Alimenter les grues à tour à moindre coût et avec moins de pollution

Le Dr Andrew Deakin présente son point de vue sur les différentes technologies et les défis d'une alimentation plus efficace des grues à tour. Photo : Joe Mather/KHL

L’étude de la manière dont les grues à tour sont alimentées révèle des nouvelles surprenantes, notamment en matière d’efficacité ou, dans la plupart des cas, d’un manque flagrant d’efficacité.

« Quelle est la manière la plus efficace d'alimenter les grues à tour ? » a demandé le Dr Andrew Deakin, directeur technique de Dumarey Green Power basé au Royaume-Uni, alors qu'il lançait la discussion lors de la conférence ITC 2025 sur les grues à tour à Rome, début juin.

Pour répondre à cette question, Deakin a interrogé des données réelles, notamment les émissions réelles de dioxyde de carbone (CO2) générées par l'alimentation des grues à tour. Il a étudié diverses solutions, outre les générateurs diesel classiques, notamment les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), la technologie du volant d'inertie et les carburants alternatifs. Les coûts financiers et autres, comme les émissions de dioxyde de carbone (CO2), ont été pris en compte.

Pour un exemple de données de cycle de service réel, Deakin a utilisé un site équipé de grues à tour à flèche relevable Terex CTL 1600, exploitées à Londres pour Select Plant. Dumarey a fait fonctionner un volant d'inertie sur l'une de ces grues pendant environ 18 mois et a enregistré les données. La grue fonctionne toute la journée et semble très sollicitée, explique Deakin. Il s'agit d'une grande grue à tour, capable de tirer 250 à 300 kilowatts. Elle est normalement alimentée par un réseau électrique de 400 kVA ou un générateur de 650 kVA.

En zoomant sur un graphique de consommation, on constate clairement qu'il y a de longues périodes, même si la grue semble très chargée, où elle consomme très peu d'énergie. Si l'on considère la puissance moyenne sur une journée entière, même pour une grue de 300 kilowatts, la moyenne est d'environ 11 kilowatts. « Nous n'avons pas besoin d'autant d'énergie pour faire fonctionner la grue. Cela représente environ 110 kilowattheures par jour », a déclaré Deakin.

Le générateur de 650 kVA fonctionne en moyenne à environ 2,1 % de sa puissance de pointe. Ces générateurs sont massivement surdimensionnés, mais ils doivent gérer les pics et les transitoires élevés.

Du point de vue des émissions, la première solution est d'alimenter la grue sur le réseau électrique. « Nous ne brûlons ainsi pas de diesel et cela devrait produire le moins de CO2. » La quantité de CO2 émise par le réseau dépend du pays où la grue est utilisée. En France, elle serait proche de zéro grâce à l'énergie nucléaire. Au Royaume-Uni, elle émet environ 124 grammes de CO2 par kilowattheure et la moyenne européenne est de 242. En Italie, elle est d'environ 376 grammes et en Pologne, de 662 grammes, en raison des centrales à charbon. Il est néanmoins préférable d'utiliser ce réseau relativement polluant plutôt qu'un groupe électrogène diesel.

« Cela signifie que si nous prenons une grande grue à tour avec une consommation électrique moyenne d'environ 10 kilowatts, cela représente entre zéro et six kilogrammes de CO2 par heure, produits lors de l'alimentation de cette grue, si elle est raccordée au réseau électrique. »

Les grues à tour nécessitent une alimentation électrique importante. Une petite grue a généralement besoin de 75 kVA, une grue moyenne de 150 kVA et une grande de 300 kVA. La CTL 1600, la plus performante, nécessite 400 kVA. Un site équipé de cinq de ces grandes grues peut nécessiter une alimentation réseau de 1 à 1,5 MVA, ce qui peut être indisponible. C'est pourquoi cinq gros générateurs diesel sont utilisés.

« Évidemment, cela entraînera des émissions relativement élevées. Nous devrions pouvoir faire mieux », suggère Deakin.

Dimensionner la puissance

Pour des grues de différentes tailles, la puissance moyenne requise est très faible : 2 à 3 kilowatts pour une petite grue ; 4 à 7 kW pour une grue moyenne ; et 8 à 12 kW pour une grande grue. Les charges de pointe, cependant, sont assez élevées par rapport à cela : 50, 100 et 200 kilowatts (SML). La puissance du générateur est environ deux fois et demie supérieure pour gérer les pics et les transitoires. Une charge moyenne, cependant, représente environ 2,5 % de la capacité de pointe du groupe électrogène. « Nous installons un générateur imposant pour fournir une puissance moyenne très faible. »

De grands générateurs sont utilisés pour gérer les charges transitoires. Le rendement du générateur, lorsque la grue est en fonctionnement et effectue un levage lourd, est probablement de l'ordre de 50 à 60 % de charge, et le générateur fonctionne à un rendement compris entre 35 et 40 % – un rendement typiquement indiqué pour un moteur diesel.

Si l'on considère la demande moyenne d'une grue à tour, notre charge est tombée à 2,5 %. Cela signifie que notre rendement est d'environ 5 à 10 %. C'est assez faible. La question est de savoir comment y remédier. Si nous devons utiliser des générateurs diesel, comment pouvons-nous améliorer ce rendement ?

Les moteurs diesel ont un rendement de 40 % à pleine puissance. L'énergie du carburant est perdue de multiples façons lors de la combustion et du fonctionnement du moteur. La pompe à eau, le turbo, l'alternateur, etc. consomment de l'énergie, et des pertes mécaniques sont observées tout au long du cycle. Une grande partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur, par les gaz d'échappement du moteur et dans le système de refroidissement.

Deakin explique le flux d'énergie dans un diagramme de Sankey pour le rendement d'un moteur diesel dans un groupe électrogène fonctionnant à 40 % de rendement. Photo : Joe Mather/KHL

Efficacité du moteur

Un générateur de 500 kVA fonctionnant avec un rendement optimal de 40 % (puissance au freinage au vilebrequin) produit environ 400 kilowatts. Il y a 50 kilowatts de pertes mécaniques, identiques quelle que soit la charge. S'ajoutent 600 kilowatts de chaleur gaspillée. « En gros, on brûle du carburant pour produire mille kilowatts, pour en extraire 400 kilowatts d'énergie utile. »

Appliquons cela à une grue à tour, où le moteur fonctionne à son rendement optimal mais à environ 2,5 % de sa charge moyenne. « Dans ce cas, nous obtenons environ 7 % de puissance utile, dont 93 % sont simplement transformés en chaleur. Revenons maintenant aux pertes mécaniques : elles représentent maintenant environ 38 % de l'énergie contenue dans le carburant, simplement en raison des frottements du moteur et de tous ces autres facteurs. »

La majeure partie de la puissance du vilebrequin est transformée en pertes mécaniques, avec un rendement global de 7 %. Revenons au générateur de 500 kVA : on obtient 10 kilowatts de travail utile et 50 kilowatts de pertes mécaniques. Là encore, c'est le même nombre, et 140 kilowatts sont rejetés par le moteur sous forme de chaleur résiduelle.

Si vous pensez que c'est mauvais, cela peut être encore pire avec les moteurs conformes à la norme européenne Stage 5. « J'ai vu sur des chantiers un générateur de 500 kVA équipé d'un banc de charge de 100 kilowatts, et beaucoup de générateurs sont également équipés de bancs de charge intégrés [permanents]. Nous avons donc maintenant 3 % de travail utile et le banc de charge en consomme 28 %. Notre rendement est tombé à 3 % et 97 % de l'énergie du carburant est transformée en chaleur résiduelle. En conclusion, avec la norme européenne Stage 5, nous pouvons réduire considérablement le rendement. »

Quels sont les coûts ?

Le volant d'inertie d'un système de stockage d'énergie Flybrid. Photo : Joe Mather/KHL

Un générateur de 500 kVA conforme à la norme européenne Phase III A alimentant une grande grue à tour consomme en moyenne 15 litres de diesel par heure, pendant 60 heures par semaine. Cela représente 45 000 litres de diesel par an, soit 67 500 € à 1,50 € le litre, et 120 tonnes de CO2. Un groupe électrogène équivalent conforme à la norme Phase 5 pourrait consommer 200 000 € de diesel.

Sur l'argent dépensé en carburant, seulement 4 500 € sont transformés en énergie pour faire fonctionner la grue. Le reste, soit la somme faramineuse de 63 000 €, est gaspillé en chaleur. « La question est donc de savoir comment réduire ces 63 000 € de gaspillage ? Avec un moteur diesel fonctionnant à 40 % de rendement, ce coût serait réduit à 13 500 € par an. »

À titre de référence, si la grue fonctionnait à l’électricité du secteur, cela représenterait environ 7 500 € par an pour le même travail.

Comment utiliser le diesel plus efficacement ? Un générateur de 500 kVA, consommant 15 litres de carburant par heure, nous fournit nos 10 kilowatts, avec un rendement de 5 à 10 %, comme mentionné précédemment. Si vous utilisez un dispositif transitoire – un système à volant d'inertie qui écrête les pics et favorise les transitoires – ou des supercondensateurs, le générateur doit gérer la charge maximale pendant environ 10 secondes, mais il lui faut également du temps pour atteindre cette charge maximale.

Nous pourrions remplacer le groupe électrogène de 500 kVA par un groupe de 200 kVA avec volant d'inertie. Cela réduirait notre consommation de carburant à environ sept litres par heure. Notre puissance au freinage est toujours de 10 kilowatts, mais nous avons poussé ce rendement à 15 %.

Si nous optons pour un dispositif à pleine puissance, par exemple un système de stockage d'énergie par batterie ou un très grand volant d'inertie, où le système se charge essentiellement à partir du générateur avec un rendement élevé, nous pourrions alors passer à un générateur et une batterie de 25 kVA, par exemple, qui consomment moins de trois litres de diesel par heure. La puissance au freinage reste de 10 kilowatts, mais le rendement est ramené à un niveau où le rendement moteur est maximal.

La technologie de batterie et de volant d’inertie peut réduire considérablement la quantité de carburant nécessaire pour alimenter la grue.

Big BESS et le réseau

Prenons maintenant un autre exemple : le site est alimenté en électricité par le réseau pour nos cinq grandes grues à tour. Si la puissance du réseau ne s'élevait qu'à 100 kVA, un ou deux systèmes de batteries suffiraient, mais cela dépendrait de plusieurs facteurs. « Le premier est la rapidité de réponse de la batterie, car elle doit protéger le réseau des transitoires. Nous ne pouvons pas alimenter le réseau à pleine puissance pendant de courtes périodes, car cela déclencherait le disjoncteur. Dans ce cas, nous aurons probablement besoin d'une ou deux batteries et de trois générateurs sur le site. »

Les grosses batteries contiennent beaucoup de lithium et de CO2, et les charges parasites peuvent atteindre 7 à 10 kilowatts. Le système de stockage d'énergie (BESS) Dumarey PowerSkid peut fonctionner sur un réseau électrique de 40 kVA pour alimenter de grandes grues à tour.

Nous pouvons également opter pour une batterie de taille adaptée. Nous disposons d'un réseau de 100 kVA et utilisons des batteries haute puissance. Celles-ci se distinguent par leur circuit de charge séparé, ce qui isole le réseau de la grue. Le réseau ne reçoit jamais la même charge que la grue. Avec une alimentation de 20 kVA ou 30 A, chacune des grues à tour serait alimentée.

Nous disposons de cinq grues à tour alimentées par 100 kVA au lieu d'une alimentation de 1 ou 1,5 MVA. Nous avons éliminé le diesel du site pour alimenter les grues à tour, ce qui présente d'autres avantages. Ces batteries sont relativement compactes, ce qui réduit considérablement la quantité de lithium et la charge parasite. Un réseau basse consommation peut fonctionner, avec un système de stockage d'énergie par batterie adapté, pour alimenter le site avec un minimum d'émissions. La technologie utilisée est la batterie Revolution, qui peut fonctionner avec une alimentation de 10 ou 20 kVA, et chaque unité contient moins de 30 kilowattheures de batteries.

CO2 et coût

Pour résumer, le réseau sera toujours le meilleur choix car c'est le moins cher, vous ne brûlez pas beaucoup de diesel et, tant que c'est sur place, c'est gratuit, et le CO2 sera le plus bas.

La cinquième étape sera très coûteuse et nécessitera jusqu'à une centaine de kilogrammes de CO2 par kilowattheure pour les 10 kilowatts que nous allons utiliser pour cette application.

Grâce à un volant d'inertie et une batterie, nous réduisons considérablement les émissions de CO2, selon la technologie choisie. Le petit générateur émet environ 10 % de CO2 par rapport au générateur Stage Five. Cela représente une économie de 90 %.

Le volant d'inertie et la batterie sont légèrement moins chers que le générateur Stage III A. Cette solution ne vous coûtera pas plus cher en termes de technologie que le générateur diesel de base que tout le monde a choisi ces dernières années.

Toutes ces solutions permettent non seulement d’économiser du CO2, mais aussi d’économiser de l’argent au client final.

Carburants alternatifs

En termes d'alternatives au diesel, il existe de nombreuses options, notamment : l'huile végétale hydrogénée (HVO) ; les piles à combustible à hydrogène ; la combustion interne à hydrogène (CI) ; les carburants synthétiques ; et les collègues de Deakin à Dumarey en Italie travaillent avec TecnoGen pour réaliser un générateur de CI à hydrogène avec flux intégré.

Aujourd'hui, environ 99 % de l'hydrogène est encore gris, ce qui n'arrange rien. La combustion de HVO contient notamment de l'huile de palme, moins respectueuse de l'environnement qu'on pourrait le penser. De plus, son coût peut être relativement élevé et le restera pendant un certain temps.

Si vous comptez utiliser de l'hydrogène, vous aurez peut-être besoin d'un camion de livraison de diesel sur votre site une fois par semaine, mais cela pourrait représenter dix camions d'hydrogène chaque semaine pour pouvoir alimenter ces grues à tour.

Il sera impératif d'utiliser efficacement les carburants alternatifs. L'utilisation du BESS et des volants d'inertie pour optimiser le rendement permettra d'optimiser l'utilisation de ces carburants alternatifs à l'avenir. Les mêmes enseignements tirés du diesel seront toujours valables.

En un mot

Les grues à tour ont en moyenne besoin d'environ 1 à 12 kilowatts. Les générateurs fonctionnent avec un rendement faible en raison d'une faible charge : 5 à 10 % pour un niveau 3A et seulement 3 % pour un niveau 5. Le réseau électrique offre les coûts les plus bas et les émissions de CO2 les plus faibles.

Les systèmes de stockage d'énergie par batterie peuvent permettre aux petits réseaux d'alimenter davantage de grues. Les nouvelles technologies combinant volants d'inertie et systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) peuvent réduire le coût global et les émissions de CO2 de plus de 90 %. Les carburants alternatifs permettront à terme de récupérer ces 10 % restants. La première étape consiste à s'assurer que l'objectif de 90 % soit atteint.

Dr Andrew Deakin, directeur technique chez Dumarey Green Power basé au Royaume-Uni