Pourquoi améliorer le facteur de puissance

Diminution de la facture d'électricité

L'amélioration du facteur de puissance d'une installation présente de multiples avantages d'ordre économique et technique et permet de réduire la facture d'électricité.

Une bonne gestion de la consommation d'énergie réactive apporte de réels gains économiques.

Les calculs sont basés sur une structure tarifaire actuellement en vigueur dans les pays européens, conçue pour encourager les consommateurs à minimiser leur consommation d'énergie réactive.

En France, ce principe de tarification est applicable pour les branchements supérieurs à 250 kVA :

• du 1er novembre au 31 mars,
• tous les jours sauf le dimanche,
• de 6 heures à 22 heures.

L'installation de batteries de condensateurs pour améliorer le facteur de puissance de l'installation permet de réduire la facture d'électricité en maintenant le niveau de la consommation de puissance réactive en dessous d'une valeur définie contractuellement avec le fournisseur d'énergie. Dans cette tarification particulière, l'énergie réactive est payée suivant la valeur du critère tan φ.

Comme indiqué précédemment :

[math]\displaystyle{ tan \varphi=\frac{Q(kvar)}{P(kW)} }[/math]

On peut appliquer le même rapport pour l'énergie :

[math]\displaystyle{ tan \varphi=\frac{Q(kvarh)}{P(kWh)} }[/math]

Le distributeur d'énergie fournit l'énergie réactive gratuitement (ou à un tarif réduit) :

• si l'énergie réactive représente moins de 40% de l'énergie active (tan φ < 0,4) pendant une tranche maximale de 16 heures par jour (de 06 h 00 à 22 h 00) durant la période tarifaire la plus chargée (souvent en hiver, période heures pleines d'hiver),
• sans limitation durant les périodes les moins chargées, période heures creuses d'hiver et le reste de l'année (périodes d'heures pleines d'été ou heures creuses d'été).

  Note : Des découpages tarifaires complémentaires, incluant notamment des "heures de pointe", etc., peuvent être ajoutées suivant le contrat : l’objectif du fournisseur d’énergie est de toujours facturer les kvarh fournis au-delà d’une certaine valeur (contractuelle) à un tarif plus élevé (appelé assez couramment "pénalités").

  Pendant les périodes de limitation ("heures de pointe"), la consommation d’énergie réactive dépassant 40% de l’énergie active (soit tan φ > 0,4) est facturée mensuellement au tarif courant.

  Donc la quantité d’énergie réactive facturée durant cette période est :

  kvarh (à facturer) = kWh x (tan φ - 0,4) avec :

  • kWh est l'énergie active consommée durant la période de limitation,
  • kWh x tan φ est l'énergie réactive totale durant la période de limitation,
  • kWh x 0,4 est l'énergie réactive fournie gratuitement pendant une période de limitation.

La tan φ = 0,4 correspond à un facteur de puissance de 0,93.

Si des mesures sont prises pour assurer que durant les périodes de limitation le facteur de puissance ne descend pas au dessous de 0,93, l'exploitant n'aura rien à payer pour sa consommation d'énergie réactive.

En regard du gain économique dû à la diminution de sa facture, l'exploitant doit inscrire au bilan les coûts :

• d'achat, d'installation et de maintenance :
  • des condensateurs de compensation,
  • des équipements associés : appareils de commande, équipement de régulation automatique (si différents niveaux de compensation sont nécessaires).
• des consommations supplémentaires de kWh induites par les pertes diélectriques des capacités, etc.

Le bilan peut faire apparaître qu'il est plus économique de réaliser seulement une compensation partielle du fait que, dans ce cas, le coût des consommations d'énergie réactive à payer est plus économique que le coût généré par une compensation à 100%.

Optimisation des choix technico-économiques

L'amélioration du facteur de puissance permet un dimensionnement réduit des transformateurs, des appareillages, des conducteurs, etc. ainsi qu'une diminution des pertes en ligne et des chutes de tension dans l'installation.

Un facteur de puissance élevé permet l'optimisation des composants d'une installation. Le surdimensionnement de certains équipements peut être évité, mais pour obtenir le meilleur résultat, le raccordement des capacités devra être réalisé au plus près des charges inductives.

Diminution de la section des câbles

La Figure L7 montre l'accroissement de la section des câbles pour un facteur de puissance diminuant de 1 à 0,4 pour la même énergie active fournie.

Fig. L7 – Facteur multiplicateur de la section des câbles en fonction du cos φ

Facteur multiplicateur de la section des conducteurs (câbles)	1	1,25	1,67	2,5
cos φ	1	0,8	0,6	0,4

Diminution des pertes en ligne

Les pertes dans les conducteurs sont proportionnelles au carré du courant transporté et sont mesurées par les compteurs d'énergie active (kWh) de l'installation. La diminution de 10%, par exemple, du courant dans un conducteur réduira les pertes de 20%.

Réduction de la chute de tension

L'installation de condensateurs de compensation permet de réduire voire d'éliminer la circulation de courants réactifs (inductifs) dans les conducteurs en amont, et de ce fait réduit ou élimine les chutes de tension.

Note : Une surcompensation produira une élévation de tension au niveau des capacités.

Augmentation de la puissance disponible

L'augmentation du facteur de puissance d'une charge induit la diminution du courant fourni par le transformateur d'alimentation et, de ce fait, permet d'alimenter des charges supplémentaires. En pratique, en cas d'extension d'une installation, il peut être moins onéreux d'augmenter le facteur de puissance que de remplacer le transformateur existant.

Cette approche est développée dans la partie Compensation aux bornes d'un transformateur.