Caterpillar propose une « production distribuée » pour une énergie garantie

Entrée du centre de démonstration et d'apprentissage Caterpillar de Malaga (Photo : toutes les photos sont fournies par Caterpillar)

En 1971, lorsque Caterpillar a ouvert son Centre de démonstration et d'apprentissage de Malaga (MDLC) sur les collines surplombant la Costa del Sol espagnole, il n'y avait rien d'autre à proximité. Depuis, le site a été progressivement entouré d'une série de centres commerciaux et de parcs industriels.

Cela n'a pas empêché le constructeur mondial de machines et d'énergie d'agrandir son site. En 2024, le site de 105 hectares a accueilli plus de 330 événements auxquels ont participé environ 7 000 visiteurs, parmi lesquels des employés, des concessionnaires, des clients et, parfois, des journalistes.

Zone de démonstration d'équipements au MDLC de Caterpillar

Outre les salles de réunion, le MDLC compte en permanence une soixantaine de machines. On y trouve également un compartiment moteur de grande capacité et le laboratoire d'analyse d'huile SOS, qui effectue des analyses d'huile, de liquide de refroidissement et de carburant dans un délai de 24 heures.

Instabilité du réseau

Le segment d'activité Electric Power fait partie de la division Énergie et Transport de Caterpillar. Avec des produits commercialisés par Cat, FG Wilson et MWM, Electric Power propose des solutions utilisées dans divers secteurs, notamment l'exploitation minière et la construction, l'agriculture, la santé et les centres de données, tout en contribuant aux opérations de secours en cas de catastrophe dans le monde entier.

Décrivant le travail effectué par le segment Electric Power, Rich Osborne, vice-président et directeur général de Large Electric Power, a déclaré : « Nous vendons des solutions, pas seulement des groupes électrogènes. »

Cela dit, ces solutions ont considérablement évolué avec l'évolution du paysage énergétique ces dernières années. Face à l'insuffisance des investissements dans les réseaux nationaux à travers le monde, aggravée par l'ajout de nouveaux points de charge, l'instabilité des réseaux s'est accrue de manière générale ; la panne d'électricité survenue en avril dernier dans toute la péninsule ibérique, plongeant l'Espagne et le Portugal dans le noir pendant plus de 24 heures, en est un parfait exemple.

Il a été rapporté qu'environ 56 % de l'énergie fournie via le réseau en Espagne provient d'énergies renouvelables générées par des installations éoliennes et solaires ; le pays vise à ce que 81 % de toute l'électricité livrée provienne de sources renouvelables d'ici 2030.

Mais malgré la prolifération des parcs éoliens et solaires à travers le pays, la capacité de stockage n'a pas suivi le rythme. Et sans un stockage suffisant pour équilibrer le réseau électrique, la demande risque toujours de dépasser l'offre. C'est un casse-tête permanent pour les industries qui doivent disposer d'une source d'énergie constante et fiable.

Nouveaux groupes électrogènes

Face à cette instabilité, Caterpillar a identifié ce que Brian George, vice-président de l'ingénierie et de la gestion des produits chez Large Electric Power, a appelé une « opportunité de soutien au réseau électrique ». Concrètement, cela se traduit par une production d'électricité à grande échelle grâce à la localisation des équipements de production à proximité immédiate du centre de charge, autrement dit une production décentralisée.

Caterpillar est bien placé pour soutenir ce modèle, l'entreprise disposant d'une « offre intégrée » qui s'étend de la conception du système jusqu'aux éléments de production d'énergie, de stockage, de contrôle et d'appareillage de commutation pour créer des micro-réseaux simples, multiples et complets.

Ce scénario est centré sur les nouveaux groupes électrogènes gaz naturel/biogaz de la série G3500K, disponibles en configurations 50 et 60 Hz. Destinés aux applications de 1,5 à 2,5 eMW, ces groupes atteignent leur pleine charge en 40 % de temps en moins que leurs prédécesseurs. Le modèle à combustible gazeux réduit à la fois les émissions et les coûts ; Caterpillar estime que des économies de carburant de 350 000 € pourraient être réalisées sur 10 ans.

Groupe électrogène au gaz naturel Cat G3520K 20 cylindres

La série G3500K offre de nombreuses améliorations par rapport à la précédente G3500H. Tout d'abord, le tout nouveau bloc moteur améliore les performances et la sobriété. Elle est également dotée d'un nouveau turbo avec soupape de décharge intégrée pour optimiser la pression interne, tandis qu'un nouvel échangeur thermique plus grand permet de mieux réguler la température de l'air moteur et d'optimiser le rendement et la puissance.

Grâce à un système de post-traitement des émissions amélioré et au système optionnel de cogénération (CH&P) qui capte et réutilise l'énergie autrement perdue sous forme de chaleur, le groupe électrogène optimise le rendement de chaque mètre cube de carburant. Selon Caterpillar, le nouveau modèle atteint un rendement électrique global allant jusqu'à 46,5 % (les modèles CH&P peuvent atteindre 89,6 %).

« Jusqu'à présent, de nombreuses solutions ont été utilisées comme alimentation de secours pour les centres de données », a déclaré George. « Mais le raccordement d'un nouveau centre de données au réseau peut prendre plusieurs années. Nous étudions donc désormais des solutions qui constituent une passerelle vers le réseau. »

Puissance avec contrôle

La production décentralisée consiste essentiellement à produire localement de l'électricité pour une application locale spécifique, qu'il s'agisse d'un centre de données, d'un hôpital ou d'autres infrastructures critiques, ou encore de la construction, de l'exploitation minière ou de l'agriculture. L'électricité produite peut se substituer à l'alimentation du réseau, la soutenir si nécessaire ou, comme mentionné précédemment, servir de « pont » pour l'acheminer jusqu'à la connexion au réseau.

Il existe également d'autres avantages. Par exemple, la production décentralisée peut remplacer l'électricité du réseau lorsque les prix augmentent en raison d'une forte demande, un processus appelé écrêtement des pointes. Cela permet de déterminer le prix client par kilowattheure, généralement calculé en fonction du prix de pointe. Éviter les pointes de pointe grâce à la production décentralisée sur site peut alors contribuer à réduire les factures d'électricité.

Alors que les groupes électrogènes sont généralement destinés à fournir une alimentation principale ou de secours, la production décentralisée peut prendre l'une ou l'autre de ces formes. Alors qu'un groupe électrogène de secours ne serait mis en service qu'en cas de panne de courant d'urgence, comme celle qui a frappé l'Espagne et le Portugal, et ne serait éventuellement démarré qu'à des fins de validation/test, Caterpillar estime qu'un réseau décentralisé se situerait probablement entre les deux, atteignant potentiellement 3 000 démarrages/arrêts par an et environ 1 000 heures de fonctionnement.

De toute évidence, un tel réseau nécessitera un système de contrôle avancé pour gérer la disponibilité en fonction de la consommation et de divers autres facteurs. À cette fin, Cat a récemment dévoilé sa gamme de contrôleurs ECS, permettant d'analyser et de gérer la production et la distribution d'électricité d'une installation de production décentralisée évolutive.

Cat ECS 200

La gamme débute avec l'ECS 100, un système de secours conçu pour les petites installations comptant entre un et trois groupes électrogènes. Pour les systèmes de cogénération, l'équilibrage de puissance et l'alignement avec les normes du réseau, l'ECS 200 est un contrôleur mono-équipement permettant la mise en parallèle de jusqu'à 32 groupes électrogènes. Pour les applications plus complexes, notamment la commande de disjoncteurs, Cat propose l'ECS 300. Enfin, pour la supervision complète d'un micro-réseau couvrant plus de cinq équipements, l'ECS 400 est disponible.

Pour en savoir plus sur le fonctionnement des contrôleurs, Vic Williams, directeur commercial chez Caterpillar, a expliqué comment le système actuellement en place sur le terrain d'essai Cat de Tucson, aux États-Unis, a été modernisé afin de réduire les coûts de carburant et les émissions. Grâce à des panneaux photovoltaïques supplémentaires et à un système de stockage d'énergie, le tout géré par un ECS 400, le système a permis de réduire la consommation de carburant de 33 % et les coûts de maintenance de 25 % (chiffres 2023).

Il est important de noter qu'il n'est pas absolument nécessaire d'installer un système Caterpillar complet de A à Z, la modernisation et la modernisation étant un élément clé de la relation client. Comme l'a déclaré Williams, interrogé sur la rétrocompatibilité avec le matériel et les systèmes existants : « Un processus d'investigation est en cours pour déterminer si [les systèmes Cat] peuvent fonctionner avec un système existant d'une autre entreprise. »

Stockage d'énergie

Comme indiqué précédemment, l'Espagne n'a pas réussi à associer les investissements dans la production d'énergie renouvelable aux capacités de stockage correspondantes. Bien que cela ne soit probablement pas la cause principale de la panne régionale d'avril, un manque de stockage pourrait empêcher le maintien des niveaux de tension nécessaires sur le réseau.

Solution d'alimentation hybride Cat pour les infrastructures de télécommunications

Bien qu'à une échelle beaucoup plus réduite, le stockage d'énergie est tout aussi important pour un micro-réseau. Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) peut servir à diverses fins, notamment le stockage d'énergie renouvelable en cas de besoin, ou l'alimentation du micro-réseau en cas de pointe de consommation. De plus, ces unités peuvent fonctionner de manière quasi silencieuse, tout en rechargeant les machines électriques à batterie.

Cat propose une série d'options BESS, allant des modèles compacts tels que l'ETS (pour les applications de télécommunications, y compris les tours de téléphonie mobile) et les unités mobiles XES, jusqu'aux modèles ECE (Energy Capacity Expansion) et ETS (Energy Time Shift) de taille moyenne, et les unités de conteneur PGS (Power Grid Stabilization).

Chacun de ces systèmes protège contre une série de problèmes d'alimentation potentiels, tels que les pannes de système, les creux et les surtensions de tension et les sur/sous-fréquences. Utilisés en configuration hybride avec un ou plusieurs groupes électrogènes, les systèmes BESS peuvent réduire la consommation de carburant ou fournir la réserve de puissance nécessaire pour atténuer les chutes de tension et de fréquence transitoires associées aux charges électriques importantes. Cela peut contribuer à réduire les factures d'électricité et les coûts d'exploitation sans compromettre la résilience du système.

Ces unités BESS jouent un rôle essentiel dans la fourniture de solutions de transition, que ce soit pour des besoins énergétiques temporaires ou pour des installations semi-permanentes. Pour expliquer les solutions BESS proposées par Cat, Michele Trebbi, ingénieur en systèmes d'énergie électrique, a déclaré : « Nous ne considérons pas le réseau comme un ennemi, mais comme un partenaire. Nous proposons des solutions de transition pour que le réseau puisse continuer à fournir de l'électricité aux clients existants. »

Système de stockage d'énergie compact Cat XES60

Les unités BESS, dont plusieurs peuvent être interconnectées pour accroître la capacité énergétique, offrent un avantage opérationnel supplémentaire. L'énergie électrique stockée, lorsqu'elle n'est pas utilisée par le micro-réseau, peut être utilisée pour transformer le biogaz en biométhane ou électrolyser l'eau en hydrogène. Ces combustibles peuvent ensuite être utilisés dans le groupe électrogène correspondant afin de contribuer à réduire encore davantage les émissions totales. Pour contribuer à la réduction de l'empreinte carbone globale, le nouveau groupe électrogène à gaz de la série G3500K peut être alimenté au biogaz ou au gaz naturel combiné à jusqu'à 25 % d'hydrogène.