Energie thermique des mers, production d'électricité.

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Différents projets de récupération d’Énergie Thermique des Mers -ETM- sont actuellement en voie de concrétisation pour produire de l’électricité . Le principe consiste à utiliser la différence de température de 20 °C, existant naturellement dans les mers tropicales, entre la température de l’eau de surface, environ 25 °C, et celle de l’eau profonde, environ 5 °C à 1000 m de profondeur. La ressource mondiale théorique basée sur un gradient de température de 20 °C au moins permettrait de produire environ
80 000 TWh·an−1 dans les zones intertropicales (source IFREMER).
Le cycle thermodynamique, appelé cycle de Rankine, représente l’évolution de l’état de l’ammoniac, fluide de travail qui circule dans la machine. Il permet la production d’énergie grâce à la différence de température entre une source chaude et une source froide.

Q 31 Une installation thermique des mers est une machine thermique cyclique ditherme. Identifier la source froide et la source chaude. Le fluide qui circule dans la machine est de l’ammoniac, quel est son rôle ?
L'eau froide des profondeur joue le rôle de source froide ; l'eau de surface joue le rôle de source chaude. l'ammoniac est le fluide caloporteur.
Q 32 Écrire les expressions des bilans énergétique et entropique pour un fluide auquel on fait subir des transformations cycliques entre deux sources thermiques, une chaude de température TC, et une froide de température TF.
Bilan énergétique : DU = Qchaud + Qfroid + W (1).
Bilan entropique : DS = Qchaud / TC + Qfroid / TF + Scréee. (2)
Q 33 En déduire l’expression du rendement d’un moteur fonctionnant selon un cycle de Carnot, cycle idéal réversible, entre les températures TC et TF .
Dans le cas de la réversibilité Scréée = 0.
Dans le cas d'un cyle réversible : DU = 0 ; DS = 0.
TF / TC = - Qfroid / Qchaud.
W = -Qchaud - Qfroid.
Rendement = - W / Qchaud = 1+Qfroid / Qchaud = 1-TF / TC.

Étude simplifiée d’un dispositif ETM à partir des données destinées au dimensionnement d’une centrale
située sur l’île de la Réunion.
Le « fluide de travail » utilisé est l’ammoniac; le cycle de transformations subies par ce fluide correspond à
un cycle de Rankine.
Q 34 Quel est le rendement d’un cycle de Carnot correspondant à TF = 5 °C et TC = 28°C ?
Rendement = 1 -(5 +273,15) / (28 +273,5) =0,076 ( 7,6 %).
Q.35 On suppose que le cycle décrit par l’ammoniac est le cycle  composé de deux transformations isobares, une transformation isentropique réversible et une transformation isenthalpique.
Pour ce cycle et par unité de masse d’ammoniac, W est le travail mécanique fourni au turbo-alternateur
et QC le transfert thermique apporté par la source chaude.
En notant h l’enthalpie massique du fluide, le bilan enthalpique pour un fluide en écoulement stationnaire au travers d’un dispositif du type pompe, turbine, évaporateur ou condenseur s’écrit :
h = Wutile + Q.
si l’on néglige les variations d’énergie cinétique et d’énergie potentielle, avec Wutile le travail massique reçu par le fluide par l’intermédiaire de pièces mobiles et Q le transfert thermique massique reçu. On précise que
Q et Wutile sont des grandeurs algébriques.
Soit h = −Wutile / Q.


Que représente ce rapport ? Estimer sa valeur.
Ce rapport représente le rendement réel de la centrale.
Wutile = Wturbine = Dh 3--> 4 ~ - 50 kJ kg-1. (détente isentrope ).
QC = Qévaporateur =
Dh 1'--> 3 ~ 1200 kJ kg-1. ( chauffzge isobare ).
Rendement = 50 / 1200 ~0,042  ( 4,2 %).

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Q 36 Quel est l’intérêt du dispositif ETM ?
L'énergie utile récupée au niveau du turbo-alternateur dépasse l'énergie consommée par les pompes. La différence d'énergie est fournie par l'eau chaude de la mer.
Q 37 Évaluer le débit massique d’ammoniac nécessaire pour que la puissance électrique globalement produite par la centrale ETM soit de 10 MW.
Pturbo-alternateur - P pompe eau chaude - P pompe eau froide - P pompe ammoniac = 10  MW.
Puissance du turbo-alternateur = rendement x travail utile x débit massique.
Débit massique =(10 +
P pompe eau chaude + P pompe eau froide + P pompe ammoniac ) / ( rendement turbo-alternateur x Wutile).
On donne : P pompe eau chaude  =1,912 MW ;  P pompe eau froide = 3,723 MW ;  P pompe ammoniac =0,262 MW.
rendement du turbo-alternateur = 83 %.
Débit massique = (10 +1,912 +3,723 +0,262)106 / (0,83 x50 103)~383 kg / s.

 


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