Générateur MHD

Un générateur MHD est un convertisseur MHD qui transforme l'énergie cinétique d'un fluide conducteur directement en électricité.



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  • Ecoulement secondaire dans le canal d'un générateur MHD avec un champ magnétique non uniformeSecondary flow in the MHD generator channel with a non uniform... (source : )

Un générateur MHD (magnétohydrodynamique) est un convertisseur MHD qui transforme l'énergie cinétique d'un fluide conducteur directement en électricité.

Le principe de base est principalement le même que pour n'importe quel générateur électrique. Les deux types de générateur utilisent tous deux un inducteur (électroaimant) générant un champ magnétique dans un induit.

Les générateurs MHD n'utilisent par conséquent pas de pièce mécanique mobile, contrairement aux générateurs électriques respectant les traditions. Le fluide est mis en mouvement dans le champ magnétique, ce qui génère un courant électrique, recueilli aux limites d'électrodes immergées et commutées à une charge.


MHD generator.png

Principe

Force de Laplace

Les particules chargées en mouvement dans un champ magnétique subissent une force magnétique dite force de Lorentz[1] qui dévie leur trajectoire, selon l'équation :

 \vec F \ = \ q \; \vec v \wedge \vec B \,


Les vecteurs F, v et B sont perpendiculaires les uns aux autres et forment un trièdre dans l'espace selon la règle de la main droite.

Le sens de cette force dépend de la charge q, il est par conséquent inverse pour les particules positives et les particules négatives.


Un fluide conducteur possède en son sein des atomes neutres mais aussi des charges positives (ions positifs) et des charges négatives (ions négatifs, plus des électrons libres s'il s'agit d'un plasma). Quand un tel fluide en mouvement uniforme traverse un champ magnétique, les forces de Laplace ont tendance à séparer les charges de signes différents de part et d'autre du fluide.

Si on plonge dans ce fluide des électrodes connectées à une charge, on recueille par conséquent à leurs limites une différence de potentiel.

Historique

Le concept de générateur MHD a pour la première fois été testé par Michæl Faraday en 1832. Suite à la découverte expérimentale du danois Ørsted sur l'électromagnétisme et sa formulation théorique par le français Ampère avec l'électrodynamique, ce physicien anglais proposa d'utiliser la composante verticale naturelle du champ magnétique terrestre, en plaçant de part et d'autre du pont de Waterloo des plaques de cuivre, plongées dans l'eau de la Tamise et reliées par un fil électrique long de 290 mètres. Cependant, l'équipement de l'époque ne permit pas de mettre en évidence le trop faible courant électrique généré, et c'est en 1851 que son compatriote le Dr. William Hyde Wollaston mesura effectivement, dans l'embouchure saumâtre du fleuve, une tension induite par la marée de la Manche.

Les recherches approfondies de génération d'électricité par MHD ont débuté au XXe siècle, dans un premier temps avec le physicien Bela Karlovitz pour le compte de la société Westinghouse de 1938 à 1944. Ce générateur MHD était de type "Hall annulaire" (voir Tuyères plus loin) et utilisait un plasma issu de la combustion du gaz naturel ionisé par faisceaux d'électrons. Cette expérience ne fut pas concluante car la conductivité électrique du gaz était aussi limitée que les connaissances de l'époque en physique des plasmas. Une seconde expérience menée en 1961 au même laboratoire, utilisant un liquide composé d'un combustible fossile enrichi en potassium, fut elle un succès avec une puissance générée excédent 10 kW. La même année, une puissance semblable fut générée aux laboratoires Avco Everett par le docteur Richard Rosa[2], en utilisant de l'argon enrichi par pulvérisation d'une poudre de carbonate de potassium (substance donnant aisément des électrons libres, ce qui augmente la conductivité électrique du plasma) et ionisé par arcs électriques à 3 000 K.

En 2007, un ensemble d'expériences concluantes réalisées aux États-Unis pour le compte de l'armée américaine, avec un fluide simulant une sortie de tuyère d'un avion hypersonique a permis d'obtenir une puissance générée supérieure à 1 mW. Ce type d'expérience est susceptible de relancer l'intérêt (surtout militaire) de la MHD, après une "mise en sommeil" de cette technique pendant de nombreuses années. Cette expérience est susceptible d'avoir aussi un impact sur la fusion contrôlée (voir Z machine).

Avantages

Les années 1960 virent un effort international particulièrement important en vue de créer les premières centrales MHD électriques industrielles, avec un gaz ionisé à particulièrement haute vitesse comme fluide conducteur. Les études préliminaires ont en effet dégagé un certain nombre d'avantages :

Problèmes techniques

Bien qu'un effort mondial énorme ait été entrepris sur la conversion MHD dans la majorité des pays industrialisés dès le début des années 1960, quasiment l'ensemble des nations impliquées ont rapidement abandonné ces recherches au début des années 1970, face à des obstacles techniques apparemment insurmontables, à l'exception des États-Unis[3] et de la Russie qui ont maintenu une veille technologique. La Russie est d'ailleurs l'unique pays qui dispose actuellement (depuis 1971) d'une centrale MHD fonctionnelle, délivrant par ce moyen 25 MW.

Cycle ouvert ou fermé

Les années 1960 voient la définition de deux classes principales de fonctionnement :

Tuyères

Sans pièce mécanique mobile, un générateur MHD peut prendre diverses formes géométriques. La contrainte est d'avoir une composante de la vitesse d'écoulement v du fluide qui n'est pas parallèle au champ magnétique B, de telle sorte qu'un champ électrique de Faraday v x B puisse être créé. Ce champ va alors induire des champs et des courants électriques dans le plan normal au champ magnétique. Pour les convertisseurs à courant continu, une seconde contrainte est la présence d'électrodes plongées dans le fluide et reliées à une charge, qui collectent le courant électrique généré. Les géométries les plus étudiées utilisent un écoulement linéaire (avec plusieurs variations), en vortex, ou radial (tuyère discoïdale).

  • à électrodes continues : deux électrodes longues de chaque côté de la tuyère, connectées à une charge.
  • à électrodes segmentées : de multiples paires d'électrodes courtes, chacune reliée à une charge. Cette configuration sert à limiter le courant de Hall (qui est créé en plus du courant de Faraday transversalement à ce dernier) issu du champ de Hall créé le long de l'axe du mouvement du fluide, à cause du champ magnétique (effet Hall).

Régime de fonctionnement

Écoulement continu

La plupart des générateurs MHD industriels doivent fonctionner en régime continu, ils sont en cela analogues à une dynamo : ils génèrent un courant continu qui doit être converti en courant alternatif avant d'être transmis sur le réseau de distribution public. Les générateurs MHD à induction produisent par contre nativement un courant alternatif, analogues aux alternateurs.

Rafale impulsionnelle

La tenue délicate des matériaux face aux particulièrement hautes températures du gaz, requises pour un fonctionnement MHD optimal, a fréquemment restreint l'étude de ces systèmes sur de courtes durées de fonctionnement. On peut distinguer plusieurs régimes impulsionnels :

  • Typhée : en France dans les années 1960, le CEA construisit directement un tel générateur MHD à Fontenay-aux-Roses. Le prototype Typhée, de type tuyère de Faraday à électrodes segmentées, utilisait de l'hélium ensemencé au césium chauffé à travers un échangeur à barres de tungstène à 3 000 degrés, avec des durées de fonctionnement d'une douzaine de secondes.
  • Pamir : En Russie, l'IVTAN (Institut des hautes températures de Moscou) conçoit depuis les années 1960 des générateurs MHD impulsionnels à moteur-fusée crachant un gaz à travers des tuyères de Faraday et débitant des millions d'ampères, tels que le modèle PAMIR-3U[6] sous la direction du Pr. Victor A. Novikov [7]. Les "machines Pamir" connues aussi sous le nom de "générateurs MHD de Pavlowsky" sont d'autre part capables de déclencher des séismes[8].

Gaz bitempérature

Chauffé en dessous de 1 500 C, un gaz est parfois utilisé en continu dans une tuyère, mais sa conductivité électrique et le rendement MHD restent faibles. Au-dessus de 5 000 C, le gaz est cette fois correctement ionisé mais ne peut parcourir la tuyère plus de quelques secondes sous peine de détruire les électrodes.

Afin d'utiliser ces générateurs sur de longues durées, l'enjeu principal est de parvenir à baisser la température du plasma tout en conservant une conductivité électrique élevée. Une première approche consiste à restreindre l'ionisation d'origine thermique, au profit d'un ensemencement de substances alcalines à bas potentiel d'ionisation, donnant naturellement des électrons libres. Les résultats étant cependant limités, cette méthode est combinée avec une idée avancée pour la première fois par l'américain Jack L. Kerrebrock[9] et le russe A. E. Sheindlin[10] : les plasmas "bitempératures", en ionisation hors d'équilibre. Dans ce cas, seul le "gaz d'électrons" est chauffé à plus de 10 000 degrés (température électronique) alors que la température du gaz (les "lourds" : atomes neutres et ions) reste "froide" à quelques milliers de degrés uniquement (phénomène analogue au plasma froid dans un tube luminescent). Hélas, le régime bitempérature s'accommode particulièrement mal d'un paramètre de Hall élevé (quand le champ magnétique est assez puissant). Dans un tel milieu se développe en quelques millionièmes de seconde un phénomène qui ruine les performances de ces générateurs : l'instabilité électrothermique dite aussi instabilité de Velikhov ou instabilité d'ionisation.

À cause de cette instabilité, le générateur MHD Typhée du CEA ne fonctionna pas (il fut conçu d'emblée dans l'optique d'un fonctionnement bitempérature). Mais selon certaines études, cette instabilité pourrait être maîtrisée de deux façons :

  1. Mélange gazeux à potentiel d'ionisation particulièrement bas[11] : le principe est de "prendre de vitesse" l'instabilité, avec un temps d'ionisation assez bref pour faire chuter suffisamment le paramètre de Hall en dessous de sa valeur critique (ajout de 2 % de dioxyde de carbone dans le gaz. Grâce à la grande section efficace du CO2, l'énergie des électrons est particulièrement rapidement absorbée). La plage de stabilité, atteinte par cette méthode d'annihilation de l'instabilité de Velikhov, sert à conserver les électrons à 10 000° tout en descendant efficacement la température globale du gaz à 6 000° (courant mesurable jusqu'à 4 000°, seuil en dessous duquel l'instabilité d'ionisation reprend le dessus). Cette unique méthode ne permet par conséquent pas de descendre suffisamment la température pour un fonctionnement continu (acceptable en dessous de 3 000 degrés).
  2. Champs magnétiques inhomogènes (gradients de pression magnétique) [12] : les zones de pression magnétique minimale sont distribuées de façon à canaliser finement les courants électriques entre les électrodes, sans turbulences. Une tuyère MHD linéaire de Faraday à électrodes segmentées peut alors fonctionner sous le régime, a priori néenmoins impossible dans une telle configuration, de fort paramètre de Hall (cas où le champ magnétique est élevé).

Dans le cadre général des plasmas froids soumis à de forts champs magnétiques, cette problématique est aussi au cœur de l'essor ou de l'abandon à court terme des applications propulsives hypersoniques de la MHD, connues sous le nom de magnétoaérodynamique.

Références et notes


  1. La Force de Laplace est le cas spécifique de la Force de Lorentz en l'absence de champ électrostatique.
  2. (en) Arc tunnel for magnetohydrodynamic studies (R. Rosa), Research Note 132, AF-04 (647) -278, Avco-Everett Research Laboratory, MA, États-Unis, 1er janvier 1959 (en) Physical principles of magnetohydrodynamic power generation (R. Rosa), Research Report 69, AFBMD-TR-60-36, Avco-Everett Research Lab, MA, États-Unis, 1er janvier 1960 (en) Experimental magnetohydrodynamic power generator (R. Rosa), AFBDM-TR--60-1, Avco-Everett Research Lab, MA, États-Unis, 1er janvier 1960
  3. (en) Magnetohydrodynamic power dynamics (M. G. Haines, I. R. McNab), Physics in Technology, n°5, 278-300, 1974
  4. (en) Coal-fired open cycle magnetohydrodynamic power plant emissions and energy efficiencies (J. Gruhl), MIT Energy Lab, MIT-EL 78-018, novembre 1977
  5. (en) Proceedings of the 8th International closed-cycle specialists'meeting, MIT Energy Lab, MIT-EL 78-005, 19-20 mai 1977, released mars 1978
  6. (en) Department of Pulsed MHD Power Systems & Geophysics de l'IHED (Institute for High Energy Densities) de l'IVTAN/AIHT (Institut des hautes températures) du RAS (Académie des sciences russes)
  7. (en) Novikov Victor Alexandrovitch, Institut des hautes densités d'énergie, IVTAN, Académie des sciences de Russie
  8. La machine à tremblement de terre extrait vidéo du documentaire Colères du climat, Jeff Swimmer, National Geographic, 2005
  9. (en) Non-equilibrium effects on conductivity and electrode heat transfer in ionized gases (J. L Kerrebrock), Technical Note n°4, AFOSR-165, 1 novembre 1960
    et (en) Nonequilibrium ionization due to electron heating : I. Theory - II. Experiments (J. L. Kerrebrock, M. A. Hoffman), AIAA Journal, 0001-1452, vol. 2, n°6, 1 juin 1964
  10. (en) Experimental investigation of non-equilibrium ionization in a mixture of argon and potassium (A. E. Sheindlin, V. A. Batenin, E. I Asinovsky), International symposium on magnetohydrodynamic electric power generation, Paris, France, 6 juillet 1964
  11. Avec cette méthode, l'IMFM a généré 2 mégawatts électriques sous 2 teslas en régime bitempérature en 1967 :
  12. (en) Cancellation of the Velikhov instability by magnetic confinment et Spiral electric currents with high appearent Hall parameter confinment (J. P. Petit), VIII International Conference on MHD Electrical Power Generation, Moscou, 1983

Voir aussi

Liens externes

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