavy fuel oil

HT haute température

PMB point mort bas

PMH point mort haut

SONABEL Société Nationale d'Electricité du Burkina

SPTON Service de Production Thermique Ouaga Nord

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Nomenclature des variables

Notation	Désignation	Unité
. m	Débit massique	kg/s
wecoul	Travail d'écoulement	kJ
wext	Travail d'extraction	kJ
wins	Travail d'insertion	kJ
lel	Rendement électrique	-
?isen	Rendement isentropique	-
c	Vitesse	m/s
h	Enthalpie massique	kJ/kg
p	Pression	bar
PCI	Pouvoir calorifique inférieur	kJ/kg
PCS	Pouvoir calorifique supérieur	kJ/kg
. Q	Puissance thermique	W
S	Entropie massique	kJ/kg
T	Température	°C
u	Energie interne massique	kJ/kg
v	Volume spécifique	m^3/kg
z	Altitude	m
?	Masse volumique	Kg/m^3

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Introduction générale

L'énergie électrique est de nos jours, un des vecteurs de croissance économique et industrielle les plus importants. Depuis sa première production au XVII siècle, elle a marqué de façon considérable le mode de vie des hommes et est devenue l'une des sources d'énergie les plus courantes dans la vie quotidienne.

Il existe différents moyens de production de l'énergie électrique.

Dans les centrales hydroélectriques, par exemple, on utilise à la source l'énergie hydraulique qui sert à produire de l'énergie mécanique convertie par la suite en électricité.

Dans les centrales thermiques, c'est l'énergie calorifique qui est utilisée pour produire de l'énergie mécanique, laquelle sera convertie en énergie électrique.

Les centrales nucléaires quant à elles, utilisent actuellement l'énergie provenant de la fission des atomes; ensuite les étapes de conversion sont les mêmes que dans une centrale thermique classique.

On peut citer aussi l'énergie éolienne, l'énergie solaire et bien d'autres sources encore, toutes utilisées pour produire de l'électricité.

Dans certains pays comme le BURKINA FASO ne disposant pas d'assez de ressources hydriques, ni de ressources en gaz naturel pouvant abriter de grandes centrales, on a recours aux centrales thermiques diesel pour la production de l'énergie électrique.

Cependant, les centrales thermiques diesel sont d'une part de fortes consommatrices d'énergies primaires, d'autres parts de véritables sources de pollution de l'environnement.

Il est donc nécessaire de trouver des voies et moyens pour réduire la consommation en énergies primaires de nos centrales thermiques, réduisant

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ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Nous nous proposons donc de mener une étude sur le thème: «valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo».

A travers ce thème, nous envisageons de produire de l'énergie électrique supplémentaire à partir d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8.

Ce travail est subdivisé en trois (03) chapitres.

Le premier chapitre présente la centrale thermique diesel de Kossodo, le projet d'étude et fait un aperçu sur les combustibles liquides et la combustion. Cette présentation consistera d'une part à donner la position géographique de la centrale thermique de Kossodo, l'historique de sa construction et un aperçu sur ses différents bâtiments et unités de production d'énergie et d'autres parts, la méthodologie de l'étude et ses objectifs.

Quant aux généralités sur les combustibles et la combustion, il s'agira de présenter les conditions de réalisation d'une combustion, les aspects environnementaux de la combustion ainsi que les caractéristiques des combustibles liquides.

Le second chapitre est consacré au dimensionnement du cycle à vapeur. Il y est question de modifier le cycle à vapeur existant à la centrale thermique G8 en cycle de Rankine par l'ajout d'une turbine à vapeur dimensionnée à cet effet, d'évaluer l'énergie supplémentaire produite suite à la mise en place de la turbine de vapeur et d'injecter cette énergie dans le réseau électrique.

Quant au troisième et dernier chapitre, il traite de l'étude environnementale et financière du projet. En effet, ce chapitre tout d'abord, présente l'impact de la modification du cycle à vapeur sur la réduction des émissions des gaz à effet de serre. Ensuite, il évalue non seulement les coûts de réalisation du projet mais également ses retombées financières.

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A l'issu du dernier chapitre, une synthèse de l'étude est présentée, suivie de recommandations pour l'amélioration de l'étude.

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Chapitre 1: Généralités sur le site d'étude, le projet d'étude,les combustibles et la combustion

Ce chapitre est subdivisé en trois sections. Dans la première section, un bref aperçu sur la centrale thermique de Kossodo est présenté; notamment sa situation géographique, ses unités de production et ses différents bâtiments.

Dans la seconde section, les objectifs et la méthodologie de l'étude sont présentés. La dernière section est consacrée d'une part, à l'étude des combustibles liquides et d'autre part aux principes de la combustion notamment, ses conditions et ses aspects environnementaux.

1.1 Présentation de la centrale de Kossodo

La centrale thermique diesel de Kossodo est la troisième centrale thermique diesel de la ville de Ouagadougou à être construite après les centrales Ouaga I et Ouaga II. Elle relève du Service Production Thermique Ouaga Nord, qui dépend du Département Production Thermique Ouaga et qui, dans l'organigramme de la SONABEL, est rattaché à la Direction de la Production.

1.1.1 Situation géographique

La centrale de Kossodo est située dans la zone industrielle de Kossodo, au Nord-est de la ville de Ouagadougou. Elle contribue à satisfaire la demande en énergie électrique du réseau interconnecté.

1.1.2 Historique

La construction de la centrale de Kossodo a répondu à un impératif: satisfaire la demande en énergie électrique de la Clientèle du Centre Régional de Consommation de Ouagadougou (CRCO). En effet, en 1999, face à la croissance importante de la demande en énergie électrique du CRCO, la

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SONABEL a entrepris la construction en urgence d'une centrale de production thermique diesel afin de pouvoir satisfaire les besoins énergétiques de la clientèle au cours de l'année 2000.

1.1.3 Unités de production de la centrale de Kossodo

La centrale de Kossodo compte de nos jours huit (8) groupes électrogènes installés en plusieurs phases, et fonctionnant avec les combustibles suivants: HFO et DDO. Les huit (8) groupes électrogènes de la centrale présentent une puissance installée de 59,5 MW.

Les caractéristiques ainsi que les dates de mise en service des groupes sont renseignées dans le tableau 1 :

Tableau 1 : Caractéristiques des groupes thermiques de Kossodo

Groupes				puissance
N°	Type	Vitesse	Fabriquant	Nom.	inst.	Comb	Mise en service
		(t/mn)		(kVA)	( kW )
1	18V28/32H	750	MAN&BW	4 750	3 500	HFO	15-mars-00
2	BV16M640	600	DEUTZ	8 250	6 000	HFO	17-juil-00
3	BV16M640	600	DEUTZ	8 250	6 000	HFO	17-juil-00
4	BV16M640	600	DEUTZ	8 000	6 000	HFO	20-mai-03
5	BV16M640	600	DEUTZ	8 000	6 000	HFO	24-nov-04
6	W18V32	750	Wärtsilä	10 040	7 000	HFO	25-mars-06
7	W18V32	750	Wärtsilä	10 040	7 000	HFO	25-mars-06
8	18V48/60B	500	MAN&BW	23 105	18 000	HFO	25-nov-06
Totaux				80 435	59 500

1.1.4 Principaux bâtiments et ouvrages de la centrale

En plus des groupes thermiques, la centrale de Kossodo dispose d'autres ouvrages. Il s'agit entre autres:

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> d'un bâtiment abritant le premier groupe (G1) et ses équipements électriques ;

> d'un bâtiment à deux niveaux comportant pour l'essentiel :

· la salle de commande de la centrale;

· la salle des machines dite «centrale DEUTZ )> qui abrite les 4 groupes (G2 à G5) et leurs auxiliaires;

· le local des cellules 33kV ;

· le premier magasin de pièces de rechange et l'atelier de soudure;

· les bureaux du personnel d'encadrement, de la maintenance et de l'exploitation;

· la salle de documentation de la centrale.

> d'un bâtiment appelé «centrale 14MW )> abritant les groupes 6 et 7 de marque Wärtsilä et leurs auxiliaires;

> d'un bâtiment dit « WORK SHOP)> comprenant:

· les bureaux pour les sections de maintenance;

· le laboratoire d'analyse;

· les ateliers mécaniques et électriques;

· le deuxième magasin de pièces de rechange.

> d'un bâtiment appelé «centrale 18MW )> abritant le groupe thermique N°8 de marque MANB&W et ses auxiliaires;

> des locaux techniques destinés aux auxiliaires de la centrale : les postes 15kV et 33kV, les centrifugeuses de combustibles, les pompes de transfert et d'alimentation de combustibles, et les pompes d'eau;

> des parcs de stockage de combustibles; > des réservoirs de stockage d'eau;

> de deux plateformes de jaugeage avec chacun un terminal de dépotage des camions citernes de combustibles;

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Ø de trois bassins de décantation des effluents et un incinérateur de déchet;

Ø de trois logements pour le personnel d'astreinte;

Ø d'un bâtiment à l'usage du commis et des agents dépoteurs ;

Ø d'un local archive recevant une partie de la documentation;

Ø d'un local annexe comportant une salle de réunion et bureaux de chantier.

1.2 Présentation du projet d'étude

Notre étude porte sur la valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique N°8 de la centrale thermique de Kossodo. Dans la suite, il sera question de présenter la méthodologie de l'étude ainsi que ses objectifs.

1.2.1 Méthodologie

Notre étude consiste à récupérer à haute température (HT), une partie de la chaleur à l'échappement du moteur du groupe thermique N°8 de la centrale de Kossodo. Cette chaleur récupérée est utilisée pour amener l'eau de l'état liquide à l'état vapeur surchauffée. La vapeur produite permet à l'aide d'une turbine à vapeur de produire du travail mécanique. Le travail mécanique quant à lui est converti en énergie électrique par l'intermédiaire d'un alternateur.

1.2.2 Objectifs de l'étude

1.2.2.1 Objectif principal

L'objectif principal de notre étude est non seulement de réduire la consommation d'énergies primaires du groupe thermique numéro 8 de la centrale de Kossodo, mais aussi ses émissions de CO2.

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1.2.2.2 Objectifs spécifiques

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Ø Evaluer la quantité de chaleur récupérable à l'échappement du moteur du groupe G8.

Ø Dimensionner la turbine à vapeur pour la conversion de l'énergie calorifique en énergie mécanique.

Ø Evaluer la puissance supplémentaire produite.

Ø Evaluer la quantité de CO2 dont l'émission dans l'atmosphère a été évitée.

Ø Evaluer les gains liés à la réalisation du projet.

1.2.3 Question de recherche

La mise en place d'un cycle de Rankine pour la récupération de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement des groupes thermiques n'est-elle pas une solution pour réduire la consommation d'énergies primaires d'une centrale thermique diesel?

1.3 Généralités sur les combustibles liquides et la combustion

La combustion est l'élément commun à la plupart des systèmes de conversion thermique, de plus cette étude porte sur la valorisation de la chaleur des gaz d'échappements, qui sont les produits d'une combustion. Cette section est donc consacrée d'une part, à l'étude des combustibles liquides et d'autre part aux principes de la combustion notamment, ses conditions et ses aspects environnementaux.

1.3.1Généralités sur les combustibles liquides

D'une façon générale, trois catégories de combustibles sont utilisés lors des réactions de combustion, ce sont essentiellement: les combustibles solides, les combustibles liquides et les gaz. Les groupes thermiques de la centrale de

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Kossodo fonctionnent au HFO et DDO qui sont des combustibles liquides. C'est pourquoi, dans la suite il est question de la composition et des caractéristiques des fuels.

1.3.1.1 Composition des fuels

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Les fuels sont des mélanges d'hydrocarbures avec comme constituants principaux, le carbone et l'hydrogène. Aussi, suivant leur origine, ils renferment des teneurs relativement importantes en soufre, en azote, en cendres minérales, en eau....

Ce sont généralement des produits extraits de pétrole brut mais ils peuvent être également des huiles de goudron de houille. Les fuels provenant du pétrole peuvent être classés en trois grandes catégories:

Ø les fuels composés uniquement de distillats obtenus à partir des bruts.

Ce sont des combustibles très fluides, destinés aux installations de faible puissance et au chauffage domestique en particulier;

Ø les combustibles lourds essentiellement composés des résidus de distillation sont destinés aux usages industriels;

Ø les mélanges des deux catégories précédentes, utilisables dans les chaufferies domestiques relativement importantes et dans certaines unités industrielles.

1.3.1.2 Caractéristiques des fuels

Dans le monde industriel, les combustibles liquides sont choisis en fonction de certaines propriétés. Parmi ces propriétés on peut citer:

Ø le pouvoir calorifique: c'est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible. L'unité du pouvoir calorifique est le kJ·kg^-1.

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Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantité d'énergie. Ce paramètre est donc pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique. Ainsi, on définit:

· le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : ((Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée » ;

· le pouvoir calorifique inférieur (PCI ) : ((Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée ».

La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l'eau ( L_v), multipliée par la masse (m) de vapeur produite.

On a la relation: PCS = PCI + m.L_v

Ø la densité: c'est le rapport entre la masse du combustible et son volume à une température de référence de 15°C. La densité se mesure à l'aide d'un hydromètre. Elle s'exprime en kg/m^3.

Ø la viscosité: c'est la mesure de résistance interne du combustible à l'écoulement. Elle dépend de la température et décroit lorsque la température augmente. Une valeur donnée de la viscosité n'a de sens qu'à une température donnée.

La viscosité d'un combustible se mesure à l'aide d'un viscosimètre.

Ø le point d'éclair: c'est la température minimale à laquelle un combustible commence à émettre des vapeurs susceptibles de former avec l'air, un mélange dont l'inflammation se produit au contact d'une flamme utilisée comme amorce.

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1.3.2Généralités sur la combustion

1.3.2.1 Definition

La combustion est une réaction chimique exothermique (avec dégagement de chaleur) qui se produit en portant à une température donnée, un mélange d'oxygène et de combustible.

1.3.2.2 Conditions de la combustion

Pour qu'il ait combustion, il faut trois éléments composant le « triangle de feu » : un combustible, un comburant et une température suffisante pour l'amorçage. En effet, pour amorcer et propager la réaction de combustion, il faut :

Ø que le combustible et le comburant soient intimement mélangés ;

Ø que le combustible et le comburant soient en proportions telles que le mélange soit inflammable ;

Ø qu'un point de ce mélange soit porté à une température supérieure à la température d'inflammation du combustible.

Ensuite, pour permettre la poursuite de la combustion, il faut à la fois :

Ø assurer l'alimentation continue en combustible et en comburant de façon à satisfaire aux trois conditions ci-dessus ;

Ø évacuer les produits de combustion au fur et à mesure de leur formation.

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1.3.2.3 Produits de combustion des fuels

On distingue essentiellement deux types de combustion, à savoir la combustion complète et la combustion incomplète.

On parle de combustion complète quand tous les éléments du combustible sont effectivement brûlés au cours de la réaction, dans le cas contraire elle est dite incomplète.

Pour une certaine quantité de fuel, il y a une quantité d'air nécessaire et suffisante pour assurer sa combustion complète dite combustion stoechiométrique.

La quantité d`air nécessaire pour la combustion stoechiométrique de l'unité de masse du combustible est appelé pouvoir comburivore du combustible ou volume théorique.

Les produits de la combustion stoechiométrique sont essentiellement: le gaz carbonique, la vapeur d'eau et l'azote.

Il peut arriver qu'un volume d'air supérieur ou inférieur au volume théorique soit utilisé dans un processus de combustion :

Ø lorsque le volume d'air est supérieur au volume théorique, on a une combustion complète en excès d'air. Les gaz d'échappement contiennent alors en plus des produits de combustion stoechiométrique, le comburant restant.

Ø lorsque le volume d'air est inférieur au volume théorique, on a une combustion incomplète. Dans ce cas, les gaz brulés contiennent du monoxyde de carbone ou même des particules de carbone et d'autres imbrulés.

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1.3.2.4 Quantité de co2 rejetée dans l'atmosphère

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Dans la plupart des réactions de combustion, le comburant n'est pas de l'oxygène pur, mais de l'air généralement pris directement de l'atmosphère et supposé avoir une composition constante. A toute fin pratique, nous considérons dans les calculs de combustions que l'air est composé d'oxygène et d'azote dans les rapports volumétriques ou moléculaires respectifs de 0,21 et 0,79. Ainsi, on peut écrire :

1 mole de O2 + 3,76 moles de N2 4,76 moles d'air

D'une façon générale, lors d'une combustion, la quantité de CO2 rejetée dans l'atmosphère est proportionnelle à la quantité de combustible consommée.

En effet, considérons la combustion stoechiométrique de l'octane (C8H18) qui est un hydrocarbure liquide:

L'équation de la combustion stoechiométrique s'écrit de la façon suivante:

C8H18 + 12,5 {O2 + [3,76] N2} 8CO2 + 9H2O + 12,5 [3,76] N2

D'après l'équation de la combustion stoechiométrique de l'Octane, une mole (01) d'Octane produit huit (8) moles de gaz carbonique.

La masse molaire de l'Octane est: M=114 g.mol^-1

La masse molaire du gaz carbonique est: M=44 g.mol^-1

Ainsi, la combustion de 114 g d'octane (C8H18) produira 352 g de gaz carbonique (CO2). Connaissant la masse volumique de l'Octane p = 703 kg / m , on

3

déduit que la combustion de 1 m³ d'Octane produit 2109 kg de CO2 soit environ 2,11 g de gaz carbonique produit pour 1 l d'Octane brulé.

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1.3.3Cas du groupe thermique N°8 de la centrale de Kossodo

1.3.3.1 Type de combustible utilisé

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Le groupe thermique N°8 fonctionne essentiellement à l'aide de deux types de combustibles. Il s'agit du gasoil (DDO) et du fuel lourd (HFO) :

1.3.3.1.1 Le HFO

C'est un combustible très visqueux contenant des impuretés notamment de la boue, de l'eau et du soufre. Il subit un traitement à l'aide d'une centrifugeuse. Il est chauffé pour faciliter sa circulation dans les canalisations et pour obtenir une viscosité adéquate au moment de son injection dans la chambre de combustion. Le ravitaillement des groupes est possible grâce aux auxiliaires comme les électropompes, les réchauffeurs et les centrifugeuses.

1.3.3.1.2 Le DDO

C'est un combustible léger et beaucoup plus propre que le fuel lourd, mais plus coûteux. Il est donc moins utilisé que ce dernier. Il ne nécessite pas un traitement important avant son utilisation.

Il est utilisé principalement lors du démarrage et de l'arrêt d'un groupe, pour permettre d'y injecter le fuel lourd quand le moteur est suffisamment chaud et de purger le circuit avant son arrêt.

1.3.3.1.3 Parcours des combustibles pour parvenir au groupe N°8

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La figure 1 ci-dessous nous retrace le parcours du HFO et DDO pour parvenir au groupe thermique N°8 :

Figure 1 : Parcours des combustibles pour atteindre le G8

La vanne à trois (03) voies permet de basculer chaque fois que cela est nécessaire, du HFO au DDO et vice versa.

Le réservoir qui alimente directement le groupe G8 en fuel lourd est la cuve journalière. Le parcours du fuel lourd pour atteindre la cuve journalière est le suivant: de la cuve de stockage, une partie du HFO est envoyée dans le réservoir tampon grâce aux pompes de transfert HFO. Le contenu de la cuve tampon subit un traitement par l'intermédiaire des séparateurs HFO avant d'atteindre la cuve journalière. Le combustible traité est aspiré par les pompes d'alimentation en fuel pour ravitailler le moteur.

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1.3.3.1.4 Caractéristiques du HFO et du DDO

Le tableau 2 ci-dessous résume les principales caractéristiques du DDO et du HFO :

Tableau 2 : Caractéristiques du HFO et du DDO

paramètres	Unités	Limite à respecter
		HFO	DDO
Masse volumique à 15.6°C	3 kg/dm0.920à	0.990	0.810 à 0.890
Viscosité à 50°C pour HFO et 37.8°C DDO	cst	Maxi.180	Max.6
Indice cétane			Mini.40
Point d'éclair PM	°C	Mimi.66	Mini.60
Température début distillation	%	Mini.180	65 à 250°C
	%		850 à 350°C
Point d'écoulement	°C	Maxi.15
Teneur en soufre	% de masse	Maxi.3	Max.1
Teneur en eau	% de masse	Maxi.0.5	Max.0.01
Teneur en sédiments	% de volume	Maxi.0.05	Max.0.01
Teneur en cendres	% de masse	Maxi.0.1	Max.0.01
Teneur en vanadium	ppm	Maxi.300	nul
Teneur en sodium	ppm	Maxi.50	nul
Teneur en aluminium	ppm	Maxi.10	nul
Teneur en silicium	ppm	Maxi.10	nul
Teneur en fluor	ppm	Maxi.10	nul
Teneur en carbone Conradson	% de masse	Maxi.12	Max. 0.035
Teneur en asphaltènes	% de masse	Maxi.0.7
CCAI	-	Maxi.860
Pouvoir calorifique supérieur	kJ/kg	Mini.43000	Mini.44700
Pouvoir calorifique inférieur	kJ/kg	Mini.40000	Mini.42000

1.3.3.2 Combustion

La combustion du mélange air-combustible s'effectue dans les cylindres des groupes diesel et la chaleur nécessaire pour l'inflammation du mélange est apportée par la phase de compression. En effet, les groupes thermiques

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diesel disponibles à la centrale thermique de Kossodo ont des moteurs à quatre (4) temps. Le principe de fonctionnement est le suivant:

Ø 1^er temps: la soupape d'admission s'ouvre, le piston descend du PMH vers le PMB et de l'air pur est admis dans le cylindre;

Ø 2^ème temps: Compression de l'air par remontée du piston du PMB vers

le PMH, la soupape d'admission étant fermée;

Ø 3^ème temps: peu avant le PMH, du combustible est injecté sous pression dans le cylindre et il se mélange à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur: les gaz chauds repoussent le piston, libérant ainsi une partie de leur énergie ;

Ø 4^ème temps: évacuation des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

La figure 2 ci-dessous nous présente les quatre temps d'un moteur diesel:

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Figure 2 : Fonctionnement d'un moteur à quatre temps

Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

1.4 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons d'une part présenté la centrale thermique de Kossodo et le projet d'étude. D'autre part, les différents aspects de la combustion ont été passés en revue.

Dans la suite, nous nous intéressons aux produits de la combustion. En effet, une partie de la puissance thermique contenue dans les gaz évacués sera utilisée à travers une chaudière de récupération pour produire de la vapeur.

La vapeur produite sera utilisée pour actionner une turbine à vapeur dont le dimensionnement sera traité dans le chapitre suivant.

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Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

Chapitre 2: Dimensionnement du cycle à vapeur

Dans ce chapitre, il est essentiellement question de produire une énergie supplémentaire, à partir d'un cycle à vapeur basé sur la récupération d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du groupe thermique N°8. En réalité, la centrale G8 dispose d'un cycle à vapeur pour alimenter ses consommateurs de vapeur. En effet, le fuel lourd nécessite un chauffage avant utilisation compte tenu de sa forte viscosité.

Les consommateurs de vapeur de la centrale G8 sont essentiellement:

> la cuve journalière;

> la cuve tampon;

> la cuve à boue;

> les séparateurs d'huile;

> les séparateurs HFO;

> le réchauffeur du booster.

Notons que les groupes thermiques N°6, 7 et 8 partagent la même cuve de stockage HFO et cette dernière est alimentée en vapeur par les chaudières des groupes thermiques N°6 et N°7.

Dans la suite, nous apporterons des modifications au cycle à vapeur existant, afin qu'avant d'alimenter les consommateurs de vapeurs nous puissions produire une énergie supplémentaire.

2.1 Présentation des cycles à vapeur

2.1.1 Cycle à vapeur existant

Les principaux éléments du cycle à vapeur actuel de la centrale thermique N°8 sont:

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Ø une chaudière de récupération;

Ø deux pompes d'alimentation en eau de la chaudière (une en marche et la seconde en secours);

Ø un condenseur.

La figure 3 nous donne un aperçu du cycle à vapeur existant à la centrale G8 :

Figure 3 : Cycle à vapeur existant

2.1.2 Cycle à vapeur proposé dans le cadre de l'étude

Les modifications apportées au cycle existant sont essentiellement:

Ø l'ajout d'une turbine à vapeur pour la production de l'énergie;

Ø les consommateurs de vapeur refroidiront le fluide à la sortie de la turbine à vapeur.

Concrètement, il s'agira:

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Ø d'utiliser la vapeur produite pour actionner une turbine à vapeur;

Ø d'arrêter la détente pendant que le fluide est toujours dans un état de vapeur sèche;

Ø d'orienter le fluide à la sortie de la turbine vers les consommateurs de vapeur où il sera refroidit pour permettre la reprise du cycle.

La figure 4 nous présente un aperçu du nouveau cycle à vapeur:

Figure 4 : Cycle à vapeur utilisé dans le cadre de l'étude

2.2 Etude des composants du cycle à vapeur

Le Cycle thermodynamique de notre installation à vapeur correspond au cycle de Rankine. Sa représentation dans le diagramme TS est indiquée sur la figure 5 :

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Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

Figure 5 : Diagramme TS du cycle à vapeur

L'eau du circuit thermodynamique subit des changements de phase pour assurer le bon fonctionnement de la centrale à vapeur.

Les différentes évolutions de l'eau à travers les sous-systèmes de l'installation à vapeur sont:

A-B : pompage adiabatique réversible;

B-C : apport de chaleur à pression constante dans la chaudière par la chaleur des gaz d'échappement;

C-D : détente à travers la turbine à vapeur;

D-A : échange de chaleur à pression constante dans le condenseur.

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2.2.1 Hypothèses de dimensionnement

Dans les calculs qui suivent, nous avons retenu les hypothèses suivantes :

> le régime est permanent ;

> l'écoulement est unidimensionnel ;

> l'apport ou l'extraction de chaleur dans les échangeurs de chaleur se fait sans transfert de travail (P = cte) ;

> les variations d'énergie mécanique sont négligées ;

> l'apport ou l'extraction de travail (dans la pompe et la turbine) se fait sans transfert de chaleur (transformations adiabatiques) ;

> les pertes de charges sont négligées.

2.2.2 Dimensionnement de la turbine à vapeur

C'est la pièce maîtresse d'une centrale à vapeur. C'est une machine qui extrait l'énergie thermique de la vapeur sous pression et l'utilise pour produire un travail mécanique, travail mécanique qui est ensuite transformé en énergie électrique à l'aide d'un alternateur.

2.2.2.1 Evaluation de la puissance d'écoulement¹

Considérons un écoulement stationnaire de la vapeur à travers une turbine à vapeur:

Le travail nécessaire pour l'insertion à la pression P1 d'un élément de vapeur

dans la turbine est Wi_ns = P1Velement ; (1)

où Wins est le travail d'insertion (J) et Velement est le volume de l'élément de fluide (m³).

On définit ainsi la puissance d'insertion de l'élément de vapeur par :

¹ Cleynen O ; 2015. Thermodynamique de l'ingénieur, collection Framabook, 361 p.

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. . .

W = m p v = m p v ;

ins 1 1 1 (2)

1 1

De la même façon, pour que la vapeur sorte de la turbine à son autre extrémité, il faut que le système fournisse continûment une puissance nommée puissance d'extraction :

. .

W = - m p v ;

ext (3)

2 2

La puissance d'écoulement est la somme nette de ces deux puissances:

. . .

Wecoul W + W ;

ins ext (4)

2.2.2.2 Bilan énergétique²

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Considérons toujours un écoulement stationnaire de la vapeur à travers une turbine à vapeur. D'une manière générale, lorsqu'il pénètre dans le système, l'élément de vapeur possède les énergies suivantes:

· une énergie interne spécifique u1 ;

· une quantité d'énergie mécanique spécifique e = c₁ + (5)

1 2 gz

m1 1

2

Le système reçoit donc les puissances suivantes:

. .

· U = m u ;

1 (6)
1

. . 1 2

· Em1 = c + .

m( gz ) (7)

1 1

2

Les expressions (6) et (7) sont de signes opposés à la sortie de la turbine:

. .

· U = - m u ;

2 (8)
2

² Cleynen O ; 2015. Thermodynamique de l'ingénieur, collection Framabook, 361 p.

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. . 1 2 · Em2 =^-m(2c2+gz2)

. (9)

En appliquant le premier principe de la thermodynamique pour les systèmes ouverts, on aboutit à l'équation suivante :

. . . ö .

Q+ W+çW _ins+ U1+ Em1÷+çW _ext+ U2+ Em2 ÷ = 0 (10)

è ø è ø

En ré-exprimant cette équation en fonction des grandeurs spécifiques et en tenant compte de l'expression de l'enthalpie(h = u+ pv), on obtient l'équation ci-dessous :

2 2) ù

Q+ vita = ii072 -h1)+ (c2 2c1 +g(z2 - z1

û (11)

En prenant en compte les hypothèses de dimensionnement ci-dessus définies (Ac 0) et (Az 0) , on obtient l'expression de la puissance mécanique

produite par la turbine :

. .

W = m h - h .

a ( ₂ 1) (12)

h1 et h2 sont respectivement les enthalpies massiques de la vapeur à l'entrée et à la sortie de la turbine et ils s'expriment en( kJ/ kg).

m . est le débit massique de la vapeur en(kg/s).

A partir des caractéristiques de la vapeur à la sortie de la chaudière, et en utilisant le logiciel steamtab companion (annexe 1) ou les abaques de vapeur (annexe 5), les éléments suivants peuvent être connus :

Ø l'enthalpie h1 massique à l'entrée de la turbine ;

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> l'enthalpie h2 massique à la sortie de la turbine ;

. .

> le travail isentropique W = m h -- h produit.

a ( ₂ 1)

Ensuite, connaissant le rendement isentropique (gins) de la turbine, le travail réel produit est évalué selon la formule :

. .

W réel = li isen ' m' (h2 -- h1) . (13)

2.2.3 Etude de la pompe à eau liquide

La pompe à eau est le mécanisme d'entrainement du cycle vapeur proposé. Le fluide moteur sortant du réservoir d'eau journalière à la pression PA, entre dans la pompe et voit sa pression augmenter à la pression PB à la sortie de la pompe tel qu'indiqué à la Figure 5.

La puissance fournie par la pompe pour assurer le fonctionnement du cycle s'écrit comme suit:

. .

W = m h -- h

p e( _B A) (14)

hA est l'enthalpie de l'eau liquide à l'entrée de la pompe et hB celle de l'eau à l'entrée de la chaudière.

La puissance fournie par la pompe peut être aussi exprimée en fonction de la différence de pression à l'entrée et à la sortie de la pompe :

B

.

W p = ò vdp = vL(PB -- PA) (15)

A

Avec, PA et PB en (Pascal) et vL en m³/kg

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Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

2.2.4 Etude de la chaudière de récupération

La chaudière de récupération est un échangeur de chaleur qui permet de récupérer une partie des calories contenues dans les gaz d'échappement du groupe N°8 pour produire de la vapeur. La chaudière de récupération est ravitaillée en eau à partir de la pompe à eau liquide. Ainsi, l'eau y pénètre à la pression PB où elle recevra une certaine quantité de chaleur à pression

constante. La puissance Q _ch fournie par la chaudière à l'eau s'exprime selon :

. .

Q e ( C B ) (16)

chaudière = m h - h

La détermination de cette quantité de chaleur nécessite donc la connaissance des caractéristiques de l'eau à l'entrée et à la sortie de la chaudière.

2.2.5 Etude du condenseur

C'est un échangeur de chaleur dont le rôle est de rejeter toute la chaleur dont l'ingénieur ne sait plus faire usage. L'eau sortant de la turbine à vapeur y est

refroidie à pression constante. La puissance Qcond perdue par la vapeur dans le condenseur s'exprime selon la formule :

. .

Q = m h - h

e ( A D )

cond (17)

2.3 Application

Dans cette section, il s'agit, sur la base des formules établies dans les sections précédentes, d'évaluer les éléments suivants:

Ø la quantité de la chaleur récupérable par la chaudière;

Ø la puissance mécanique disponible sur l'arbre de la turbine; Ø la puissance supplémentaire produite.

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L'évaluation de ces différents éléments nécessite la connaissance de l'enthalpie de la vapeur à l'entrée et à la sortie de la chaudière et de la turbine à vapeur. Connaissant les données de pression et de température, l'enthalpie de vapeur peut être déterminée à partir du Logiciel Steamtab Companion (annexe 1)

Le tableau 3 ci-dessous nous présente les paramètres à l'entrée et à la sortie de la chaudière:

Tableau 3 : Caractéristiques du fluide à l'entrée et à la sortie de la chaudière

Chaudière	Entrée	Sortie
Température (°C)	76	333
Pression (bar)	9	9
Débit massique (m^3/h)	3	3

2.3.1 Calcul de la puissance récupérée par la chaudière

2.3.1.1 Caractéristiques de l'eau à l'entrée de la chaudière

Le fluide à l'entrée de la chaudière est à l'état liquide car T _e <T _sat (En effet, à 9 bars la température de vapeur saturée est de 175,35°C).

La figure 6 nous donne les caractéristiques de l'eau liquide à l'entrée de la chaudière.

2.3.1.2 Caractéristiques de l'eau à la sortie de la chaudière

Nous sommes en présence de vapeur surchauffée à la sortie de la chaudière car T s > Tsat (En effet, à 9 bars la température de vapeur saturée est de

175,35°C).

Les caractéristiques de la vapeur à la sortie de la chaudière, déterminées à l'aide du logiciel steamtab companion sont données sur la figure 7.

Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

Figure 6 : Caractéristiques de l'eau à l'entrée de la chaudière

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Figure 7: Caractéristiques de l'eau à la sortie de la chaudière

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2.3.1.3 Application numérique

D'après la section 2.2.4, la puissance thermique transférée à l'eau dans la

. .

chaudière est Q = m h - h ; ainsi : avec h_C = 3124 ,22 kJ / kg ,

e ( C B )

chaudière

.

hB = 318,225kJ/ kg et m 3m 3 / h

e = , on obtient:

.

Qchaudière = 2338,3kW

2.3.2 Evaluation de la puissance produite

2.3.2.1 Caractéristiques de la vapeur à l'entrée de la turbine

Les caractéristiques de la vapeur à l'entrée de la turbine sont celles de la vapeur à la sortie de la chaudière ; ainsi:

hC = 3124,22 kJ/kg et sC =7,29538 kJ/kg°C.

2.3.2.2 Caractéristiques de la vapeur à la sortie de la turbine

Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 31

2.3.2.2.1 Choix de la pression de fin de détente

Etant donné l'utilisation du fluide à la sortie de la turbine à vapeur pour alimenter les consommateurs de vapeur, l'usage d'une turbine à contrepression s'impose (Hammou Y 2010). En effet, ce type de turbine n'exploite pas la détente jusqu'au bout, ce qui permet d'avoir assez de chaleur en fin de détente. Considérons une turbine idéale (détente isentropique):

Ainsi sDcents = sC = 7,29538 kJ/kg°C

On constate en utilisant l'abaque N°3 des abaques de vapeur que: SDcents > SV0,1 4Mpa =7,2461 kJ/kg°C, ce qui signifie que pour toute pression

supérieure à 1,4 bar nous avons de la vapeur sèche.

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Pour des besoins de dimensionnement, nous prendrons dans la suite PS = 2bar .

2.3.2.2.2 Détermination de l'enthalpie de fin de détente

Considérons encore une turbine idéale:

L'abaque N°3 nous montre que SDcents > SV0,2Mpa = 7,1269kJ / kg°C .

La vapeur est donc sèche tout au long de la détente isentropique. L'enthalpie au point D' s'obtient donc par hDcents = hV0,2Mpa = 2706,2kJ / kg

A partir de la valeur de l'enthalpie à la sortie de la turbine idéale on calcule l'enthalpie à la sortie de la turbine réelle :

. .

W réel = I _isen x W isen Þ hD -- hC = I isen(hDcents -- hC )

D'où hD _{=Iisen(hDcents} --hC)+hC

En prenant³ I isen = 80% on obtient h_D= 2789,804 kJ/kg

Un coup d'oeil sur l'abaque N°3 des abaques de vapeur (annexe 5) nous montre que hD > hV0,2Mpa = 2706,2kJ / kg : La vapeur est donc sèche tout le

long de la détente.

La figure 8 nous présente les caractéristiques de l'eau à la fin de la détente.

³ Cette valeur de rendement a été choisie selon la technologie des turbines à vapeur actuellement disponibles sur le marché (0,80 < I isen < 0,90)

Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

Figure 8 : Caractéristiques de la vapeur à la fin de la détente

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2.3.2.3 Application numérique

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En rappel, le travail réel fourni par la turbine s'exprime par W = m h - h

réel ( D C )

.

; ainsi, avec hD = 2789,804kJ/kg ; hC = 3124 ,22kJ/kg et m = 3m³ /h , on

.

obtient W réel = 278,68kW.

La puissance électrique est évaluée à l'aide de la formule

.

suivante: P el = l_el X W où l _el est le rendement électrique.

réel

Ainsi, pour⁴ l_el = 90% , nous obtenons une puissance électrique d'environ

250,812 kW.

2.4 Synthèse

La mise en place de la turbine à vapeur va permettre de produire une puissance d'environ 250 kW. La puissance produite sera injectée dans le réseau électrique. La figure 9 présente le diagramme unifilaire général.

Le tableau 4 présente les caractéristiques de la vapeur alimentant notre turbine à vapeur:

Tableau 4 : Caractéristiques de la vapeur au niveau de la turbine

Turbine à vapeur	Entrée	Sortie
Pression (bar)	9	2
Température (°C)	333	160

La vapeur à la sortie de la turbine à vapeur est acheminée vers les consommateurs de vapeur où elle sera refroidie avant de retrouver le réservoir d'eau journalière.

⁴ Cette valeur de rendement a été choisie selon la technologie des turbines à vapeur actuellement disponibles sur le marché (0,90< l _el <0,96)

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Figure 9 : Diagramme unifilaire général

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2.5 Conclusion

L'ajout théorique de la turbine à vapeur dans le cycle à vapeur existant au niveau de la centrale thermique G8 a permis de produire une puissance électrique d'environ 250 kW. Cette production d'énergie supplémentaire équivaut en réalité à une réduction de la consommation en énergies primaires du groupe thermique N°8.

Dans le chapitre suivant, nous nous intéresserons aux aspects environnementaux et financiers de la mise en place du cycle à vapeur.

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Chapitre 3: Etude environnementale et financière

Dans ce chapitre, il est question tout d'abord, d'évaluer l'impact de la mise en place de la turbine à vapeur sur les émissions de gaz carbonique du groupe thermique N°8 puis d'estimer les bénéfices engrangés à travers la commercialisation de l'énergie électrique produite par cette turbine à vapeur.

3.1 Etude environnementale

En plus de la réduction de la consommation d'énergies primaires du groupe thermique N°8, la valorisation de la chaleur des gaz d'échappement permet de réduire ses émissions de gaz carbonique CO2. En effet, la quantité de CO2 rejetée dans la nature pendant le fonctionnement du groupe thermique diesel est proportionnelle à la quantité d'énergies primaires brulées. Ainsi, une diminution de la quantité d'énergies primaires consommées entraîne également une diminution de la quantité de gaz carbonique rejetée dans l'atmosphère.

3.1.1 Estimation de l'énergie supplémentaire produite

Le groupe thermique N°8 fonctionne pratiquement 24h/24 et 7J/7. En effet, compte tenu de son importance dans le maintien de la stabilité du réseau électrique, il n'est mis à l'arrêt qu'en cas de maintenance.

Pour évaluer l'énergie supplémentaire produite, considérons le temps moyen annuel de fonctionnement du groupe 8 qui est de 6000h/an. Ainsi, en prenant en compte la valeur de la puissance de la turbine obtenue à la section 2.3.2.3, on obtient:

Eannuelle = 1500000 kWh, soit Eannuelle = 1,5GWh

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3.1.2 Quantité de CO2 dont l'émission est évitée

Au Burkina Faso, on estime à 720 g la quantité de gaz carbonique émise lors de la production de 1kWh (Coulibaly 2010). Ainsi, pour une énergie électrique économisée de 1500000 kWh/An, l'ajout de la turbine à vapeur dans le cycle à vapeur évite l'émission d'environ 1080 tonnes de CO2 par an dans l'atmosphère.

3.2 Etude financière

Dans cette section, il est question d'évaluer la rentabilité du projet de production d'énergie supplémentaire à partir de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du groupe thermique N°8. Pour cela, nous évaluerons le coût d'investissement, le coût d'exploitation et les gains liés à l'installation de la turbine à vapeur.

3.2.1 Coût d'investissement et d'exploitation

3.2.1.1 Coût d'investissement

Le coût d'investissement prend en compte le coût des éléments suivant:

· la turbine à vapeur;

· l'alternateur;

· le transport;

· le transit et la douane;

· le génie civil;

· le raccordement au réseau de vapeur et au réseau électrique.

Pour estimer les coûts relatifs au groupe (turbine + alternateur), nous avons contacté via le site internet www.chinapowerequipement.com l'entreprise Qingdao Quickleader international qui a bien voulu nous transmettre un

Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

devis contenant le coût et les spécifications techniques d'une turbine à vapeur de 250 kW.

Pour le transport, les frais de transit et de douane nous avons contacté des professionnels du domaine qui ont bien voulu, compte tenu des dimensions approximatives de la turbine à vapeur, nous donné les estimations suivantes:

Ø frais de transport= 6700 dollars;

Ø frais de transit et de douanes= 1,085*(6700+85000+25000)=126.619,5 dollars.

En ce qui concerne le coût du génie civil, nous l'avons compte tenu, des coûts des installations antérieures au niveau de la centrale thermique de Kossodo et de la taille réduite de l'ouvrage, estimé à 50 millions de FCFA.

Le tableau 5 nous donne une estimation globale du coût d'investissement du projet:

Tableau 5 : Coût d'investissement (CI)

Désignation	Coût ($)	Coût (millions FCFA)
Turbine à vapeur	85.000	42,5
Alternateur	25.000	12,5
Transport	6700	3,35
Transit+ douane	126619,5	63,3
Génie civil		50
Raccordement réseau vapeur/électrique		50
Total		221,65

Il en ressort un coût d'investissement d'environ 221,65 millions de francs CFA

3.2.1.2 Coût d'exploitation

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Il s'agit essentiellement du coût de la maintenance. Pour l'évaluer, une simplification a été introduite en considérant que les dépenses en entretien

Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

sont constantes et égales chaque année à un pourcentage de l'investissement total. Pendant la première année, ces dépenses sont nulles compte tenu du fait que le projet sera encore en période de garantie, après la première année, elles évoluent graduellement d'une manière linéaire en fonction du nombre d'années d'exploitation avant de se stabiliser à 9% à partir de la dixième année. L'estimation des charges de maintenance est présentée dans le tableau 6 :

Tableau 6 : Coût de maintenance (CM)

Année	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
investis (millions fcfa)	221,7	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Frais (%)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Frais (millions fcfa)	0	2,22	4,43	6,65	8,87	11	13,3	15,5	17,7	19,9
Total	99,7

Il en ressort un coût de maintenance d'environ 99,7 millions de francs CFA pour une décennie d'exploitation de la turbine à vapeur.

3.2.2 Gain lié à la mise en place de la turbine à vapeur

D'après la section 3.1.1, l'installation de la turbine à vapeur permettra la production d'environ 1500 MWh annuellement. En considérant le kilowattheure à 75FCFA, nous pouvons évaluer le chiffre d'affaire suite à la mise en place de la turbine à vapeur. Le tableau ci-dessous nous présente une estimation du chiffre d'affaire annuel et décennal:

Tableau 7 : Chiffre d'affaire lié à la mise en place de la turbine à vapeur

Energie annuelle (MWh)	Chiffre d'affaire annuel (millions FCFA)	Chiffre d'affaire décennal (millions FCFA)
1500	112,5	1125

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Ce tableau montre que la mise en place d'une turbine de 250 kW permettra d'obtenir un chiffre d'affaire annuel d'environ 112,5 millions de francs CFA.

3.2.3 Synthèse

Les résultats des sections 3.2.1 et 3.2.2 nous permettent d'évaluer les bénéfices liés à la mise de la turbine à vapeur au bout de dix (10) années de fonctionnement:

Le bénéfice réalisé est évalué à partir de la formule suivante:

B=CA-(CI+CM) (18)

B = bénéfice au bout de 10 années de fonctionnement [en million de FCFA]

CA = chiffre d'affaire au bout de 10 années de fonctionnement [en million de FCFA] ;

CI= coût d'investissement [en million de FCFA] ;

CM = coût de maintenance [en million de FCFA] ;

Avec CA = 1125 ; CI = 22 1,65 et CM = 99,7, on obtient B = 803,65.

Après dix années d'exploitation de la turbine à vapeur, le bénéfice engrangé sera d'environ 803,65 millions de francs CFA.

3.3 Conclusion

Au terme de ce chapitre, il ressort que l'ajout d'une turbine à vapeur dans le cycle à vapeur de la centrale thermique diesel G8 présente des avantages aussi bien sur le plan environnemental que financier. En effet, l'étude environnementale montre que l'on peut éviter l'émission d'environ 1080 tonnes de gaz carbonique par an. Quant à l'étude financière, elle révèle qu'à partir d'une turbine de 250 kW et en maintenant la chaudière actuellement en

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service, l'on peut engranger environ 803,65 millions de bénéfices en dix (10) ans. Cette recette pourrait même être optimisée par l'utilisation d'une turbine de puissance plus élevée.

Dans la suite, nous présentons les conditions nécessaires pour l'obtention d'une puissance beaucoup plus élevée.

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Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de Kossodo

Conclusion générale et perspectives

Face aux difficultés liées à la production de l'électricité par voie thermique diesel, nous avons mené une étude intitulée « valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe thermique diesel N°8 de la centrale de Kossodo ». Réalisée à la centrale thermique de Kossodo, notre étude avait pour objectif principal de réduire non seulement la consommation en énergies primaires du groupe thermique G8 mais aussi ses émissions de gaz carbonique.

La démarche a consisté à récupérer à haute température (380°C) une partie de la chaleur à l'échappement du groupe thermique diesel N°8, de produire de la vapeur surchauffée (333°C/9bar) à l'aide d'une chaudière de récupération et d'actionner une turbine à vapeur dimensionnée à cet effet.

Ainsi, après une présentation de la centrale thermique de Kossodo, un aperçu sur la combustion et les caractéristiques des combustibles liquides, le dimensionnement thermodynamique de la turbine à vapeur a été développé.

Les résultats du dimensionnement montrent que l'ajout de la turbine à vapeur dans le cycle à vapeur permet la production d'une puissance supplémentaire d'environ 250kW, ce qui correspond en réalité à une réduction de la consommation en énergies primaires du groupe G8.

L'étude environnementale réalisée nous montre également que la production d'énergie supplémentaire équivaut à une réduction des émissions de gaz carboniques. En effet, elle nous montre qu'on peut éviter l'émission d'environ 1080 tonnes de CO2 par an.

Quant à l'étude financière, elle nous montre que l'installation d'une turbine à vapeur de 250kW engendre des bénéfices d'environ 803,65 millions de francs CFA en dix années de fonctionnement.

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Toutes ces données pourraient être améliorées si la puissance produite venait à augmenter. Pour augmenter la puissance produite, certains composants du cycle à vapeur doivent être redimensionnés :

Ø La chaudière de récupération: l'utilisation d'une chaudière ayant un taux de récupération élevé et pouvant supporter des pressions supérieures à celle de la chaudière actuelle. cela permettra d'augmenter l'enthalpie de la vapeur à l'entrée de la turbine à vapeur;

Ø La pompe d'alimentation de la chaudière en eau : en rappel, la pompe à eau est l'élément d'entrainement du cycle et il est à l'origine de la pression dans le cycle. Nous devons installer une pompe qui imposera une pression et un débit adéquat au cycle à vapeur;

Afin de préserver notre environnement des effets des centrales thermiques diesel nous formulons les recommandations suivantes:

Ø pour les futures centrales thermiques diesel, qu'on mette en place des cycles à vapeur qui permettent de produire, en plus de la chaleur pour les besoins internes de la centrale, un supplément d'énergie;

Ø une étude de faisabilité pour la modification des cycles à vapeur existants dans les centrales thermiques diesel déjà implantées, afin de produire en plus de la chaleur, de l'énergie supplémentaire.

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Bibliographie

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Meunier C., 2015. Aide-mémoire Thermodynamique de l'ingénieur. Édition DUNOD, 379 p.

Webographie

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https://www.memoireonline.com/09/10/3884/Optimisation-de-la-facture-energetique-par-lamelioration-du-systeme-de-production-denergie-de.html.

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Table des matières

Dédicace I

Remerciements II

Sommaire III

Liste des figures IV

Liste des tableaux V

Liste des sigles et abréviations VI

Nomenclature des variables VII

Introduction générale 1

Chapitre 1: Généralités sur le site d'étude, le projet d'étude, les combustibles et la

combustion 4

1.1 PRESENTATION DE LA CENTRALE DE KOSSODO 4

1.1.1 Situation géographique 4

1.1.2 Historique 4

1.1.3 Unités de production de la centrale de Kossodo 5

1.1.4 Principaux bâtiments et ouvrages de la centrale 5

1.2 PRÉSENTATION DU PROJET D'ÉTUDE 7

1.2.1 Méthodologie 7

1.2.2 Objectifs de l'étude 7

1.2.2.1 Objectif principal 7

1.2.2.2 Objectifs spécifiques 8

1.2.3 Question de recherche 8

1.3 GENERALITES SUR LES COMBUSTIBLES LIQUIDESET LA COMBUSTION 8

1.3.1 Généralités sur les combustibles liquides 8

1.3.1.1 Composition des fuels 9

1.3.1.2 Caractéristiques des fuels 9

1.3.2 Généralités sur la combustion 11

1.3.2.1 Definition 11

1.3.2.2 Conditions de la combustion 11

1.3.2.3 Produits de combustion des fuels 12

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1.3.2.4 Quantité de co2 rejetée dans l'atmosphère 13

1.3.3 Cas du groupe thermique N°8 de la centrale de Kossodo 14

1.3.3.1 Type de combustible utilisé 14

1.3.3.1.1 Le HFO 14

1.3.3.1.2 Le DDO 14

1.3.3.1.3 Parcours des combustibles pour parvenir au groupe N°8 14

1.3.3.1.4 Caractéristiques du HFO et du DDO 16

1.3.3.2 Combustion 16

1.4 CONCLUSION 18

Chapitre 2: Dimensionnement du cycle a vapeur 19

2.1 PRESENTATION DES CYCLES A VAPEUR 19

2.1.1 Cycle à vapeur existant 19

2.1.2 Cycle à vapeur proposé dans le cadre de l'étude 20

2.2 ETUDE DES COMPOSANTS DU CYCLE A VAPEUR 21

2.2.1 Hypothèses de dimensionnement 23

2.2.2 Dimensionnement de la turbine à vapeur 23

2.2.2.1 Evaluation de la puissance d'écoulement 23

2.2.2.2 Bilan énergétique 24

2.2.3 Etude de la pompe à eau liquide 26

2.2.4 Etude de la chaudière de récupération 27

2.2.5 Etude du condenseur 27

2.3 APPLICATION 27

2.3.1 Calcul de la puissance récupérée par la chaudière 28

2.3.1.1 Caractéristiques de l'eau à l'entrée de la chaudière 28

2.3.1.2 Caractéristiques de l'eau à la sortie de la chaudière 28

2.3.1.3 Application numérique 31

2.3.2 Evaluation de la puissance produite 31

2.3.2.1 Caractéristiques de la vapeur à l'entrée de la turbine 31

2.3.2.2 Caractéristiques de la vapeur à la sortie de la turbine 31

2.3.2.2.1 Choix de la pression de fin de détente 31

2.3.2.2.2 Détermination de l'enthalpie de fin de détente 32

2.3.2.3 Application numérique 34

2.4 SYNTHESE 34

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2.5 CONCLUSION 36

Chapitre 3: Etude environnementale et financiere 37

3.1 ETUDE ENVIRONNEMENTALE 37

3.1.1 Estimation de l'énergie supplémentaire produite 37

3.1.2 Quantité de CO2 dont l'émission est évitée 38

3.2 ETUDE FINANCIERE 38

3.2.1 Coût d'investissement et d'exploitation 38

3.2.1.1 Coût d'investissement 38

3.2.1.2 Coût d'exploitation 39

3.2.2 Gain lié à la mise en place de la turbine à vapeur 40

3.2.3 Synthèse 41

3.3 CONCLUSION 41

Conclusion générale et perspectives 43

Bibliographie 45

Webographie 45

Table des matières 47

Annexes 50

ANNEXE 1 : APERÇU DU LOGICIEL STEAMTAB COMPANION 50

ANNEXE 2 : CARACTERISTIQUES DU GROUPE THERMIQUE N°8 51

Caractéristiques techniques 51

Valeurs de performances et de consommations 51

ANNEXE 3 : PLAQUE SIGNALETIQUE DE LA POMPE D'ALIMENTATION DE LA CHAUDIERE 52

ANNEXE 4 : ORGANIGRAMME DE LA CENTRALE THERMIQUE OUAGA NORD 53

ANNEXE 5 : ABAQUES DE VAPEUR 54

Resumé 55

Abstract 55

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Annexes

Annexe 1 : Aperçu du logiciel Steamtab companion

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Annexe 2 : Caractéristiques du groupe thermique N°8

Caractéristiques techniques

Valeurs de performances et de consommations

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Annexe 3 : Plaque signalétiquede la pompe d'alimentation de la chaudière

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Annexe 4 : Organigramme de la centrale thermique Ouaga nord

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Annexe 5 : Abaques de vapeur

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Résumé

Ce mémoire porte sur la valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe 8 de la centrale thermique de Kossodo. Elle propose une solution pour réduire non seulement la consommation en énergies primaires du groupe 8 mais aussi ses émissions de CO2. La démarche consiste à récupérer à haute température (380°C) une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement, pour produire de la vapeur sèche et actionner une turbine à vapeur.

Ainsi, après une brève présentation de la centrale de Kossodo et un aperçu sur la combustion et les combustibles liquides, le dimensionnement de la turbine à vapeur a été abordé. La mise en place de cette turbine permettra la production d'une puissance supplémentaire d'environ 250 kW.

L'étude environnementale réalisée montre que l'installation d'une telle turbine évite l'émission d'environ 1080 tonnes de CO2 par an. Quant à l'étude financière, elle estime à 803,65 millions les bénéfices réalisés au bout de 10 années d'exploitation de la turbine à vapeur.

Mots clés: émission de CO2, énergies primaires, turbine à vapeur, gaz d'échappement.

Title: Valorization of the exhaust gas heat from group 8 of the power plant of Kossodo

Abstract

This thesis of engineering deals with the valorization of the exhaust gas heat from group 8 of the power plant of Kossodo. It proposes a solution to reduce not only the primary energies consumption of group 8 but also its CO2 emissions. The approach consists of recovering at high temperature (380°C), parts of the heat contained in the exhaust gas, to produce dry steam and operate a steam turbine. Thus, after a brief presentation of the power plant of Kossodo and an overview on combustion and liquid fuels, the design of the steam turbine was discussed. The installation of this turbine will allow the production of an additional power of about 250 kW.

The environmental study carried out shows that the installation of such a turbine avoids the emission of about 1080 tons of CO2 per year. As for the financial study, it estimates at 803.65 million the profits made after 10 years of operation of the steam turbine.

Keywords: CO2 emission, primary energies, steam turbine, exhaust gas.