O termo ciclo combinado (CC), disponível em CCPP ( usina de ciclo combinado em inglês ) ou CCGT (que significa ciclo combinado de turbina a gás ), caracterizou um modo combinado de produção de energia ou uma planta que usa mais um ciclo termodinâmico .
Uma turbina de combustão converte parte da energia fornecida pelo combustível em energia mecânica, que pode então ser convertida em eletricidade por meio de um gerador elétrico .
Esta fração (geralmente inferior a 50%) depende do ciclo termodinâmico escolhido, bem como das temperaturas superior e inferior atingidas pelo ciclo. Para determinadas temperaturas, o ciclo de Carnot teórico tem a eficiência energética máxima teórica. Ao combinar dois ou mais ciclos, como o ciclo de Brayton e o ciclo de Rankine , a eficiência energética do sistema pode ser aumentada. As mais recentes usinas de energia de ciclo combinado com turbinas de combustão funcionando a gás, portanto, atingem rendimentos de valor calorífico inferior (NCV) de mais de 60% ( estação de energia térmica Bouchain com 62,22%março de 2016, Usina japonesa da Unidade 7-1 da Central Térmica Nishi-Nagoya da Chubu Electric Power com 63,08% emmarço de 2018), em comparação com 35% para centrais convencionais a gás com caldeira.
O gás natural e o óleo podem ser usados diretamente. Existem também instalações que utilizam a gaseificação de outros combustíveis como o carvão : centrais de ciclo combinado com gaseificação integrada (CCGI).
Uma usina de energia a gás de ciclo combinado, geralmente chamada de CCGT (do inglês Combined Cycle Gas Turbine ), ou TGV (Turbine Gaz-Vapeur), é uma usina termelétrica que combina dois tipos de turbinas: a turbina de combustão e a turbina a gás . Cada uma dessas turbinas aciona um gerador que produz eletricidade (configuração "multi-eixo" ou "multi-eixo") ou os dois tipos de turbinas são acoplados ao mesmo gerador (configuração "eixo único").
As centrais de ciclo combinado são projetadas para operação semi-básica (entre 2.000 e 6.000 h / ano ) e constituem um meio de adequação da frota de produção, contribuindo assim para o bom funcionamento da rede elétrica.
Em uma usina de ciclo combinado, a turbina de combustão é acionada pelos gases produzidos pela combustão em alta temperatura (até 1.500 ° C ). Na saída, os fumos produzidos pela combustão ainda estão suficientemente quentes (entre 400 e 650 ° C aproximadamente) para permitir que o vapor seja gerado em uma caldeira por meio de trocadores de calor . O vapor assim produzido aciona uma turbina a vapor . Finalmente, é necessário ter uma fonte fria (água do rio - água do mar - refrigerador de ar ou condensador de ar) para retirar o calor necessariamente produzido pelo ciclo do vapor ( segundo princípio da termodinâmica ). O calor restante também pode ser recuperado para cogeração .
Diferentes configurações de planta são possíveis porque, por exemplo, podemos ter:
Aproximadamente, a turbina a vapor tem uma potência igual a 50% da turbina de combustão à qual está associada.
A configuração "multi-eixo" tem a vantagem de permitir rápido start-up e ramp-up das turbinas de combustão, com a turbina a vapor geralmente tendo maiores tempos de start-up e ramp-up. A configuração de eixo único reduz o número de máquinas, portanto, a área ocupada, mas inicia mais lentamente.
A tecnologia de ciclo combinado data do final dos anos 1970. Na França, o primeiro exemplo foi construído em 1980 em uma fábrica de papel. Usando uma turbina de combustão de 25 MW e uma turbina a vapor de 9 MW (contrapressão) , a instalação forneceu toda a eletricidade e vapor de processo necessários para operar a fábrica.
A evolução favorável do preço do combustível gasoso ou líquido em relação ao preço do carvão e a comercialização de turbinas a combustão de muito maior potência causaram, na década de 1990, um forte entusiasmo mundial (exceto França) por esta tecnologia.
Os desenvolvimentos mais recentes (2011) entre os principais fabricantes mundiais são projetados para melhorar a eficiência da carga parcial das turbinas de combustão, bem como as capturas e liberações rápidas do ciclo combinado. Isso torna possível manter a planta em serviço em carga parcial a um custo razoável quando a energia da rede vem de plantas solares ou turbinas eólicas , mas para compensar muito rapidamente as variações de potência no caso de desaparecimento repentino do sol (passagem de nuvens)., ou eclipse parcial ou mesmo total) ou vento, ou durante fortes demandas ocasionais da rede. Na verdade, se um eclipse total for raro, os usuários, quando ocorrer, ligarão repentinamente a luz.
CCGTs reduzem as emissões de CO 2 em 50%, dividir por três os óxidos de nitrogênio (NOx) e eliminar as emissões de óxidos de enxofre (SO 2) em comparação com meios de produção térmica de chama “convencionais”. Além disso, quando a combustão utiliza gás natural , não produz partículas de poeira ou odores; apesar do nome, a maioria das turbinas de combustão (TAC), também conhecidas como "turbinas a gás" (TG), podem queimar vários combustíveis líquidos, e é o teor de enxofre do combustível usado que causa a presença de óxidos de enxofre no escapamento. O uso de gás natural como combustível nas CCGTs apresenta, portanto, vantagens notáveis em termos de poluição atmosférica.
Em relação ao processo de resfriamento, a tecnologia de resfriamento do circuito de ar da parte da turbina a vapor, caso seja escolhida, permite limitar significativamente o consumo de água em comparação com instalações do mesmo tipo que utilizam refrigeração a água, e também permite evitar influências a temperatura dos rios ou massas de água em questão.
Para alguns defensores da eliminação progressiva da energia nuclear, os ciclos de gás combinados, juntamente com a eficiência energética e as energias renováveis, são um recurso essencial.
A quota da produção de eletricidade a partir do gás no cabaz energético francês manteve-se muito modesta (1%), em comparação com a dos seus vizinhos (40% na Itália, 35% no Reino Unido, Espanha e Áustria). No entanto, os CCGs foram claramente incluídos nos objetivos franceses em termos de produção de energia no final dos anos 2000: o decreto de15 de dezembro de 2009relativos à programação plurianual de investimentos em eletricidade, portanto, pretende-se modernizar a frota de produção de eletricidade a partir de combustíveis fósseis, a fim de reduzir o seu impacto ambiental . Para apoiar este programa de modernização, o artigo 3º deste decreto prevê, nomeadamente, a redução para metade da frota de centrais a carvão, que emitem demasiado CO 2., e que “será desenvolvido o parque centralizado para a produção de eletricidade a partir do gás natural. "
A programação plurianual de investimentos em eletricidade em 2009 pressupõe a realização de pelo menos dez CCGTs até 2012. As autoridades francesas optam então por substituir a produção de eletricidade de origem nuclear que emite 12 gCO 2 / kWh pela produção de eletricidade de origem fóssil (gás-CCG) emitindo 490 gCO 2 / kWh no ciclo de vida.
O final dos anos 2000 e o início dos anos 2010, com a abertura do mercado de produção de eletricidade e um diferencial significativo entre os preços do gás e da eletricidade, viram muitos projetos de centrais de ciclo combinado serem implantados na França. Mas, a partir de 2013, a queda do preço da eletricidade associada ao aumento do preço do gás e à queda do preço do carvão (tornando a operação das centrais a carvão mais interessantes economicamente) levou ao congelamento de várias destas .projetos e o encapsulamento de algumas plantas já construídas.
A primeira cópia de alta potência do CCGT construída na França foi a planta DK6, que está ativa desdeMarço de 2005em Dunquerque , com capacidade de 790 MWe . Ele queima gás natural e gases de aço da usina Sollac próxima .
Duas usinas são operadas sob a marca CELEST. Eles foram construídos por Jacobs France para Poweo . O primeiro em Pont-sur-Sambre ( Norte ), de 412 megawatts, comissionado em 2009, e o outro em Toul (Meurthe-et-Moselle), de 413 megawatts, comissionado no início de 2013. Essas duas usinas são operadas pela Siemens . Outrora propriedade da austríaca Verbund (que adquiriu a Poweo e ainda detinha os seus meios de produção após a revenda da atividade de distribuição à Direct Energie), foram adquiridos no final de 2014 pelo fundo de investimento americano KKR . As usinas de Toul e Pont-sur-Sambre foram compradas pela Total em 2018.
GDF-SUEZ (agora Engie ) construiu CycoFos 424 MWe, comissionado no início de 2010 em Fos-sur-Mer em Bouches-du-Rhône. A central CombiGolfe , da Electrabel (empresa belga, propriedade da GDF-SUEZ), adicionou uma capacidade de 432 MWe também em Fos-sur-Mer e comissionou, emabril de 2011, a usina Montoir-de-Bretagne (Loire-Atlantique) que adiciona 435 MWe de capacidade.
A SNET (pertencente ao grupo alemão E.ON ) construiu dois grupos GCC em seu site da usina Emile Huchet , enquanto apenas carvão, Saint-Avold (Moselle) totalizando 860 MW (2 x 430 MWe ). Previa também a construção de vários grupos de gás de ciclo combinado até 2010-2015 nos locais das suas outras três centrais elétricas históricas a carvão ( Hornaing , Lucy e Provence ), bem como no local Lacq (Pirineus Atlânticos). ; Mas esses projetos parecem abandonados, em particular os de Hornaing (local fechado em 2013) e da usina Lucy, cujo local, que abriga uma usina a carvão, fechou em 2014.
A empresa suíça de energia Alpiq , por meio de sua empresa 3CB (Centrale à Cycle Combiné de Bayet), opera uma usina de 408 MWe em Bayet (Allier), perto de Saint-Pourçain-sur-Sioule , desde junho de 2011. Essa usina foi comprada fora. dentrooutubro 2015pela Total Direct Énergie por apenas € 45 milhões .
A Alpiq tinha desenvolvido um segundo projeto em Monchy-au-Bois (Pas-de-Calais), que tinha todas as autorizações administrativas necessárias, mas foi suspenso por razões econômicas.
Três ciclos combinados foram construídos pela EDF em Martigues (Bouches-du-Rhône) e Blénod-lès-Pont-à-Mousson (Meurthe-et-Moselle). O site de Martigues tem dois ciclos combinados de 465 MW cada um equipado com pós-combustão, eles reaproveitam as turbinas a vapor das antigas unidades aquecidas a óleo. O site Blénod-lès-Pont-à-Mousson tem um CCGT de 430 MW que foi inaugurado emfevereiro de 2012.
Após um vazamento em um circuito de óleo, um incêndio começou em 5 de fevereiro de 2015em uma das turbinas da fábrica de Martigues, resultando na indisponibilidade dos dois ciclos combinados por vários meses. Um foi capaz de reiniciar emjunho de 2015, o outro é anunciado para dezembro de 2015.
Uma estação de energia de 575 MW é construída na usina térmica de Bouchain, no Norte; é comissionado na primavera de 2016. Ele substitui a central elétrica a carvão localizada no mesmo local e que fechou emabril de 2015e estava sendo desmontado no verão de 2015. Bouchain usa a nova turbina de combustão tipo 9HA construída pela General Electric em Belfort , atualmente a turbina a gás mais potente do mundo.
A Direct Energie estava executando um projeto na cidade de Verberie (Oise) que foi bloqueado em 2013 na sequência de uma rejeição do projeto durante o inquérito público . A empresa liderou outro projeto de CCGT em Hambach (Mosela), que foi adiado por uma recusa em 2012 da licença de construção pelo tribunal administrativo de Estrasburgo, projeto atualmente parado.
Em cooperação com a Siemens , Total Direct Énergie está realizando um projeto de usina de 446 MWe em Landivisiau em Finistère. Os primeiros trabalhos ocorreram emfevereiro de 2015, com inauguração prevista para o mais cedo possível no segundo semestre de 2021. A exploração desta central, com um custo de 450 milhões de euros, será apoiada financeiramente no âmbito do Pacto Bretão da Eletricidade , que visa garantir o abastecimento de eletricidade na Bretanha.
A eficiência geral do setor de gás para a produção de eletricidade pareceria inferior se fossem levadas em consideração as estações de transporte, liquefação / gaseificação e compressão em gasodutos . O fornecimento de gás para CCGTs é complicado porque a demanda dos clientes dessas usinas varia muito dependendo da hora do dia, e é maior também quando outros consumidores demandam mais. O volume modulado acionado por essas usinas a gás representaria - segundo estudo prospectivo publicado emmarço de 2010- já 50% do volume modulado de consumo de outros consumidores atendidos na França pela rede GRT Gaz, e esse valor deve dobrar (subir para 100% em 2012), depois quadruplicar (200% em 2020) se a tendência se confirmar, que ultrapassaria em muito as atuais capacidades de armazenamento de gás e sua flexibilidade intradiária (de 2011 pode ser de acordo com o estudo para os meses de novembro a outubro). A metanização generalizada de resíduos urbanos e lodo de esgoto proporcionaria uma fonte adicional de gás, mas insuficiente, principalmente porque esse gás também é objeto de demanda de veículos. Outro limite poderia ser a necessidade de limitar as perdas de linha de grandes redes elétricas centralizadas e as emissões antropogênicas de gases de efeito estufa , alguns acreditando, entretanto, que será menos difícil e mais "lucrativo" descarbonizar as emissões dessas grandes centrais do que as de fontes mais difusas.
Uma “consulta de gás” é realizada sob a égide da Comissão Reguladora de Energia , a fim de adaptar a operação da rede de transporte de gás francesa (variações temporais, etc.) aos requisitos operacionais dos CCGTs. A operação semi-básica requer, de fato, flexibilidade intradiária em termos de consumo de gás.