Groupe électrogène

Le rendement des groupes électrogènes croît avec leur puissance, mais reste limité au maximum que permet le cycle de Carnot, duquel doivent être soustraites les pertes mécaniques et électriques dans l'alternateur et la transmission. En particulier, les groupes de puissance modérée se caractérisent par un médiocre rendement et une consommation élevée.

Par exemple, pour un produit commercial qui délivre 5 500 W, mû par un moteur à essence de 9,55 kW qui consomme environ 2,5 L de carburant à l'heure lorsqu'il est utilisé à ²⁄₃ de sa puissance nominale (soit 3 600 W) : compte tenu des pertes thermiques inévitables dans les moteurs à combustion interne, il en résulte un rendement n'excédant pas 40 % (sources fiches constructeurs) du pouvoir calorifique du carburant.

Un groupe électrogène moderne est équipé de deux régulations. La tension de sortie est stabilisée (par exemple : 230 V) par un dispositif électronique qui agit sur l'alternateur. La vitesse de rotation du moteur et donc de l'alternateur doit aussi rester constante afin de garantir constantes la fréquence et la tension de sortie (50 Hz en Europe). Cette régulation se fait grâce à un dispositif centrifuge analogue au régulateur à boules de James Watt qui commande directement le carburateur ou la pompe d'injection. Un dispositif à induction fondé sur les courants de Foucault tel que celui qui équipe les anciens indicateurs de vitesse des automobiles ou un système électronique peuvent encore remplir cette fonction.

Depuis une dizaine d'années, il existe un type de groupe électrogène (dit inverter) qui fonctionne de manière particulière ; alors que les groupes électrogènes classiques utilisent directement les sorties d'un alternateur monophasé ou triphasé synchrone pour produire de l'énergie, cette technologie utilise un onduleur alimenté par un alternateur triphasé à excitation variable commandée par un régulateur électronique. Ce régulateur est programmé pour produire l'excitation nécessaire afin de délivrer la puissance requise pour alimenter l'onduleur. Le courant triphasé produit est redressé en courant continu puis transformé en courant alternatif par l'onduleur. Cette technique présente plusieurs avantages par rapport aux générateurs classiques :

• la fréquence et la tension du courant de sortie du groupe ne sont plus dépendantes du régime du moteur, ce qui lui permet de tourner à régime ralenti, si la puissance demandée est faible, ce qui réduit la consommation de carburant et le bruit ;
• si nécessaire, une batterie tampon fournit la puissance requise en cas d'augmentation brutale de la demande en électricité[alpha 1] ;
• la fréquence et la tension de sortie sont beaucoup plus précises (ajustée des milliers de fois par seconde par le microprocesseur, dans le cas d'une régulation numérique, de l'ordre de la seconde pour une régulation mécanique simple) ;
• diminution drastique du bruit d'opération, surtout lorsque la demande est faible ;
• fonctionnement sécuritaire pour les appareils électriques sensibles, tels que les ordinateurs, mais surtout les appareils médicaux et les instruments de précision ;
• sécurité temporaire en cas de problème mécanique du moteur laissant le temps de trouver une autre solution.

Il existe également des groupes électrogènes dits « temps zéro » (GTZ) ou groupes no-break. À la différence des groupes électrogènes classiques, ces groupes temps zéro ont un alternateur branché sur le réseau électrique, et en rotation permanente, qui alimente la charge alors que le moteur thermique (Diesel) est à l'arrêt lorsque le secteur est présent. En cas de creux de tension d'alimentation ou de coupure brève, le GTZ dispose d'une réserve d'énergie (batterie électrochimique ou accumulateur cinétique) qui permet de continuer à maintenir la rotation de l'alternateur (et donc de continuer à alimenter la charge). En cas de coupure plus longue, le moteur Diesel est démarré à vide (car l'alternateur est déjà en rotation), lorsqu'il atteint la vitesse nominale, un embrayage à roue libre ou électromagnétique se ferme et, en assurant le couplage du moteur thermique à l'alternateur, permet la reprise de charge tandis qu'un contacteur isole l'alternateur du réseau. Le fonctionnement est alors celui d'un groupe électrogène classique, à la différence que la réserve d'énergie dont dispose le GTZ (cinétique ou électrochimique) permet d'assurer une meilleure qualité d'alimentation puisqu'elle vient en renfort du moteur thermique en cas d'impact de charge, limitant ainsi les variations de fréquence.

Il existe deux principaux types de groupes temps zéro :

• les plus anciens, dont la conception remonte aux années 1970 et 1980, utilisent un accumulateur cinétique horizontal sur un arbre commun au moteur Diesel et à l'alternateur. L’accumulateur cinétique est relié via un embrayage au Diesel. En cas de coupure électrique, l'accumulateur cinétique est couplé inductivement par impulsion à l'axe de rotation et entraîne ainsi mécaniquement l'alternateur qu'il maintient à la bonne fréquence. Le transfert d’énergie est unidirectionnel et une diminution brutale de charge entraîne une accélération du Diesel. Ces systèmes n'offrent pas la possibilité d'utiliser des batteries comme réserve d'énergie et sont, du fait de l'autonomie limitée des accumulateurs cinétiques horizontaux, exposés à des démarrages Diesel « de précaution » à chaque défaut secteur (creux de tension ou coupure) de quelques dizaines de millisecondes ;
• les plus récents, dont la conception remonte à la fin des années 1990, sont appelés « GTZ hybrides ». Dans ce schéma, c'est l'alternateur qui est couplé via un embrayage roue-libre au Diesel. La réserve d'énergie qui peut être soit une batterie électrochimique, soit un accumulateur cinétique vertical, est en armoire. Elle maintient électriquement l'alternateur en rotation (et donc l'alimentation de la charge) en cas de coupure. Avec un accumulateur cinétique vertical l’autonomie est suffisante pour ne pas avoir à lancer le Diesel si le défaut ne dure que quelques secondes ce qui élimine les démarrages dus à des défauts transitoires et limite ainsi fortement la pollution due au Diesel. Avec batterie, le démarrage du Diesel peut être temporisé plusieurs minutes. Dans le cas des GTZ hybrides à accumulateur cinétique le flux d’énergie est bidirectionnel : l’accumulateur d’énergie vient en assistance au Diesel et lisse les impacts de charge, la fréquence reste constante même en cas de baisse de charge brutale.

Depuis 2020, les 56 réacteurs nucléaires opérationnels en France[alpha 2] sont équipés d'un groupe électrogène supplémentaire de dernier recours, dit Diesel d'ultime secours (DUS)[1], qui doit fournir 3,5 MW d'électricité en cas de défaillance des autres systèmes[alpha 3]. Cet équipement de près de 70 t fait partie du noyau dur des mesures post-Fukushima, lequel comprend également un centre bunkérisé abritant le centre de gestion de crise et un appoint ultime en eau[3] - [4], afin de garantir le refroidissement de chaque réacteur[5] - [6].

Ces Diesels d'ultime secours ont été achetés à Westinghouse[7]. Ils connaissent des problèmes de corrosion sur de la boulonnerie et du supportage et plusieurs ont connu des départs de feu (près d'une dizaine en un an et demi) malgré les actions de correction mises en œuvre qui n'ont pas permis d'éviter de nouveaux incidents en 2022[8] - [9].

• Alimentation sans interruption
• Alimentation électrique
• Alimentation de secours

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