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Groupe Électrogène
Un groupe électrogène est l’association d’une machine produisant de l’énergie mécanique et d’un alternateur. Une centrale de production électrique est en fait un « groupe électrogène couplé à une “chaudière” ».
Aussi, dans la pratique, a-t-on pris l’habitude de parler par exemple de centrale hydraulique, centrale nucléaire, centrale à charbon, … Mais aussi de groupe turbo-alternateur, groupe hydraulique, groupe à turbine à gaz.
On réserve l’appellation groupe électrogène à l’association moteur à combustion ou à explosion et alternateur (génératrice synchrone et plus rarement génératrice asynchrone ou continue), répondant à la Norme ISO 8528-1.
Pour qu’un groupe électrogène ou alternateurs fonctionnent, il faut une régulation de vitesse sur le moteur et une régulation de tension sur l’alternateur. De plus, ils doivent être munis d’un ensemble de capteurs et de sécurités. Enfin, ils sont équipés d’un système de gestion du démarrage et de l’arrêt qui peut être manuel ou automatique. (nous verrons de façon plus détaillé la technologie employée, lors d’un second article).
Autonomie
Un groupe électrogène doit normalement être autonome. Il faut donc une source d’énergie de démarrage qui peut être mécanique, pneumatique ou électrique. Le moteur fournit la puissance active, exprimée en KW, équivalente à ce qui est facturé par les sociétés de production et distribution d’énergie électrique. Il doit pouvoir faire face aux pointes de consommation (démarrage de gros équipements en particulier) alors que sa capacité de surcharge est très limitée. La capacité de surcharge est nulle pour un groupe dit « de secours » (en Mode ESP : production énergie secours) selon la norme ISO 8528 et généralement de 10% pour les autres (Mode PRP : production régime permanent).
Il faut donc s’assurer que la charge maxi déterminée par le constructeur du groupe ne sera jamais dépassée. Cette charge est différente selon qu’il s’agit d’un groupe de production continue, ou non, à charge constante ou variable, de secours.
Il ne faut jamais se baser sur la puissance du moteur lui-même (exprimée en KW) : outre le rendement calculée sur la transmission, cette puissance est déterminée au régime maxi du moteur et non pas au régime de rotation du groupe, imposé par la fréquence et le nombre de pôles de l’alternateur (3000, 1500, voire 1000trmn). Un moteur d’engin défini pour 2200 tr/min délivre 30 à 40% de moins à 1500 tr.
L’alternateur transforme cette puissance mécanique en puissance active et y « ajoute » la puissance réactive nécessaire. Il s’agit d’un « modèle mathématique » (méthode de Boucherot) très pratique à utiliser. Mais en fait, il suffit que la régulation ajuste la tension à la bonne valeur pour que la quantité nécessaire de réactif soit générée.
Il y a donc deux équilibres fondamentaux
La fréquence, pour laquelle la régulation du moteur ajuste en permanence l’injection pour que la puissance absorbée soit égale à la puissance générée. Si l’on produit trop la fréquence augmente et inversement.
La tension, pour laquelle la régulation de l’alternateur ajuste en permanence l’excitation pour que la puissance réactive absorbée soit égale à la puissance réactive générée. Si l’on produit trop la tension monte et inversement.
A noter : cette régulation est bien plus complexe si l’on a une génératrice asynchrone (dépourvue de régulation).
La grandeur caractéristique de l’alternateur est le courant. Dans la limite de ce que peut supporter l’excitatrice, entre le mini et le maxi d’induction, les possibilités de surcharge sont bien plus élevées que celles du moteur… Les machines munies d’un correcteur de court-circuit peuvent fournir couramment 3In. Elles peuvent aller jusqu’à 4In pour les plus performantes, pendant quelques secondes.
Ce paramètre est très important pour assurer le déclenchement des protections disjoncteurs. Elles se situent en aval ainsi que le démarrage de moteurs asynchrones.
Si la puissance active est insuffisante, le groupe rampe (sous-fréquence) ou cale. En revanche, si la puissance apparente dépasse la puissance assignée de l’alternateur, l’alternateur est en surcharge. Alors, La protection se déclenche afin de protéger ses enroulements. Dans le cas où cette insuffisance est très importante, comme quand on démarre un gros moteur, la tension s’effondre et peut même passer à zéro sur de petits groupes.
Utilisation
Comme nous l’avons vu précédemment, il existe différentes catégories de personnes susceptibles d’utiliser des groupes électrogènes. Selon qu’il s’agit de besoins particuliers ou professionnels. Sur le plan professionnel, les utilisations sont également diverses selon les besoins et les circonstances. Par exemple, un hôpital se doit d’avoir un groupe électrogène de secours en remplacement de la source principale. Il doit être d’une puissance importante au regard des consommations énergétiques constatées dans ce type de milieu.
Pour certains industriels, le choix peut s’orienter vers un groupe électrogène de secours ou un groupe électrogène de type EJP. Cela permet d’écrêter les consommations en période creuse.
Mode de production
Mode de Production de pointe
Le groupe électrogène est utilisé pour couvrir les besoins en pointes du réseau électrique public.
En présence du réseau normal EDF, le groupe électrogène se trouve en mode « repos ou stand by ». Il n’entre en activité que pour compenser les pointes de consommation électrique. C’est un mode de fonctionnement EJP.
Mode de Production d’énergie électrique autonome
Le groupe électrogène sert à la production énergétique, alimentant un réseau de distribution. Ce type d’installation trouve son application sur des sites où le réseau de distribution public est inexistant, et techniquement ou économiquement impossible à mettre en place, tel qu’en montagne, ou encore sur une île. La durée de fonctionnement annuelle de ces groupes électrogènes est souvent très élevée.
Mode de Production de secours
Les groupes électrogènes de secours sont destinés à alimenter un établissement en courant électrique en cas d’absence ou de défaillance du réseau public. Ces groupes électrogènes se mettent automatiquement en route dès qu’il détecte une absence réseau. Ce type de groupes électrogènes est mis en place dans des bâtiments où les absences secteur induisent une mise en danger de vies humaines (hôpitaux ou EHPAD) ou encore dans le cas de pertes de productivité (banques ou Centres de données type Datacenters).
Mode de Production de secours inversé
Pour des sites où la production d’électricité constante est critique, comme le site de lancement de la navette Ariane Espace ou l’éclairage d’un stade de Football, un groupe électrogène est chargé de la production d’énergie principale. Si celui-ci venait à avoir une défaillance technique, le relai est assuré par le réseau public.
Le groupe électrogène est essentiel au fonctionnement de nombreuses entreprises et administrations. Son dysfonctionnement est synonyme de perte de productivité et d’argent. Il peut être extrêmement dangereux dans les cas où il est utilisé en tant que générateur de secours.
Au niveau technologique, plusieurs éléments sont à considérer en fonction du type d’utilisation et surtout de la puissance à produire. Comme explicité auparavant la majorité des applications « domestiques » sont remplies par des groupes électrogènes de puissance généralement inférieure à 10Kva de conception simple fonctionnant principalement avec de l’essence et plus rarement avec du gasoil (moteur thermique diesel dans ce cas).
Pour ce qui est des applications industrielles, le choix est beaucoup plus vaste de façon à répondre au plus grand nombre y compris à des applications spécifiques telle que la cogénération (récupération de la chaleur pour des besoins agricoles ou industriels).
Les groupes électrogènes de type industriels sont de diverses natures, montés sur châssis monobloc, avec ou sans capotage de protection en cas d’installation extérieure, avec ou sans système de ventilation (simple radiateur air-eau couplé au moteur thermique ou avec des aéro-ventilateurs extérieurs voire déportés).
La majorité des groupes électrogènes de type industriel comportent les éléments ou systèmes suivants :
Ventilation
Lors de son fonctionnement, le groupe consomme du carburant et produit de l’énergie mécanique qui se traduit ensuite en énergie électrique par l’alternateur ou la génératrice. Les groupes électrogènes actuels ont un rendement souvent bien inférieur à 50% par rapport à la valeur calorifique du carburant. C’est-à-dire que lors de sa combustion, la moitié du carburant se convertit en énergie électrique tandis que l’autre se convertit en chaleur.
Lors de sa transformation, le carburant réchauffe le groupe. Cette augmentation en température peut entrainer une :
surconsommation de carburant par le groupe,
baisse de son rendement,
casse du moteur.
La ventilation d’un groupe électrogène est donc nécessaire, afin d’éviter la surchauffe du moteur pouvant entrainer certaines dégradations. Dans le cas où un groupe électrogène de forte puissance se place dans un local à l’espace réduit, le radiateur se déporte éventuellement à l’extérieur.
Préchauffage
Les groupes électrogènes délivrant une forte puissance sont également plus imposants. Ils nécessitent un maintien permanent de leur température afin d’optimiser leur démarrage. A l’identique d’un moteur de camion ou de véhicule, qui est froid voire même très froid en hiver, on constate qu’il est toujours difficile de le démarrer.
Afin de pouvoir démarrer le moteur à chaud, un circuit de préchauffage doit maintenir la température du moteur, depuis son extinction jusqu’à son redémarrage.
Ainsi pour des groupes situés en extérieurs, ou dont les locaux possèdent une ouverture d’air frais, le préchauffage peut être extrêmement couteux en énergie, car la chaleur émise se dissipe à l’extérieur.
Afin d’éviter toute dispersion de la chaleur émise par le réchauffeur à l’extérieur du local, dans une optique d’économie d’énergie, les registres d’isolement disposés en entrée d’air frais et sortie d’air chaud se ferment lors de l’extinction du groupe électrogène, puis piloté à l’ouverture au démarrage de ce dernier.
Cette disposition permet également de conserver la chaleur du local, réduisant les coûts relatifs au maintien de la température du moteur lorsqu’il est à l’arrêt.
Lorsqu’il s’agit de groupe électrogène du type capoté, il est parfois nécessaire de mettre un circulateur d’eau lorsque le moteur thermique est à l’arrêt. Le principe est que la résistance électrique intégrée au carter moteur permet de réchauffer les fluides internes au moteur.
Le groupe électrogène étant à l’arrêt, il n’est pas possible de transposer cette chaleur à toutes les parties du bloc moteur, l’utilisation d’un circulateur permet d’uniformiser la chaleur à l’ensemble du
Il existe plusieurs types de groupe électrogène sur le segment des énergies dites de remplacement, selon que les besoins soient d’ordre domestique ou industriel.
Nous avons commencé à présenter la technologie employée au niveau de ces groupes électrogènes ; en particuliers pour les groupes dits industriels.
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