Article ENR810, 2eme Séminaire scientifique et technique, Énergies renouvelables, novembre 2012, Québec 1

Article ENR810 2eme Séminaire scientifique et technique

Énergies renouvelables Novembre 2012, Québec

ENR810-2012 / 12

Conversion de l’énergie électrique à partir des microturbines Hessini Mohamed Karim Edwin Andrés Sánchez Serna mohamed-karim.hessini.1@ens.etsmtl.ca edwin.andres-sanchez.serna.1@ens.etsm.ca Génie Électrique/Gr01 Génie Électrique/Gr01 Lamine Sabri lamine.sabri.1@ens.etsmtl.ca Génie Mécanique/Gr01

Abstract— Micro turbine generation is currently attracting lot of attention to meet users need in the distributed generation market due to the deregulation of electric power utilities; advancement in technology, environmental concerns. The objective of this paper is to present one of such generating system that is capable of acting as a backup generator. This paper presents, modeling and simulation of (MTG) system, and integration of this renewable (Biogas) source of energy in the grid. A brief description of the overall system is given and mathematical models for the microturbine and permanent magnet synchronous generator are presented. The developed models are simulated in MATLAB/Simulink®. Finally a prefeasibility study with Retscreen® ensures that the uses of biofuel could be very advantageous. Mots-clés— Système de génération avec microturbine (MTG), contrôle de température, contrôle de vitesse, système de combustion, générateur synchrone a aiment permanent (GSAP), système turbine-compresseur 1. INTRODUCTION

L’utilisation des Systèmes de génération à base de microturbines (MTG), dans les réseaux de distribution est très fréquentes à cause de leur couts, dimensions, haute efficacité (avec récupérateur), et aussi leur temps de réponse réduit par rapport aux turbines a gaz conventionnel.

Dans cet article est présenté la modélisation et la

simulation d’une MTG a un seul axe sans récupérateur de chaleur, sans cogénération .le système comprend un GSAP entrainé par une microturbine .une brève description du système et un modèle mathématique de la MTG, ainsi que les résultats de la simulation pour différents niveaux de charge sont présenté dans les prochains paragraphes.

Dans la dernière section de cet article on présentera une

étude comparative entre l’utilisation de deux différents types de combustible, les couts engendrent, les émissions de GES ainsi que la rentabilité de chaque projet.

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Il est basé sur le même principe que les turbines a gaz conventionnelles [1], mais avec des éléments mécaniques simplifiés, à cet égard, il y’a qu'une seule pièce mobile dans toute la machine. En régime permanent la vitesse de rotation peut varier entre 45000 et 96000 tr/min [2]. Le cycle de fonctionnement est basé sur un cycle Brayton ouvert (cycle de

turbine à gaz simple) pendant lequel l’énergie thermique résultante de la combustion d’un gaz ou d’un liquide est convertie en énergie mécanique qui produira un couple sur l'arbre de la microturbine qui entrainera à son tour le générateur électrique pour la production électrique. Élevée d'environ 300 °C, pour être utilisé dans un échangeur de chaleur pour être utilisé comme une source d'énergie

Figure 1: Schéma de principe de fonctionnement

Les systèmes de cogénération permettent d'obtenir des rendements énergétiques plus élevés que ceux obtenus à partir

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de la production séparée d'électricité et de chaleur, 80% de rendement de plus dans certains cas [2],ce type de MTG a un impact moindre sur l'environnement que les procédés classiques thermiques, à cause de la haute performance de ce processus, en particulier les installations de cogénération qui utilisent du biogaz comme carburant.

3. BIOGAZ

Le biogaz contient un pourcentage élevé de méthane, CH4 (50-70%), ce qui l'expose à la récupération d'énergie par combustion dans microturbines [3]. Le biogaz est le produit gazeux de la digestion anaérobie des composés organiques. En raison de sa haute teneur en méthane, il possède un pouvoir calorifique moindre (50% de moins) que celui du gaz naturel. Sa teneur en méthane est de 60 %, son pouvoir calorifique est

d'environ 5.500 kcal/m3 (6, 4 kWh/m

3).

Figure 2: Pouvoir calorifique du Biogaz

4. CONTRÔLES DES MICROTURBINES La modélisation des MTG n’est pas chose aisée à faire, en

effet il n’existe pas un modèle unique. Lors de cet article on a pris pour exemple une MTG Capston qui est asservie en vitesse par un contrôleur automatique (DPC) ce module gère l’échange de puissance, le démarrage ainsi que la protection. On a pris pour hypothèse qu’a une température donnée, le système était a volume et a pression constante, aussi les pertes de chaleur étaient négligeables et il n’y’avait pas de stockage d’énergie interne. La MTG commerciale moderne opère avec un cycle Brayton ouvert avec récupération de chaleur.

5. STRUCTURE MÉCANIQUE

La structure du contrôleur d’un micro turbine dépendra du fait que l’unité soit équiper d’une structure a un seul ou bien deux axes. Elles peuvent être classifiées selon le nombre d'axes, selon le cycle (sans ou bien avec récupération de chaleur), avec refroidissement entre les étages de compression ou bien avec réchauffage entre les étages de détente.

Sur les turbines sans récupérateur l’air comprime est mixer

avec le combustible (biogaz) le mélange est bruler dans des conditions de pression constante, le gaz chaud résultant va se détendre à travers la turbine ce qui va générer une énergie mécanique (mouvement rotationnel sur l’arbre qui relie le compresseur et la machine synchrone avec la turbine). Ces MTG possèdent un faible rendement, en revanche leur cout d’acquisition n’est pas élevé, par contre leur efficacité l’est, et

en plus une quantité de chaleur est disponible pour une cogénération.

Les unités possèdent des échangeurs de chaleur gaz de

combustion/air (récupérateur) permettent d’augmenter les rendements des MTG en transférant la chaleur des gaz d’échappement de la MTG a l’air comprimé entrant dans la chambre de combustion. Dans le but d’établir une approche rationnelle dans la conception d’un contrôleur, les principes suivants doivent être pris en considération.

En régime permanent la puissance thermique est

idéalement égale a la puissance électrique fournit par le générateur au réseau le contrôleur doit être conçu de façons a ce que la fréquence et la tension générée demeurent constantes égales a celle du réseau. Lors d’un changement de charge un asservissement en vitesse doit être appliquer sur le rotor de la MTG dans le but de soutenir la tension et la fréquence parce que les composantes d’une MTG sont relativement petites il n’a ya pas beaucoup d’énergie stockée dans les masses rotatives de la MTG (grande inertie) ce qui amènera un changement de vitesse rapide, le contrôleur de vitesse voit ce changement et régule le débit d’admission du combustible corrigeant ainsi la vitesse jusqu'à ce que la consigne de vitesse soit atteinte . Un temps de réponse court est préconisé afin d’éviter le décrochage du générateur à aimant permanent.

6. STRUCTURE ÉLECTRIQUE

Dans cet article on a axé notre étude sur une MTG munie d’un seul axe ou la turbine est directement couplé au compresseur et au moteur synchrone a aimant permanent l’avantage de cette disposition est que la vitesse peut atteindre les 96 000 tr/min, l’autre avantage est que la taille de la machine décroit proportionnellement avec l’augmentation de la vitesse. Dans la machine synchrone à aimants permanents le champ magnétique d’excitation du rotor est fourni par des aimants permanents comme le neodymium-iron-boron (NdBFe)ou le Samarium-cobalt magnets qui sont très utilisés pour des applications a grande vitesse [6],[7].l’absence de pertes joules augmente le rendement de la machine.

En fonctionnement alternateur, la vitesse de la machine

varie de 0 à 96 000 tr/min, génère une tension composée variant de 0 à 480 Volts avec une fréquence allant de 0 à 1600 Hz, lors du démarrage, la machine fonctionne en mode moteur.

Le Convertisseur de fréquence est constitué à base d'IGBT (Transistor bipolaire a gâchette isolée) le choix de ce type d’interrupteurs est dû au fait qu’ils possèdent des rendements élevés et commutent a des fréquences de commutations assez élevées, pour le contrôle des MTG il existe deux types :

Le convertisseur bidirectionnel est constitué de deux ponts

actifs afin d'assurer l'échange des flux d'énergie dans les deux sens avec le réseau. Le convertisseur côté machine est utilisé au démarrage en tant qu’onduleur afin d'accélérer la turbine pour qu'elle atteigne 50 000 tr/min, vitesse à laquelle la turbine commence à produire de l'énergie. Le convertisseur côté réseau fonctionne en mode redresseur et permet de

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soutirer au réseau la puissance nécessaire au démarrage et transmettre la puissance produite par la MTG, en phase avec la fréquence réseau, tout en maintenant la tension du bus DC constante. L’utilisation de ce convertisseur de puissance procure aussi d’autres avantages, comme l’élimination du réducteur de vitesse et du système de démarrage dont est munie la conception a deux axes.

Figure 3:Convertisseur de puissance

Les convertisseurs unidirectionnels requirent des composants standard, des diodes sont utilisée pour le redressement tandis que l’étage onduleur est compose d’IGBT, associe a un système auxiliaire de démarrage mécanique sur l’arbre dans le but d’amener la vitesse de la turbine à la vitesse optimale de fonctionnement, un certain nombre de turbines commercialise présentement intègre ce genre de convertisseur pour des raisons de couts et de simplicité. Pour ce qui a trait à la commande des convertisseurs, la modulation de largeur d’impulsion sinusoïdale MLI [5] est utilisée.

Le courant sinusoïdal à fréquence variable produit par la

machine synchrone à aimant permanent est redressé puis ondule en un courant sinusoïdal de même fréquence que celle du réseau un filtre LCL protège le réseau contre les interférences (harmoniques) dues aux hautes fréquences introduites par la commande de l'onduleur.

7. STRUCTURE & MODÉLISATION DU CONTROLEUR

Figure 4:Diagramme bloque de la MTG

Le concept de la MTG présenté dans cet article est base sur le modèle de Rowen [6] ,une MTG à un seul axe avec un contrôle de vitesse qui dépendra de la charge, le contrôle de température a pour fonction de limiter la puissance de sortie maximale, le contrôle sur l’accélération limitera la survitesse lors du démarrage, selon le cas seulement l’un de ces contrôleur a la fois qui va être prise en compte par le système de combustion (Figure 4), le fonctionnement de chacun de ces sous-contrôleur va être aborder plus en détail dans les prochaines sections.

7.1 Contrôle de vitesse

Dans cet article une fonction de transfert du type avance retarde [8], a été utilisée pour modéliser ce contrôleur.

Figure 5: Contrôleur de vitesse de la MTG

K représente le gain, tandis que Est des constantes de temps d’avance et de retard du régulateur une constante qui représente le mode de fonctionnement du régulateur (proportionnel ou pas-à-pas).

7.2 Contrôle sur l’accélération

Il est utilisé durant le démarrage dans le but de limiter l’accélération sur le rotor, si la vitesse d’opération est proche de la vitesse de consigne ce contrôle sera inhibé, ce qui est le cas dans cette étude.

7.3 Contrôle de température

Dans le but de limiter la puissance à la sortie de la MTG, la température des gaz d’échappement doit demeurer constante à une valeur prédéterminée, et cela malgré les perturbations extérieures (Température ambiante ,qualités du combustible..),la mesure est faite a l’aide de thermocouples, placé à la sortie de la Turbine.

Figure 6: Contrôleur de température

Les constantes sont associé à l’isolation et au thermocouple et sont des gains associés aux radiations, C’est une constante de temps associé au controleur.si la température mesure par le thermocouple dépasse la température de référence ,la différence sera négative et la sortie du contrôle de température diminuera jusqu'à devenir inférieur a la sortie du contrôleur de vitesse ,dans ce cas la turbine fonctionnera sous contrôle de température.

7.4 Système de combustion Il est constitue d’une vanne de positionnement et d’un

actionneur, l’écoulement du combustible se fait par inertie, les fonctions de transfert de la vanne et de l’actionneur sont donne par [6] [7]:

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Figure 7:Système de combustion

de la valve et de l’actionneur

de la valve et de

l’actionneur, Représente la consommation en combustible.

Quand a N : représente la vitesse de la turbine en pu et représente le gain, la valeur de est amplifié par le gain puis retarder, Représente la quantité minimale de combustible nécessaire pour un fonctionnement à vide à vitesse nominale.

7.4 Système turbine-compresseur

C’est le cœur de la MTG, son comportement peut être considéré comme linéaire. Représente le temps de réaction de la combustion, tandis que est une constante associer au volume de décharge du compresseur Représente le délai dû au transport du mélange de la chambre de combustion jusqu'à la Turbine, le diagramme bloque de l’ensemble compresseur turbine est représenté a la figure 8.

Figure 8: Système Turbine compresseur

L’entrée de ce sous-système est le signal de demande du combustible , les sorties du système sont la température

d’échappement ( ),ainsi que le couple turbine.

8. RÉSULTATS & SIMULATION

le modèle mathématique aborder dans les sections précédentes a été assemble dans Matlab/Simulink (SimPowerSystem).le diagramme bloc du système MTG simule est celui de la figure 1, les paramètres sont obtenus de [6][9][10] et ont été repris pour cette simulation .

Caractéristique de la MTG: 400 kW, 70000 rpm.

Paramètre du contrôleur de vitesse (Fig. 5):

K=25, T1=0.4, T2=1.0, Z=3. Paramètres du système de combustion (Fig. 7): Kv=1, Tv=0.05, c=1, K3=0.77, K6=0.23, Kf=1, T=0, Tf=0.04. Parameters Compressor-turbine (Fig. 8): TCR=0.01, TTD=0.04, TCD=0.2, KHHV=1.2. Paramètres du contrôleur de Température (Fig. 6): K4=0.8, K5=0.2, T3=15, T4=2.5, T5=3.3, Tt=450 0F, TR=950

0F. Les paramètres utilisés pour la simulation de la GSAP [6],

[11]. Rs=12.5m Ohms, Ld=Lq=165e-6 Henrys, Ψf =0.2388 wb,

P=4, J=0.011 kg m2

Figure 9:Puissance De sortie du système MTG

Figure 10: Consommation en combustible de la MTG

Figure 11: Variation du couple sur l’arbre & couple électrique généré

La vitesse de référence est maintenue constante à 1 pu, La réponse de la MTG est présentée dans la simulation suivante :

A t=0, le système opère a vidé, t=10 sec, une charge de 200

kW est connecte a la MTG, a t=15 sec le charge est augmente a

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400kW, sur la figure 10 on peut visualiser la puissance délivrer par le système a chaque changement de charge, tandis que sur la figure 11 on visualise la consommation en combustible.

En ce qui concerne la figure 12, elle présente le couple

appliquer (Tshaft) sur l’arbre par la microturbine qui entraine le GSAP et aussi le couple électromagnétique(Te) généré par le GSAP. On remarque que (Te) et(Tshaft) sont approximativement les mêmes en régime permanent, a vide (Te=0), a 200kW sa valeur augment a 0.5 pu, à pleine charge il est pratiquement a 1pu

Figure 12: Système Turbine compresseur

Figure 13: Système Turbine compresseur

Sur la Figure13 on remarque qu’à vide, la vitesse du rotor est de 1 pu, la tension aux bornes du stator de la machine synchrone atteint (1 pu=6000 Volt, tension max sur la figure 14), a t=15 sec on est à pleine charge et la vitesse du rotor diminue a 0.86 pu tandis que la tension aux bornes du stator est de 0.865 pu.

9. RESULTATS Retscreen®

9.1 Analyse sur une MTG avec une source de biogaz et gaz naturel:

L’utilisation du Logiciel Retscreen® va nous permettre d’analyser les données, afin de déterminer la faisabilité technique et financière pour l'installation d'un système a cogénération d’une puissance de 30 kW et un système de chauffage pour une surface de 10.000 m ^ 2.

Notre choix c’est porte sur une MTG Capstone C30 microturbine L / DG (enfouissement / digesteur), qui peut fonctionner avec quatre différents types de combustibles (le biogaz est utilisé pour ce projet, l'emplacement du projet est prévu dans la ville de Saint-Hyacinthe (QC), qui possède une usine de production de biogaz d'une capacité de production actuelle de 150 m3/heure dans trois unîtes différentes [13], le coût du projet était de 3 millions de dollars pour chaque unité [14].

On a déterminé le coût de l'investissement initial, puis on

les a chargés dans le Logiciel Retscreen®. Le coût de la MTG est estimé à $ 34,000 CAD (1.130 $ / kW) pour une MTG de 30 kW [15], 10 m3/heure de biogaz [16] sont nécessaire a la MTG pour satisfaire la demande en puissance qui est de 30kW, le prix pour 1 m3 de biogaz est de 0,6485 ¢/ m3 [17]. la comparaison sera faite avec un carburant non renouvelable « gaz naturel » à un prix de 3,34 $ CAD/m3 [18], et cela, sur le même projet. Avec ces données, on obtient les résultats suivants dans le logiciel.

Tabla 1:Comparation financière pour la MTG avec biogaz et gaz naturel.

Pour le projet avec biogaz, l'investissement initial est plus

élevé que celui avec le gaz naturel (1,88 fois), c'est parce qu'il est nécessaire de construire un digesteur pour la production du biogaz. Mais le projet avec biogaz a une viabilité financière de 35,4% comparativement à 19,9% du gaz naturel. D’âpres les figures 15 & 16 on remarque que le pay-back sur le projet gaz naturel est plus court que celui avec biogaz, en revanche les retombes économiques pour toutes la durée de vie du projet (25 ans) seront beaucoup plus importantes dans les projets avec Biogaz.

Figure 14 : Graphique des flux monétaires cumulatifs Pour MTG avec le biogaz

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Figure 15: Graphique des flux monétaires cumulatifs Pour MTG avec le gaz naturel

Tabla 2:Résultats environnement de la MTG avec biogaz et

gaz naturel

Il faut également noter que l'utilisation de la MTG avec le

biogaz comme combustible renouvelable, réduit les émissions de GES annuel de 455 tCO2/MWh, comparativement à 65 tCO2/MWh par le gaz naturel. L'analyse précédente nous permet de déterminer que l'utilisation du biogaz par rapport au gaz naturel contient beaucoup plus d'avantages économiques et environnementaux.

10. CONCLUSION Lors de cet article on a étudié la modélisation d’une

microturbine a un seul axe ,les résultats de la simulation on montrée que le modèle de la MTG développer a rencontrer les spécification demandes et cela pour différents niveaux de charge, on a aussi procédé a une étude comparative entre-deux combustible (Gaz naturel ou Biogaz),analyse de couts, ainsi que l’effet sur l’environnement (GES)de chacun d’eux,d’âpres les résultats obtenus on peut affirmer qu’avec l’utilisation du biogaz l’amortissement de l’ investissement initial est moins rapide qu’avec du gaz naturel certes ,mais en contrepartie les retombes économique serons plus importantes avec l’utilisation du biogaz comme combustible pendant la durée de vie du projet.

REMERCIEMENTS On tient à exprimer notre reconnaissance aux professeurs

Kamal Al Haddad, Halle Stéphane et Daniel Rousse pour leur soutien et précieux conseil toute au long de ce travail et aussi pour la qualité de l'enseignement qu'ils nous ont professé.

Nous voulons également à remercier Monsieur Auguste Ndtoungou pour son aide. RÉFÉRENCE [1] Stephanie L. Hamilton, “Microtubine generator

handbook”, 2003 Pennwell Corporation, Tulsa Oklahoma. [2] Meherwan P. Boyce, “Gas turbine engineering Handbook”,

Fourth edition, 2012, 225 Wyman Street, Waltham, MA 0251 USA.

[3] Instituto para la diversificación y ahorro de la energía , “Biomasa producción eléctrica y cogeneración”, C/ Madera, 8, E-28004-Madrid, octubre de 2007

[4] Anders Malmquist, Ola Aglen, Edgar Keller, Marco Suter and Jari Wickstrom., “Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power,” ABB Review, no. 3, pp. 22-30, Mar. 2000.

[5] B.K.Bose, " Power electonics and AC drives" Prentice Hall, New Jersey 1986.

[6] W. I. Rowen, “Simplified mathematical representations of heavy duty gas turbines”, Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, vol. 105, no. 4, pp. 865- 869, Oct, 1983.

[7] Francisco Jurado and Jose Ramon Saenz, “Adaptive control of a fuel cell-microturbine hybrid power plant,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18 no.2, pp. 342-347, June 2003.

[8] O. Fethi, L. A. Dessaint, and K. Al-Haddad, ‘Modeling and simulation of the electric Part of a grid connected micro turbine,’in Proc. IEEE PES general meeting, 2004, pp. 2212

[9] L. N. Hannet and Afzal Khan, “Combustion turbine dynamic model validation from tests,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 8, no. 1, pp. 152-158, Feb. 1993.

[10] L. M. Hajagos and G. R. Berube, “Utility experience with gas turbine testing and modeling,” in Proceedings, IEEE PES Winter Meeting, vol. 2, 2001, pp. 671-677 Jan. / Feb. 2001, Columbus, OH.

[11] Anders Malmquist, “Analysis of a gas turbine driven hybrid drive system for heavy vehicles,” Ph.D. dissertation, School of Electrical Engineering and Information Technology, KTH, Stockholm, Sweden, 1999.

[12] MATLAB/Simulink Documentation. Available: http://www.mathworks.com

[13] Project de génération du Biogaz à SAINT-HYACINTHE, Canada; Une réalisation de Bio-Méthatech http://www.bio-methatech.com/installations_fr.html

[14] Radio Canada, Saint-Hyacinthe, ville pionnière de la biométhanisation, http://blogues.radio-canada.ca/rive-sud/2012/03/12/st-hyacinthe-biomethanisation/

[15] Capstone 30 kW and 60 kW microturbine installations at landfills, http://www.intermountaincleanenergy.org/events/landfills/050811/presentations/pierce-capstone.pdf , August 11 2005.

[16] Capstone turbine corporation, http://www.capstoneturbine.com/_docs/datasheets/C30%20NatGas_331031E_lowres.pdf

[17] Ontario Power authority, http://fit.powerauthority.on.ca/quick-facts-table

[18] GazMetro, http://www.gazmetro.com/popup/prix-gaz.aspx?culture=fr-ca