Comment choisir les groupes électrogènes au gaz naturel adaptés à votre application ?

Groupes électrogènes au gaz naturel se sont imposés comme l'une des solutions de production d'énergie les plus importantes sur le plan commercial et technique disponibles dans les applications résidentielles, commerciales, industrielles et utilitaires. Brûlant du gaz naturel plutôt que du diesel ou du fioul lourd, ces groupes électrogènes fournissent de l'énergie électrique avec moins d'émissions, un coût de carburant inférieur sur la plupart des marchés et une meilleure fiabilité d'approvisionnement en carburant grâce à une infrastructure de pipelines qui n'est pas soumise aux défis de stockage, de transport et de contamination de la logistique des carburants liquides. Pour les opérations qui nécessitent une alimentation de secours, une alimentation continue ou une production combinée de chaleur et d'électricité, un groupe électrogène au gaz naturel offre une combinaison convaincante de performances et d'économies que les alternatives au diesel ne peuvent de plus en plus égaler à mesure que les prix des carburants et les réglementations sur les émissions continuent d'évoluer.

La conclusion directe pour quiconque évalue les groupes électrogènes au gaz naturel est la suivante : pour une production d'électricité continue ou principale lorsqu'un approvisionnement en gaz naturel est disponible, les groupes électrogènes au gaz naturel génèrent des émissions inférieures, un coût de carburant par kilowattheure inférieur et des coûts de maintenance à long terme inférieurs à ceux des groupes diesel équivalents tout en atteignant une efficacité de production électrique comparable sur toute la plage de puissance allant de 20 kW à bien au-dessus de 10 mégawatts par unité. Pour les applications de secours, les appareils au gaz naturel dépendent de la fiabilité de l'infrastructure d'approvisionnement en gaz, qui doit être évaluée pour l'emplacement spécifique. Lorsque l'approvisionnement en gaz est fiable, le groupe électrogène au gaz naturel constitue la spécification privilégiée pour la plupart des applications de secours permanentes et d'alimentation continue. Cet article couvre la technologie, les spécifications de performances, les applications et les critères de sélection des groupes électrogènes au gaz naturel de manière approfondie et pratique.

Comment fonctionnent les groupes électrogènes au gaz naturel

Un Groupe électrogène au gaz naturel combine un moteur à combustion interne alimenté au gaz naturel avec un générateur CA synchrone (alternateur) monté sur un châssis de base commun, avec tous les systèmes auxiliaires nécessaires au démarrage, au contrôle, au refroidissement et au traitement des gaz d'échappement intégrés dans un seul ensemble déployable. Le moteur brûle un mélange de gaz naturel et d'air dans ses chambres de combustion, convertissant l'énergie chimique du gaz en énergie de rotation mécanique qui entraîne l'arbre du générateur, qui à son tour produit la puissance électrique. L'ensemble complet, y compris le moteur, le générateur, le panneau de commande, le radiateur de refroidissement et l'enceinte d'insonorisation lorsque spécifié, constitue l'ensemble du groupe électrogène.

Types de moteurs utilisés dans les groupes électrogènes au gaz naturel

Les groupes électrogènes au gaz naturel sont produits avec deux types de moteurs principaux, et le choix entre eux a des implications significatives en termes d'efficacité, de puissance de sortie et d'adéquation à l'application :

• Moteurs à gaz à allumage par étincelle (cycle Otto) : Le type de moteur standard pour les groupes électrogènes au gaz naturel. Le gaz naturel, étant un carburant gazeux, ne peut pas être allumé par compression comme le diesel car il ne s'enflamme pas automatiquement aux taux de compression utilisés dans les moteurs à gaz pratiques. Au lieu de cela, le mélange air-carburant est enflammé par une bougie d’allumage au point optimal de la course de compression. Les moteurs à gaz modernes à allumage commandé utilisent une technologie de combustion pauvre, où le rapport air-carburant est nettement supérieur au rapport stœchiométrique (généralement lambda 1,6 à 2,0 ou plus), ce qui réduit les températures de combustion maximales, diminue les émissions de NOx et améliore l'efficacité thermique. Les moteurs à gaz à combustion pauvre de première qualité atteignent un rendement électrique de 40 à 45 pour cent à pleine charge dans la plage de puissance de 500 kW à 10 MW, ce qui est directement comparable aux moteurs diesel modernes et nettement meilleur que le rendement de 30 à 35 pour cent typique des moteurs à gaz stœchiométriques plus anciens.
• Moteurs à allumage pilote (bicarburant) : Les gros moteurs au gaz naturel, en particulier dans la gamme des mégawatts, utilisent parfois une petite quantité de carburant diesel (l'injection pilote) pour enflammer un mélange air-gaz principalement naturel dans chaque cylindre. Le pilote diesel fournit un calage d'allumage fiable et précis dans les cylindres de gros alésage où la portée et la fiabilité des bougies d'allumage sont plus difficiles que dans les moteurs plus petits. Les moteurs bicarburant offrent la flexibilité supplémentaire de pouvoir fonctionner uniquement au diesel si l'approvisionnement en gaz est interrompu, au prix d'une plus grande complexité mécanique et de la nécessité de maintenir un approvisionnement en carburant diesel parallèlement à l'approvisionnement en gaz.

Le composant générateur

Le générateur CA synchrone d'un groupe électrogène au gaz naturel convertit la rotation mécanique du vilebrequin du moteur en courant électrique CA triphasé à la tension et à la fréquence spécifiées pour l'application (généralement 400 V ou 11 kV à 50 Hz sur les marchés européens et asiatiques, et 480 V ou 13,8 kV à 60 Hz sur les marchés nord-américains). La conception du générateur, la classe d'isolation et la méthode de refroidissement sont adaptées à la puissance de sortie et à l'application de l'ensemble. Les générateurs auto-excités sans balais avec régulateurs de tension numériques (AVR) maintiennent la tension de sortie à ± 1 % du point de consigne sur toute la plage de charge et sur les événements de charge transitoire, ce qui est la spécification requise pour la compatibilité avec les charges électroniques les plus sensibles, notamment les serveurs, les moteurs avec variateurs de fréquence et les équipements médicaux.

Considérations sur l’approvisionnement en carburant pour les groupes électrogènes au gaz naturel

La fiabilité opérationnelle d'un groupe électrogène au gaz naturel dépend fondamentalement de la fiabilité et de la qualité de son alimentation en carburant, et le système d'alimentation en carburant doit être correctement conçu en tant que partie intégrante de l'installation du groupe électrogène. Le gaz naturel est fourni aux groupes électrogènes via l'une des trois sources d'approvisionnement principales, chacune ayant des implications différentes en matière de fiabilité, de pression et d'installation :

• Gazoduc de service public de gaz naturel : Source d'approvisionnement la plus courante pour les installations permanentes dans les zones desservies par les infrastructures de distribution de gaz. Le gaz de pipeline est livré à une pression de distribution (généralement de 20 à 200 mbar à la limite de propriété au Royaume-Uni, ou de 0,25 à 2 bars dans les réseaux d'approvisionnement industriels) et nécessite une station de régulation de pression pour réduire et stabiliser la pression d'alimentation nécessaire au système de carburant du moteur (généralement de 20 à 100 mbar à l'entrée de carburant du moteur pour les moteurs à mélange pauvre à allumage par étincelle). L'approvisionnement en gaz par gazoduc est très fiable sur les marchés développés, avec une disponibilité annuelle généralement supérieure à 99,9 % dans les zones urbaines et suburbaines.
• Gaz naturel comprimé (GNC) : Pour les endroits sans accès au gazoduc, le gaz naturel peut être fourni sous forme comprimée dans des bouteilles à haute pression ou des faisceaux de bouteilles montés sur remorque à des pressions allant jusqu'à 250 bars, ce qui nécessite un train de réduction de pression pour amener le gaz aux conditions d'entrée de carburant du moteur. L'approvisionnement en GNC est pratique pour les installations éloignées à moyen terme et constitue une alternative viable au diesel dans les endroits où la logistique d'approvisionnement en diesel est difficile.
• Gaz naturel liquéfié (GNL) et gaz de pétrole liquéfié (GPL) : Le GNL peut être stocké sur site dans des réservoirs cryogéniques et vaporisé pour alimenter des groupes électrogènes dans des endroits éloignés des infrastructures de pipelines. Le GPL (propane ou butane) fournit un combustible gazeux alternatif avec des caractéristiques de combustion similaires à celles du gaz naturel et peut être utilisé dans des groupes électrogènes convenablement convertis là où le gaz naturel n'est pas disponible. Le GNL et le GPL nécessitent des équipements spécialisés de stockage, de vaporisation et de régulation de pression.

Comparaison des performances, des émissions et de l’efficacité

Les avantages en termes de performances des groupes électrogènes au gaz naturel par rapport aux alternatives au diesel sont plus clairement visibles lorsque l'on compare les principaux paramètres opérationnels pour des puissances nominales équivalentes. Le tableau suivant présente une comparaison des performances typiques des groupes électrogènes modernes au gaz naturel et au diesel dans la plage de puissance de 500 kW à 2 MW.

Applications clés des groupes électrogènes au gaz naturel

Groupe électrogène au gaz naturels servir une large gamme d'applications de production d'électricité dans plusieurs secteurs, et la configuration spécifique, la puissance nominale et les systèmes auxiliaires requis dépendent du rôle pour lequel le groupe électrogène est conçu :

• Systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) : Unlso known as cogeneration, CHP systems capture the waste heat from the generator set's engine cooling system and exhaust gas to produce hot water or steam for space heating, process heating, or absorption cooling. The total energy utilization efficiency of a well designed CHP installation using a natural gas generator set reaches 80 to 90 percent, compared to 38 to 44 percent for electricity generation alone, dramatically reducing the energy cost of facilities that have simultaneous heat and power demands such as hospitals, hotels, universities, food processing plants, and district heating networks.
• Production d’énergie continue et principale : Dans les régions ou les installations où la connexion au réseau est indisponible, peu fiable ou trop coûteuse à établir, les groupes électrogènes au gaz naturel fournissent une électricité continue aux installations industrielles, aux communautés éloignées, aux opérations minières et aux sites de production pétrolière et gazière où le gaz naturel peut être disponible comme sous-produit de la production. Les groupes électrogènes au gaz naturel Prime Power sont spécifiés pour un fonctionnement continu à pleine puissance nominale ou presque 24 heures sur 24, 365 jours par an, et sont conçus avec une construction robuste, une capacité de refroidissement et des intervalles de maintenance appropriés pour cette tâche.
• Alimentation de veille et de secours : Les bâtiments commerciaux, les centres de données, les établissements de santé, les usines de traitement des eaux et autres infrastructures critiques utilisent des groupes électrogènes au gaz naturel comme principale source d'alimentation de secours en cas d'interruption de l'alimentation du réseau. Les ensembles de secours au gaz naturel offrent les avantages de ne nécessiter aucun stockage de carburant sur site (éliminant le risque d'incendie, les réglementations de stockage et les problèmes de dégradation du carburant associés à la veille du diesel) tout en offrant des temps de démarrage de 10 à 30 secondes entre le mode veille et l'acceptation à pleine charge, ce qui répond aux exigences de transfert automatique de la plupart des normes d'alimentation de secours des installations.
• Production d’électricité à base de gaz de décharge et de biogaz : Les groupes électrogènes au gaz naturel peuvent être adaptés pour fonctionner au biogaz provenant des décharges, des digesteurs anaérobies de traitement des eaux usées, des digesteurs de déchets agricoles et des processus de biogaz industriels. Le biogaz contient généralement de 45 à 65 pour cent de méthane en volume, le reste étant constitué de dioxyde de carbone et de traces de contaminants. Les groupes électrogènes configurés pour le service de biogaz utilisent des moteurs avec des taux de compression, un calage d'allumage et des composants du système de carburant ajustés optimisés pour le pouvoir calorifique inférieur et la composition variable du biogaz, et peuvent inclure un équipement de conditionnement du gaz pour éliminer l'humidité et le sulfure d'hydrogène qui pourraient endommager les composants du moteur dans le biogaz non traité.

Sélection et spécification des groupes électrogènes au gaz naturel

Sélection du bon Groupe électrogène au gaz naturel pour une application spécifique nécessite une évaluation systématique de plusieurs facteurs techniques et commerciaux interconnectés qui déterminent si l'ensemble sélectionné fonctionnera de manière fiable, répondra aux exigences réglementaires et fournira le retour économique attendu tout au long de sa durée de vie.

1. Puissance nominale et classification de service : La puissance nominale d'un groupe électrogène doit être spécifiée pour le service correct : puissance nominale en veille (SPR) pour les groupes utilisés uniquement pendant les pannes de réseau ; puissance nominale principale (PPR) pour les ensembles utilisés comme source d'alimentation principale avec des heures de fonctionnement illimitées ; et puissance nominale continue (CPR) pour les ensembles fournissant une puissance de charge de base constante. La puissance nominale en veille d'un groupe électrogène est généralement de 10 à 15 pour cent supérieure à sa puissance nominale pour la même configuration de moteur, car le fonctionnement en veille limite le groupe à un maximum de 500 heures par an à cette puissance, alors que les puissances nominales de base et continues doivent être maintenues indéfiniment. Spécifier un ensemble en mode veille pour un fonctionnement continu est une erreur courante et grave qui entraîne une usure prématurée du moteur et une durée de vie réduite.
2. Déclassement de l'altitude du site et de la température ambiante : La puissance d'un moteur à gaz diminue avec l'augmentation de l'altitude (densité de l'air réduite) et de la température ambiante (densité de l'air réduite et demandes de refroidissement accrues). Les constructeurs de moteurs publient des courbes de déclassement en altitude et en température qui doivent être appliquées à la puissance nominale pour déterminer la puissance réelle disponible sur le site d'installation. Pour un groupe électrogène installé à 1 500 mètres au-dessus du niveau de la mer dans un climat où la température ambiante atteint 40 degrés Celsius, la puissance déclassée peut être de 15 à 25 pour cent inférieure à la valeur nominale, et cela doit être pris en compte dans le calcul du dimensionnement initial.
3. Exigences de conformité en matière d'émissions : Les installations de moteurs à gaz sont soumises à des limites d'émission qui varient selon la juridiction, la taille de l'installation et le profil des heures de fonctionnement. Les installations européennes de plus de 1 MW sont généralement soumises aux limites d'émission de la directive sur les installations de combustion moyennes (MCPD) pour les NOx, le CO et le carbone organique total, tandis que les installations situées dans des zones d'air pur ou à proximité de zones résidentielles peuvent être confrontées à des limites locales plus strictes. La sélection du moteur doit confirmer que les performances certifiées en matière d'émissions du moteur répondent aux exigences réglementaires applicables pour le site spécifique et le profil de fonctionnement, y compris toute exigence de post-traitement par réduction catalytique sélective (SCR) pour atteindre les limites de NOx que le moteur seul ne peut pas respecter.
4. Exigences en matière de niveau sonore et d’enceinte acoustique : Les groupes électrogènes au gaz naturel produisent un bruit mécanique et de combustion important provenant du moteur, du ventilateur de refroidissement et du système d'échappement. Les niveaux sonores installés doivent être conformes aux réglementations locales en matière d'urbanisme et d'environnement à la limite du site et au niveau du récepteur sensible au bruit le plus proche. Le fournisseur du groupe électrogène peut fournir le groupe dans un auvent acoustique ou dans une enceinte acoustique spécialement conçue qui atténue le bruit au niveau requis, et la conception de l'enceinte doit prendre en compte à la fois le bruit rayonné direct du moteur et le bruit solidien transmis à travers les fondations et la structure du bâtiment.

Les groupes électrogènes au gaz naturel représentent l'un des investissements de production d'électricité les plus efficaces et économiquement justifiables disponibles sur le marché de l'énergie actuel, en particulier pour les applications où la combinaison d'un coût de carburant inférieur, de émissions réduites, d'intervalles de maintenance plus longs et du potentiel de récupération de chaleur par cogénération peut être pleinement exploitée. Une évaluation approfondie du site, une classification correcte des tâches, le respect des réglementations sur les émissions et le bruit et l'alignement avec l'infrastructure d'approvisionnement en gaz naturel du site sont les bases d'une spécification de groupe électrogène réussie qui offre les performances et la rentabilité attendues tout au long de la durée de vie du groupe.