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Les dispositifs de secours tiennent bon

Philippe Pélaprat

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Pour pallier une panne d'alimentation, le couple onduleur-groupe électrogène a fait ses preuves. Quelques innovations apparaissent encore.

Nombre d'entreprises se sont dotées d'un système de secours et de production d'énergie électrique qui, en cas de panne du réseau, se déclenche automatiquement selon un scénario programmé. Tout d'abord, l'alimentation sans interruption (ASI ou UPS pour Uninterruptible Power Supply en anglais) prend le relais instantanément pour éviter que les équipements sensibles - dont les équipements informatiques constituant le système d'information ou de pilotage de la production - ne soient arrêtés brutalement et occasionnent des pertes de données ou de produits. L'ASI ou onduleur est donc un dispositif géré électroniquement pour fournir temporairement un courant électrique en réserve, le temps de la mise en fonction automatique du groupe électrogène, typiquement un moteur thermique entraînant une génératrice.

Les batteries au plomb ont fait leurs preuves

La technologie des ASI évolue pour répondre aux exigences de rendement et d'optimisation des consommations électriques voulues par les clients. Mais elle s'appuie toujours majoritairement sur des solutions classiques, ce qui explique peut-être le grand nombre de constructeurs cohabitant sur ce marché. Ainsi, le stockage de l'électricité est le plus souvent réalisé avec des batteries au plomb. La solution est imbattable en termes de rapport performance/prix, mais elle impose une gestion fine du cycle de travail pour en assurer la longévité. Il existe toutefois deux autres solutions : la génératrice inertielle, qui assure une transition en souplesse lors du basculement vers le générateur à moteur thermique, et la pile à combustible, efficace, élégante, mais au coût élevé.

Depuis son rachat par Schneider Electric, APC dispose pour les fortes puissances de deux lignes de produits distinctes. Issue du catalogue MGE, la série Galaxy est nettement orientée vers l'industrie et répond aux besoins à partir de 500 kVA. C'est une solution assez traditionnelle qui nécessite une étude précise de calibrage puisqu'elle évolue par paliers importants.

Plus modulaire, la gamme InfraStruXure développée chez APC convient plutôt aux salles informatiques de gestion ou de pilotage de lignes de production. Les châssis des équipements sont conçus pour optimiser la circulation air chaud/air froid et pour croître en puissance par simple adjonction de tranches de redresseurs et de batteries sous forme de tiroirs.

Pour ses deux familles de produits, APC privilégie toujours les batteries au plomb, technologie que le constructeur considère comme de mieux en mieux maîtrisée en termes de cycle de charge et de vie. APC a bien engagé un partenariat avec le canadien Hydrogenix pour proposer son système InfraStruXure avec des piles à combustible de la gamme HyPM XR (modules de 4,5 à 12,5 kW), mais cette offre n'est pas mise en avant et son coût élevé la réserve à des applications particulières.

Génératrice inertielle ou accumulateurs

L'américain Emerson Power est aussi présent sur ce marché avec une large gamme commercialisée sous la marque Liebert, et des produits disponibles en technologie line interactive (inverseur/convertisseur) ou en double conversion. Il figure quand même au catalogue une référence utilisant une génératrice inertielle à la place des classiques accumulateurs. Ce n'est pas le cas pour l'italien Riello qui ne propose que des modèles alimentés par batterie. En revanche, le constructeur alsacien Socomec Sicon commercialise depuis juin 2006 ses onduleurs triphasés Delphys des séries MP et MX, dédiées à l'informatique et à l'industrie avec, en option, la génératrice inertielle VSS+DC de l'américain Pentadyne, en alternative aux armoires de batteries sous monitoring permanent.

La génératrice Pentadyne est constituée d'une roue à inertie enfermée dans une enceinte métallique sous vide. D'un seul tenant, l'ensemble arbre et rotor à volant d'inertie est maintenu en sustentation par des champs magnétiques et sa rotation dans un stator produit un courant continu pendant une durée suffisante au lancement d'un groupe électrogène. Au retour du courant, le volant d'inertie nécessite entre 20 secondes et 2 minutes pour reprendre sa vitesse de rotation nominale et pour reconstituer sa capacité d'intervention. Le système est peu contraignant en termes de maintenance et il est donné pour une durée de vie importante. Pentadyne et Socomec ont reconduit leur accord de distribution initial en juin 2008, pour une durée de cinq ans, la période probatoire s'étant soldée par une centaine de ventes de génératrices inertielles VSS DC en deux ans.

Le constructeur britannique Chloride continue de développer lui aussi des solutions ASI conçues sur des accumulateurs au plomb, mais il propose également des solutions alternatives pour répondre à des applications industrielles spécifiques. Pour ce faire, Chloride a signé des accords avec Vycon (constructeur américain de volants d'inertie) pour accompagner sa gamme d'ASI 80-Net et avec IdaTech (fabricant américain de piles à combustible) pour ses systèmes faible puissance.

L'ElectraGen 5 d'IdaTech fonctionne avec de l'hydrogène en bonbonne ou (grâce au module ElectraGen XTR) par électrolyse en phase vapeur d'un mélange méthanol/eau sur une membrane catalytique (proton exchange membrane ou PEM) au travers de laquelle s'effectuent l'extraction d'électron et la reformation d'hydrogène. L'ElectraGen est disponible dans une gamme de puissance allant de 3 à 5 kW. Selon Chloride, l'intégration de la technologie pile à combustible dans les systèmes ASI de faible puissance permet d'étendre à plusieurs jours les durées d'autonomie.

Une durée de vie de plus de vingt ans

Au lieu d'adjoindre à l'onduleur une armoire indépendante de stockage, l'allemand Piller intègre directement son propre générateur dans le châssis de ses ASI dynamiques Uniblock.

Appelé "accumulateur cinétique", le Powerbridge est un système vertical à basse vitesse de rotation qui emmagasine et restitue 16,5 mégawattseconde, ce qui permet de compenser une perte secteur variant de 12 secondes à 2 minutes selon la charge. L'utilisation d'un puissant électroaimant pour supprimer les frottements du volant permet d'atteindre un rendement de 99 %, selon Piller, qui assure à l'association Uniblock + Powerbridge une durée de vie de plus de vingt ans sans autre révision que le remplacement régulier des roulements, effectué sur site en quelques heures.

Piller propose également d'intégrer des moteurs thermiques dans ses ASI dynamiques sous l'appellation "groupe temps zéro" ou "no-break", toujours en association avec un système de stockage d'énergie court terme sur batteries ou accumulateur cinétique. Dans l'onduleur Uniblock UBTD diesel, un générateur électromécanique appelé Monobloc est disposé horizontalement et couplé à un moteur diesel via un embrayage. Lors d'une coupure, le rotor du Monobloc est d'abord maintenu à 50 Hz par l'énergie en réserve, puis, si la coupure se prolonge, le diesel est démarré et entraîne le rotor. Cette conception permet à la même machine d'assurer les deux fonctions d'onduleur et de groupe électrogène sous une forme intégrée et compacte. L'autrichien Hitzinger propose des groupes "temps zéro" associant moteur diesel et génératrice inertielle (référence NBDK) avec un éventail de puissances pouvant aller de 200 à 2 000 kVA. Le groupe électrogène est en effet le complément indispensable de l'onduleur dans tout système qui prétend remédier réellement à une interruption de fourniture d'énergie.

Dans ce domaine également, les règles de construction sont posées et la plupart des groupes sont constitués d'un moteur thermique qui actionne un alternateur. Taille et poids varient selon la puissance nécessaire à produire qui s'exprime en kVA. Ici, le moteur diesel règne en maître, mais il fait progressivement un peu de place aux carburants gazeux ou issus de l'agriculture, et s'ouvre également à la cogénération lorsqu'il s'agit d'une grosse installation. Dans le domaine du groupe électrogène, on trouve donc les principaux acteurs industriels essentiellement parmi les constructeurs ou les intégrateurs de moteurs diesels qui interviennent souvent sur des segments de produits connexes, comme par exemple les compresseurs d'air.

Solutions de secours totalement intégrées

Très connu pour ses engins de travaux publics, Caterpillar produit aussi des générateurs électriques ainsi qu'une gamme complète d'onduleurs industriels, intégrant, soit des génératrices inertielles (ASI de 1 200 kVA), soit des piles à combustible, ce qui lui permet de proposer des solutions de secours électriques totalement intégrées. Le catalogue des groupes électrogènes couvre de larges plages de puissances à partir de 250 kVA. Ils sont proposés avec une motorisation utilisant pour carburant du diesel ou du gaz méthane. Ainsi, lancé l'an dernier, le générateur G3520C est conçu pour fonctionner en indépendance complète du réseau électrique. Pilotée électroniquement en matière d'allumage ou de mélange air/gaz, cette machine est conçue sur la base d'un moteur diesel à pistons, mais elle brûle du méthane et affiche un rendement de 38,4 % ainsi qu'un dégagement mineur de NOx pour une production de 1 966 kW en 50 Hz à 1 500 tr/min. Comme le précédent, le modèle G3520E est un générateur à gaz méthane turbocompressé qui annonce un rendement de 43,5 % pour une production de 2 000 kWe à 1 500 tr/min.

Dans un autre registre de puissance, la famille de générateurs C175 tourne autour de moteurs diesels classiques, dont les alternateurs produisent du courant électrique dans une plage de 2 à 4 MW. Équipementier centré sur les applications industrielles, Atlas Copco reste dans le classique et dote ses compresseurs de la gamme Qas (de 14 à 325 kW) de diesels provenant de motoristes renommés comme Kubota, Perkins ou Volvo. Ces machines - aisément transportables - sont compactes et conçues pour fonctionner de façon optimale à des températures de 40 °C, avec un faible niveau sonore et d'émission de gaz d'échappement. Eles offrent une grande accessibilité aux organes et points de services.

Classé troisième mondial de la spécialité, le constructeur brestois SDMO, filiale du groupe américain Kohler, reste fidèle au diesel pour ses produits industriels qui couvrent une large plage de puissance jusqu'à 2,8 MW.

Le finlandais Wärtsilä, qui contrôle le motoriste industriel français SCMA, propose une palette de générateurs fonctionnant, soit au gaz, soit en bicombustible (gaz naturel ou gazole). Des unités de 4 à 17 MW permettent ainsi de constituer des petites centrales de production électrique d'une puissance maximale de 150 MW. Le constructeur scandinave propose aussi des moteurs thermiques adaptés aux biocarburants (de l'huile de palme au soja en passant par le tournesol), qui fonctionnent selon le principe de la cogénération (électricité + chaleur) ou de la trigénération (électricité + chaleur + froid). La combustion se fait sans appel à des additifs issus du pétrole afin de limiter la production de CO2. Wärtsilä annonce avoir déjà installé des centrales fonctionnant aux agrocarburants pour un total de 700 MW.

Les moteurs à gaz montent en puissance

General Electric est présent sur le marché de la production énergétique, en particulier avec les moteurs à gaz produits par sa filiale autrichienne Jenbasher, dont le produit emblématique est le groupe J624GS lancé en juin 2007. Cette puissante machine, dotée de 24 cylindres en V, s'alimente au gaz méthane issu de décharges d'ordures ménagères, de mines de charbon de la biomasse ou de rejets industriels. Elle affiche une production électrique de 4 MW.

Autre constructeur de moteurs à gaz, le groupe américain Dresser et sa gamme moyenne puissance Waukesha, distribuée en France par JP Fauché. Cette entreprise du Tarn-et-Garone est également le distributeur de groupes électrogènes, classiques ou spéciaux, au diesel ou au gaz (avec cogénération) développant jusqu'à 3 000 kW, qui sont conçus et assemblés par sa filiale langonnaise ElectroDiesel.

L'ESSENTIEL

- En matière de stockage, les batteries au plomb dominent largement, mais les génératrices inertielles apportent une grande souplesse - La pile à combustible fait ses premiers pas - Les groupes électrogènes découvrent d'autres sources d'énergie que le gazole

EN DÉVELOPPEMENTLE STOCKAGE PAR INDUCTANCE SUPRACONDUCTRICE

- Le stockage par inductance supraconductrice (ou SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage) repose sur un principe physique connu : l'énergie électrique est contenue dans un champ magnétique généré par un courant continu circulant dans un fil métallique bobiné. Mais ce fil doit être non résistant, c'est-à-dire supraconducteur pour que l'énergie électrique ne soit pas dissipée en chaleur. Un appareil de stockage par inductance supraconductrice comprend donc une bobine supraconductrice, un système de conditionnement électrique, un réfrigérateur cryogénique et un cryostat. Ce principe de stockage électrique présente l'avantage d'entraîner peu de perte (97 % d'efficacité). Il est utilisé notamment dans les unités de production réclamant un courant parfaitement stable et sans défaut. Le développement commercial de ce procédé est encore mineur, mais pourrait se développer avec la montée en puissance des dispositifs. Un système SMES actuel est capable de stocker 100 MW et les perspectives tablent sur 2 000 MW puisqu'en théorie une bobine de 150 ou de 500 m de rayon pourrait contenir de 5 000 à 1 000 MW, en fonction de la puissance crête désirée et du rapport diamètre/longueur de la bobine.

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