Les turbines à gaz existent dans une variété de tailles. Alors que les grandes turbines à combustion semblent bénéficier de l’essentiel de la publicité, avec des entreprises comme Siemens, GE et Mitsubishi Hitachi Power Systems qui font le plus de bruit, plusieurs entreprises plus petites ont découvert des niches sur le marché des microturbines. Leurs conceptions novatrices suscitent un intérêt particulier dans les segments commerciaux et industriels.
Lorsque de nombreuses personnes pensent aux microturbines, elles imaginent souvent de petites unités produisant aussi peu que 30 kW de puissance. Bien que de telles unités soient nouvelles, l’industrie a beaucoup évolué au cours de la dernière décennie et les unités multipack peuvent atteindre jusqu’à 30 MW de capacité totale de nos jours.
La société de conseil ICF Inc. maintient une base de données d’installations de chaleur et d’électricité combinées (CHP) pour le ministère de l’Énergie des États-Unis. Elle est considérée comme la source d’information la plus complète sur les installations de cogénération dans le pays. ICF a récemment rapporté que les microturbines ont capturé une part de marché de 25 % des installations de PCCE aux États-Unis dans la gamme de 100 kW à 5 MW au cours de la période 2013-2017. Cela a établi un nouveau record.
Selon la base de données, la capacité totale installée des systèmes de PCCE de moins de 5 MW était de 2 631,4 MW à la fin de 2017. ICF prévoit que les installations de capacité annuelle de cogénération aux États-Unis passeront de 561 MW en 2017 à pas moins de 1 400 MW en 2026. La croissance devrait être tirée par les applications commerciales plus petites qui sont généralement compatibles avec la technologie des microturbines.
« Compte tenu du prix record du gaz et de sa stabilité dans un avenir prévisible, le développement de projets de cogénération présente une opportunité attrayante avec de multiples flux de revenus-vapeur vendue aux hôtes pour les processus industriels et énergie électrique vendue au réseau », a déclaré Siraj Taj, principal et propriétaire de ST Power Services Consultants, à POWER. » Les consommateurs commerciaux et industriels évaluent la viabilité économique de la cogénération derrière la clôture afin de réduire les coûts d’exploitation, d’améliorer la fiabilité, d’atteindre les objectifs d’efficacité énergétique et de réduire leur empreinte carbone « , a-t-il ajouté.
Powering Industrial Processes
Il y a presque dix ans, POWER faisait état de la croissance des systèmes de microturbines (voir » La technologie des microturbines arrive à maturité » dans le numéro de novembre 2010). Capstone Turbine Corp, qui prétend être le premier développeur et fabricant mondial de systèmes de production d’électricité par microturbine, colportait déjà à l’époque des unités uniques d’une capacité allant jusqu’à 1 MW. Aujourd’hui, toutes les unités de Capstone peuvent être mises en parallèle jusqu’à 30 MW de capacité.
Pour comprendre où ces ensembles peuvent être bénéfiques, considérez Felsineo La Mortadella. Cette entreprise est un transformateur alimentaire italien qui produit une saucisse de porc finement moulue et séchée à la chaleur. Elle a fait l’objet d’une étude de cas publiée sur le site Web de Capstone.
Felsineo cherchait à moderniser le système de production d’énergie de son principal site de fabrication à Bologne. Elle en voulait un qui pourrait gérer une augmentation de la production de vapeur saturée pour la fabrication de saucisses.
L’entreprise a décidé d’installer la microturbine C1000 de Capstone alimentée au gaz naturel (figure 1) ainsi qu’un compresseur de gaz et une solution de générateur de vapeur postcombustion. Le projet Felsineo était la première microturbine de Capstone à utiliser une solution de vapeur post-combustion, qui a permis de satisfaire les demandes électriques et thermiques de l’installation. L’efficacité globale de l’usine de fabrication s’est améliorée de 30 %, permettant à Felsineo d’économiser environ 300 000 € par an, selon l’étude de cas.
1. Capstone Turbine Corp. offre une gamme de microturbines allant de sa conception C30 de 30 kW (coupe montrée ici) à son unité C1000S de 1 MW. Avec l’aimable autorisation de : Capstone Turbine Corp.
« La nouvelle gamme de produits Signature Series de Capstone fait des progrès importants sur le marché de la cogénération, qui est spécifiquement axé sur la croissance du marché vertical de l’efficacité énergétique et sur la poursuite de la diversification des activités de Capstone », a déclaré Jim Crouse, vice-président exécutif des ventes et du marketing de Capstone, dans un récent communiqué de presse au sujet de la croissance du marché de la cogénération.
Petite turbine à gaz la plus efficace au monde
Aurelia Turbines est un nouveau venu relatif sur le marché – la société a été créée en 2013 – mais sa technologie est en développement depuis des décennies. Le bureau principal et les installations de fabrication de la société sont situés à Lappeenranta, en Finlande. L’emplacement est significatif car Aurelia a travaillé en collaboration avec l’Université de technologie de Lappeenranta pour développer sa nouvelle turbine à gaz.
Selon le PDG d’Aurelia, Matti Malkamäki, Lappeenranta est « un peu comme une Silicon Valley pour la technologie à grande vitesse. » Dans une interview exclusive avec POWER, Malkamäki a déclaré qu’il a spécifiquement établi la société à Lappeenranta en raison du « savoir-faire » qui existait dans la région. « Dans les premières phases, il y avait cinq professeurs différents de l’université et leurs équipes de recherche respectives, au total plus de 30, qui concevaient la turbine. Sans eux, ce produit n’aurait jamais vu le jour », a-t-il déclaré.
La turbine à gaz Aurelia utilise ce que la société appelle un processus IRG2 (générateur intercooled et récupéré sur deux bobines). Bien que les turbines multibobines et les turbines récupérées/interrefroidies existent sous d’autres formes, la turbine A400 d’Aurelia est la première de son genre à utiliser toutes ces caractéristiques dans la même unité (figure 2).
2. Ce schéma montre le procédé IRG2 (générateur interrefroidi et récupéré sur deux bobines). Les principaux composants de la conception d’Aurelia comprennent des compresseurs basse pression (LP) et haute pression (HP), des turbines et des générateurs. Courtoisie : Aurelia Turbines
La récompense est une meilleure efficacité. Aurelia affirme avoir les petites turbines à gaz les plus efficaces au monde sur la base du rendement électrique.
« Nous ne faisons pas de miracles ici », a expliqué Malkamäki. « La plus grande différence pour nous par rapport aux autres turbines à gaz de taille similaire est simplement le fait que nous avons deux arbres. Nous avons l’arbre basse pression et nous avons l’arbre haute pression. Cela signifie que nous avons deux générateurs. Ils sont tous deux dépourvus de boîte de vitesses, ce sont donc des arbres à grande vitesse. Le compresseur basse pression est suivi d’un refroidisseur intermédiaire qui rend le reste du processus de conversion beaucoup plus efficace, car l’air est alors plus dense et plus froid. Ensuite, nous avons un récupérateur – c’est donc une turbine récupérée – mais nous avons un rapport de pression un peu plus élevé dans la chambre de combustion que toutes les autres turbines de taille similaire. Cela nous donne un peu d’avantage. »
Alors que la conception de Capstone est bien adaptée aux installations de cogénération où la chaleur d’échappement peut être utilisée pour améliorer le rendement global, Aurelia a visé des applications où l’électricité est la force motrice derrière la décision d’installer une turbine. La turbine Aurelia peut toujours être utilisée dans les applications de cogénération, mais selon les exigences particulières du site, un brûleur de conduit peut également être nécessaire.
« Nous sommes davantage en concurrence avec les moteurs à gaz », a déclaré Malkamäki. Dans ce domaine, Aurelia offre une plus grande flexibilité en matière de carburant et des émissions plus faibles. « Nous avons une fenêtre beaucoup plus grande pour les différents carburants. Nous pouvons utiliser des biogaz très pauvres qui ne conviennent pas aux moteurs. C’est là que nous voyons la première niche de marché pour nous. »
Une autre caractéristique unique conçue dans la turbine Aurelia est les paliers magnétiques actifs. Ces paliers ne nécessitent pas d’huile, ce qui élimine le risque de fuites et réduit la maintenance. La conception n’est pas nouvelle. Sulzer, qui est également présent à Lappeenranta, utilise des paliers similaires dans certains de ses équipements, comme les turbocompresseurs à grande vitesse pour les usines de traitement des eaux usées et plusieurs autres. Le succès de ces applications a donné à Aurelia confiance dans le système de roulement utilisé dans la conception de la turbine.
« Dans ce secteur, tout est question de fiabilité et de montrer que vous êtes une entreprise digne de confiance », a déclaré Malkamäki. Aurelia essaie de faire tout ce qu’elle peut « pour joindre le geste à la parole », a-t-il ajouté.
Solutions de cogénération supplémentaires
Centrax, basé au Royaume-Uni, est un autre fournisseur de solutions de petites turbines à gaz. En octobre 2017, il a mis en service un projet à Bologne, en Italie, également. Cette installation utilise deux groupes électrogènes CX501-KB5 DLE, fournissant chacun jusqu’à 3,9 MW d’énergie électrique, attachés à des chaudières industrielles qui ont la capacité de fournir du chauffage à environ 8 000 foyers de la ville. Les deux groupes sont alimentés par des turbines à gaz Siemens 501-K.
Hera, la société de services publics multiples qui possède l’installation, a investi plus de 17 millions d’euros dans le projet, qui est situé dans une usine qui fonctionne depuis les années 1990. Selon la société, l’objectif de cette modernisation était d’améliorer l’efficacité énergétique et la durabilité environnementale. Une partie de l’ancienne usine a été démolie en mai 2015, et la centrale a commencé à alimenter le réseau de chauffage urbain en moins de 18 mois.
« Les groupes électrogènes 501-KB5 DLE sont bien adaptés à ce projet, offrant à Hera une solution compacte mais puissante qui permet une excellente flexibilité au fur et à mesure des besoins en chaleur et en électricité », a déclaré Chris Dumont, directeur exécutif des ventes et du marketing chez Centrax, dans un communiqué de presse annonçant l’ouverture de la centrale. « Grâce aux nouvelles technologies, Hera est en mesure de contrôler les installations à partir d’un centre distant, ce qui permet de réduire au minimum les besoins en personnel sur le site. »
OPRA Turbines, une société du groupe Dalian Energas basée aux Pays-Bas, propose encore un autre ensemble de petites turbines à gaz. Sa turbine à gaz OP16 a une conception entièrement radiale. Elle est dite unique car ses systèmes de combustion avancés offrent la possibilité de traiter une large gamme de combustibles liquides et gazeux. Le rapport de pression modéré de l’OP16 lui permet de fonctionner avec une faible pression de gaz combustible, et elle peut être équipée de chambres de combustion à faibles émissions ou de chambres de combustion de combustible à faible Btu. Selon l’entreprise, sa technologie de combustion unique peut transformer un gaz combustible sale qui serait autrement brûlé à la torche, évacué ou simplement gaspillé en » énergie verte et en gaz d’échappement propre « .
Un exemple de la solution d’OPRA en action se trouve dans une installation de production de plaques de plâtre de Siniat aux Pays-Bas. Le procédé de Siniat nécessitait la fourniture continue de 5,8 MWth et de 1,8 MWe. Après avoir étudié ses options, l’entreprise a décidé d’utiliser la turbine à gaz OP16 en mode îlot. Les gaz d’échappement quittant la turbine à 575C sont acheminés directement vers les séchoirs et les calcinateurs. Par conséquent, le rendement électrique et thermique total de l’usine dépasse 85 %. Les gaz d’échappement contiennent 15% d’O 2, ce qui permet d’appliquer facilement la post-combustion à l’entrée des séchoirs, si une puissance thermique supplémentaire est nécessaire. En outre, l’unité a été installée en seulement deux semaines dans la même zone qu’une turbine à gaz radiale plus ancienne, déjà existante. ■
-Aaron Larson est le rédacteur en chef de POWER.