Nouvelles exigences en matière de système de refroidissement pour les générateurs hybrides HVO/biodiesel

Le passage d'un groupe électrogène au HVO, au biodiesel à base d'EMAG ou à un mélange des deux est souvent décrit comme une simple transition « instantanée ». Pour le système de carburant, cette description est largement exacte. Pour le système de refroidissement, ce n’est que partiellement vrai. Le fonctionnement des biocarburants introduit un ensemble spécifique de considérations thermiques, chimiques et de compatibilité des matériaux qui, si elles sont ignorées, peuvent réduire la durée de vie du radiateur, compromettre les performances du liquide de refroidissement et créer des événements de surchauffe inattendus au pire moment possible.

Comment le HVO et le biodiesel modifient le profil thermique du moteur

Le HVO (Huile Végétale Hydrotraitée) et le diesel conventionnel partagent une structure d'hydrocarbures très similaire. En termes pratiques, un générateur fonctionnant à 100 % de HVO produit une charge de rejet de chaleur comprise entre environ 2 et 3 % de sa référence diesel — une différence trop petite pour nécessiter un redimensionnement du radiateur dans la plupart des installations. La principale raison est la densité énergétique légèrement inférieure du HVO (environ 34,4 MJ/L contre 35,7 MJ/L pour le diesel), qui entraîne une augmentation marginale de la consommation de carburant par kWh généré, et donc une augmentation marginale de la chaleur totale rejetée vers le circuit de refroidissement.

Le biodiesel à base d’EMAG (Fatty Acid Methyl Ester) se comporte différemment. Sa structure moléculaire contenant de l'oxygène modifie les caractéristiques de combustion d'une manière qui importe aux ingénieurs des systèmes de refroidissement :

• Températures de combustion plus élevées à mi-charge : La teneur en oxygène des molécules FAME favorise une combustion plus complète, ce qui peut augmenter les températures maximales dans le cylindre et déplacer une plus grande proportion de chaleur vers le circuit de refroidissement plutôt que vers le flux d'échappement.
• Augmentation de la consommation de carburant avec des mélanges d'EMAG élevés : Les mélanges B20 (20 % FAME) affichent généralement une augmentation de la consommation de carburant de 1 à 2 %. Le B100 peut afficher des augmentations de 8 à 12 %, directement proportionnelles à la charge supplémentaire de rejet de chaleur imposée au radiateur.
• Instabilité du rapport de mélange en fonctionnement hybride : Les groupes électrogènes fonctionnant avec des mélanges variables HVO/FAME – où le rapport de mélange change entre les livraisons de carburant – subiront une charge thermique fluctuante. Les radiateurs à capacité fixe dimensionnés pour le diesel peuvent fonctionner plus près de leur marge que ne le pensent les opérateurs.

La conclusion pratique : le fonctionnement uniquement HVO ne nécessite aucun redimensionnement du système de refroidissement. Les mélanges FAME supérieurs à B20, en particulier dans les applications de puissance principale fonctionnant à une charge élevée et soutenue, justifient un nouveau calcul formel du rejet de chaleur avant de s'engager dans le changement de combustible.

Compatibilité des liquides de refroidissement : ce qui change avec l'exploitation des biocarburants

Le liquide de refroidissement lui-même est l’aspect le plus souvent négligé dans une transition vers les biocarburants. La plupart des groupes électrogènes arrivent de l'usine remplis d'un liquide de refroidissement conventionnel à technologie d'additifs inorganiques (IAT), qui utilise des inhibiteurs de silicate et de phosphate pour protéger les surfaces métalliques. Ces inhibiteurs ont été formulés pour la chimie de la combustion du diesel et ils interagissent mal avec la contamination du biodiesel FAME.

Le biodiesel FAME est hygroscopique : il absorbe l’humidité de l’atmosphère pendant le stockage et le fonctionnement. Dans les moteurs avec un quelconque chemin de combustion vers le circuit de liquide de refroidissement, des traces de produits d'oxydation FAME - principalement des acides organiques à chaîne courte - peuvent pénétrer dans le liquide de refroidissement. Ces acides accélèrent l’épuisement des inhibiteurs de silicate, abaissant le pH du liquide de refroidissement et transformant un fluide protecteur en un fluide légèrement corrosif.

Pour tout groupe électrogène fonctionnant avec des mélanges FAME supérieurs à B10, mettez à niveau les spécifications du liquide de refroidissement vers OAT (Organic Acid Technology) ou HOAT (Hybrid OAT). avant de procéder au changement de carburant. Les liquides de refroidissement OAT utilisent des inhibiteurs de carboxylate qui sont chimiquement résistants à la contamination par les acides organiques, maintiennent un pH stable dans une plus large gamme de conditions et offrent une protection supérieure à long terme pour les surfaces des échangeurs de chaleur en aluminium. Ils prolongent également les intervalles d'entretien du cycle IAT typique de 2 ans à 4 à 5 ans, réduisant ainsi les frais de maintenance.

Pour un fonctionnement uniquement HVO, les spécifications existantes du liquide de refroidissement sont généralement adéquates, mais la transition est une bonne occasion de vérifier l'état du liquide de refroidissement (vérifier le pH, la concentration d'inhibiteur et le point de congélation) et de le remplacer si le liquide a plus de deux ans.

Sélection des matériaux de radiateur pour les environnements de biocarburants

Tous les matériaux des radiateurs ne réagissent pas de la même manière aux conditions de fonctionnement des biocarburants. La distinction est particulièrement importante lorsque le biodiesel FAME fait partie du mix énergétique.

Les noyaux de radiateurs traditionnels en cuivre et en laiton utilisent une soudure tendre (alliage étain-plomb) pour relier les tubes aux collecteurs. La combustion des EMAG produit de petites quantités d'acide formique et acétique comme sous-produits d'oxydation. Au cours de milliers d'heures de fonctionnement, ces composés, même à des concentrations infimes dans le liquide de refroidissement, peuvent attaquer les joints de soudure tendre, provoquant une dégradation progressive des joints et d'éventuelles fuites de liquide de refroidissement au niveau des joints entre le tube et le collecteur. Ce mode de défaillance est lent et passe souvent inaperçu jusqu'à ce qu'une fuite visible apparaisse.

La construction à noyau brasé entièrement en aluminium est le choix de matériau préféré pour les groupes électrogènes fonctionnant avec des carburants contenant des FAME. Les joints brasés en aluminium utilisent un alliage d'apport aluminium-silicium qui est chimiquement résistant à l'environnement acide organique associé au fonctionnement du biodiesel. Les noyaux en aluminium offrent également un meilleur rapport résistance/poids et une conductivité thermique supérieure par rapport aux conceptions en cuivre-laiton à volumes de noyau équivalents. Pour les installations prévoyant une stratégie de biocarburant à long terme, en précisant un radiateur de groupe électrogène tout en aluminium élimine dès le départ entièrement le risque de corrosion des soudures.

Pour les groupes électrogènes équipés de radiateurs hybrides aluminium-plastique existants – où un noyau en aluminium est combiné avec des réservoirs d’extrémité en polymère – la principale préoccupation se déplace vers le joint réservoir-noyau et les matériaux du joint torique. Les joints EPDM standard sont compatibles avec HVO et FAME. Toutefois, les joints en néoprène ou en caoutchouc nitrile peuvent gonfler et se ramollir lorsqu'ils sont exposés à des mélanges à haute teneur en FAME sur des périodes prolongées. Avant de vous engager dans des mélanges B20 ou supérieurs sur un radiateur aluminium-plastique, vérifiez les spécifications du matériau du joint auprès du fabricant du radiateur. Pour une description détaillée de la construction aluminium-plastique et de son comportement à la corrosion dans différents environnements de carburant, reportez-vous à notre guide de corrosion des radiateurs en aluminium-plastique .

Dimensionnement du rejet de chaleur : avez-vous besoin d’un radiateur plus grand ?

C'est la question que la plupart des opérateurs se posent en premier, et la réponse dépend entièrement du type de carburant, du rapport de mélange et du profil de charge d'exploitation.

Le seuil de redimensionnement ne concerne pas simplement la charge moyenne, mais également la charge de pointe soutenue. Un groupe électrogène fonctionnant à 70 % de charge moyenne avec des pics occasionnels jusqu'à la puissance nominale maximale peut fonctionner en toute sécurité sur le B20 avec son radiateur existant. La même unité dans un rôle de puissance principale continue à une charge de 85 à 100 % aura une marge thermique plus étroite, et le rejet de chaleur supplémentaire d'un mélange B20 pourrait pousser les températures du liquide de refroidissement dans la zone d'avertissement les jours ambiants chauds.

Pour les installations de production d'énergie principale prévoyant de fonctionner avec des mélanges FAME supérieurs à B20, un calcul thermique dédié utilisant les données de rejet de chaleur du fabricant du moteur selon les spécifications de carburant cibles est la seule méthode fiable. Construit sur mesure radiateurs principaux de générateur d'énergie sont conçus avec une profondeur de noyau plus élevée et une densité d'ailettes accrue pour gérer exactement ces charges élevées de rejet de chaleur en service continu.

Liste de contrôle d'adaptation pratique pour les groupes électrogènes existants

Avant la mise en service du premier réservoir de HVO ou de mélange de biodiesel, suivez les étapes suivantes pour confirmer que le système de refroidissement est prêt :

1. Identifiez le matériau du noyau de votre radiateur. Les noyaux en cuivre-laiton avec des joints de soudure tendre doivent être inspectés pour déceler la corrosion existante et envisagés pour leur remplacement si le groupe électrogène fonctionne avec des mélanges FAME supérieurs à B10 à long terme. Les noyaux brasés entièrement en aluminium ne nécessitent aucune modification.
2. Vérifiez les matériaux des joints et des joints. Vérifiez les joints du réservoir d'extrémité du radiateur et tous les raccords de durites de liquide de refroidissement. Remplacez tous les composants en néoprène ou en nitrile par des équivalents EPDM avant de passer aux carburants contenant des EMAG.
3. Mettez à niveau les spécifications du liquide de refroidissement si nécessaire. Vidangez et rincez le liquide de refroidissement existant si vous passez de l'IAT à l'OAT/HOAT. Ne vous contentez pas de faire l'appoint : le mélange de produits chimiques inhibiteurs peut provoquer la perte d'inhibiteur et la formation de boues.
4. Recalculez le rejet de chaleur si vous utilisez des mélanges B20 ou supérieurs. Utilisez les chiffres de rejet de chaleur de la fiche technique du moteur ajustés pour tenir compte de la densité énergétique plus faible du carburant et du taux de consommation de carburant plus élevé. Comparez le résultat avec la capacité de refroidissement nominale de votre radiateur à température ambiante maximale.
5. Surveillez de près pendant les 250 premières heures de fonctionnement. Après le changement de carburant, suivez la température du liquide de refroidissement à pleine charge, inspectez toute nouvelle infiltration au niveau des joints du radiateur et des raccords de durites, et revérifiez le pH du liquide de refroidissement au bout de 250 heures. Cette fenêtre de surveillance initiale détecte la majorité des problèmes de compatibilité avant qu'ils ne se transforment en défauts graves.