Comment calculer l'efficacité du cycle Rankine d'une centrale à vapeur

Calculez l'efficacité η du cycle Rankine (1859) pour centrales thermoélectriques à vapeur. Subcritique, supercritique USC 600°C 300 bar — base d'EDF, Engie, GE Steam Power, Siemens Energy, Areva, NIST.

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Comment calculer l'efficacité du cycle Rankine d'une centrale à vapeur permet d'estimer le rendement thermique des centrales thermoélectriques, nucléaires, géothermiques et CSP solaires thermodynamiques. Le cycle fut formalisé par William John Macquorn Rankine (Glasgow 1859). Le cycle standard a 4 processus : pompage liquide, chauffage+vaporisation en chaudière, expansion adiabatique en turbine, condensation. L'efficacité idéale est η = (W_turbine - W_pompe)/Q_chaudière. Pour subcritique 167 bar/540°C : η=38-40% ; supercritique 240 bar/566°C : η=42-43% ; USC 300 bar/600°C : η=45-47% ; A-USC 700°C : η>50%. C'est le fondement du design chez EDF (56 réacteurs nucléaires), Engie, Areva, Framatome, et industriels comme Alstom (racheté par GE/Siemens).

1. Cycle Rankine et condensation

(

  • Pompage adiabatique de l'eau liquide du condenseur (p≈0,05 bar) à la pression chaudière (100-300 bar) ; (
  • chauffage+vaporisation+surchauffe en chaudière (T_max 540-600°C) ; (
  • expansion adiabatique en turbine HP/IP/LP ; (
  • condensation isobare. Carnot idéal à 600°C/33°C : η=65%. Rankine réel 35-47%

2. Cycles Rankine typiques

  • Subcritique charbon 167 bar/540°C — η=38-40%, EDF Cordemais (fermée).
  • Supercritique 240 bar/566°C — η=42-43%.
  • USC 300 bar/600°C — η=45-47%.
  • A-USC 700°C — η>50%, programme EU AD700.
  • Nucléaire PWR 70 bar/280°C — η=33%, EDF Flamanville EPR, Civaux, Chooz, Bugey, Penly, Tricastin.
  • CSP solaire thermodynamique — η=35-42%. Themis France-Espagne expérimentale.
  • ORC géothermique Bouillante Guadeloupe — η=8-22%.
  • WHR industriel — récupère 100-300°C des gaz d'échappement.

3. Domaine de validité et corrections

Le cycle Rankine idéal suppose des processus réversibles. Pertes réelles : η_turbine 88-92%, η_pompe 80-85%, pertes chaudière 5-8%, pression 2-3%, condenseur imparfait 50-70 mbar, auxiliaires 5-8%. Améliorations modernes : régénération avec préchauffeurs, resurchauffe intermédiaire, USC 300 bar/600°C, aérocondenseurs pour zones désertiques. Codes Aspen Plus, Thermoflex, gPROMS, EBSILON Professional simulent le cycle complet.

4. Exemples numériques

Exemple 1 — Subcritique 167 bar/540°C, T_cond=33°C. η_idéal=40,4%, réel=38%.

Exemple 2 — USC 300 bar/600°C. η=46% réel.

Exemple 3 — Nucléaire PWR Flamanville 70 bar/280°C. η=33% par vapeur saturée.

5. Applications pratiques

  • Centrales thermoélectriques : France ~70% nucléaire, ~10% gaz CCGT. EDF opère 56 réacteurs nucléaires PWR (Hinkley Point, Flamanville EPR, Olkiluoto Finland avec Areva)
  • Centrales nucléaires : 70% électricité française, plus haute proportion mondiale. EDF opère Bugey, Tricastin, Civaux, Cattenom, Belleville. Olkiluoto 3 EPR (1600 MW, partenariat Areva-Framatome)
  • CSP : Themis Pyrénées-Orientales (expérimentale), CNRS-PROMES Odeillo. France importa technologie d'Espagne (Gemasolar)
  • Géothermie : Bouillante Guadeloupe (CFG Services, 15 MW), Soultz-sous-Forêts Alsace (EGS prototype). Limited en métropole
  • WHR industriel : cimenteries Lafarge Holcim, verreries Saint-Gobain, aciéries ArcelorMittal récupèrent 50-150 MW par usine via ORC
  • Cogénération : Engie Cofely réseaux chaleur urbains Paris, Lyon, Marseille

6. Comparaison avec autres cycles thermiques

Brayton (turbine gaz) : η 35-42%. CCGT (Brayton+Rankine) : η 60-64% (record GE 9HA.02 EDF Bouchain 62,2%). Stirling idéal=Carnot, réel 30-40%. Otto/Diesel : η 30-50%. Pour basse enthalpie géothermique et WHR, ORC avec fluides à bas point d'ébullition surpasse Rankine eau. Cycle Kalina (1984) H₂O-NH₃ : 5-10% mieux que Rankine pure. Cycle sCO₂ supercritique futur pour Gen IV nucléaire et CSP.

7. Cas particuliers et développements futurs

Pour cycles A-USC 700-720°C, nouveaux matériaux (Inconel 740H, Sanicro 25). Programmes EU AD700, US DOE A-USC, Chine/Inde HUSC. Pour nucléaire Gen IV : cycle Brayton sCO₂ ou Rankine avancé (projet Astrid CEA abandonné). Pour fusion ITER+DEMO Cadarache : He primaire+Rankine secondaire. Pour CSP : augmenter T_max via stockage sels fondus 565°C ou solides 850°C. Pour géothermie profonde : ORC amélioré 22-25%. Pour récupération chaleur industrielle : ORC siloxanes pour T 300-450°C. Recherche CEA, IFP Énergies Nouvelles, CNRS-PROMES.

Mis à jour en juillet 2026

Questions fréquentes

Qu'est-ce que le cycle Rankine et pourquoi est-il important ?

Le cycle Rankine (William Rankine 1859) est le cycle thermodynamique des centrales thermoélectriques à vapeur : pompage liquide, chauffage+vaporisation+surchauffe en chaudière, expansion en turbine, condensation. Il génère ~80% de l'électricité mondiale (charbon, gaz, nucléaire, biomasse). EDF opère 56 réacteurs nucléaires PWR (70% électricité française), partenariat avec Areva-Framatome.

Comment calcule-t-on l'efficacité du cycle Rankine ?

η = (W_turbine - W_pompe)/Q_chaudière = (h_3-h_4 - (h_2-h_1))/(h_3-h_2), avec h enthalpies spécifiques des Steam Tables NIST. Pour subcritique 167 bar/540°C : η_idéal=40,4%, réel=38%. Pour USC 300 bar/600°C : η=46%. Pour nucléaire PWR Flamanville 70 bar/280°C : η=33%. Réel est inférieur à cause de η_turbine 88-92%, η_pompe 80-85%, pertes chaudière 5-8%.

Qu'est-ce que le cycle Rankine supercritique (USC) ?

USC (Ultra-Super-Critical) opère au-dessus du point critique de l'eau (374°C, 220 bar) à 300 bar/600°C, atteignant η=45-47% (vs 38-40% subcritique). Mitsubishi-Hitachi Isogo Japan est le record commercial. A-USC (Advanced) cible 700°C atteindra η>50%. Programmes EU AD700, US DOE A-USC. Nécessite matériaux avancés Ni Inconel 740H, Sanicro 25 austénitique.

Qu'est-ce que le cycle ORC (Organic Rankine Cycle) ?

ORC est une variante du cycle Rankine avec fluides organiques à bas point d'ébullition (R245fa, n-pentane, isobutane, siloxanes) au lieu de l'eau. Avantages : T_max < 300°C, taille compacte. Applications : géothermie basse enthalpie (Bouillante Guadeloupe), WHR industriel (cimenteries Lafarge Holcim, verreries Saint-Gobain, aciéries ArcelorMittal), CSP moyenne T. Efficacité 8-22%.

Quelles sont les centrales à vapeur en France ?

France a 70% d'électricité nucléaire (record mondial). EDF opère 56 réacteurs PWR : Bugey, Cattenom, Tricastin, Civaux, Cattenom, Belleville, Cruas, Dampierre, Flamanville, Penly, Saint-Alban. Charbon en fermeture (Cordemais 2027). CCGT en croissance (EDF Bouchain GE 9HA record 62,2%). Géothermie limitée (Bouillante 15 MW). CSP expérimental (Themis Pyrénées).

Qu'est-ce qu'une centrale CSP solaire thermodynamique ?

CSP utilise miroirs paraboliques, héliostats ou tour pour concentrer la lumière solaire et produire vapeur ou chaleur. France a Themis (expérimental, CNRS-PROMES Odeillo). Espagne est leader mondial avec Gemasolar Séville 19,9 MW. Efficacité globale 35-42%. Couplée à stockage thermique en sels fondus (NaNO₃-KNO₃ à 565°C).

Comparaison Rankine vs Brayton vs CCGT ?

Brayton (turbine gaz) : η 35-42%. Rankine (turbine vapeur) : η 38-47%. CCGT (Brayton+Rankine) : η 60-64% (record GE 9HA.02 EDF Bouchain 62,2%). Pour centrales gaz naturel CCGT est la meilleure technologie. Pour nucléaire et charbon, Rankine pur. Pour biomasse, ORC ou Rankine.

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