[PDF] Lavenir prometteur de la VEV 65 % de l'électricité consommé

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Revue ABB

4/2004L"avenir prometteur

de la VEV Les variateurs électroniques de vitesse ABB conjuguent per formance énergétique, économique et environnementale. Akseli SavolainenSelon les estimations, les moteurs électriques absorbent à eux seuls

65 % de l"électricité consommée par le secteur industriel. Il n"est

donc guère surprenant que, pour les industriels, réduire la consom mation énergétique des moteurs soit une priorité dans leur quête de rentabilité et de compétitivité. Source d"économies d"énergie et de productivité, la variation électronique de vitesse est un investisse ment qui, selon l"application, s"amortit en quelques mois. La maîtrise de l"énergie n"est pas simplement affaire d"argent. Confrontés à une réglementation européenne contraignante en matière d"émissions de CO

2, les industriels sont demandeurs de

technologies qui les aident à réduire leurs niveaux d"émissions polluantes. Ainsi, le parc total de convertisseurs de fréquence ABB installés dans le monde au cours des 12 dernières années a permis de réduire, chaque année, les émissions globales de CO

2d"environ

68 millions de tonnes, soit un peu moins que les émissions produites

par la Finlande avec ses 5 millions d"habitants. D ans le passé, l"utilisation rationnel le de l"énergie était rarement une priorité pour les ingénieurs. Dans tous les secteurs industriels - ciment, chimie, papier, métallurgie, pétrole/gaz - le point de mire était la technologie et les gains de productivité procurés par les automatismes.

De nos jours, les entreprises industriel

les et celles des secteurs de l"énergie et de l"eau doivent se battre sur tous les fronts : demande croissante d"efficacité et de services, protection de l"environ- nement, concurrence accrue et stan- dards de qualité. Comment une entre prise peut-elle à la fois satisfaire ces exi- gences et baisser ses coûts de produc- tion?

Une des voies possibles est la réduction

des consommations énergétiques en général et celle des moteurs électriques en particulier induite par la variation

électronique de vitesse (VEV) et l"aug-

mentation du rendement énergétique des moteurs eux-mêmes.

Le moteur asynchrone, cheville

ouvrière de l"industrie

Le moteur asynchrone à courant alterna

tif (c.a.) a été inventé par Nicola Tesla il y a plus d"un siècle. Les moteurs élec triques sont au coeur de la plupart des applications industrielles: pompage, ventilation, compression, manutention, levage et mélange. Robustes, simples de conception et d"entretien, ils sont la cheville ouvrière de l"industrie.

Avant l"avènement de la VEV, les solu

tions de régulation par action méca nique (vannes, réducteurs ou courroies de transmission) servaient à adapter à tout moment la puissance délivrée par les moteurs aux besoins réels des procé dés. Ces solutions étaient non seule ment complexes à concevoir, mais éga lement très énergivores. Au cours des années 70, ces organes mécaniques tra ditionnels ont commencé à être rempla cés par la VEV.

Même si les moteurs électriques englou

tissent la majeure partie de l"énergie consommée par les industriels (65% selon les estimations) à travers le monde [1], cela ne signifie pas qu"ils soient mal conçus. En fait, c"est même le contraire car le rendement desmoteurs électriques modernes est approximativement le double de celui des moteurs à combustion les plus per formants. C"est la taille du parc moteurs

électriques installé dans l"industrie et sa

puissance cumulée qui en font un énor me poste consommateur d"énergie.

La chasse au gaspi est ouverte

Imaginez un instant qu"au volant de

votre voiture vous gardiez en perma nence votre pied sur l"accélérateur et que vous adaptiez votre vitesse unique- ment avec le frein. Faire tourner un moteur électrique à plein régime en régulant le débit de sortie de la pompe avec une vanne produit le même effet: une surconsommation énergétique en pure perte. Pourtant, c"est encore aujourd"hui l"une des méthodes de régu lation de débit la plus utilisée par les industriels.

En réalité, le rendement énergétique

déplorable des entraînements à vitesse fixe et organes mécaniques de régula tion fait que chaque pays industriel pourrait se passer de plusieurs centrales

électriques tout simplement en ayant

recours à la VEV et aux moteurs à haut rendement.

On peut certes améliorer beaucoup les

choses en concevant et en utilisant des machines à faibles pertes, mais l"efficaci té énergétique d"une installation ne se réduit pas à l"addition du rendement de chacun de ses composants. L"application elle-même doit être bien conçue et fonctionner efficacement. En agissant directement sur la vitesse de rotation des moteurs, on ne consomme que l"énergie strictement nécessaire à la pro- duction de force motrice avec une meilleure maîtrise du procédé.

Méthodes de régulation d"un système

de pompage

Dans les applications de pompage et de

ventilation, la VEV peut réduire jusqu"à deux tiers le montant de la facture d"électricité . Ainsi, une pompe ou un ventilateur qui tourne à 50 % de sa vitesse nominale n"utilise qu"un huitiè me de l"énergie consommée à plein régime. Traditionnellement, le débit d"une pompe est régulé par une vanne que l"on peut comparer à un robinet: 1en l"ouvrant à fond vous obtenez un débit maximum et vous réduisez la pression dans la tuyauterie.

Les performances d"une pompe s"expri

ment en termes de débit Q et de pres sion H (hauteur de charge). Une pompe centrifuge type atteint sa hauteur de charge maximale lorsque la résistance dans la tuyauterie est si élevée que son débit devient nul. Cette hauteur est principalement fonction du diamètre externe de la roue de la pompe et de la vitesse de rotation de l"arbre. On modi fie la hauteur de charge en faisant varier la puissance de la pompe.

Le point de fonctionnement d"une

pompe est un équilibre entre la résistan ce dans la tuyauterie et la puissance qu"elle délivre. Ainsi, toute augmenta tion de la résistance oblige la pompe à produire plus de pression, ce qui dimi nue le débit du fluide dans le système, au détriment toutefois du rendement

énergétique, comme le montre l"exem

ple suivant.

La puissance absorbée par une pompe

[1] à certains régimes de fonctionnement est donnée par:P = ržQžHžg havec

P=puissance absorbée par la pompe

r= (rho) densité du fluide

Q=débit-volume dans la pompe

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Revue ABB

4/2004

La VEV permet de réguler à moin-

dre coût énergétique les débits dans les applications de pompa- ge, ventilation et compression.1Dans le cadre d"un diagnostic énergétique, les économies potentielles peuvent être calculées en utilisant des outils logiciels ABB.

H=hauteur de charge (pression)

produite par la pompe g=constante d"accélération gravita- tionnelle h=rendement de la pompe

On peut supposer que la densité

ret l"accélération gravitationnelle g restent constantes. De même, le rendement de la pompe h restant constant, l"équation précédente est simplifiée en P = kžQžH le coefficient k étant une constante.

On voit maintenant que le produit

QžH

est directement proportionnel à la puis sance absorbée .

Supposons, d"une part, que le débit de

la pompe doit être réduit de 30 % et, d"autre part, que le débit et la pression (hauteur de charge) de la pompe sont de 10 unités au point de fonctionne ment nominal. Le nouveau point de fonctionnement, avec un débit réduit de

30 %, est donc égal à un débit de 7 uni

tés et la nouvelle hauteur de charge donnée en est de 12,7 unités. En multipliant ces valeurs, on obtient

89 unités qui représentent l"énergie

consommée par la méthode de régula tion mécanique du débit.

Pour commander en vitesse variable

une pompe entraînée par un moteur asynchrone, on utilise un convertisseur de fréquence qui adapte directement la fréquence fournie au moteur pour moduler sa vitesse de rotation et, donc,22 faire varier le débit de sortie de la pompe.

Comme pour notre premier exemple, le

débit doit être ramené à 70 %. Selon , le point de fonctionnement se déplace le long d"une courbe qui représente la résistance dans la tuyauterie. La puis sance absorbée par la pompe dans cette nouvelle plage de fonctionnement n"est que de 45 unités (zone colorée).

Dans notre analyse comparative, les

pertes de rendement du moteur et du convertisseur de fréquence sont à pren dre en compte. Le même moteur étant utilisé dans les deux modes de régula tion, ses pertes sont équivalentes. Par contre, pour la pompe régulée en vites se, les pertes à puissance nominale du convertisseur de fréquence atteignent 2

à 3 %. Or, malgré ces pertes, le rende

ment énergétique de la VEV reste très supérieur à celui de la régulation méca nique. De surcroît, toute réduction de la vitesse de rotation du moteur, aussi minime soit-elle, induit une forte dimi- nution de la consommation d"énergie.

Sachant que de nombreux systèmes de

pompage ne tournent pas à plein régi me une bonne partie du temps, la VEV peut générer des économies conséquen tes.

Les lois d"affinité [1] d"une pompe (ou

d"un ventilateur) centrifuge montrent comment la puissance, la hauteur de charge et la consommation énergétique de la pompe varient à différentes vites ses et leur similarité géométrique. Plus précisément, la puissance requise pour entraîner une pompe est proportionnel -3 le au cube de la vitesse. Cela signifie que si un débit de 100 % absorbe la puissance maximale, un débit de 75 % n"exige plus que (0,75)

3= 42 % et un

débit de 50 %, 12,5 %.

Méthodes de régulation du débit des

ventilateurs

Les mêmes lois de la mécanique des

fluides s"appliquent aux ventilateurs, à la différence près que le fluide en circu lation est, contrairement à l"eau, com pressible.

La figure donne les courbes de

consommation électrique d"un ventila teur à différents débits-volumes pour différentes méthodes de régulation:

1.Puissance mini théorique (ventilateur

régulé en vitesse sans pertes)

2. Commande en VEV

3. Ventilateur axial; ajustement des

pales

4. Ventilateur centrifuge; régulation par

vanne d"entrée

5. Ventilateur centrifuge; régulation par

registre, roue de type B

6. Ventilateur axial; régulation par

registre

Plus la courbe s"éloigne de l"axe hori

zontal, plus la consommation est élevée et, réciproquement, plus la courbe rejoint l"axe, plus faible est la consom mation. On le voit, à l"instar des pom- pes, la VEV constitue pour les ventila teurs la meilleure solution.

Enjeux et perspectives

Dans un réseau électrique, l"offre (pro

duction d"électricité) et la demande (consommation) doivent en permanence s"équilibrer. Le rendement global de la chaîne énergétique entre le stock de combustible d"une centrale électrique et la pompe étant très faible (du fait des pertes le long de la chaîne), un consom mateur vigilant peut non seulement induire de substantielles économies de combustibles au niveau de la centrale

électrique, mais également contribuer à

préserver l"environnement.

En clair, la VEV et les moteurs à haut

rendement ouvrent de formidables pers pectives à la fois en termes d"efficacité

énergétique et de performance environ

nementale. Une étude récente [2] du4 36

Revue ABB

4/2004Régulation de débit par VEV

315
10 5 0H

05101520

QQ=7P=7x6.4=45H=6.415

10 5 0 H

05101520

QRégulation de débit par action

mécanique2P=100

Q=7H=12.7P=7x12.7=89

syndicat européen du cuivre ECI (Euro- pean Copper Institute) montre que les

économies potentielles se chiffrent

chaque année à quelque 200 TWh (milliards de kWh), soit une réduction de 100 Gt de CO

2[3] rejetées par la pro-

duction industrielle de l"Union euro péenne! Voyons la contribution d"ABB dans ce domaine.

Estimation des économies déjà

réalisées par les convertisseurs de fréquence ABB

Le parc de convertisseurs de fréquence

ABB correspond approximativement

aux appareils installés entre 1992 et

2003. Connaissant le nombre d"appareils

et la puissance qu"ils fournissent chaque année [4], ABB peut chiffrer, avec une relative précision, la puissance élec trique totale fournie par ces convertis seurs de fréquence à

46 200 MVA[5].

Une hypothèse raisonnable voudrait

que 50 % de cette puissance (23 100

MVA) servent à des applications de

pompage et de ventilation. Pour réduire de 50 % en moyenne la consommation

électrique (11 550 MVA

@11 550 MW), il faut réduire la vitesse de rotation des moteurs de 25 %. Pour un temps de fonctionnement moyen de 7000 heu res/an (les pompes et ventilateurs dans les industries de procédé fonctionnant souvent en continu), les économies d"é -nergie annuelles totalisent 80 850 GWh (7000 h * 11 550 MW) dans le monde entier, ce qui équivaut à une réduction des émissions de CO

2de 67,9 mégaton-

nes (coefficient d"émission [6] utilisé:

0,84 kgCO

2-éq/kWh).

Conclusion: le million et demi de

convertisseurs de fréquence vendus au cours des 12 dernières années a permis de réduire les émissions mondiales de CO

2de près de 68 millions de tonnes

chaque année.

Identifier les gisements d"économies

d"énergie

Si la VEV était utilisée pour toutes les

applications possibles dans le monde, quelles seraient les économies d"énergie

à l"échelle de la planète?

Le monde produit chaque année

15 500 TWh d"électricité [7] dont 41,7 %

(6500 TWh) sont consommés par le sec- teur industriel et les 2/3 de ce pourcen tage par les seuls moteurs électriques (4200 TWh). A ce jour, seuls 5 % de ces moteurs sont commandés en vitesse variable. En supposant que 25 % (1000 TWh) supplémentaires de cette

énergie seraient utilisés par des moteurs

qui ont tout à gagner de cette technolo gie et que les économies s"élèveraient en moyenne à 50 %, les gisements d"économies d"énergie avoisineraient500 TWh, soit 3,2 % de la production mondiale d"électricité.

Selon la méthode de calcul et le coeffi

cient d"émission de CO

2(ex., 0,5-0,84

kgCO

2-éq/kWh) utilisés, ces économies

se traduisent par une réduction de 250

à 420 millions de tonnes d"émissions de

CO

2.Même s"il s"agit d"une estimation

grossière, cette analyse donne toutefois l"ordre de grandeur des émissions de CO

2qui peuvent être évitées en faisant

appel à la VEV dans toutes les applica tions envisageables de commande de moteurs.

Rendement énergétique et

productivité

Les gains de rendement découlant de la

VEV peuvent servir à:

augmenter la productivité; produire la même quantité de biens avec moins d"énergie.

Dans les deux cas, la consommation

énergétique de chaque appareil de pro

duction est réduite par rapport à la méthode utilisée précédemment.

La preuve par l"exemple

Central Electrical, un des distributeurs

d"ABB au Royaume-Uni, a réalisé un audit énergétique d"applications de fil tration au sein de sites appartenant à l"entreprise Boliden MKM (grand fabri -37

Revue ABB

4/2004

La VEV est la méthode de régulation de vitesse d"un moteur la plus efficace, avec d"importantes

économies d"énergie à la clé.150

100
50

0Pe(%)

050100

q v(%)Consommation électrique d"un ventilateur à différents débits- volumes selon la méthode de régulation41 2 3456
38
quotesdbs_dbs32.pdfusesText_38

[PDF] Département des Yvelines Arrondissement de Mantes la Jolie Canton de Guerville Commune de Jumeauville Tel.: 01.30.42.61.29 Fax: 01.30.42.34.

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