Etude sur l Electro-VAR dans un réseau électrique

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1 Etude sur l Electro-VAR dans un réseau électrique Analyse sur les économies d énergie Micro Genesis 28 Septembre 2012 En collaboration avec: John A. Guidotti, Ing. (Micro Genesis) Rapport préparé par: Hamadache Mohamed, M. Ing. Électrique (Power Quebec) Manjit Mand, M. Ing Électrique (Power Quebec) 1

2 Résumé L'efficacité de l'énergie électrique est d'une importance primordiale pour les entreprises industrielles et commerciales opérant sur des marchés concurrentiels. De plus, l'utilisation optimale des équipements constitue l'une des préoccupations principales que l'industrie tente de concilier avec l efficacité énergétique, pour des raisons à la fois économiques et environnementales. En effet, de plus en plus consciente de son impact sur l'environnement, la société est en perpétuelle recherche de la réduction de sa consommation d'énergie, ce qui est aujourd hui réalisable grâce à l'utilisation de mesures correctives telles que l optimisation des réseaux électriques. La consommation d'électricité est ainsi optimisée, ce qui conduit à une consommation d'énergie diminuée et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre(co 2 ). Ce rapport présente le concept de l optimisation d un réseau électrique et son rôle dans la réduction de la consommation d'énergie et dans les économies réalisées sur la facture d'électricité. L optimisation du réseau électrique est un moyen visant à améliorer la qualité de l'alimentation d'une installation. L opportunité d'apporter une contribution significative à l'environnement, tout en tirant des avantages économiques existe. Ce rapport identifie ces points et présente les économies totales réalisées sur la facture d'électricité. Objectifs de l étude L'objectif de ce rapport est de calculer les économies totales de la facture l'électricité en améliorant le facteur de puissance aussi proche que possible de l unité. On y présente les avantages de l'optimisation du réseau électrique qui peut se traduire par une faible puissance réactive (kva), tirée de la ligne qui engendre des réductions dans les pertes en ligne, les pertes de transformation et, dans certains cas, des économies de l énergie absorbée par la charge par l amélioration de la qualité de l'électricité fournie à la charge. 2

3 1. Optimisation du réseau électrique: introduction Le facteur de puissance d'un système fait référence à la relation entre la puissance réelle et la puissance réactive. Il s'agit d'une mesure de l'efficacité de l alimentation électrique dans un circuit donné. Cette dernière est constituée de deux composantes orthogonales la puissance réelle (qui effectue «le travail)» et la puissance réactive (qui développe et maintient les champs électromagnétiques), le facteur de puissance étant le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente comme représenté ci-dessous. Schéma -1 Relation entre la puissance réelle et la puissance apparente Une charge est typiquement constituée d un composant résistif et d un composant réactif. La puissance réelle, mesurée en kw, est dissipée dans le composant résistif qui effectue le «travail» du système et fournit le mouvement et la chaleur. La puissance réactive, mesurée en kvar, ne contribue pas au «travail» en tant que tel, mais soutient plutôt le champ électromagnétique nécessaire pour faire fonctionner l'appareil. C'est ce niveau de puissance réactive par rapport à la puissance réelle qui détermine le facteur de puissance. Pour un dispositif de chauffage (qui est une charge purement résistive) la puissance réactive est égale à zéro; les formes d'ondes de tension et de courant sont en phase, l'angle d'alimentation est égal à zéro et par conséquent le facteur de puissance, fp = cos (0) = 1. Pour un moteur qui nécessite un champ électromagnétique pour fonctionner, le facteur de puissance peut être de l'ordre de 0,8. Bien que le courant à travers le composant réactif (réactif) ne dissipe pas d'énergie (et par conséquent n'est pas mesuré par un compteur de kwh), ce courant nécessite tout de même d être transmis le long des lignes de distribution afin de dissiper l'énergie par le biais d'autres éléments résistifs dans le système 3

4 (câblage, interrupteurs, tableaux de distribution, etc.) En générant / fournissant ce courant réactif localement par le biais de l'optimisation des équipements dans le circuit électrique, moins d'énergie doit être fournie par le réseau de distribution, conduisant ainsi à la diminution des pertes de tension, une amélioration de la tension de la ligne et une diminution de la facture d'électricité. La puissance réactive peut être fournie par le biais d une méthode d optimisation du réseau électrique impliquant l installation du condensateur «Electro-VAR» (E-VAR), qui a pour effet de réduire la magnitude du courant de ligne tel qu'indiqué au schéma-2. Schéma-2 Effet de l Electro-VAR sur la ligne de courant Selon le schéma ci-dessus, il apparaît que la réduction des pertes en ligne et des pertes associées via l optimisation du circuit électrique est effective. La capacité fournie par le E-VAR fournit de la puissance réactive localement et réduit l'angle de θ à φ conduisant à la réduction du courant de ligne du réseau électrique. De cette manière, les pertes en ligne qui sont typiquement de 5% dans un réseau basse tension sont réduites. 2. Avantages de la correction du facteur de puissance [1] 2.1 Réduction des factures d'électricité Par l'optimisation du réseau électrique, les pertes en ligne qui comprennent les pertes cuivre (principalement les pertes de chaleur dans le câblage) et les pertes de transformation qui incluent les pertes fer et les pertes cuivre sont réduites. L optimisation du réseau électrique améliore les utilisations réelles de la charge par la puissance en améliorant la qualité de l'électricité fournie à la charge. 4

5 2.2 Capacité accrue du système électrique Le E-VAR dans les réseaux électriques fournit de l'énergie réactive et réduit globalement le courant nécessaire à partir de l'alimentation. Cette réduction entraîne moins de charge sur le transformateur et sur le circuit d'alimentation. Moins d'entretien est nécessaire, le disjoncteur est déclenché moins souvent, le fusible brûle moins et la capacité à pleine charge du transformateur est plus élevée. 2.3 Amélioration des niveaux d énergie de la tension La basse tension peut être causée par un manque de puissance réactive. En outre, les chutes de tension sont souvent causées par des charges dynamiques. Dans les deux cas, l'effet peut être néfaste. La basse tension (en dessous de la tension nominale) réduit l'efficacité du moteur et peut provoquer une surchauffe. 2.4 Réduction des pertes en ligne Le E-VAR dans le réseau électrique fournit de l'énergie réactive et réduit la demande kva de la ligne. En diminuant les kva, les pertes en ligne dans les réseaux électriques sont réduites. 3. Analyse des économies d énergie 3.1 Analyse de la consommation sans le E-VAR [2] Pour calculer les économies d'énergie atteintes par le biais de l optimisation du réseau électrique, on prend un bâtiment commercial avec différents sous-circuits et on calcule la consommation d'énergie par les charges avec et sans E-VAR. Le schéma-3 montre les différentes branches avec un facteur de puissance 0,8 qui est la valeur typique pour les équipements électriques. Pour les pertes en ligne du réseau de distribution nous considérerons 5% de pertes dans le réseau de distribution basse tension. 3.2 Les pertes d'énergie dans le réseau électrique sans Electro-VAR Les pertes dans les transformateurs: Le schéma-3 montre les pertes d'énergie dans un réseau, y compris les pertes en ligne (pertes cuivre) et les pertes des transformateurs (cuivre et fer). Un transformateur abaisseur à pleine charge a des pertes de 2% mais quand on y réduit la charge en faisant baisser l ampérage, son efficacité devient supérieure et nous réduisons les pertes dans les transformateurs d environ 1,8%. Les pertes en ligne: Une autre perte principale dans le réseau électrique est la perte en ligne, qui est dépend principalement fonction de la taille, de la longueur et de l âge des câblages et des appareillages. Comme le montre le schéma ci-dessous, il ya une perte en ligne de 5% dans un réseau électrique basse tension. Ces pertes peuvent être plus importantes si le câblage est très long ou surchargé. Nous pouvons réduire ces pertes en ligne de 3,7% en faisant baisser l ampérage en ligne. 5

6 Schéma -3 Pertes d énergie dans un circuit électrique sans le E-VAR 6

7 Calculs facture d'électricité Pour calculer la facture d'électricité, le tarif-m a été utilisé. Dans ce tarif, une pénalité est payée par le consommateur si le facteur de puissance est inférieur à 0,9%. Toutefois, nous ne tiendrons pas compte de cette pénalité dans nos calculs. Comme le montre le schéma-3, il y a 3 panneaux électriques qui sont reliés à des charges différentes. Nous allons calculer la puissance active de ces panneaux. Panneau 1 Tension sur le panneau V1= 240 V Courant dans la ligne I1= 200 A Facteur de puissance FP 1= 0.8% Puissance active 1 = V1 * I1 * FP 1 = 240 * 200 * 0.8 = 38,400 Watts = 38.4 kw Panneau 2: Tension sur le panneau V2= 240 V Courant dans la ligne I2= 150 A Facteur de puissance FP2= 0.8% Puissance active 2 = V2 * I2 * FP 2 = 240 * 150 * 0.8 = 28,800 Watts = 28.8 kw Panneau 3: Tension sur le panneau V3= 240 V Courant dans la ligne I3= 100 A Facteur de puissance FP3= 0.8% Puissance active 3 = V3 * I3 * FP 3 = 240 * 100 * 0.8 = 19,200 Watts = 19.2 kw Total de la puissance active sur les 3 panneaux: = 38.4kW kW +19.2kW = 86.4kW 7

8 Les pertes dans le réseau électrique: 86.4kW est la puissance active d'une installation. Lorsque cette charge est exécutée, elle génère des pertes dans le système (pertes en ligne + pertes du transformateur) sous forme de chaleur. Ci-dessous les calculs démontrant la valeur de l'énergie électrique que le compteur électrique mesure. Il ya des pertes en ligne de 5% et des pertes du transformateur 2% qui font augmenter les kw et kwh utilisés dans la facture d'électricité. Les pertes totales dans le système= Pertes en ligne + pertes du transformateur = 5% + 2% = 7% Puissance réelle totale mesurée par le compteur d'électricité = puissance réelle tirée par la charge + les pertes dans le réseau électrique = 86.4kW +7% de pertes = kw Facture d'électricité 1. Frais de la demande (kw) = kW * 13,44 $ / kw = 1242,50 $ 2. Charges d exploitation (kwh): Pour calculer les kwh, nous supposons que la puissance active opère 12 heures par jour, 30 jours par mois. Puissance active (kwh) = 92.44kW *12heures/jour * 30 jours/mois = 33,278kWh * $/kWh = $ Montant total de la facture d électricité = frais de la demande + Charges d exploitation = $ $ = $ /mois 3.3 Les économies d'énergie dans le réseau électrique avec le E-VAR After installing PQ-EVR reactive power on the lines and transformer has been reduced therefore EVR saves losses in electrical network. Économies dans les pertes du transformateur: Le diagramme suivant montre une économie de 1,8% dans les pertes du transformateur dans un réseau électrique basse tension. En réduisant la charge réactive du transformateur, les pertes fer et cuivre du transformateur sont réduites. Economies de pertes en ligne: Une autre économie principale vient des pertes en ligne. En faisant baisser le courant dans la ligne, les pertes en ligne du réseau électrique sont réduites d environ 3,7%. 8

9 Schéma -4 Economies d'énergie dans le circuit électrique avec le E-VAR 9

10 Calculs facture d'électricité: Pour calculer la facture d'électricité, le tarif-m a été utilisé. Dans ce tarif, une pénalité est payée par le consommateur si le facteur de puissance est inférieur à 0,9%. Toutefois, nous ne tiendrons pas compte de cette pénalité dans nos calculs. Comme le montre le schéma-4, les pertes en ligne et les pertes du transformateur sont réduites. Après avoir installé l unité E-VAR, le facteur de puissance a augmenté de 0.8 à 0.96, et nous avons obtenu une réduction significative dans la ligne de courant ainsi qu une légère réduction d a peu près 0.8 % dans la puissance réelle. Les calculs suivants aboutiront au nouveau montant de la facture d électricité avec moins de pertes dans le circuit électrique. Panneau 1: Tension sur le panneau V1= 240 V Courant dans la ligne I1= 165 A Facteur de puissance FP1= 0.96% Puissance active 1 = V1 * I1 * FP 1 = 240 * 165 * 0.96 = 38,010 Watts = kw Panneau 2: Tension sur le panneau V2= 240 V Courant dans la ligne I2= 123 A Facteur de puissance FP2= 0.96% Puissance active 2 = V2 * I2 * FP 2 = 240 * 123 * 0.96 = 28,330 Watts = kw Panneau 3: Tension sur le panneau V3= 240 V Courant dans la ligne I3= 82.5 A Facteur de puissance FP3= 0.96% Puissance active 3 = V3 * I3 * FP 3 = 240 * 82.5 * 0.96 = 19,010 Watts = kW Total de la puissance active sur les 3 panneaux: = 38.01kW kW kW = 85.35kW 10

11 Réduction des pertes dans un circuit électrique avec le E-VAR : 85.35kW est la puissance active avec le E-VAR. Maintenant il y a moins de pertes dans le système comparé au circuit électrique sans le E-VAR (en raison de la ligne à courant élevé). Les pertes totales dans le système avec le E-VAR = Pertes en ligne + pertes du transformateur = 1,3% + 0,2% = 1,5% Puissance réelle totale mesurée par le compteur d'électricité = puissance réelle tirée par la charge + les pertes dans le réseau électrique = 85.35kW +1,5% de pertes = 86.63kW Facture d'électricité 1. Frais de la demande (kw) = 86.63kW * 13.44$/kW = $ 2. Charges d exploitation (kwh): Pour calculer les kwh, nous supposons que la puissance active opère 12 heures par jour, 30 jours par mois. Puissance active (kwh) = 86.69kW *12heures/jour * 30 jours/mois = 31,186kWh * $/kWh = $ Montant total de la facture d électricité = frais de la demande + Charges d exploitation = $ $ = $/mois Pourcentage des économies sur la facture d'électricité: Après avoir installé le E-VAR, la facture mensuelle d'électricité est passée a 2555,23 mois / alors qu elle était de 2724,71 $ sans le E-VAR. Économies en pourcentage : (2724,71 $ -2555,23 $) / 2724,71 $ = 6,22%. 11

12 Références: [1] ELSPEC Power quality solutions Technical Note: Benefits of Power Factor Correction. En ligne. 2p. < [2]Norman Disney & Young. Australian building codes board Power factor correction evaluation report. En ligne. 42p < gy%20efficiency/multi- Residential%20Commercial%20and%20Public%20Buildings/Pdf/31227%20Power%20Factor%20Correcti on%20evaluation.pdf> 12