Economies d'énergie liées aux moteurs

Généralités

Dans l'industrie 60 % de l'électricité consommée sert au fonctionnement des moteurs.

Les systèmes motorisés figurent parmi les sources potentielles d’économie d’énergie.

Le remplacement des moteurs est souvent envisagé en premier, pour l’amélioration de l’efficacité énergétique passive, pour deux raisons :

• profiter des avantages offerts par les nouveaux moteurs haute performance (cf. Fig. K12),
• remédier au surdimensionnement.

Les moteurs qui fonctionnent pendant de longues périodes sont de bons candidats au remplacement par des moteurs haute performance, surtout lorsque les moteurs existants sont anciens et requièrent un rebobinage.

Les moteurs haute performance, selon leur puissance, fonctionnent avec une efficacité supérieure jusqu’à 10% de celle des moteurs standard et les moteurs ayant subi un rebobinage ont une efficacité inférieure de 3 à 4% à celle du moteur d’origine.

Cependant, si l’utilisation du moteur est faible ou modérée (par exemple moins de 3 000 heures par an), le remplacement des moteurs d’efficacité standard (surtout ceux qui n’ont pas encore subi de rebobinage) par des moteurs haute performance, peut ne pas être économique. Il est aussi important de veiller à ce que les caractéristiques de performance critique (comme la vitesse) du nouveau moteur soient équivalentes à celles du moteur existant.

Fig. K12 – Définition des classes d’efficacité énergétique pour les moteurs BT établie par la Commission Européenne et le Comité européen des fabricants d’appareils électriques et électroniques ou CEMEP (European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics)

• Les moteurs surdimensionnés ne sont pas seulement inefficaces, ils sont aussi plus chers à l’achat que les moteurs correctement dimensionnés. Les moteurs ont une efficacité optimale lorsqu’ils fonctionnent entre 60 et 100 % de leur charge nominale. L’efficacité baisse rapidement lorsque la charge est inférieure à 50 %.

  D’un point de vue historique, les concepteurs ont eu tendance à développer des moteurs surdimensionnés pour leur donner une marge de sécurité suffisante et éliminer les risques de défaillance même dans des conditions hautement improbables. Les études montrent qu’au moins un tiers des moteurs sont nettement surdimensionnés et fonctionnent à moins de 50 % de leur charge nominale. La charge moyenne des moteurs est d’environ 60 %.

  Les plus gros moteurs ont aussi tendance à avoir un facteur de puissance inférieur, ce qui peut conduire à la facturation de frais de puissance réactive. Les décisions de remplacement doivent tenir compte de ces facteurs et de la période résiduelle de la vie utile du moteur. En outre, il faut noter que certains moteurs peuvent être surdimensionnés, mais que leur charge est si légère ou leur utilisation si peu fréquente, qu’ils ne consomment pas suffisamment d’électricité pour justifier le coût d’un remplacement.

  En résumé, la décision du changement doit être précédée d’une réflexion intégrant tous ces paramètres.

  D’autres considérations peuvent être appliquées aux moteurs.

• Améliorer l’efficacité énergétique active en arrêtant simplement les moteurs quand ils ne sont pas nécessaires. Cela peut requérir des améliorations en matière de contrôle automatique, de formation ou de surveillance et peut-être d’incitation des opérateurs. Si l’opérateur n’est pas tenu pour responsable de la consommation d’énergie, il est probable qu’il oubliera d’arrêter un moteur dont la marche est momentanément inutile.
• Surveiller et corriger tous les éléments composant les chaînes cinématiques, en commençant par celles des plus gros moteurs, qui peuvent affecter le rendement global, par exemple rectifier si nécessaire l’alignement des arbres ou des accouplements. A savoir : un décalage angulaire de 0,6 mm au niveau d’un accouplement peut causer une perte possible de puissance de 8%.
• Avoir une approche prioritaire sur les pompes et ventilateurs car
  • 63% de l’énergie utilisée par les moteurs sert à la propulsion des fluides, comme dans les pompes et les ventilateurs ;
  • la régulation du flux est souvent faite avec des vannes, des registres et des papillons d’obturation qui sont des organes provoquant des pertes énergétiques par obturation des conduits alors que les moteurs fonctionnent à plein régime ;
  • des projets bien conçus permettent souvent l’amortissement des investissements en moins de dix mois.

La variation de vitesse

Le juste dimensionnement d'un moteur associé à un contrôle et/ou un variateur de vitesse est une source potentielle d'économie.

Pour faire varier le flux ou la pression dans un système, il existe plusieurs techniques (cf. Fig. K13). Le choix de la technique dépend de la conception de la pompe ou du ventilateur, selon par exemple que la pompe utilisée soit une pompe volumétrique ou centrifuge et le ventilateur centrifuge ou à flux axial.

Chaque fois qu’un ventilateur ou une pompe est installé dans le but d’obtenir une certaine plage de débits ou de pressions, le dimensionnement est basé sur la demande maximale. Il est donc généralement surdimensionné et n’opère pas efficacement dans les autres régimes. Ce surdimensionnement systématique, combiné à l’inefficacité des méthodes de contrôle décrites ci-dessus, signifie qu’il est généralement possible de réaliser des économies d’énergie significatives par recours à des méthodes de contrôle qui réduisent le courant d’alimentation de la pompe ou du ventilateur pendant les périodes de demande réduite.

Les systèmes à ventilateur et pompe sont régis par certaines lois d’affinité :

• Le flux est proportionnel à la vitesse de l’arbre : réduire de moitié la vitesse de l’arbre réduit le flux de moitié (cf. Fig K14) ;

Fig. K14 – Rapport entre énergie et flux pour les différentes méthodes de contrôle de ventilateur telles que, registre, aubes de guidage d’admission et vitesse variable

• La pression ou la hauteur est proportionnelle au carré de la vitesse de l’arbre : réduire de moitié la vitesse de l’arbre réduit la pression au quart de sa valeur.
• L’énergie est proportionnelle au cube de la vitesse de l’arbre :

  Réduire de moitié la vitesse de l’arbre réduit dans un rapport de 8 la consommation, et donc, réduire le flux de moitié réduit dans un rapport de 8 la consommation.

  De fait, s’il n’est pas nécessaire que le ventilateur ou la pompe produise 100% du flux ou de la pression, il est possible de réduire l’énergie consommée et l’économie réalisée est substantielle même pour une réduction modeste du flux (cf. Fig K15).

  Malheureusement, en pratique, les pertes en efficacité des divers composants font que ces valeurs théoriques ne sont pas réalisables.

Fig. K15 – Exemples de techniques pouvant bénéficier de commandes à vitesse variable

Technique	Inconvénient
Commande d’arrêt et de démarrage	Cette méthode n’est efficace que lorsqu’un flux intermittent est acceptable.
Vanne de commande : une vanne contrôle le flux en augmentant la résistance frictionnelle à la sortie de la pompe.	Gaspillage d’énergie car la pompe produit un flux qui est ensuite réduit par l’action de la vanne. En outre, les pompes ont une plage de fonctionnement optimal et l’augmentation de la résistance par cette méthode peut obliger la pompe à opérer dans une plage d’efficacité réduite (avec gaspillage d’énergie supplémentaire) et dans laquelle sa fiabilité est compromise.
Dispositif de contournement : dans cette méthode, la pompe tourne en continu à plein régime et l’excès de fluide à la sortie de la pompe est canalisé vers la source, d’où un flux réduit sans risque d’augmentation de la pression de sortie.	Le système est très inefficace car l’énergie utilisée pour pomper l’excédent de fluide est entièrement gaspillée.
Pompes ou ventilateurs multiples : ces configurations permettent une augmentation ponctuelle par actionnement de pompes ou de ventilateurs additionnels, ce qui rend le contrôle difficile.	Généralement il y a une perte d’efficacité car le besoin réel est souvent situé entre les différents régimes disponibles.
Registre : technique similaire de celle de la vanne de commande dans un système équipé d’une pompe, elle réduit le flux en obstruant partiellement la sortie du ventilateur.	Gaspillage d’énergie car le ventilateur produit un flux qui est ensuite réduit par l’action du registre.
Vanne de trop plein : technique semblable à celle de la vanne de contournement dans un système équipé d’une pompe. Le ventilateur tourne en permanence à plein régime et le flux excédentaire de gaz est évacué.	Le système est très inefficace car l’énergie utilisée pour propulser l’excédent d’air ou de gaz est entièrement gaspillée.
Ventilateur à pales orientables : l’orientation des pales permet de moduler le flux.	Gaspillage d’énergie car le ventilateur produit un flux qui est ensuite réduit par l’action des pales.
Pales de guidage d’admission : des ailettes obstruent ou facilitent le flux du gaz dans un ventilateur et modulent ainsi le rendement du ventilateur.	Le ventilateur ne produit pas de flux superflu, mais ne fonctionne pas à son meilleur rendement.

L’utilisation d’une commande à vitesse variable (cf. Fig. K16) en remplacement des techniques évoquées précédemment est une méthode d’efficacité énergétique active qui assure le rendement variable requis pour un fonctionnement optimal d’une pompe ou d’un ventilateur.

Fig. K16 – Des variateurs Altivar de différentes puissances (Schneider Electric)

• 

  Altivar 12 (≤ 4 kW )

• 

  Altivar 212 (≤ 75 kW)

• 

  Altivar 71 (≤ 630 kW)

Voir les offres de variateurs de vitesse de Schneider Electric

Dans certains cas des solutions simples peuvent être envisagées :

• Quand une modification des dimensions des poulies permet de faire tourner les ventilateurs ou les pompes à leur vitesse optimale. Cette solution ne fournit pas la flexibilité des commandes à vitesse variable, mais elle est peu onéreuse et peut probablement être financée dans le cadre du budget d’entretien sans investissement supplémentaire.
• Lorsque ventilateur ou pompe peut fonctionner à plein régime en permanence sans les méthodes de contrôle décrites précédemment ou avec des méthodes de contrôles installées mais inutilisées (par exemple avec les registres et les vannes ouverts au maximum). Dans ce cas, le dispositif fonctionne avec une efficacité optimale ou proche de l’optimum.

Les économies réalisables, en pratique, dépendent du modèle du ventilateur ou de la pompe, de leur efficacité propre, de la taille du moteur, du nombre d’heures d’utilisation par an, et du coût local de l’électricité. Ces économies peuvent être calculées en utilisant des logiciels spécifiques (Eco 8), ou estimées avec précision par l’installation de compteurs temporaires et l’analyse des données obtenues.

La régulation

La régulation de vitesse : une juste adaptation de la consommation énergétique au besoin.

Les lignes précédentes ont déjà présenté l’intérêt des commandes à variation de vitesse pour les pompes et les ventilateurs. Cet intérêt peut être augmenté par leur association à des dispositifs de contrôle et de régulation bien adaptés au besoin.

• Contrôle par pression fixe et variation du flux : ce type de régulation est souvent appliqué aux systèmes de distribution de l’eau (eau potable, irrigation). Il est aussi appliqué pour la circulation des fluides de refroidissement.
• Contrôle des systèmes de chauffage : dans les circuits de chauffage et de refroidissement, le flux doit varier en fonction de la température.
• Contrôle par flux fixe mais avec variation de la pression : Les applications les plus courantes sont dans le pompage (différences de pression dues à des différences de niveaux) comme c’est le cas pour les installations de nettoyage, d’arrosage, de refroidissement et de congélation qui requièrent la fourniture d’un certain volume d’eau même si les conditions d’aspiration et de refoulement varient.

Les avantages immédiats sont les suivants :

• meilleur contrôle et précision supérieure des valeurs de pression ou de flux,
• forte atténuation des effets transitoires dans le réseau électrique et des contraintes mécaniques sur les mécanismes,
• réduction du bruit et des vibrations, car un variateur permet un réglage fin des vitesses qui empêche le fonctionnement de l’équipement à la fréquence de résonance des tuyaux ou des conduites,
• démarrages et arrêts en douceur ;

D’où des avantages induits de :

• plus grande fiabilité et prolongement de la vie des systèmes,
• systèmes de tuyaux ou de conduites simplifiés (élimination des registres, des vannes de commande et des conduites de contournement),
• maintenance réduite.

Pour en final avoir une réduction de la consommation d’énergie et donc des coûts !