Les petites turbines à gaz à faible coût et à haut rendement offrent au secteur des services publics une technologie de quatrième génération qui présente de nombreux avantages et applications potentielles. Celles-ci comprennent l’alimentation ferme des communautés, des centres commerciaux et des industries isolés ; l’écrêtement des pointes pour les systèmes de services publics afin de réduire le coût différentiel des charges supplémentaires ; l’écrêtement des pointes pour les grands établissements commerciaux et industriels afin de réduire les frais de demande, ainsi que l’alimentation de secours, l’alimentation d’urgence et l’alimentation sans coupure (UPS).
Les antécédents des turbines
Il est important de reconnaître que les petits générateurs à turbine à gaz ne sont pas une nouvelle technologie, mais qu’ils sont développés pour l’industrie des services publics d’électricité sur la base d’une technologie qui est soutenue par plus de 25 ans d’expérience sur le terrain. Les générateurs dont il est question dans cet article sont développés par International Power and Light en association avec Allison Engine Co. (une division de Rolls Royce plc) et General Electric Co. Allison développera les turbogénérateurs, et General Electric concevra les commandes et l’onduleur et sera responsable de l’ingénierie du site de l’unité, de l’installation et de la maintenance sur le terrain.
Les petits moteurs à turbine à gaz ont été initialement développés par Allison dans les années 1960 pour le transport terrestre. Le premier essai majeur sur le terrain a commencé en 1971 avec l’installation de moteurs à turbine Allison GT404 dans six bus Greyhound. Les moteurs à turbine de 310 ch étaient décrits comme un type à deux étages, avec un système à double régénérateur qui recyclait la chaleur du trajet des gaz pour préchauffer l’air entrant, tout en refroidissant les gaz d’échappement à une température maximale de 500 à 600°F. L’unité de puissance ne nécessitait aucun système de refroidissement par eau, avait la moitié des pièces mobiles d’un moteur diesel et avait une durée de vie de plus de 500 000 milles entre les révisions.
En 1978, ces six autobus d’essai avaient parcouru plus d’un million de milles, et le moteur à turbine était considéré par la direction de Greyhound comme une percée technique pour le transport interurbain par autocar1.
En 1976, Allison a commencé à développer un générateur alimenté par la turbine GT 404 pour fournir de l’énergie au poste radar et au poste de contrôle d’engagement du système de missiles Patriot de l’armée américaine. Les principaux objectifs de ce programme comprenaient le placement de deux groupes électrogènes de 150 kW fournissant une alimentation de secours à 100 % dans un seul conteneur à transporter sur un camion de 5 tonnes de l’armée. Parmi les autres objectifs figuraient la réduction de la consommation de carburant grâce à l’utilisation de régénérateurs jumeaux à disques céramiques rotatifs et le développement d’une capacité multicarburant fiable et sans réglage. En 1978, Allison a commencé la conception, le développement et la construction de cinq groupes électrogènes à turbine de spécification militaire pour des essais sur le terrain. Les groupes électrogènes achevés ont été testés dans les installations d’Aberdeen, Belvoir, Elgin et White Sands avec les résultats suivants :
z La consommation de carburant a été réduite de 48 à 16 gallons par heure par rapport aux générateurs précédents.
z Une stabilité de fréquence de 0,1 pour cent à la charge nominale a été obtenue.
z Le démarrage en arbre libre jusqu’à moins 50 F a été accompli sans appareils de chauffage.
z La capacité multicarburant a été démontrée sur le diesel, le JP et l’essence.
z Toutes les exigences de fiabilité ont été satisfaites.
z Les normes de niveau sonore de moins de 90 dBA ont été respectées.
En décembre 1981, Allison a livré une commande initiale de 200 groupes électrogènes à l’armée américaine. Plus de 2 000 de ces groupes électrogènes ont été livrés à ce jour pour le système Patriot, qui a été employé pendant la guerre du Golfe. Ces générateurs ont enregistré plus d’un million d’heures de fonctionnement sans problèmes majeurs.2
Caractéristiques de la micro-turbine
La turbine a un seul arbre rotatif avec le générateur, le compresseur d’air et la turbine montés sur des paliers à air, de sorte qu’aucune lubrification n’est nécessaire. La centrale est refroidie par air, l’air étant amené par une entrée pour refroidir le générateur. L’air est ensuite comprimé avant d’être acheminé à travers le régénérateur vers la chambre de combustion. Le régénérateur est un disque en céramique qui tourne lentement devant l’échappement et l’entrée de la chambre de combustion. Le disque est chauffé par les gaz d’échappement chauds, ce qui augmente la température de l’air comprimé d’entrée, améliorant encore le rendement énergétique. La vitesse de l’arbre est d’environ 80 000 tr/min, le générateur fournissant un courant alternatif à haute fréquence. L’électronique de puissance installée convertit le courant alternatif en courant continu, avec un onduleur de courant continu fournissant soit 480 V, triphasé, 60 Hz, soit 230/400 V, triphasé, 50 Hz.
La petite taille et le poids des générateurs à turbine à gaz présentés dans le tableau 1 permettent à un service public d’installer de telles unités à presque n’importe quel endroit. Toute unité nécessitant un entretien ou une réparation peut être remplacée sur le site de production et apportée dans un atelier central ; même l’unité de taille 250 kW peut être transportée dans une camionnette. À des fins de comparaison, les dimensions et les poids des unités diesel typiques de 50 et 250 kW sont inclus dans le tableau 1. Pour ces types d’installations, le tableau 2 fournit une estimation des coûts d’achat et d’installation par kW. De plus, les opérations sont simples puisque les centrales sont entièrement pilotables depuis un centre d’exploitation central via n’importe quelle liaison de communication bidirectionnelle, ou elles peuvent être surveillées et contrôlées localement. Les faibles dépenses d’entretien et de révision – moins de 0,005 $ par kWh, ce qui comprend une révision majeure toutes les 30 000 heures ou environ tous les trois ou quatre ans – sont d’autres caractéristiques des centrales à micro-turbines.
Applications de l’équipement
Deux études de cas de puissance ferme mettant en vedette cette technologie ont été élaborées. Le cas 1 est basé sur une charge de 250 kW avec six générateurs de 50 kW, et le cas 2 est basé sur une charge de 750 kW avec quatre générateurs de 250 kW. Dans chaque cas, les facteurs de charge annuels sont de 52 et 100 %. Les coûts annuels estimés et les coûts par kWh sont résumés dans le tableau 3. L’énergie ferme à moins de 5 cents par kWh provenant d’assemblages multiples alimentés au gaz naturel est manifestement compétitive par rapport à la plupart de l’énergie provenant de générateurs de centrales et acheminée par des installations de transmission et de distribution traditionnelles. Le coût de l’électricité pour les cas précédents passe à un peu plus de 0,09 $ par kWh, avec un carburant diesel à 0,85 $ par gallon – ce qui est encore compétitif dans de nombreuses régions.
Le rendement des petites turbines à gaz fournissant uniquement de l’électricité ferme approche les 30 pour cent. Ce rendement peut être porté à 75 pour cent dans le cadre d’un projet de cogénération en utilisant la chaleur d’échappement pour le chauffage de l’eau, la réfrigération ou le refroidissement par absorption, le chauffage des locaux et le traitement industriel. En tant qu’application de cogénération, le projet peut être économiquement réalisable, même avec des carburants plus coûteux comme le diesel.
Les petits générateurs à turbine à gaz permettent aux services publics d’écrêter les pointes de manière économique et de fournir en même temps une capacité pour les urgences. Cela peut augmenter l’efficacité globale du système, ce qui réduira les investissements dans les installations traditionnelles de production, de transport en vrac et de distribution. L’écrêtement des pointes permet également à un service public de répondre à la croissance de la charge dans les zones où il y a un manque de capacité des sous-stations et/ou des lignes de distribution. L’exemple du tableau 4 fournit une estimation des coûts annuels d’installation d’un générateur à turbine de 250 kW et de fourniture de carburant et d’entretien pour faire fonctionner l’unité quotidiennement pendant trois heures.
Ce coût peut être comparé à la gestion axée sur la demande (GAD). Les expériences de coût annuel d’un grand service public du nord-est pour installer et exploiter un système de GAD pour contrôler les chauffe-eau, la climatisation et le chauffage des locaux sont résumées dans le tableau 5 et comparées au coût d’écrêtement des pointes d’une turbine à gaz.3
Les petites turbines peuvent fournir un écrêtement des pointes pour 30 à 50 pour cent du coût de la GAD et éliminer les problèmes associés au contrôle des appareils des clients. En outre, les petits générateurs situés à proximité des centres de charge peuvent également fournir une alimentation de secours. Les services publics doivent étudier l’impact réel sur les opérations du système de l’écrêtement des pointes avec la production décentralisée. Cependant, les économies potentielles sont certainement suffisantes pour justifier une étude approfondie.
Considérations des clients
Chaque service public a des frais de demande pour ses principaux clients commerciaux et industriels. Les petits générateurs à turbine peuvent être appliqués par ou pour ces clients pour réduire les frais de demande. Le tableau 6 fournit les coûts pour un client avec 250 kW de charge de pointe à deux charges de demande différentes. Les petites centrales électriques à turbine à gaz sont des choix idéaux pour les UPS et l’alimentation de secours en raison de leur faible coût initial, de leurs exigences minimales en matière de maintenance et de leur niveau élevé de fiabilité. Les centrales peuvent être installées comme des générateurs individuels ou peuvent être disposées en plusieurs ensembles pour fournir le niveau de puissance requis par les charges.
Lorsqu’elle est utilisée pour le service de secours, une petite centrale à turbine pourrait être connectée aux circuits de distribution pour desservir les charges d’urgence, telles que les salles d’opération des hôpitaux, les installations de soins critiques, les lumières d’urgence, les communications, les réfrigérateurs, les congélateurs, les ascenseurs, les systèmes de sécurité et les caisses enregistreuses. La commande électronique de la centrale électrique surveille constamment le service fourni par la source d’alimentation principale.
Si le service est interrompu, la commande fait en sorte que les circuits secondaires soient déconnectés de la source d’alimentation principale et connectés à la centrale électrique. La centrale électrique est démarrée via la batterie du système, et la centrale électrique fournit de l’énergie aux circuits secondaires jusqu’à ce que l’alimentation du service central soit rétablie. z
Auteur:
Walter G. Scott, P.E., a reçu son baccalauréat en sciences et sa maîtrise en sciences en génie électrique de l’Université d’Arizona. Il est membre senior de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), membre de la National Society of Professional Engineers et ingénieur agréé en Arizona, au Michigan, au Missouri et en Ohio. Cet article a été présenté à l’origine lors de la conférence 1997 de l’IEEE sur l’électricité rurale, du 20 au 22 avril, à Minneapolis, Minn.
1 R. Rose, « Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization : Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program, » Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Michigan, octobre 1980.
2 S.C. Laux, Allison Gas Turbine Division & R.N. Ware, U.S. Army, « Application of a Vehicular Designed, Heavy-Duty Gas Turbine Engine to a Military Generator Set, » Paper 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, 18-21 mars 1985.
3 H. Lee Willis et Rackliffe, G.B., « Introduction to Integrated Resource T&D Planning », publié par ABB Power T&D Co, 1984.
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Les turbines à gaz de taille micro créent des opportunités de marché
Par Walter G. Scott, International Power and Light
Les centrales électriques d’une taille de 25 à 250 kW permettront aux services publics, aux IPP et aux ESCO de fournir une énergie économique pour une variété d’applications
Les petits moteurs à turbine à cycle régénératif ont été initialement développés par Allison Engine Co. dans les années 1960 pour les applications de transport terrestre. Aujourd’hui, l’entreprise travaille avec International Power et General Electric pour développer des turbines à gaz de 50 et 250 kW pour la production d’électricité. Sur la photo, Don Frazier (à gauche), chef de projet adjoint d’Allison, et Duyane Parsons (à droite), chef d’atelier, avec un dérivé automobile de classe 40 kW d’un moteur à turbine à gaz.
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