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Les avantages des groupes électrogènes à vitesse variable

En raison de la nécessité économique, les exploitants de navires commerciaux se concentrent de plus en plus sur la recherche de solutions optimisées en termes de coûts pour exploiter leurs navires. À leur tour, les fournisseurs de solutions d'alimentation comme Rolls-Royce se sont engagés à trouver des moyens de fournir les bonnes technologies qui répondront aux exigences spécifiques d'un opérateur.

Ces dernières années, l'intérêt pour les unités à vitesse variable en tant que conducteur de certains navires commerciaux a gagné en intérêt. La technologie à vitesse variable permet de réguler et d'ajuster la vitesse d'un moteur en fonction de la charge électrique connectée, ce qui le rend plus économique à utiliser.

Par rapport aux unités traditionnelles à vitesse constante, les unités variables peuvent offrir plusieurs avantages, tels que jusqu'à 15% de réduction de la consommation de carburant, jusqu'à 20% d'augmentation du temps entre les révisions, des émissions sonores plus faibles et une densité de puissance accrue avec moins d'espace d'installation.

Les unités à vitesse variable sont particulièrement utiles dans les modes de fonctionnement avec un pourcentage élevé de faibles charges – comme lorsqu'un navire de ravitaillement offshore (OSV) est en phase d'attente.

Figure 1: Carte typique des moteurs diesel avec points de charge caractéristiques

La consommation de carburant
Les groupes électrogènes à vitesse constante communs sont conçus pour optimiser la consommation de carburant à des charges élevées supérieures à 75%. La consommation spécifique de carburant dépend de la charge par rapport au régime moteur. Pour clarifier, la fonctionnalité est comparable à une voiture avec des vitesses décalées manuellement. Pour optimiser la consommation de carburant, le conducteur a toujours l'intention d'utiliser un régime moteur bas (rapport le plus élevé possible), car un moteur plus lent économise du carburant pour la même charge.

Pour obtenir ces avantages, la fréquence est généralement ajustée en deux étapes via des convertisseurs. D'abord du courant alternatif (courant alternatif) au courant continu (courant continu) et dans un second temps, retour au courant alternatif via un onduleur. Le schéma unifilaire de la figure 3 montre un exemple.

En prenant l'exemple d'un navire ravitailleur à plate-forme éolienne qui a récemment fonctionné avec une unité à vitesse variable, nous pouvons donner un aperçu des avantages.

Sur un navire de ravitaillement de plate-forme typique, quatre unités d'une capacité d'environ 2 100 kW chacune sont utilisées pour alimenter le navire. Un agencement des unités avec leurs composants électriques est illustré à la figure 3.

Figure 2: Profil de charge

Les performances élevées que cet arrangement peut offrir sont nécessaires en raison des exigences de redondance et sont utiles en cas de mauvais temps – mais elles ne sont pas nécessaires pendant la majorité du temps d’exploitation d’un navire. La mise en place de cet agencement lors d'une utilisation typique pour les moteurs diesel entraîne des proportions élevées de phases de faible charge qui se traduisent par une utilisation moyenne du groupe électrogène de seulement environ 35%. Cela est dû au fait que le navire est en position d'attente pendant de longues périodes sur place et doit maintenir sa position.

La figure 1 illustre cela. La proportion de temps est représentée par la taille des cercles. Ces parts de charge sont expliquées plus en détail par la figure 2.

Pour voir les économies de carburant possibles avec une unité à vitesse variable, l'évaluation suivante montre les résultats du navire ravitailleur opérant en mer du Nord, propulsé par quatre moteurs MTU de type 16V 4000 M63L (vitesse variable) à partir desquels des charges <25 % étaient conduits environ 80% du temps.

Ces points de fonctionnement sont associés à une consommation spécifique élevée de carburant pour les unités à vitesse constante. C'est là que l'avantage décisif d'une unité à vitesse variable entre en jeu: à savoir l'économie de carburant. Dans le cas présent, cela représente environ 15%, ce qui équivaut à peu près à 280 000 dollars par an ou, pour une durée de 20 ans, une économie totale d’environ 4,5 millions de dollars.

La figure 4 illustre les pourcentages d'économies de consommation spécifique de carburant entre un moteur diesel à vitesse variable et un moteur diesel à vitesse constante.

Figure 3: Navire d'approvisionnement de plate-forme typique

Comparaison de la consommation de carburant entre un moteur à vitesse variable et un moteur à vitesse constante
L'aspect de l'économie de carburant est un élément essentiel du coût du cycle de vie (LCC) d'un tel navire, comme l'illustre la figure 5.

En plus du moteur diesel et du générateur, la conversion de la puissance électrique à travers divers composants électriques tels que les convertisseurs doit être prise en compte. L'examen d'un autre cas d'évaluation a montré que des gains d'efficacité allant jusqu'à 5% sont possibles avec le générateur à charge partielle.

TBO étendu
Un autre avantage des unités à vitesse variable est que la vitesse réduite permet d'allonger la maintenance / le temps entre les révisions (TBO) d'environ 20%, ce qui se traduit par une réduction des coûts. Cependant, il faut noter que cela contraste avec des coûts supplémentaires pour les composants électriques et un effort de programmation accru d'environ 15% pour les unités à vitesse variable.

Figure 4: Économies de carburant des moteurs diesel à vitesse variable par rapport aux moteurs diesel à vitesse constante

Fonctionnement plus silencieux
Un avantage supplémentaire d'une unité à vitesse variable qui est particulièrement notable est la réduction des émissions sonores. Cela joue un rôle important, notamment en termes de confort, car le personnel d'exploitation de ces navires est souvent exposé à des émissions sonores et vibratoires sur de très longues périodes.

Comparaison du bruit de surface (niveau de pression acoustique) à une puissance de 500 kW (environ 20% de charge):

  • MTU 16V 4000 M63L (vitesse variable) à 1135 tr / min ◊ env. 95 dB (A)
  • MTU 16V 4000 M43S (vitesse constante) à 1800 tr / min ◊ env. 101 dB (A)

À première vue, la différence de 6 dB ne semble pas très significative. Cependant, + 6 dB signifie deux fois la pression acoustique mesurée. Et si l'on considère que les humains perçoivent une augmentation de 6 à 10 dB comme étant presque deux fois plus forte, cette valeur montre de manière très impressionnante les avantages d'une unité à vitesse variable.

Figure 5: Répartition moyenne des coûts d'exploitation par rapport aux coûts d'investissement du moteur

La flexibilité
Dans l'ensemble, les exploitants de navires recherchent un système flexible doté d'une technologie de pointe qui leur donne les moyens d'opérer le plus efficacement possible. Avec ses groupes électrogènes MTU à vitesse variable, Rolls-Royce est capable de créer des courbes de conduite personnalisées selon les exigences spécifiques du client grâce à des tests de simulation.

Ce processus prend en compte différents facteurs pour chaque client, y compris les conditions d'exploitation extrêmes des navires, ainsi que les économies de carburant et les éventuels besoins de sécurité spécifiques.

La figure 6 montre la simulation de l'étape de charge d'un point de fonctionnement à faible charge défini (1) au point de fonctionnement (3). Une réserve de charge (marge de sécurité) de 250 kWe a été prise en compte, ce qui est une valeur typique pour les consommateurs de puissance élevée sur ces navires.

Le temps de montée en puissance de seulement 11 secondes au total démontre de manière impressionnante à quel point le groupe électrogène MTU série 4000 peut gérer les charges électriques de manière dynamique. Les valeurs ont été confirmées à la fois lors des tests de réception en usine et en fonctionnement réel.

Pour tous les navires avec une charge moyenne faible et un nombre élevé d'heures de fonctionnement, l'utilisation d'unités à vitesse variable peut être recommandée car très économique pour l'opérateur et bénéfique pour le personnel d'exploitation.

Figure 6: Courbe de fonctionnement typique pour une unité à vitesse variable
• 1 – 3 le long de la courbe de réserve de charge de 250 kWe en 11 s minimum
• 1 – 2 avec puissance de freinage constante 3 s
• 2 – 3 à 1800 tr / min le long d'une rampe de charge en 4 secondes minimum

Les auteurs
Joerg Habermaas et Jochen Thurner sont ingénieurs d'application pour la marine commerciale et l'offshore chez MTU.

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