Comprendre les choix de carburant du système d'alimentation de secours

Au début de l'alimentation de secours commerciale et industrielle, le choix du carburant n'était pas un problème dans la sélection d'un système de générateur de secours car le carburant préféré était toujours le diesel. Tel n'est pas le cas aujourd'hui. Les ingénieurs et les utilisateurs finaux ont le choix entre plusieurs options de carburant, et chacune offre des avantages uniques dans différentes applications.

Les groupes électrogènes de secours sont entraînés par des moteurs à combustion interne, eux-mêmes alimentés par des combustibles fossiles. Le carburant diesel est utilisé dans les systèmes d'alimentation de secours depuis des décennies. Les combustibles gazeux, comme le gaz naturel ou le propane liquide, sont de plus en plus acceptés. La combinaison de ces carburants de manière unique offre des options de carburant supplémentaires. Par exemple, les génératrices bicarburant fonctionnent soit au gaz naturel, soit au propane à vapeur, selon le carburant disponible à ce moment-là. Les générateurs bicarburant fonctionnent simultanément au diesel et au gaz naturel et tirent parti des avantages de chacun.

L'essence est remarquablement absente de cette liste car il s'agit généralement d'un mauvais choix de carburant pour les systèmes d'alimentation de secours. Non seulement il est extrêmement volatil par rapport au carburant diesel ou gazeux, ce qui rend difficile son stockage en quantité, mais par rapport au carburant diesel, il a une densité thermique nettement inférieure. De plus, l'essence ne peut pas être facilement utilisée en combinaison avec un carburant gazeux. Ainsi, les systèmes d'alimentation de secours commerciaux et industriels sont rarement, voire jamais, alimentés à l'essence.

Gas-oil

Comme mentionné précédemment, le carburant diesel est le carburant traditionnel de choix pour les applications d'alimentation de secours commerciales et industrielles (voir le tableau 1). Parmi les avantages du moteur diesel, il y a son rendement thermique élevé, qui peut générer un faible coût d'investissement par kW dans les applications à gros kW, généralement 150 kW ou plus. Étant donné que le carburant diesel doit être stocké sur place, les générateurs alimentés au diesel peuvent également fournir une alimentation de secours dans les régions éloignées qui ne bénéficient pas d'une infrastructure de gaz naturel. Pour la même raison, les segments de marché avec des applications critiques, tels que les hôpitaux et les centres d'appels 911, choisissent souvent des générateurs au diesel, car le carburant sur place contribue à assurer la fiabilité. Enfin, étant donné que le carburant diesel est utilisé depuis si longtemps dans les applications d'alimentation de secours, le marché a l'impression que les moteurs diesel sont les moteurs les plus fiables pour les systèmes d'alimentation de secours.

Malgré son acceptation généralisée, le carburant diesel a ses inconvénients. Par exemple, l'Environmental Protection Agency des États-Unis exige l'utilisation de diesel à très faible teneur en soufre (ULSD) dans toutes les applications de générateur de secours. L'ULSD passe par des processus de raffinage supplémentaires, ce qui le rend moins stable que le carburant diesel traditionnel. S'il n'est pas entretenu, le carburant diesel se dégradera avec le temps. Au cours de la première année de stockage, il souffrira d'oxydation, qui se produit lorsque les hydrocarbures réagissent avec l'oxygène pour former un sédiment fin et de la gomme. S'ils sont aspirés dans le moteur, ces contaminants pourraient obstruer le filtre à carburant et les injecteurs de carburant. Les micro-organismes peuvent également contaminer le carburant. L'eau, qui peut pénétrer dans le système de carburant sous forme de condensation, favorise la croissance des bactéries et des champignons. Ces micro-organismes se nourrissent en fait du carburant lui-même. Si on les laisse se développer, ils peuvent former des colonies gélatineuses qui peuvent également obstruer les systèmes de carburant. De plus, leurs déchets sont de nature acide, ce qui peut entraîner la corrosion du réservoir de carburant.

Ce sont des préoccupations importantes dans les applications d'alimentation de secours. Un générateur à carburant diesel avec un réservoir dimensionné pour 72 heures de fonctionnement à pleine charge pourrait facilement prendre environ 20 ans pour brûler un seul réservoir de carburant, en supposant un niveau de charge typique de 60%, un exercice hebdomadaire à vide et des pannes de courant moyennes de seulement 4 heures par an. Cependant, ces problèmes peuvent être atténués en instituant un plan d'essai et d'entretien continu du carburant qui élimine régulièrement l'eau et les sédiments du réservoir de carburant. Pour les applications d'urgence, l'entretien du carburant est requis par le code de la norme NFPA 110 : Standard for Emergency and Standby Power Systems. Ce type de programme de maintenance augmente le coût total de possession d'un groupe électrogène, qui doit également être pris en compte. Les polisseurs de carburant automatiques, qui se composent d'une pompe et d'un système de filtration, augmentent le coût initial d'un système d'alimentation de secours, mais ils réduisent les coûts d'entretien continu du carburant. Les plans de maintenance manuelle sont plus coûteux sur le long terme.

Pour certaines applications, les générateurs diesel sont également confrontés aux normes d'émissions Tier 4 plus strictes pour les moteurs diesel stationnaires non routiers adoptées par l'EPA, avec une mise en place initiale en 2011. Cependant, la règle Tier 4 affecte les "urgences" et " générateurs non urgents" différemment parce que les temps de fonctionnement - et donc les émissions - pour chacun ont tendance à être très différents. L'EPA définit un groupe électrogène de secours comme "un groupe électrogène dont la seule fonction est de fournir une alimentation de secours lorsque l'alimentation électrique du service public local est interrompue". Les applications d'urgence ne nécessitent que la conformité EPA Tier-2/Tier-3. En comparaison, un groupe électrogène non d'urgence est un groupe qui n'est pas utilisé exclusivement pour l'alimentation d'urgence, comme ceux utilisés pour la gestion de la charge/l'écrêtement des pointes. Dans les applications non urgentes, les exigences d'émission Tier 4 sont applicables. Ainsi, lorsque l'on considère le diesel comme choix de carburant dans un système d'alimentation de secours, l'impact de l'application sur les exigences d'émission du générateur doit être pris en compte.

Par rapport aux carburants gazeux, les coûts actuels du carburant diesel (et de l'essence) sont relativement élevés. Le coût élevé du baril de pétrole brut ainsi que les réglementations supplémentaires de l'EPA sur les émissions des moteurs ont augmenté le coût total des moteurs diesel et du carburant. En mai 2012, les coûts du carburant diesel hors route étaient d'environ 3,46 $/gal (une estimation basée sur le coût moyen par gallon de carburant diesel sur route tel que rapporté par l'Energy Information Administration des États-Unis pour mai 2012, moins une estimation du coût des taxes d'accise étatiques et fédérales, qui ne s'appliquent qu'au carburant diesel sur route). En comparaison, les prix commerciaux du gaz naturel en mai 2012 étaient de 8,09 $/mille pieds cubes (tel que rapporté par l'Energy Information Administration des États-Unis). Un générateur diesel de 150 kW fonctionnant pendant 24 heures au diesel à pleine charge consommerait probablement 260 gallons, soit environ 900 $ de carburant diesel. Une unité similaire alimentée au gaz naturel fonctionnant à pleine charge pendant la même durée consommerait probablement environ 48 000 pieds cubes, soit environ 388 $ de gaz naturel. Ainsi, lors de l'utilisation de carburant diesel pour un système d'alimentation de secours d'urgence, tenez compte de la durée moyenne des pannes de courant qui affecteront l'application pour prévoir les coûts de carburant et déterminer s'ils sont acceptables.

Gaz naturel

Dans le passé, les combustibles gazeux étaient évités dans les applications d'alimentation de secours industrielles en fonction de la rentabilité, de la densité de puissance et des perceptions de durabilité et de fiabilité du combustible. Cependant, les innovations technologiques récentes ont changé cela. Ces innovations comprennent des soupapes et des sièges durcis et des mélanges air/carburant optimisés. L'optimisation de la vitesse du moteur a été une amélioration significative. Historiquement, les générateurs étaient configurés pour une connexion directe à un alternateur à quatre pôles qui limitait la vitesse du moteur à 1 800 tr/min. En mettant en œuvre un groupe motopropulseur à engrenage sur engrenage, ou des alternateurs bipolaires selon le cas, les fabricants de générateurs ont pu optimiser la puissance et les performances des moteurs à allumage commandé. Cela a amélioré les performances transitoires, réduit les contraintes sur les roulements du moteur et augmenté les densités de puissance. En un mot, cela signifie des moteurs plus puissants et des coûts d'investissement réduits.

En particulier, en ce qui concerne le gaz naturel comme combustible pour les systèmes d'alimentation de secours, un avantage clé est la longue durée de fonctionnement (voir tableau 2). Étant donné que le gaz naturel est fourni par un service public plutôt que stocké en quantité finie sur place, le ravitaillement n'est pas un problème, quelle que soit la durée de la panne de courant. C'est cet avantage en particulier qui est également un argument de vente clé dans les solutions d'alimentation de secours résidentielles.

Le gaz naturel est également plus écologique que le carburant diesel. Non seulement les moteurs alimentés au gaz naturel émettent moins de NOX et de particules que les moteurs diesel comparables, mais ils évitent également les problèmes de confinement du carburant et les préoccupations environnementales associées au stockage de grandes quantités de carburant diesel. De plus, comme il s'agit d'un gaz, le déversement n'est pas un problème. Pour ces raisons, les réglementations locales qui s'appliquent au confinement du carburant sont considérablement moins strictes que celles applicables aux moteurs diesel, ce qui rend la mise en conformité beaucoup moins coûteuse.

Les moteurs à allumage par étincelle de style automobile sont également plus facilement disponibles en grandes quantités, ce qui en fait des composants plus rentables pour les fabricants de générateurs. Ils sont également généralement plus rentables à l'approvisionnement que les moteurs diesel de taille similaire. Cela signifie que les systèmes d'alimentation de secours à combustible gazeux ont tendance à coûter moins cher par kW dans les applications d'alimentation de secours à moteur unique de 150 kW et moins. Pour les applications de plus gros kW, les générateurs à combustible gazeux peuvent être configurés pour combiner leur puissance dans une approche intégrée de mise en parallèle des générateurs (voir Figure 1). Leur rentabilité générale combinée aux avantages de fiabilité et d'évolutivité offerts par la mise en parallèle intégrée (par rapport à un très gros générateur diesel) peut en faire des alternatives intéressantes, même dans les grandes applications. Dans les applications nécessitant que le générateur assume la charge d'urgence dans les 10 secondes, le système peut être configuré de sorte que le premier générateur en ligne soit suffisamment grand pour cette charge. Ce premier générateur peut répondre à l'exigence de 10 secondes, tandis que les générateurs restants peuvent capter les autres catégories de charge.

Les longues durées de fonctionnement fournies par le gaz naturel entraînent malheureusement un inconvénient perçu : il est fourni par un service public et, à ce titre, sa disponibilité échappe au contrôle de l'installation. Le stockage de carburant sur site est préféré par de nombreuses autorités compétentes (AHJ) car sa disponibilité ne fait aucun doute. Il est généralement requis par NFPA 70 : National Electrical Code, Article 700 : Systèmes d'urgence pour les charges des systèmes d'urgence dans de nombreuses municipalités. Alors que le gaz naturel est livré en grande partie par des pipelines souterrains qui ne sont généralement pas affectés par le type de conditions météorologiques extrêmes qui coupent l'électricité, l'infrastructure de gaz naturel n'est pas fiable à 100 %. Les ingénieurs doivent travailler avec le service public de gaz local et AHJ pour comprendre la fiabilité de l'infrastructure de gaz naturel par rapport au carburant diesel sur site. Travaillez également avec le propriétaire du système pour vous assurer que l'installation n'est pas soumise à une politique de réduction qui couperait l'approvisionnement en gaz naturel à la discrétion du service public local. Il n'est pas rare que la fiabilité du gaz naturel soit favorable dans de nombreuses applications lorsque les problèmes de ravitaillement et de détérioration du carburant sont parfaitement compris.

Carburant GPL

Les systèmes d'alimentation de secours alimentés au GPL peuvent fonctionner dans des configurations de liquide GPL ou de vapeur GPL. La vapeur de GPL est peut-être la plus répandue dans les systèmes d'alimentation de secours (voir le tableau 3). Tous les avantages généraux du carburant gazeux décrits précédemment s'appliquent également au carburant GPL, y compris un coût inférieur par kW dans les applications d'alimentation de secours à moteur unique de 150 kW et moins. En tant que carburant à allumage par étincelle, le GPL fonctionne dans des moteurs de type automobile adaptés à son utilisation.

Au-delà des avantages généraux du GPL en tant que carburant gazeux, le GPL doit être stocké sur place, tout comme le carburant diesel. Ainsi, le carburant LP pourrait fournir une alternative de carburant gazeux acceptable au diesel pour les applications nécessitant du carburant sur site. Les ingénieurs-conseils doivent également explorer cela avec leur client avant de choisir une solution de carburant diesel. LP répond aux mêmes exigences sur site, mais n'a l'avantage d'aucun problème de détérioration de carburant.

Les inconvénients du carburant LP sont vraiment plus de défis dans la conception du système. Que le système fonctionne en configuration LP liquide ou LP vapeur, le carburant LP est stocké sous pression sous forme liquide. Dans les conceptions de carburant à vapeur LP, ce carburant liquide doit être introduit dans la chambre de combustion du moteur sous forme de vapeur. Parce qu'il a un point d'ébullition de -44 F, la vaporisation se produit naturellement dans le réservoir de carburant à température ambiante. Cependant, la gestion de ce taux d'évaporation (la vitesse à laquelle le carburant LP liquide se transforme en vapeur) est une considération de conception. La température ambiante, la taille du réservoir de carburant LP et le taux de consommation de carburant du générateur doivent être pris en compte lors de la mise en œuvre de systèmes d'alimentation de secours à vapeur LP.

En comparaison, les systèmes d'alimentation de secours fonctionnant au GPL liquide ne dépendent pas de la vaporisation naturelle du GPL à l'intérieur du réservoir de carburant pour fournir des quantités adéquates de carburant au générateur. Au lieu de cela, ces systèmes nécessitent un vaporisateur pour convertir le liquide sous pression en vapeur en quantités suffisantes avant de l'introduire dans le moteur du générateur pour la combustion. Les vaporisateurs permettent aux réservoirs d'être dimensionnés pour le temps d'exécution au lieu des taux d'évaporation. Typiquement, le vaporisateur est intégré dans un générateur extérieur. Cependant, ce n'est pas le cas lorsque le générateur est situé à l'intérieur d'un bâtiment. Étant donné que la plupart des codes du bâtiment n'autorisent pas le GPL liquide à l'intérieur d'un bâtiment, qu'il soit stocké ou canalisé, le vaporisateur doit être installé à l'extérieur de l'installation. Le vaporisateur nécessite une certaine forme de chaleur générée en interne ou fournie en externe.

Systèmes à double et bi-carburant

Une façon d'atténuer les problèmes de fiabilité qui surgissent invariablement lorsque l'on discute du carburant sur site par rapport au carburant fourni par les services publics consiste à spécifier un système qui utilise les deux carburants, soit un à la fois, soit simultanément. Les systèmes bicarburant et bicarburant répondent à ces critères (voir tableau 4).

Comme mentionné précédemment, un système bicarburant peut fonctionner à la vapeur de GPL ou au gaz naturel, selon ce qui est disponible à ce moment-là. Le système démarrera et fonctionnera généralement au gaz naturel, et si cette alimentation en carburant est interrompue, il passera à la source de carburant LP sur place. Cette configuration est très populaire pour les générateurs jusqu'à 150 kW.

Pour les applications plus importantes, un système bicarburant, qui brûle à la fois du carburant diesel et du gaz naturel dans un seul moteur, est une option intéressante (voir la figure 2). Les générateurs bi-carburant démarrent en utilisant du carburant 100% diesel, qui s'enflamme à 500 à 750 F, et sert de carburant pilote. Une fois que certains critères sont remplis, tels que l'acceptation de la charge électrique, le contrôleur du générateur introduit du gaz naturel dans le mélange de carburant. La combustion du carburant diesel enflamme le gaz naturel, qui a une température d'allumage beaucoup plus élevée de 1 150 à 1 200 F. Lorsque le contrôleur du générateur ajoute du gaz naturel, la fonction de régulation de la vitesse normale du moteur réduit la quantité de carburant diesel entrant dans le moteur. Le processus se poursuit jusqu'à ce qu'un mélange de carburant optimal soit atteint, généralement 75 % de gaz naturel pour 25 % de carburant diesel. Si la charge augmente, le transitoire sera initialement traité avec du diesel, après quoi du gaz naturel sera réintroduit dans le système pour correspondre au nouveau niveau de charge plus élevé.

Les générateurs bi-carburant tirent parti des avantages de fiabilité du carburant diesel et du gaz naturel tout en minimisant leurs inconvénients respectifs. Les coûts initiaux des générateurs bicarburant sont généralement de 15 à 30 % supérieurs à ceux des générateurs diesel. Cependant, étant donné que le gaz naturel - et non le diesel - est le carburant prédominant dans un générateur bicarburant, les durées de fonctionnement sont prolongées tandis que les besoins de stockage de carburant sur site (et leurs coûts de maintenance associés) sont réduits. De plus, comme le carburant sur place fait toujours partie du système, la fiabilité est améliorée. En cas de panne de l'alimentation en gaz naturel, parce qu'elle a été coupée par le service public ou interrompue d'une autre manière, la génératrice peut fonctionner au diesel à 100 %.

Conclusion

L'époque où tous les systèmes d'alimentation de secours étaient alimentés exclusivement par du carburant diesel est révolue. Alors que le diesel reste une source de carburant populaire, les ingénieurs et les utilisateurs finaux ont le choix entre plusieurs options de carburant supplémentaires : gaz naturel, carburant GPL (liquide et vapeur), bicarburant (gaz naturel ou vapeur GPL) et bicarburant (gaz naturel). essence et diesel fonctionnant simultanément). Chacun offre des avantages uniques. Les ingénieurs-conseils doivent prendre le temps d'apprendre comment chacune de ces sources de carburant peut être appliquée afin qu'ils puissent faire les meilleures recommandations à leurs clients. Comme toujours, assurez-vous de consulter votre AHJ local pour comprendre ses politiques sur l'utilisation d'un carburant particulier dans une application donnée. Connaître vos options rendra ces conversations plus fructueuses.

Kirchner est responsable du support technique pour Generac Power Systems, Waukesha, Wis., où il prend en charge et forme sur tous les produits industriels. Il a obtenu un baccalauréat en génie électrique et un MBA de l'Université du Wisconsin. Il travaille chez Generac Power Systems depuis 1999.

Bibliographie

Seitz, John S., Calcul du potentiel d'émission (PTE) pour les générateurs de secours. Mémorandum, Agence américaine de protection de l'environnement, 1995.

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