Recommandations pour optimiser une architecture électrique

Comment faire évoluer l'architecture pour améliorer les critères d'évaluation (cités Critères d'évaluation pour l'adaptation du principe au projet) ?

Temps de chantier

Pour être compatible avec un temps de chantier "privilégié" ou "critique", il convient de limiter les aléas en appliquant les recommandations suivantes :

• utiliser des solutions éprouvées et des équipements validés et testés par les constructeurs (tableau "fonctionnel" ou "constructeur" en fonction de la criticité de l'application),
• préférer la mise en œuvre d'équipements pour lesquels il existe un réseau de distribution fiable et pour lesquels il est possible de bénéficier d'un support localement (fournisseur bien implanté),
• favoriser l'utilisation d'équipements préfabriqués (poste MT/BT, CEP), permettant de limiter le volume des opérations sur site,
• limiter la variété d'équipements à mettre en œuvre (par exemple la puissance des transformateurs),
• éviter de mixer des matériels de constructeurs différents.

Impact environnemental

L'optimisation du bilan environnemental d'une installation consiste à réduire :

• les pertes Joule en charge et les pertes à vide au cours du fonctionnement de l'installation,
• globalement la masse de matériaux utilisés pour réaliser l'installation.

  Pris de manière disjointe et raisonnés au niveau d'un seul équipement, ces deux objectifs pourraient sembler contradictoires. Toutefois, appliqués à l'ensemble de l'installation, il est possible de concevoir l'architecture pour contribuer aux deux objectifs. L'installation optimale ne sera donc pas la somme des équipements optimaux pris séparément, mais le résultat d'une optimisation de l'installation globale.

  La Fig. D30 donne un exemple de contributions par famille d'équipements au poids et à la dissipation d'énergie pour une installation de 3500 kVA répartie sur 10000 m².

• L’installation fonctionne à 50% de charge en moyenne, avec un facteur de puissance de 0,8.
• Le site fonctionne 6500 heures par an : 3 shifts + une activité réduite pendant les week-ends et les nuits ainsi qu’un arrêt complet de 1 mois par an pour la maintenance du site et les congés des employés.
• La puissance consommée est de 9,1 GWh.
• La puissance réactive est de 6,8 Gvarh. Cette puissance réactive est facturée en plus de la puissance consommée, en suivant les règles locales qui régissent la fourniture d’énergie.

Fig. D30 – Exemple de répartition de pertes et de poids de matière par famille d'équipements

Ces données permettent de mieux comprendre et de prioriser les consommations d’énergie et les facteurs de coûts.

• Le tout premier facteur de la consommation d’energie est ..l’usage que l’on fait de cette énergie. Cela peut être optimisé en mesurant et en analysant les consommations des charges
• Le second facteur est l’énergie réactive. Elle apporte une charge complémentaire sur le réseau et alourdi la facture d’energie. Le niveau d’énergie réactive peut être optimisé en mettant en place des solutions de compensation d’energie.
• C’est le cablage qui est le troisième facteur. Les pertes peuvent être réduite par une organisation et un design optimisé du site et par l’utilisation de canalisations électriques préfabriquées
• Les transformateurs MT et BT représentent le quatrième facteur, environ 1% des pertes
• Les tableaux MT et BT arrivent en dernier avec environ 0,25% des pertes

De manière générale, les câbles et canalisations BT ainsi que les transformateurs MT/BT sont les principaux contributeurs en terme de perte d'exploitation et de masse de matériaux utilisés.

L'optimisation environnementale de l'installation par l'architecture va donc consister à :

• réduire les longueurs de circuits BT dans l'installation,
• mutualiser les circuits BT quand cela est possible pour tirer partie du coefficient de simultanéité.

Fig. D31 – Optimisation environnementale : objectifs et moyens

Objectifs	Moyens
Réduire les longueurs de circuits BT	Placer les sous-stations MT/BT le plus proche possible du barycentre de l'ensemble des charges BT à alimenter, en envisageant les différentes possibilités (1 ou plusieurs sous-stations)
Mutualiser les circuits BT	Lorsque le coefficient de simultanéité d'un groupe de charges à alimenter est inférieur à 0,7, la mutualisation des circuits permet de limiter le volume de conducteurs alimentant ces charges. Concrètement cela consiste à: mettre en place des tableaux divisionnaires au plus près des barycentres des groupes de charges si elles sont localisées, mettre en place des CEP, au plus près des barycentres des groupes de charges si elles sont réparties. La recherche de l'optimal peut conduire à envisager plusieurs scénarios de mutualisation. Dans tous les cas, la diminution de la distance entre le barycentre d'un groupe de charges et l'équipement qui les alimente permet de diminuer les impacts environnementaux.

On montre à titre d'exemple sur la figure D32 l'impact de la mutualisation des circuits sur la diminution de la distance entre le barycentre des charges d'une installation et celui des sources considérées (TGBT dont la position est imposée).

Cet exemple concerne une usine d'embouteillage d'eau minérale pour laquelle :

• la position des équipements électriques (TGBT) est imposée dans des locaux hors zone de process pour des raisons d'accessibilité et de contrainte d'ambiance,
• la puissance installée est l'ordre de 4 MVA.

Dans la première solution les circuits sont répartis par zone géographique.

Dans la seconde solution les circuits sont répartis par fonctions dans le process ou dans le bâtiment.

Sans modifier l'implantation des équipements électriques, la seconde solution permet un gain de l'ordre de 15% sur la masse de câbles BT à installer (gain sur les longueurs) et une meilleure homogénéité des puissances des transformateurs.

En complément des optimisations réalisées au niveau de l'architecture, les points suivants contribuent également à l'optimisation :

• la mise en place de compensation d'énergie réactive BT pour limiter les pertes dans les transformateurs et les circuits BT si cette compensation est répartie,
• l'utilisation de transformateurs à faibles pertes,
• l'utilisation de canalisations BT en aluminium quand cela est possible, car les ressources naturelles dans ce métal sont plus importantes.

Fig. D32 – Exemple de positionnement de barycentres suivant la répartition des charges

Solution	Position du barycentre
N°1
	Solution 1 : 1 transformateur par atelier, 2 x 1600 kVA, 1 x 630 kVA
N°2
	Solution 2 : 1 transformateur par ligne de process, 4 x 1000 kVA

Volume de maintenance préventive

Recommandations pour réduire le volume de maintenance préventive :

• utiliser les mêmes recommandations que pour la réduction du temps de chantier,
• concentrer les travaux de maintenance sur les circuits critiques,
• uniformiser les choix d'équipements,
• utiliser des équipements conçus pour des ambiances sévères (et nécessitant moins de maintenance).

Disponibilité de l'alimentation électrique

Recommandations pour améliorer la disponibilité de l'alimentation électrique :

• réduire le nombre de départs par tableau, afin de limiter les effets d'un éventuel défaut dans un tableau,
• répartir les circuits en fonction des besoins de disponibilité,
• utiliser des équipements en adéquation avec les besoins (voir Indice de service),
• suivre les guides de choix proposés aux étapes 1 & 2.

Recommandations pour passer d'un niveau de disponibilité au niveau supérieur :

• passer d'une configuration radiale en antenne à une configuration en dipôle,
• passer d'une configuration en dipôle à une configuration à double attache,
• passer d'une configuration double attache à une configuration avec ASI et STS (sans coupure),
• augmenter le niveau de maintenance (diminution du temps de réparation MTTR, augmentation du temps de bon fonctionnement MTBF).