Les générateurs au gaz naturel, biogaz et GPL peuvent partager une taille de cadre et se comporter comme trois machines différentes. Ce qui les distingue, c'est le gaz lui-même : sa teneur en énergie par mètre cube, sa résistance à la détonation, ce qui l'accompagne, et la stabilité de l'approvisionnement. Le choix entre générateurs au gaz naturel, biogaz et GPL commence donc par une analyse du gaz et un profil de charge, et non par une brochure de moteur. Ce guide fonctionne à rebours à partir des données du carburant et des limites de permis pour définir la portée de l'équipement, afin que la comparaison que vous présentez à un fournisseur soit une que celui-ci peut réellement proposer.

Ce qui change à l'intérieur du moteur lorsque le carburant change

Les trois carburants brûlent dans des moteurs à allumage par étincelle, donc les différences apparaissent à trois endroits : la quantité de gaz que le moteur doit aspirer, la tolérance à la compression du carburant, et ce qui doit être éliminé avant que le gaz n'atteigne le mélangeur. Un groupe électrogène au gaz est configuré autour d'une famille de carburants, et non autour d'une étiquette sur une brochure.

Commencez par l'énergie par mètre cube. Le biogaz brut contient du dioxyde de carbone et de l'azote en plus de son méthane, donc un mètre cube en libère moins d'énergie qu'un mètre cube de gaz de réseau. Pour la même production électrique, le moteur doit déplacer un volume plus important de gaz, ce qui modifie la taille du train de gaz, le diamètre des tuyaux et la réponse du contrôle air-carburant. Les projets de biogaz cotés avec un chiffre de méthane par défaut découvrent généralement cela lors de la mise en service, lorsque le train de gaz s'avère trop petit pour le volume dont le moteur a réellement besoin.

La deuxième variable est la résistance à la détonation, généralement exprimée en nombre de méthane. Elle diminue à mesure que le mélange s'éloigne du méthane pur, donc un rapport de compression choisi pour le gaz de réseau peut être trop agressif pour un biogaz dont la composition dérive. Les fabricants de moteurs publient des données de dégradation spécifiques au carburant et, pour certains cadres, différentes variantes de compression. Ces données, demandées en fonction de votre propre analyse de gaz, ont plus de valeur qu'une puissance nominale en kilowatts.

Les classifications sont le troisième piège. Un groupe électrogène peut être classé pour une utilisation en veille, en prime ou en continu, et le même moteur produit des chiffres différents selon chaque mode [1]. Comparer un groupe coté en mode veille avec un autre coté en mode prime n'est pas une véritable comparaison.

Au-delà de quelques centaines de kilowatts, le carburant décide plus que le train de gaz. La taille du cadre, le nombre de cylindres et la suralimentation sont choisis en même temps qu'un carburant, et les plus grands cadres à gaz sont conçus pour une gamme définie de qualité de gaz. Un projet qui commence par une analyse de carburant finit généralement avec une liste d'équipements plus courte et moins de modifications tardives que celui qui commence par un chiffre de sortie.

Gaz naturel, biogaz et GPL comparés sur la même base

Le tableau ci-dessous compare les trois carburants sur les points qui modifient une cotation. La dernière colonne a autant de poids que les colonnes de carburant, car elle indique l'autorité réelle de chaque point de comparaison.

Les lignes n'ont pas le même type d'autorité, et cette différence compte lorsque vous rédigez une spécification. L'indice de Wobbe, les limites de soufre et de point de rosée proviennent de spécifications de qualité de gaz publiées telles que ISO 13686 et la spécification de GPL ASTM D1835, elles peuvent donc être intégrées dans une demande d'information avant qu'un site n'existe [2], [3]. Les chiffres du biogaz ne peuvent pas être traités de cette manière. ISO 20675 fournit le vocabulaire partagé pour la production, le conditionnement et la valorisation, mais aucune norme ne peut vous indiquer le nombre de méthane de la matière première de la saison suivante [4]. Les chiffres de dégradation appartiennent au fabricant du moteur et doivent être demandés pour votre propre analyse. Ce que aucune de ces lignes ne prouve, c'est qu'un ensemble évalué sur le gaz naturel conservera cette évaluation sur le biogaz ou le GPL.

Le choix de la plateforme moteur façonne le reste de la vie du projet. Les plateformes courantes offrent la disponibilité des pièces, la familiarité des techniciens et des intervalles de service prévisibles ; une plateforme moins courante peut mieux convenir au carburant et coûter néanmoins plus cher sur dix ans de maintenance. Tide Power construit des groupes électrogènes à gaz de 28 kVA sur la plateforme Lister Petter jusqu'à 4500 kVA sur moteurs MWM, et l'analyse du carburant détermine à quelle extrémité de cette gamme un projet appartient. La conclusion utile n'est pas la gamme elle-même mais le fait qu'un fournisseur peut proposer deux familles de moteurs avec des limites de qualité de gaz différentes, donc les données sur le carburant doivent accompagner la demande d'information.

Quel carburant convient à votre site et à votre cycle de service

La sélection du carburant est une question de site avant d'être une question de moteur. L'accès au pipeline, l'espace de stockage, le volume livré, la température ambiante et les heures de fonctionnement annuelles éliminent les options plus rapidement que toute comparaison d'efficacité. Le tableau ci-dessous met côte à côte les conditions d'exclusion et les conditions d'adéquation, car ce sont généralement les exclusions qui décident.

Lisez d'abord la colonne d'exclusion. La plupart des décisions d'échec en matière de carburant n'ont pas été prises en raison d'une mauvaise efficacité ; elles ont été prises sur une hypothèse d'approvisionnement qui n'a pas survécu au premier hiver.

Les comparaisons de prix du carburant échouent lorsqu'elles comparent le prix par mètre cube ou par tonne. Convertissez en coût par kilowattheure de carburant en divisant le prix livré par unité par la valeur calorifique inférieure de cette unité exprimée en kilowattheures. Multipliez par la production annuelle, puis divisez par l'efficacité du moteur selon votre profil de charge. Seul ce chiffre peut être placé à côté d'un prix du diesel ou d'un tarif réseau. Un carburant qui paraît bon marché par mètre cube peut perdre une fois que les pertes de dégradation, de traitement et de stockage sont comptabilisées.

La façon dont l'ensemble est emballé dépend également des conditions du site. Des auvents insonorisés, des constructions conteneurisées et des radiateurs à distance sont choisis pour limiter le bruit, la température ambiante et l'accès, pas pour le carburant. Un ensemble emballé qui doit respecter une limite de bruit de frontière peut nécessiter un auvent différent de celui du même moteur dans une salle de machine ouverte, et le train de gaz doit toujours s'adapter à l'espace laissé par l'auvent.

La disponibilité du carburant règle plus de projets que le choix du moteur. Sur les marchés où le réseau de pipelines est mince, la livraison de GPL ou de GNL peut soutenir un projet qu'une connexion au gaz retarderait de plusieurs années, tandis que sur les marchés où le gaz de pipeline est bon marché, le même rendement est difficile à justifier avec du GPL. Lorsque la production de gaz elle-même s'étend, le choix suit également le réseau électrique.

Le développement régional du gaz suit autant la logistique du carburant que la demande. <Le marché asiatique fera du gaz production d'énergie l'une des régions à la croissance la plus rapide> explique pourquoi la production d'électricité à partir de gaz devrait connaître la croissance la plus rapide sur les marchés asiatiques.

Pourquoi les projets de biogaz réussissent ou échouent en fonction du traitement du gaz

Le biogaz quitte le digesteur saturé en eau et contenant du sulfure d'hydrogène, et le gaz de décharge ajoute des siloxanes. Chacun de ces éléments modifie le moteur plutôt que l’étiquette du carburant. Le sulfure d'hydrogène forme des composés acides qui attaquent l'huile de lubrification et empoisonnent les catalyseurs d'oxydation. Les siloxanes brûlent pour former de la silice qui se dépose sur les pistons, les soupapes et les surfaces du turbocompresseur. L'eau se condense dans le train de gaz chaque fois que la conduite passe en dessous du point de rosée. Le dioxyde de carbone dilue simplement le carburant et force des volumes plus importants à travers chaque composant.

Le train de traitement doit donc être considéré dans le même cadre que le générateur. La désulfuration biologique ou chimique, le séchage, le charbon actif pour les siloxanes, et l’élimination du dioxyde de carbone si le gaz est en cours de valorisation doivent tous être dimensionnés en fonction des données mesurées du gaz et surveillés par la suite. La mesure continue du méthane, du dioxyde de carbone, du sulfure d'hydrogène et de l'oxygène transforme un problème de traitement en une tâche de maintenance avant qu'il ne devienne une panne du moteur.

Si le gaz est destiné à un réseau plutôt qu'à un moteur, la spécification change complètement. La norme EN 16723-1 définit les exigences pour le biométhane destiné à l'injection dans les réseaux de gaz naturel, et ces limites sont plus strictes que ce que la plupart des moteurs acceptent [5]. Décider entre la combustion sur site et la valorisation est une question commerciale autant que technique, et cela doit être décidé avant la commande du générateur, pas après.

Ce qu'une usine de biogaz en fonctionnement prouve dépend de sa propre matière première. Un digesteur fonctionnant avec des déchets alimentaires avec un processus stable et un réservoir de gaz bien dimensionné en dit peu sur une décharge avec un gaz variable et sans tampon. Les changements de matière première, la température saisonnière et les perturbations du digesteur se traduisent toutes par des variations du nombre de méthane et de la teneur en énergie, c’est pourquoi la capacité tampon et la surveillance continue du gaz sont aussi importantes que l’unité de désulfuration.

Où le GPL a du sens et où il s’arrête

Le GPL convient aux sites sans pipeline, à la réduction de pic et aux projets courts où une connexion au réseau ne serait jamais rentable. Il convient également aux sites isolés où le carburant livré est la seule source fiable. La résistance à la détonation du propane est utile, et un vaporisateur bien dimensionné transforme le GPL liquide en un gaz qui se comporte de manière prévisible au mélangeur.

Le vaporisateur est souvent la cause de l’échec des projets de GPL. Pour un usage continu, le GPL liquide doit être vaporisé à un débit correspondant à la demande totale du moteur dans les conditions les plus froides du site, et un mélange riche en butane se vaporise moins facilement que le propane. La localisation du réservoir, la gestion des bassins de rétention, l’accès au ravitaillement et l’autonomie de stockage doivent tous faire partie de la discussion initiale sur la configuration, car ils déterminent combien de jours le site peut fonctionner sans livraison.

Le coût est le seul critère où la comparaison doit être honnête. Le GPL évite le délai lié au pipeline saisons de construction et à la connexion, et il ajoute un réservoir, un vaporisateur, des livraisons et la main-d'œuvre pour les gérer. Convertissez tout en coût par kilowattheure en tenant compte de la production annuelle, avant de décider, et séparez ce calcul de l’alternative au diesel, qui a son propre profil de stockage et de livraison.

Sur les sites où l’approvisionnement en gaz est intermittent ou coûteux en période de pointe, associer le générateur à une batterie de stockage modifie le calcul de dimensionnement. La batterie supporte les pics courts et permet au moteur à gaz de fonctionner à un point plus stable et plus efficace, ce qui est particulièrement important avec le GPL où le carburant est livré plutôt que pompé.

Le gaz n’est pas le seul actif déployable sur un site éloigné ou commercial.Construire plus intelligemment : Énergie hybride pour les chantiers et les bâtiments commerciaux> explique comment les systèmes hybrides d’énergie combinent génération et stockage pour les chantiers de construction et les bâtiments commerciaux.

Permis et limites d’émission qui excluent certains carburants

Les règles d’émission limitent souvent le choix du carburant avant même que l’économie ne le fasse. En France, les moteurs à allumage par étincelle stationnaires relèvent des normes pour moteurs à combustion interne à allumage par étincelle stationnaire dans le 40 CFR Part 60, Subpart JJJJ, qui fixent des limites et exigent une certification ou des tests de performance selon le moteur et la date de fabrication [6]. Dans l’Union européenne, la directive sur les installations de combustion de moyenne puissance 2015/2193 s’applique aux installations de combustion d’une puissance thermique comprise entre 1 et 50 MW [7].

Ces cadres modifient la configuration du moteur plutôt que le carburant. Un moteur à combustion pauvre en oxygène avec réduction catalytique sélective, ou un moteur stoichiométrique avec un catalyseur à trois voies, respectera tous deux une limite d’oxydes d’azote, et tous deux nécessitent que le carburant reste dans une plage de composition. Un biogaz riche en soufre peut empoisonner le catalyseur sur lequel repose le permis, ce qui relie directement le traitement du gaz à la conformité plutôt qu’à l’usure du moteur seule.

Le bruit est l’autre limite qui redéfinit le package. Un ensemble de gaz destiné à un hôpital ou à une limite commerciale est évalué au point de réception le plus proche, pas à la canopée, et l’atténuation, les radiateurs éloignés et la disposition de l’enclos en découlent. Le carburant ne modifie pas l’exigence acoustique, mais il modifie l’espace disponible à l’intérieur de la canopée pour le train de gaz.

Un point de synchronisation mérite une attention particulière. L’année de publication d’une directive n’est pas une date limite d’installation pour chaque unité, et les dispositions transitoires diffèrent selon la taille de l’installation et la date de mise en service. Vérifiez le cycle de permis applicable à votre unité spécifique plutôt que la date de la réglementation.

Ce qu'il faut mettre dans la demande de devis avant de comparer les prix

Une devis est seulement comparable lorsque les deux fournisseurs ont évalué le même périmètre, et ce périmètre est défini par les données sur le carburant. Le tableau ci-dessous liste les champs qui éliminent la plupart des ambiguïtés.

Un fournisseur qui cite sans demander les deux premières lignes propose une machine différente de celle dont votre site a besoin.

Envoyez l'analyse de gaz avant de choisir un carburant

Envoyez la composition du gaz avec sa valeur calorifique et son numéro de méthane, l'ambiance du site et l'altitude, la base de puissance et les heures annuelles prévues, la limite d'émission et la méthode de test applicables, la portée du traitement que vous souhaitez posséder, l'arrangement de stockage ou d'approvisionnement en carburant, et le test d'acceptation que vous souhaitez faire certifier. Ces sept éléments permettent à un fournisseur de dimensionner le groupe en fonction de votre gaz plutôt que d'une valeur par défaut. Tide Power examine les demandes concernant des groupes électrogènes de 28 kVA à 4500 kVA sur les plateformes Lister Petter et MWM, et indiquera quelles parties de la portée citée votre analyse modifie. Envoyez un email à [email protected] ou appelez le +86 591 2806 8999.

FAQ

Un générateur peut-il fonctionner au gaz naturel, biogaz et GPL ?

Pas sans modifications. La chaîne de gaz, le rapport de compression, le calage d'allumage et la carte de contrôle sont réglés pour une famille de carburants, et un ensemble configuré pour le gaz naturel de pipeline ne maintiendra pas sa puissance sur un biogaz avec un nombre de méthane inférieur ou sur du GPL liquide nécessitant une vaporisation. Des versions multi-carburants et bi-carburants existent, mais leur puissance et leur efficacité sont déterminées par le carburant le moins favorable du lot, et le matériel de changement doit faire partie du périmètre initial plutôt que d'une mise à niveau ultérieure. Demandez au fournisseur de préciser pour quels carburants la puissance indiquée s'applique.

Le biogaz réduit-il la puissance du générateur ?

Souvent oui, et la réduction dépend du gaz plutôt que de l'étiquette du moteur. Le dioxyde de carbone et l'azote diluent le méthane, ce qui oblige le moteur à déplacer plus de gaz pour la même puissance, et un nombre de méthane plus faible peut forcer un rapport de compression inférieur ou un calage retardé. Le traitement consomme également de l'énergie, ce qui réduit la production nette. La seule donnée fiable est la dégradation de puissance fournie par le fabricant du moteur appliquée à votre propre analyse de gaz sur votre site dans les conditions ambiantes.

Le GPL est-il moins cher que le gaz naturel pour un générateur ?

Cela dépend du coût livré par kilowattheure, des heures annuelles et de vos coûts de stockage. Lorsque le gaz de pipeline fiable est disponible et que les heures annuelles sont élevées, le gaz de pipeline est généralement plus avantageux car le carburant arrive sans réservoir, vaporisateur ou programme de ravitaillement. Pour un site isolé, une mission de réduction de pointe ou un projet court, le GPL peut être la solution la moins coûteuse car il évite une connexion qui pourrait ne jamais être réalisée. Comparez les deux pour une même production annuelle, en incluant le traitement et le stockage.

Quelles données sur le gaz dois-je demander avant de commander ?

Demandez une composition complète avec point de prélèvement et date, valeur calorifique inférieure, indice de Wobbe, nombre de méthane, sulfure d'hydrogène et soufre total, point de rosée de l'eau, et pour le gaz de décharge ou de déchet de décharge, la teneur en siloxanes et halogènes. Ajoutez la plage de pression d'alimentation et sa variation prévue. Un échantillon ponctuel unique est un point de départ, pas une spécification ; le document utile montre comment ces valeurs évoluent sur une semaine et une saison.

Quel carburant nécessite le plus de traitement du gaz ?

Le biogaz, et le gaz de décharge plus que le digestat. Le sulfure d'hydrogène, l'eau, les siloxanes et le dioxyde de carbone doivent tous être traités avant que le gaz n'atteigne un mélangeur, et la chaîne de traitement est généralement le plus grand coût hors moteur dans le projet. Le gaz naturel nécessite normalement filtration, réduction de pression et comptage, tandis que le GPL nécessite vaporisation et filtration. Considérez le périmètre du traitement comme faisant partie du périmètre de l'ensemble de génération et désignez la partie responsable dans le contrat.

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[3] ISO 8528-1:2018, “Groupes électrogènes à moteur à combustion interne alternatif, Partie 1 : Application, classifications et performances,” ISO, 2018.

[2] ISO 13686:2013, “Gaz naturel. Désignation de qualité,” ISO, Genève, 2013.

[3] ASTM D1835, “Spécification standard pour les gaz de pétrole liquéfiés (GPL),” ASTM International, West Conshohocken, PA, USA.

[4] ISO 20675:2018, “Biogaz. Production, conditionnement, amélioration et utilisation du biogaz. Termes, définitions et schéma de classification,” ISO, Genève, 2018.

[5] EN 16723-1:2016, “Gaz naturel et biométhane pour usage dans le transport et biométhane pour injection dans le réseau de gaz naturel. Spécifications pour le biométhane destiné à l'injection dans le réseau de gaz naturel,” CEN, Bruxelles, 2016.

[6] Agence de Protection de l'Environnement des États-Unis, “Normes de performance pour les moteurs à combustion interne à allumage par étincelle stationnaires,” 40 CFR Part 60, Subpart JJJJ, Washington, DC, USA.

[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.

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