Un groupe électrogène à gaz naturel est un ensemble à moteur à allumage par étincelle qui brûle le gaz du réseau pour entraîner un alternateur. La décision d'achat est déterminée par trois facteurs avant même toute considération de kilowatt : le gaz que votre site peut fournir, la forme de la charge plutôt que son pic, et les réglementations en matière d'émissions applicables là où l'unité sera installée. Les projets qui fixent d'abord la puissance nominale finissent généralement par renégocier la rampe gaz, le caisson ou le système de post-traitement par la suite. Ce guide aborde ces facteurs dans l'ordre où un projet les rencontre, puis les convertit en paramètres à inclure dans une demande de devis.

Ce que comprend un groupe électrogène à gaz naturel et où il s'intègre

L'ensemble est bien plus qu'un simple moteur. Un groupe complet associe un moteur à gaz à allumage par étincelle à un alternateur, un accouplement et un châssis de base, un système de refroidissement, un système d'échappement, un panneau de commande et une rampe gaz qui filtre, régule et coupe l'alimentation en carburant. La rampe gaz est l'élément dont les acheteurs de groupes diesel n'avaient jamais eu à budgétiser le coût, et c'est là que réside l'essentiel de l'ingénierie spécifique au site.

La combustion suit le cycle Otto : une étincelle enflamme un mélange d'air et de gaz. Deux stratégies dominent le marché. Les moteurs stœchiométriques fonctionnent près du rapport air-carburant chimiquement idéal et utilisent un catalyseur à trois voies pour contrôler les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures, ce qui exige un contrôle strict du rapport air-carburant pour protéger le catalyseur. Les moteurs à mélange pauvre fonctionnent avec un excès d'air, ce qui abaisse la température maximale de combustion et par conséquent les oxydes d'azote formés à l'intérieur du cylindre, au prix d'une énergie d'allumage plus élevée et d'une plus grande sensibilité à la qualité du gaz. La stratégie choisie par le fabricant détermine le système d'émissions dont vous héritez, elle doit donc faire l'objet d'une comparaison plutôt que de figurer dans les notes de bas de page.

Les groupes à gaz conviennent aux longues heures de fonctionnement à charge constante : usines industrielles raccordées au réseau, hôpitaux et centres de données à demande continue, ainsi que les installations de cogénération où la chaleur d'échappement est récupérée. Ils conviennent mal aux situations où le combustible doit être stocké sur site, où la charge change plus rapidement que le moteur ne peut suivre, ou où l'approvisionnement peut être interrompu sans préavis.

Par rapport au diesel, l'arbitrage est simple à formuler et facile à sous-estimer. Le gaz coûte généralement moins cher par unité d'énergie livrée lorsqu'un réseau existe, et il supprime le stockage de carburant sur site ainsi que les obligations du code de la sécurité incendie qui l'accompagnent. En contrepartie, le moteur produit moins de puissance par litre de cylindrée, réagit plus lentement à une charge par échelon et dépend entièrement d'un approvisionnement contrôlé par des tiers. Un groupe diesel transporte son propre carburant. Un groupe à gaz transporte un contrat.

Analyser l'alimentation en gaz avant de lire les spécifications

La composition et la pression déterminent la puissance que vous pouvez réellement atteindre, et trois chiffres pèsent lourd dans la balance.

L'indice de méthane exprime la résistance au cliquetis d'un gaz, tout comme l'indice d'octane l'exprime pour l'essence. Le gaz du réseau varie selon les régions et les saisons ; les composants plus lourds tels que le propane et le butane abaissent l'indice de méthane, obligeant le moteur à retarder l'allumage ou à accepter un déclassement de puissance. Un fournisseur qui indique une puissance sans demander l'indice de méthane propose un gaz qu'il n'a pas analysé.

L'indice de Wobbe associe le pouvoir calorifique à la densité relative et décrit le débit d'énergie à travers un orifice fixe. Une variation de l'indice de Wobbe modifie le rapport air-carburant fourni par le mélangeur, ce qui se traduit par une combustion instable et des ratés plutôt que par une perte de puissance nette. La norme ISO 6976 calcule le pouvoir calorifique, la densité, la densité relative et l'indice de Wobbe à partir de la composition du gaz [1], c'est pourquoi c'est la composition, et non un pouvoir calorifique isolé, qui constitue la donnée utile.

La pression définit la portée mécanique. La fiche technique spécifie une pression d'entrée minimale et maximale ; au-delà de cette plage, une station de régulation est requise. Or, la détente à travers un régulateur refroidit le gaz, de sorte qu'une forte chute de pression peut nécessiter un réchauffeur pour éviter la condensation et le givrage.

Demandez le relevé des interruptions plutôt que la pression moyenne. Une moyenne indique les conditions auxquelles le moteur sera soumis lors d'une bonne journée, tandis que le journal des réductions d'approvisionnement révèle le comportement de l'installation lors d'une mauvaise journée.

Adapter la puissance nominale à la charge réellement utilisée

La puissance maximale en kilowatts est le chiffre le moins utile du dossier de projet. Ce que le moteur subit réellement, c'est une séquence : le nombre d'heures à chaque niveau de charge, l'ampleur du plus grand échelon de charge et la rapidité avec laquelle la charge revient après un démarrage.

Commencez par la classe de puissance nominale. La norme ISO 8528-1 définit quatre catégories, et un devis qui n'en précise aucune ne peut pas être comparé à un autre [2].

Vérifiez ensuite l'étape. Chaque moteur a une étape de charge maximale admissible, publiée en pourcentage de la puissance nominale, et un démarrage qui la dépasse produit une chute de fréquence susceptible de faire déclencher la protection. Vérifiez le chiffre par rapport à votre plus grand démarrage de moteur, et considérez les démarreurs progressifs et les variateurs de fréquence comme un changement de problème plutôt qu'une solution : ils réduisent le courant de démarrage et ajoutent un courant harmonique que l'alternateur doit supporter.

Vérifiez ensuite le site. La puissance du moteur diminue avec la température ambiante, l'altitude et un numéro de méthane plus faible, et la courbe de puissance du site du fabricant est la seule source fiable pour vos conditions. La charge partielle compte autant que la charge pleine, car un moteur à gaz perd en efficacité bien en dessous de son point nominal, et un groupe surdimensionné brûle la différence à chaque heure de fonctionnement.

La taille du cadre dépend des plateformes de moteurs disponibles, et ces plateformes ne sont pas interchangeables. La gamme MWM couvre de 600 kVA à 4500 kVA, tandis que la plateforme Lister Petter Jupiter couvre de 28 kVA à 563 kVA, de sorte que la même charge de centrale peut être servie par des tailles de blocs très différentes et des configurations de service très différentes.

Le choix du moteur dépend souvent de la plateforme qui se rapproche le plus de la charge plutôt que de la marque mieux connue. <Tide Power & Lister Petter lancent une solution avancée de puissance au gaz pour une énergie durable> couvre une solution d'énergie au gaz construite sur la plateforme Lister Petter.

Comment les règles d'émission changent le générateur que vous pouvez acheter

La législation sur les émissions détermine la stratégie de combustion, le traitement après-combustion et la procédure d'autorisation, et c'est généralement l'élément qui arrive en dernier dans un dossier de projet.

Aux États-Unis, la partie 60 CFR Subpart JJJJ fixe les normes d'émission pour les nouveaux moteurs stationnaires à allumage par étincelle, avec des obligations comprenant la certification, la garantie et la tenue de registres, et avec les moteurs d'urgence traités selon des dispositions séparées et des limites d'exploitation [4]. Dans l'Union européenne, la directive (UE) 2015/2193 s'applique aux installations de combustion moyenne avec une puissance thermique nominale de 1 MW à 50 MW, avec de nouvelles installations couvertes à partir du 20 décembre 2018 et des installations existantes soumises à des limites progressives [3].

Le seuil de 1 MW concerne plus de projets gaziers que ce que les acheteurs attendent. Un moteur délivrant environ 1 MW de puissance électrique à environ 40 pour cent d'efficacité consomme environ 2,5 MW d'énergie de carburant et rejette environ 1,5 MW sous forme de chaleur via l'échappement et la coque, donc une puissance électrique dans les faibles centaines de kilowatts peut déjà dépasser le seuil thermique et faire entrer la centrale dans le champ d'application. Confirmez la puissance thermique de l'ensemble de la centrale, pas seulement du générateur, avant de choisir le traitement après-combustion.

Ces registres définissent les méthodes et obligations. Aucun d'eux n'approuve votre installation, et aucun ne remplace le permis local, l'évaluation de la hauteur de la cheminée ou l'étude de dispersion que l'autorité peut demander.

Coût du carburant, efficacité et les chiffres derrière la décision

Le coût du carburant par unité livrée est une simple opération arithmétique une fois que vous avez une efficacité garantie, et c'est là que le cas commercial se joue ou s'effondre.

L'énergie du carburant par kilowattheure équivaut à 3,6 MJ divisé par l'efficacité électrique. Si l'efficacité garantie est de 40 %, un kilowattheure nécessite 9,0 MJ d'énergie de gaz ; multipliez par votre tarif par MJ pour obtenir le coût du carburant par kilowattheure, puis par la production annuelle pour comparer avec le diesel.

Ce chiffre n'est aussi fiable que les conditions qui y sont attachées. Une garantie de rendement thermique est significative lorsqu'elle indique la température ambiante, l'altitude, le nombre de méthane, le point de charge et si les charges auxiliaires telles que les ventilateurs de radiateur et les pompes sont incluses. Deux fournisseurs citant 9 MJ par kilowattheure dans des conditions différentes peuvent proposer deux offres très différentes.

Le coût en capital est là où le gaz s'écarte le plus du diesel. La chaîne de gaz, la régulation de pression, la détection de gaz, le traitement après combustion, la ventilation et l'enveloppe plus lourde apparaissent tous du côté gaz et non du côté diesel, et la station de régulation peut appartenir à la compagnie d'électricité plutôt qu'à l'usine. La maintenance diffère aussi : les composants d'allumage et les bougies d'allumage ajoutent un travail planifié que n'a pas un groupe diesel, tandis que les moteurs à gaz évitent le filtre à particules diesel et la dégradation du carburant liée au stockage prolongé. Demandez le calendrier de maintenance en heures de fonctionnement et la liste des pièces avec leurs prix, car un intervalle indiqué uniquement en mois masque tout sur la façon dont le groupe est utilisé.

La règle de décision est simple à énoncer. Prenez l'économie annuelle de carburant par rapport au diesel, soustrayez le capital supplémentaire et la maintenance supplémentaire, et exigez que le résultat soit amorti dans la période que votre financement acceptera. Si les heures de fonctionnement sont faibles, l'économie arrive rarement.

Exigences du site, du train de gaz et de l'installation

NFPA 37 traite de l'installation de moteurs à combustion stationnaires et de turbines à gaz, couvrant l'implantation, la séparation des constructions combustibles, la ventilation, le contrôle de l'allumage et l'échappement [5]. Considérez ce document, votre code de gaz local et les exigences de l'utilitaire comme l'ensemble minimum, puis résolvez ce qui suit avant de couler la fondation.

1. Dimensionnez la ventilation pour deux flux d'air séparés : l'air de combustion pour le moteur et l'air de refroidissement pour le radiateur. Une grille d'enclosure dimensionnée pour l'un d'eux prive l'autre de ventilation, et la recirculation à l'intérieur d'un conteneur augmente la température de l'admission jusqu'à ce que la capacité du site ne soit plus applicable.
2. Dirigez l'échappement jusqu'à la limite de contre-pression indiquée dans la fiche technique, en le terminant à l'écart des fenêtres, des prises d'air et des surfaces combustibles. Un silencieux sous-dimensionné consomme de la puissance et augmente le bruit à la frontière.
3. Fournir une détection de gaz avec arrêt automatique, et ventiler la ligne de gaz vers un emplacement extérieur sécurisé. La détection est un dispositif de sécurité, non un instrument de fonctionnement.
4. Confirmer l'interface électrique : la tension de l'alternateur, l'appareillage de commutation, les réglages de protection et le point de connexion décident autant du programme d'installation que le tuyau de gaz.

Les climats froids ajoutent deux points de défaillance rarement abordés dans une discussion sur la fiche technique : le gel du régulateur lorsque la chute de pression est importante, et la protection du système de refroidissement lorsque l'installation reste inactive par temps de gel. Pour le bruit, comparer le niveau de pression sonore à un mètre avec la limite mesurée à la limite de propriété, car la distance et les surfaces environnantes en font la majeure partie du travail.

Lors de la mise en service, effectuer quatre vérifications en séquence : un test sur banc de charge dans des conditions de site, un test de charge par étape à la plus grande étape permissible, un test de fuite et de fonctionnement de la ligne de gaz, et une mesure des émissions par rapport à la base de permis. Enregistrer les résultats avec la température ambiante, le numéro de méthane et le point de charge, sinon le test ne prouvera rien par la suite.

La classe de tension et la coordination de protection modifient la portée de l'appareillage de commutation bien avant la sélection du moteur. <Explorer les Mystères et Applications des Générateurs à Haute Tension SET> couvre les applications de groupes électrogènes haute tension.

Associer un groupe électrogène à gaz avec l'énergie solaire et le stockage par batterie

Un moteur à gaz est le plus efficace près de son point nominal et le moins confortable avec des transitoires rapides. Le stockage par batterie est efficace pour ces deux problèmes, c'est pourquoi les configurations hybrides sont passées de sites éloignés à des projets industriels ordinaires.

Le mécanisme est une décision de dispatch. Le contrôleur maintient le moteur en marche par blocs à haute charge, laisse une batterie absorber les pics et les étapes de charge, et utilise la production photovoltaïque pour réduire la consommation de carburant tout en maintenant le moteur disponible. Le transfert ininterrompu entre les sources est important lorsque la charge ne peut tolérer une réinitialisation, et c'est la spécification la plus souvent donnée pour acquise jusqu'à un test de mise en service.

La plateforme hybride Tide Power combine solaire, stockage au phosphate de lithium fer et génération par moteur en configurations tout-en-un ou séparées de 10 kVA à 250 kVA, utilisant des packs de batteries de 5,12 kWh ou des modules de 16,1 kWh, avec les conteneurs TP-50BESS, TP-100BESS, TP-200BESS et TP-261BESS couvrant des besoins de stockage plus importants.

Le stockage n'est pas une capacité gratuite. Il ajoute un coût en capital, des pertes de conversion et un autre régime de maintenance, et il ne trouve sa place que lorsque le profil de charge est variable, que la différence de prix du carburant est importante, ou que la connexion au réseau ne peut pas fournir le pic. Pour une installation fonctionnant à plein régime à un facteur de charge élevé, la batterie est un coût sans cycle de service pour le récupérer.

Les sites éloignés font face au même problème de dispatch avec moins de support, et le mode de fonctionnement se transpose aux installations industrielles. <Donner de l'énergie aux opérations à distance : solutions hybrides pour la réussite hors réseau> couvre les solutions d'énergie hybride pour une opération hors réseau.

Une liste de vérification pour la sélection des fournisseurs

Une offre devient comparable lorsque chaque fournisseur répond aux mêmes champs. Ces six éléments accomplissent la majorité du travail.

Une ligne mérite d'être réécrite avant sa diffusion.

Rejetez cette ligne : “ Groupe électrogène au gaz naturel, 500 kW, complet avec train de gaz. ”

Remplacez-la par : “ Groupe électrogène à allumage par étincelle, puissance de référence X kW en conditions ambiantes du site et altitude, numéro de méthane Z ou supérieur, pression d'admission A à B kPa à la limite de la batterie, taux de chaleur pas plus de C MJ par kWh sous conditions déclarées incluant les charges auxiliaires, étape de charge maximale autorisée D pourcentage de la puissance nominale, oxydes d'azote dans la limite du site E, pression sonore F dB(A) à un mètre. ”

L'évaluation du fournisseur suit la même discipline. Partenariat avec un moteur autorisé, expérience en moteurs à gaz avec votre numéro de méthane, capacité de mise en service, stock de pièces de rechange et réponse au service font tous partie de la comparaison, et une liste de références est une revendication jusqu'à ce que vous lisiez un rapport de mise en service. Demandez-en un à un site avec une qualité de gaz et une forme de charge comparables.

Envoyez d’abord les données sur le gaz et le profil de charge

Transmettez la composition du gaz ou la plage de l’indice de méthane, la puissance nominale requise sur site en fonction de la température ambiante et de l’altitude, la classe de puissance selon la norme ISO 8528, le plus grand échelon de charge individuel, les limites d’émissions applicables au site ainsi que la pression d’alimentation à la limite de batterie. Ces six données suffisent pour dimensionner un groupe électrogène, établir le prix de la ligne d’alimentation en gaz et vous indiquer dans quelle mesure le contrat d’approvisionnement, plutôt que le moteur, déterminera le résultat.

Michael Chen, Tide Power Technology Co., Ltd.
Email : [email protected]
Tél : +33 1 23 45 67 89

FAQ

Combien coûte un groupe électrogène au gaz naturel ?

Le coût dépend davantage de l’étendue des prestations que de la seule puissance en kilowatts : la classe de puissance et les conditions du site, la ligne d’alimentation en gaz et la station de régulation, le système de post-traitement des émissions, l’enceinte et son niveau d’atténuation acoustique, ainsi que les systèmes de commande et l’appareillage électrique. Deux offres présentant la même puissance nominale peuvent avoir des prix différents en fonction des prestations exclues de chacune. Demandez une ventilation détaillée des coûts par poste plutôt qu’un prix global, et précisez d’abord les données relatives au gaz, le profil de charge et les exigences en matière d’émissions afin que les chiffres correspondent aux mêmes conditions de fonctionnement.

Un groupe électrogène au gaz naturel peut-il fonctionner en continu ?

Oui, à condition de choisir la classe de puissance appropriée lors de la commande. Une puissance nominale continue autorise un fonctionnement à charge constante pendant un nombre d’heures illimité, tandis qu’une puissance nominale principale permet une charge variable avec une capacité de surcharge limitée, et qu’une puissance de secours est prévue pour les interruptions de l’alimentation du réseau public. Le fonctionnement continu dépend également de la stabilité de la composition et de la pression du combustible tout au long de l’année, ainsi que du respect du calendrier de maintenance. C’est la classe de puissance, et non le modèle du moteur, qui détermine si le fonctionnement continu est couvert par la garantie.

Le même groupe électrogène peut-il fonctionner au biogaz ou au gaz de pétrole liquéfié (GPL) ?

En général, pas sans modifications. Le biogaz présente un indice de méthane plus faible et plus variable, ce qui entraîne une réduction de la puissance du moteur. Le système d’alimentation en combustible peut également nécessiter des composants différents et des marges de régulation plus importantes. Le gaz de pétrole liquéfié (GPL) nécessite un système d’alimentation en combustible et une configuration de combustion différents. Précisez le combustible et ses variations prévisibles dans votre demande de devis, car un groupe électrogène configuré pour le gaz naturel de réseau ne fournira pas sa puissance nominale avec un gaz présentant un indice de méthane inférieur.

Quelle pression de gaz un groupe électrogène au gaz naturel nécessite-t-il ?

La fiche technique indique une pression d’admission minimale et maximale, dont la plage est plus étroite que celle fournie par la plupart des réseaux d’alimentation sur site. Lorsque la pression du gazoduc est plus élevée, une station de régulation la réduit. Cette détente refroidit suffisamment le gaz pour nécessiter un réchauffeur dans certaines installations. Demandez au fournisseur de gaz la pression disponible à la limite de batterie ainsi que ses variations, puis laissez le fournisseur du groupe électrogène dimensionner le système de régulation et les canalisations en fonction de ces données.

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[1] ISO 6976:2016, “ Gaz naturel — Calcul du pouvoir calorifique, de la masse volumique, de la densité relative et de l’indice de Wobbe à partir de la composition ”, Organisation internationale de normalisation, Genève, 2016.

[2] ISO 8528-1:2018, “ Groupes électrogènes à courant alternatif entraînés par moteurs alternatifs à combustion interne — Partie 1 : Application, caractéristiques assignées et performances ”, Organisation internationale de normalisation, Genève, 2018.

[7] Directive (UE) 2015/2193 du Parlement européen et du Conseil sur la limitation des émissions de certains polluants dans l'air provenant des installations de combustion de moyenne puissance, Journal officiel de l'Union européenne, 2015.

[4] Agence américaine de protection de l’environnement, “ Normes de performance applicables aux moteurs stationnaires à combustion interne à allumage commandé ”, 40 CFR Partie 60, Sous-partie JJJJ, 2006.

[5] NFPA 37, “ Norme relative à l’installation et à l’utilisation des moteurs à combustion stationnaires et des turbines à gaz ”, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, 2018.

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