Optimisation économique d'une centrale à turbine à gaz par stockage de glace

Abstract

Les turbines à gaz opérant dans les régions à climat chaud, notamment dans le Grand Sud algérien, subissent une dégradation significative de leurs performances lorsque la température ambiante dépasse les conditions ISO (15 °C). Les simulations réalisées dans ce travail montrent qu'une température d'admission de 35 °C (conditions diurnes typiques) réduit la puissance nette à 91,66 MW et le rendement thermique à 21,12 %, tandis que les conditions nocturnes à 15 °C portent ces valeurs à 107,5 MW et 22,09 % respectivement. Pour remédier à cette sensibilité thermique, le présent mémoire propose, modélise et optimise un système de prérefroidissement de l'air d'admission couplé à un stockage d'énergie thermique par glace (TES-glace). Le modèle thermodynamique du cycle de Brayton prérefroidi, intégrant un cycle à compression de vapeur fonctionnant à l'ammoniac (NH₃) ou au R134a, est implémenté sous EES (Engineering Equation Solver). Les résultats montrent qu'avec un fluide frigoporteur à Tg = 1,77 °C, le cycle prérefroidi atteint une puissance nette de 120,9 MW et un rendement thermique de 22,81 %, soit des gains de +32 % en puissance et +8 % en rendement par rapport aux conditions diurnes sans prérefroidissement. L'analyse technico-économique intégrant le CAPEX du sous-système frigorifique (compresseur, condenseur, réservoir de stockage glaciaire) démontre la supériorité de l'ammoniac sur le R134a : le profit net avec NH₃ dépasse celui du R134a de +1,13 M$ (+24,4 %). Les études paramétriques identifient un optimum de différence d'approche au condenseur à ΔTcond = 28,33 K (profit net = 5,789 M$, COP = 2,28) et confirment que la température Tg = 1,77 °C constitue le point de fonctionnement optimal qui équilibre l'efficacité du cycle de Brayton et l'économie d'énergie du cycle frigorifique. Le profit opérationnel annuel hors première année atteint 2,085 M$, démontrant la viabilité économique du système dès la deuxième année d'exploitation.