Examen Final de Systèmes Énergétiques : Turbines, Cycles et CO2

Présentation de l'épreuve et contexte académique

Ce document correspond au sujet de l'examen final de l'UV TE53 pour la session d'automne 2012, daté du 18 janvier 2013, délivré par l'Université de Technologie Belfort-Montbéliard (UTBM). D'une durée de deux heures, cette épreuve évalue les connaissances et les compétences techniques des étudiants dans plusieurs grands domaines de l'énergie, incluant les turbines à gaz, les systèmes thermodynamiques, les cycles combinés, le fonctionnement des turboalternateurs et les technologies de capture du dioxyde de carbone.

Les consignes générales de l'examen rappellent aux candidats l'importance de soigner la clarté de leur copie, d'encadrer les résultats numériques finaux, de rédiger les formules littérales avant toute application numérique et de limiter les résultats aux quatre chiffres significatifs maximum. Les documents autorisés incluent les notes personnelles manuscrites, les documents de cours ainsi que les deux polycopiés de l'unité de valeur.

Structure et grands thèmes abordés dans le sujet

Le sujet est divisé en six parties distinctes couvrant des problématiques industrielles et théoriques variées liées à la production d'électricité et aux machines thermiques :

• Déroulement d'un projet de centrale électrique : Une première partie introductive sous forme de QCM noté sur 3 points, à rendre avec la copie.
• Turbines à Gaz : Une série d'exercices sur les paramètres de performance et les facteurs limitants, le calcul de rendement polytropique, la température et la puissance d'un compresseur, ainsi que l'évaluation de la puissance thermique d'une chambre de combustion et du Heat Rate de la machine.
• Turbines à Gaz - Systèmes : L'étude du démarrage d'une turbine, le dimensionnement thermique et la puissance de ventilateurs d'enceinte sous différentes températures, la réponse indicielle d'un circuit du premier ordre avec retard, et des calculs d'acoustique portant sur la pression et la puissance sonore en champ libre.
• Cycles combinés : L'analyse thermodynamique d'un cycle combiné à un niveau de pression avec chaudière de récupération, incluant le bilan thermique, les pressions dans le ballon HP, les débits de vapeur et l'utilisation d'un diagramme de Mollier pour déterminer le titre en vapeur à l'échappement.
• Turboalternateurs : L'exploitation du diagramme des puissances actives et réactives d'une ancienne gamme d'alternateurs Alstom, l'identification des limites physiques de fonctionnement, le choix d'un alternateur selon sa tension nominale et le calcul de couples pour des régimes spécifiques.
• Capture du CO2 : Un problème approfondi en deux parties portant sur une centrale thermique à charbon pulvérisé ultra-supercritique. La première partie traite des performances et des émissions de CO2 sans dispositif de capture, tandis que la seconde aborde l'intégration d'un système de capture par oxy-combustion (avec unité de séparation d'air et unité de traitement des gaz), le calcul des consommations auxiliaires, le rendement net avec capture, les émissions résiduelles, la pénalité d'énergie et l'évaluation des taxes et tonnages de CO2 évités.

Modalités de travail et conseils d'utilisation pour les révisions

Ce sujet d'examen constitue un support de travail particulièrement riche pour les étudiants préparant des épreuves similaires en génie énergétique, thermique ou électrique. Il permet de s'exercer sur des cas concrets d'ingénierie combinant des bilans de masse et d'énergie, des calculs de dimensionnement et des analyses de performances environnementales.

Pour tirer le meilleur parti de ce document lors de vos révisions, il est conseillé de le traiter en conditions réelles d'examen en respectant la durée impartie de deux heures. Essayez de résoudre chaque exercice en posant rigoureusement les lois physiques et les équations littérales avant d'effectuer les applications numériques. Enfin, la confrontation avec les notions de transition énergétique et de capture du carbone offre une mise en perspective actuelle des enjeux industriels de la production électrique.

Questions fréquentes

À quel niveau d'études s'adresse ce sujet d'examen ?

Ce document est destiné aux étudiants de l'UTBM suivant l'unité de valeur (UV) référencée sous le code TE53 durant le semestre d'automne 2012.

Quels sont les principaux documents autorisés pendant cette épreuve ?

Les étudiants sont autorisés à consulter leurs notes personnelles manuscrites, les documents distribués pendant les cours ainsi que les deux polycopiés officiels de l'UV.

Quelles parties environnementales sont abordées dans le sujet ?

La dernière partie aborde en détail la capture du dioxyde de carbone (CO2) via un procédé d'oxy-combustion pour une centrale à charbon, en calculant les émissions, les pénalités énergétiques et les économies de taxes associées.

Combien de points comporte l'examen au total ?

L'épreuve est notée sur un total de 18 points répartis sur l'ensemble des six parties thématiques (le premier exercice valant 3 points, et les parties suivantes entre 3 et 4 points).

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