Turbine à gaz ou moteur à gaz pour la production d’électricité industrielle sur site

Une turbine à gaz est souvent un choix pertinent pour une installation dont la demande électrique est stable et qui a continuellement besoin de chaleur de procédé à haute température ou de vapeur. Un moteur à gaz alternatif peut mieux convenir lorsque le rendement électrique, les variations de charge ou la modularité de la capacité sont des critères plus importants. Le choix ne peut pas être déterminé par la seule puissance nominale de l’équipement : il dépend du fonctionnement de l’ensemble de l’installation tout au long de l’année.

Commencez par comparer l’électricité fournie et la chaleur utilisable dans les mêmes conditions sur site. Les gaz d’échappement d’une turbine peuvent être précieux, mais uniquement si le procédé peut les utiliser. Les performances électriques intéressantes d’un moteur peuvent perdre une partie de leur avantage si l’installation a besoin de plus de chaleur à haute température que son système de récupération ne peut en fournir.

Commencez par le profil de charge, et non par la demande de pointe

Un seul chiffre de demande de pointe ne permet pas de savoir comment une centrale électrique fonctionnera pendant toute sa durée de vie. Cartographiez la charge électrique de l’installation en fonction des équipes, des week-ends, des variations saisonnières et des arrêts programmés. Déterminez la charge minimale soutenue ainsi que la charge maximale, et distinguez les charges critiques des équipements pouvant être interrompus.

Les turbines à gaz conviennent généralement aux longues périodes de fonctionnement stable. Leur rendement électrique peut diminuer à charge partielle ; une unité dimensionnée pour une brève pointe risque donc de fonctionner une grande partie de l’année en dehors de sa plage optimale. La température ambiante affecte également la puissance et le rendement des turbines : les journées de production les plus chaudes peuvent coïncider avec les besoins de refroidissement les plus élevés et la puissance disponible la plus faible.

Les moteurs à gaz peuvent offrir une flexibilité utile lorsque la demande varie. Une installation comprenant plusieurs moteurs peut démarrer ou arrêter des unités pour s’adapter à la demande, tout en maintenant celles en service à proximité de leur plage de fonctionnement efficace. Cette modularité implique des équipements supplémentaires, des systèmes de commande, une coordination de la maintenance et potentiellement davantage d’espace. Comparez l’installation dans son ensemble, sans supposer que plusieurs petites unités sont automatiquement plus économiques.

Pour chacune des deux technologies, demandez aux fournisseurs des données de performance sur la plage de charge prévue, notamment la charge minimale stable, les exigences de démarrage, les vitesses de montée en charge et les restrictions concernant les démarrages fréquents. Utilisez des conditions propres au site et incluez la consommation des auxiliaires lorsque vous comparez la puissance nette disponible pour l’installation.

Adaptez la récupération de chaleur au procédé

La cogénération peut modifier le résultat d’une comparaison entre turbine à gaz et moteur à gaz. La question pertinente n’est pas simplement de savoir quelle quantité de chaleur quitte l’équipement, mais quelle quantité peut être récupérée à la température, à la pression et au moment requis par le procédé.

Une turbine à gaz produit un débit important de gaz d’échappement chauds. Ceux-ci peuvent être dirigés vers une chaudière de récupération ou, lorsque le procédé le permet, utilisés pour le chauffage direct ou le séchage. Une turbine est d’autant plus intéressante que l’installation dispose d’un besoin soutenu pour cette chaleur. Si la production s’interrompt fréquemment ou si la demande de vapeur diminue alors que la demande électrique reste élevée, une partie des bénéfices potentiels liés à la chaleur peut disparaître.

Les moteurs à gaz permettent également la récupération de chaleur, mais celle-ci est répartie entre les gaz d’échappement, les circuits de refroidissement du moteur et d’autres sources. La chaleur de l’eau de refroidissement peut être utile pour produire de l’eau chaude ou répondre à des besoins à plus basse température, tandis que la chaleur des gaz d’échappement peut contribuer à une récupération à plus haute température. La production de vapeur utilisable et sa température dépendent du moteur et de la conception du système de récupération ; la chaleur totale récupérable ne doit pas être considérée comme équivalente à de la vapeur de procédé à haute pression.

Dans la mesure du possible, comparez la demande de chaleur heure par heure. Tenez compte des pertes thermiques, du fonctionnement en dérivation, de la postcombustion, du rendement des chaudières existantes et du besoin en vapeur de secours. Un chiffre de rendement global élevé n’a de sens que si la chaleur récupérée remplace du combustible que le site aurait autrement consommé.

L’approvisionnement en combustible peut modifier le choix privilégié

Les deux technologies nécessitent un combustible respectant les limites spécifiées par le fournisseur de l’équipement, mais les limites pertinentes et les exigences de conditionnement diffèrent. La composition du combustible, son pouvoir calorifique, sa pression, ses contaminants et leurs variations dans le temps peuvent avoir une incidence sur la combustion, les émissions, la maintenance et la disponibilité.

Pour une turbine, la pression du gaz à l’entrée peut être insuffisante dans certaines conditions de fonctionnement, ce qui rend nécessaire la compression du gaz combustible. Celle-ci entraîne une consommation électrique, un coût d’investissement, des besoins de maintenance supplémentaires et l’ajout d’un équipement dont la disponibilité est importante. Une installation avec moteur peut avoir des exigences différentes en matière de pression et de qualité du combustible ; comparez donc la chaîne complète d’alimentation en combustible de chaque proposition.

Si le site utilise du biogaz ou un autre combustible à composition variable, fournissez des analyses représentatives couvrant le fonctionnement normal et les variations prévisibles. Un traitement visant à éliminer l’humidité, les composés corrosifs ou d’autres contaminants peut être nécessaire avant que l’une ou l’autre machine puisse fonctionner de manière fiable. La flexibilité en matière de combustible doit être évaluée au regard des limites spécifiées pour l’unité proposée, et non déduite de la seule catégorie technologique.

Lorsque la compression du combustible est nécessaire, le groupe doit être coordonné avec la plage de pression, les systèmes de commande et le calendrier de fonctionnement de la centrale. SINO-QNP propose des solutions clés en main pour les unités de compresseurs, dans le cadre de son activité plus générale dans le domaine des turbomachines. La configuration applicable dépend de l’approvisionnement en combustible et de l’équipement de production choisi.

La fiabilité dépend de la configuration de l’installation

Une unité de production unique est simple à configurer, mais sa maintenance ou une panne imprévue peut supprimer toute la capacité de production sur site. Plusieurs moteurs peuvent permettre de maintenir une production partielle lorsqu’une unité est indisponible. Une configuration comportant plusieurs turbines peut également assurer la redondance, même si sa pertinence dépend de la capacité requise et des considérations économiques.

Définissez le mode de fonctionnement requis avant d’attribuer une valeur à la redondance. Une installation raccordée à un réseau électrique fiable peut tolérer une panne de générateur différemment d’une installation qui doit maintenir de manière autonome des procédés critiques. Le fonctionnement en parallèle avec le réseau ne garantit pas automatiquement l’alimentation électrique en cas de panne du réseau : la capacité de fonctionnement en îlot, les protections, les systèmes de commande et une source d’énergie de démarrage appropriée doivent être intégrés à la conception du système.

La planification de la maintenance doit inclure les interventions programmées, les révisions majeures, l’accès aux pièces, les délais d’intervention et le coût de l’arrêt de production. Les moteurs nécessitent généralement des opérations de maintenance courante plus fréquentes, tandis que les turbines ont leurs propres exigences en matière d’inspection et de révision. Les intervalles dépendent de l’équipement, du combustible, des démarrages et des conditions de fonctionnement ; comparez donc les calendriers de maintenance des fournisseurs sur la base d’un même régime annuel d’utilisation.

Évaluez les émissions et l’installation comme des systèmes complets

Les exigences en matière de permis et les limites applicables au site peuvent influer sur le choix de l’équipement autant que le rendement. Comparez les oxydes d’azote, le monoxyde de carbone et les autres émissions applicables aux points de fonctionnement réellement prévus pour l’installation, y compris au démarrage et à charge partielle, le cas échéant. Demandez si les valeurs indiquées dépendent de systèmes de contrôle de la combustion ou de traitement des gaz d’échappement, et prenez en compte les consommables, les pertes de charge, l’espace et la maintenance associés.

Les contraintes d’installation varient également d’un projet à l’autre. Examinez la filtration de l’air d’admission, l’acheminement des gaz d’échappement, la maîtrise du bruit, la ventilation, le refroidissement, les fondations, la protection contre les incendies et l’accès nécessaire au retrait des équipements. Même un groupe de production compact peut nécessiter d’importantes infrastructures autour de lui. Pour les projets de récupération de chaleur, l’emplacement des utilisateurs de vapeur et des chaudières existantes peut avoir une incidence importante sur le coût des tuyauteries et les pertes thermiques.

Effectuez la comparaison sur la même base de fonctionnement

Avant de demander des offres définitives, préparez un ensemble commun d’hypothèses : profils de charge électrique et thermique, conditions ambiantes, caractéristiques et pression du combustible, heures de fonctionnement, interface avec le réseau, limites d’émissions et disponibilité requise. Demandez à chaque fournisseur de préciser ce qui est inclus et d’indiquer les conditions auxquelles ses garanties s’appliquent.

Établissez la comparaison sur le cycle de vie en tenant compte de l’électricité nette fournie, du combustible consommé, de la chaleur effectivement utilisée, de la maintenance courante, des interventions majeures, des équipements auxiliaires et des temps d’arrêt prévus. Incluez les besoins résiduels en électricité du réseau ou en chaudières lorsque l’unité proposée ne peut pas couvrir la totalité de la demande.

Si le site a des besoins soutenus en électricité et en chaleur à haute température, étudiez sérieusement une configuration de cogénération fondée sur une turbine. Si la demande varie considérablement, si les besoins en chaleur sont limités ou si le maintien d’une capacité partielle pendant la maintenance présente une grande valeur, comparez attentivement une installation modulaire à moteurs. Le choix à privilégier est celui qui répond aux exigences opérationnelles du site au coût crédible le plus bas sur l’ensemble du cycle de vie, et non celui qui affiche les meilleures spécifications prises isolément.