Variateurs et moteurs Evaluation énergétique visant à réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO2 Comment améliorer l'efficacité énergétique avec les variateurs et moteurs électriques C.A.
Économiser l'énergie est l'affaire de tous Conduire une évaluation énergétique des applications motorisées d'une usine ou d'un processus peut révéler des gisements importants de réduction des coûts. Les économies financières résultant d'une évaluation énergétique proviennent de la réduction de l'électricité consommée, qui se traduit par un allègement des factures correspondantes, et par la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO 2 ). La combinaison d'un moteur électrique* et d'un variateur*, quand elle sert à contrôler la vitesse d'équipements tels que les pompes et les ventilateurs, peut réduire la facture énergétique de 70 %, avec un amortissement inférieur à 12 mois. Quand on sait que 65 % de l'électricité consommée dans l'industrie est absorbée par les moteurs électriques, la nécessité de procéder à une évaluation énergétique n'en est que plus évidente. Les résultats d'une évaluation énergétique concernent généralement toute l'entreprise : ingénieurs de maintenance, ingénieurs procédés, directeurs de site, contrôleurs de gestion et membres du directoire. ABB a mis au point un processus d'évalaution très simple, qui peut être mené à bien par la société ABB elle-même ou l'un de ses partenaires agréés. Ce guide décrit le processus d'évaluation énergétique et les bénéfices découlant de la mise en œuvre des améliorations ; il met en relief l'impact sur les applications industrielles réelles et indique quelques unes des fonctionnalités clés des moteurs et des variateurs qui permettent de réduire encore l'énergie consommée. Pour de plus amples informations, veuillez contacter le représentant commercial ABB le plus proche ou rendez-vous sur www.abb.com/energyefficiency, pour visionner une vidéo expliquant le déroulement d'une évaluation énergétique. *Variateurs et moteurs De nombreux termes et acronymes sont utilisés dans le monde pour désigner les variateurs de vitesse électroniques. On rencontre notamment les termes variateurs de fréquence, convertisseur de fréquence, variateur de vitesse ou tout simplement variateur, et en anglais les acronymes VSD (Variable Speed Drive), ASD (Adjustable Speed Drive), VFD (Variable Frequency Drive) ou encore AFD (Adjustable frequency drive). Un variateur de fréquence est un dispositif électronique chargé de convertir un courant alternatif (C.A.) d'une fréquence donnée en courant alternatif d'une autre fréquence. ABB utilise fréquemment le terme «variateur C.A.» pour désigner un variateur de fréquence. Les normes internationales utilisent cependant généralement le terme «convertisseur de fréquence». Une évaluation énergétique commence par une visite de l'usine. 2 Économiser l'énergie est l'affaire de tous l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO 2
Processus d'évaluation énergétique Quelles doivent être les qualités d'une bonne évaluation énergétique? ABB a mis au point un processus d'évaluation simple et méthodique, au terme duquel le client final dispose de données factuelles concrètes indiquant les économies d'électricité potentielles. L'évaluation identifie rapidement les équipements clés pouvant tirer un bénéfice immédiat de la mise en place de variateurs et de moteurs électriques. Une évaluation énergétique se déroule selon six étapes : 1. Identification des équipements concernés 2. Surveillance et recueil des données 3. Analyse des données 4. Recommandations 5. Mise en œuvre 6. Vérification et suivi Les évaluation énergétiques sont normalement conduits par des évaluateurs ABB ou par un partenaire agréé, capables d'identifier les équipements offrant des sources possibles d'économies d'énergie. Cette identification aide le client à cibler son investissement pour générer les économies maximales et le meilleur retour sur investissement possible. Les ventilateurs et les pompes centrifuges sont des équipements à couple quadratique typiques à prendre en compte. Processus d'évaluation énergétique l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO 2 3
Les six étapes d'une évaluation énergétique efficace 1. Identification des équipements concernés Un ingénieur de chez ABB ou de l'un de ses partenaires agréés se rend sur le site du client pour prendre connaissance des lieux, de l'emplacement des équipements, faire l'inventaire des moteurs et noter les éventuelles contraintes d'hygiène et de sécurité et particularités du site susceptibles d'affecter le profil énergétique. Les évaluation énergétiques sont particulièrement adaptées aux processus utilisant des équipements à couple quadratique obéissant à une loi cubique, fonctionnant en continu et équipés de dispositifs de régulation mécaniques tels que des vannes ou des registres. C'est dans ce type de situation que les économies apportées par un variateur sont interessantes comparées à l'investissement. Les ventilateurs centrifuges et les pompes sont des équipements à couple variable typiques. Le couple, et donc le courant électrique requis augmente avec le carré de la vitesse. La tension étant elle-aussi proportionnelle à la vitesse, la puissance varie au final avec le cube de la vitesse. De ce fait, une réduction de la vitesse d'un pourcentage donné se traduit par une réduction cubique de la puissance. Par exemple, une réduction de 80 % de la vitesse se traduit par une réduction de (0,8) 3 = 51 % de la puissance. Power required (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 Flow (%) Recirculation Throttling Cyclic control VSD Pump Saving potential L'investissement est généralement amorti en moins de deux ans, ou même parfois en moins d'une année. Les informations complètes de la plaque signalétique sont relevées. L'équipement peut être photographié pour faciliter son identification dans le rapport d'évaluation. 4 Les six étapes d'une évaluation efficace l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO 2
Lors de l'évaluation, l'évaluateur regarde en priorité : Les applications à couple quadratique, telles que les pompes centrifuges et les ventilateurs, en particulier celles qui fonctionnent à débit partiel (régulé par des vannes, des registres ). Économie potentielle : jusqu'à 70 %. Durée d'amortissement généralement inférieure à un an. Les applications à couple quadratique dont le moteur tourne en permanence à la vitesse nominale (à plein débit), alors qu'une vitesse constante inférieure serait suffisante. Économie potentielle : jusqu'à 30 %. Durée d'amortissement généralement comprise entre un et deux ans. Les moteurs anciens fonctionnant en continu à une puissance nominale incorrecte (moteurs tournant en-deçà du point optimal). Économie potentielle : de 5 à 8 %. Durée d'amortissement généralement comprise entre un et deux ans. Les moteurs anciens fonctionnant en continu à une puissance nominale correcte (moteurs à mauvais rendement). Économie potentielle : de 1 à 5 %. Durée d amortissement généralement comprise entre deux et trois ans. Autres applications standard (compresseurs à vis, mélangeurs ) pouvant bénéficier d une régulation par variateur et d une réduction de vitesse. Économie potentielle : jusqu à 20 %, voire plus. Durée d amortissement généralement comprise entre deux et trois ans. L évaluateur peut également poser les questions suivantes : Quel âge ont les moteurs existants? Quel est le rendement des moteurs existants? L'usine utilise-t-elle des pompes et des ventilateurs qui fonctionnent sur de longues durées ou avec des charges variables? Certains moteurs sont-ils sur ou sous-dimensionnés par rapport au procédé (en fonction des valeurs indiquées sur les plaques)? À quelles variations de charge le procédé est-il soumis? Sur quelle position sont réglés les régulateurs de débit (vannes, étranglements, registres) la plupart du temps? Souvent, les réponses à ces questions de base ne sont pas connues, mais cela ne gêne pas le déroulement de l'évaluation. L'expertise d'abb dans le domaine des applications motorisées permet à ses évaluateurs de jauger facilement l'état du parc existant de moteurs et de variateurs, et d en déduire les besoins, par calcul ou par estimation. ABB dialogue également avec les ingénieurs procédé de l'usine pour déterminer les critères nominaux exacts de chaque processus. ABB acquiert ainsi une bonne compréhension de la manière dont le procédé doit fonctionner et de ses données opératoires nominales critiques. Cela permet de préconiser le moteur et/ou le variateur adaptés. Certains équipements sont surveillés pour déterminer leur consommation électrique. Les six étapes d une évaluation efficace l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d énergie et les émissions de CO 2 5
Les six étapes d'une évaluation énergétique efficace 2. Surveillance et recueil des données Lors de sa visite, l'évaluateur repère les applications typiques susceptibles de fonctionner avec un mauvais rendement. Il s'intéresse non seulement aux moteurs tournant à vitesse fixe, mais aussi à ceux déjà équipés de variateurs, pour vérifier si les équipements fonctionnent avec un rendement maximal. Les équipements sélectionnés peuvent faire l'objet d'enregistrements pour déterminer avec exactitude lesquels sont les plus gourmands en énergie. Lorsque cela s avère nécessaire ces enregistrements peuvent être effectués sur une periode de plusieurs jours, pour dessiner le tableau complet de la consommation énergétique typique de l'application. 3. Analyse des données Les données relevées sont ensuite analysées et les économies potentielles sont identifiées au moyen d'un logiciel spécialisé. Les résultats sont présentés de façon méthodique, avec les tableaux et les graphiques nécessaires pour aider à identifier les gisements d'économie. Les données présentées comprennent une estimation de la consommation énergétique actuelle, les zones d'économie potentielle, la durée d'amortissement en cas d'achat de variateurs et/ou de moteurs, la réduction en termes d'émission de dioxyde de carbone, ainsi que d'autres résultats et analyses importants. 4. Recommandations Un plan d'action est élaboré, comprenant une partie récapitulative destinée aux décisionnaires, et un rapport technique détaillé listant les équipements permettant de réaliser les économies les plus importantes. Les chiffres sont habituellement traduits en économie mensuelle et sont assortis de recommandations détaillées sur l'installation de moteurs ou de variateurs particuliers. Les recommandations indiquent souvent que les variateurs permettent de réaliser des économies très importantes sur des équipements donnés. Le rapport donne une estimation de la durée d'amortissement suite à l'installation du nouveau matériel. La surveillance peut s'effectuer sur plusieurs jours. 6 Les six étapes d une évaluation efficace l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d énergie et les émissions de CO 2
5. Mise en œuvre À partir des recommandations du rapport d'évaluation, ABB identifie le variateur et le moteur adaptés pour chaque application. ABB peut dans la plupart des cas aider le client à installer et à démarrer ou mettre en service le variateur ou le moteur. Ces opérations impliquent de régler les paramètres corrects pour s assurer que le variateur ou le moteur fonctionne avec un rendement énergétique optimal. 6. Vérification et suivi Une fois le nouveau matériel installé, l'équipement fait l'objet d'un suivi pour vérifier que les économies réelles sont conformes aux prévisions du rapport d'évaluation. Ces mesures permettent également de justifier l'achat des variateurs et des moteurs électriques. ABB propose des contrats d'entretien permettant de garantir le suivi du variateur ou du moteur pendant toute sa durée de service. Par exemple, lors des périodes d'utilisation et de maintenance, ABB peut relever en continu l'énergie consommée par le moteur et comparer le résultat à la spécification initiale. Parfois le procédé change, ou bien le variateur ou le moteur sont à une échéance spécifique de leur programme d'entretien. Quelle qu'en soit la cause, les écarts relevés peuvent être corrigés pour assurer le fonctionnement optimal du variateur et du moteur. Les résultats sont enregistrés avant d'être analysés par un logiciel spécialisé. Les six étapes d une évaluation efficace l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d énergie et les émissions de CO 2 7
Les raisons d envisager une évalutation énergétique Alors que les prix de l'énergie continuent de fluctuer et que les entreprises sont forcées de diminuer leur empreinte carbone, il est plus urgent que jamais pour les industriels de penser aux avantages des variateurs et des moteurs à haut rendement. Pourtant, les négociations tarifaires auprès des fournisseurs d'énergie sont souvent citées comme la technique préférée de réduction des coûts, plutôt que l'installation de variateurs et de moteurs. Cela n'est pourtant pas la meilleure tactique à l'heure où tous les fournisseurs augmentent leurs tarifs et continueront de le faire à mesure que les prix de l'énergie seront poussés vers le haut. Lors d'une évaluation énergétique, les évaluateurs d'abb peuvent également analyser les activités et technologies existantes pour identifier les possibilités d'amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction des émissions de CO 2 dans des domaines tels que : Les moyens de réduction des émissions de CO 2 à bas coût ou sans investissement Les possibilités d'utiliser les technologies existantes, parmi lesquelles les variateurs et les moteurs électriques, avec des équipements tels que les pompes, les ventilateurs et les compresseurs La possibilité de bénéficier de mesures fiscales ou de prêts avantageux selon le domaine d'activité de l'entreprise et les technologies employées (variable selon le lieu) Une évaluation énergétique peut également aider à : Identifier clairement les économies d'énergie et la réduction d'émissions de CO 2 Estimer les durées d'amortissement Analyser les programmes de maintenance préventive en place Après une évaluation énergétique, ABB propose ses conseils sur les points suivants : Remplacement de composants des variateurs et des moteurs, dans le cadre de la maintenance préventive Mise à niveau technologique des systèmes complets ou extension des fonctionnalités des variateurs et des moteurs existants Ajout de composants modernes sur des variateurs existants Recyclage des variateurs et moteurs usagés selon la réglementation en vigueur L'évaluateur élabore un plan d'action comprenant un rapport technique détaillé assorti d'un récapitulatif destiné aux décisionnaires. 8 Pourquoi commander une évaluation énergétique l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO 2
Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles Aciéries Une importante aciérie du nord de l'italie souhaitait augmenter sa compétitivité en réduisant sensiblement la quantité d'énergie consommée, qui pouvait représenter jusqu'à 30 % de ses coûts de fabrication. Avant de définir les objectifs d'efficacité à atteindre, les ingénieurs du client et d'abb ont analysé ensemble l'installation. Une fois évalués les délais d'amortissement, une série de variateurs a été installée sur les équipements les plus critiques, notamment les ventilateurs d'air de combustion des fours, auparavant régulés au moyen de registres. Le parc de moteurs existant a également été renouvelé, avec le remplacement d'un premier lot de 100 moteurs de rendement ordinaire par un nombre équivalent de moteurs EFF1 basse tension à haut rendement. Au final, entre les améliorations déjà apportées et les actions planifiées, le projet devrait se traduire par une baisse de la consommation d'énergie de 3000 MWh par an, équivalant à une baisse de 560 000 dollars de la facture énergétique annuelle. Usine de production de sel Le matériel ABB installé pour à peine 32 000 dollars permet d'économiser plus de 32 000 dollars par an dans une saline britannique. Le remplacement d'un seul moteur de ventilateur surdimensionné par un modèle de plus petite taille avec variateur de vitesse a permis de réduire de plus de 60 % l'énergie consommée par les sécheurs de l'usine. Réduction de CO 2 Environ 1640 MWh par an 918 tonnes/an Agro-alimentaire, ventilateurs Grues Le contrôle rapide, précis et efficace des mouvements d'une grue diminue les efforts subis par le système et l'opérateur. Dans les grues à container modernes, des variateurs C.A. contrôlent les mouvements dans les trois directions. Le mouvement de levage est le plus exigeant, et un variateur C.A. ABB de type régénératif permetd'économiser l'énergie lors du freinage. Environ 2300 MWh par an Environ 190 MWh par an Réduction de CO 2 1288 tonnes/an Réduction de CO 2 95 tonnes/an Aciérie, ventilateurs Ports, grues portuaires de combustion L'aciérie a baissé sa consommation de 2300 MWh. La saline économise plus de 32 000 dollars par an. Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO 2 9
Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles Producteur de laiton Un producteur de laiton a réduit sa facture énergétique annuelle de 210 000 dollars grâce aux variateurs ABB. Une évaluation énergétique portant sur le groupe de filtration des fumées extraites a mis en évidence des économies potentielles importantes au niveau des unités de filtration, équipées d'un ventilateur de 250 kw pour l'une et de trois ventilateurs de 132 kw pour l'autre. Usine d'engrais L'un des plus gros producteurs d'engrais et de phosphates pour l'alimentation animale en Europe a équipé cinq ventilateurs de moteurs et variateurs C.A. ABB, en remplacement des anciens moteurs et systèmes de régulation mécaniques du débit. La consommation annuelle d'énergie a baissé de plus de 4000 MWh, soit une économie annuelle de 210 000 dollars environ. Environ 3300 MWh par an Environ 400 MWh par an 1500 tonnes/an 224 tonnes/an Métallurgie, ventilateurs Industrie chimique, ventilateurs Fabricant de plastiques Un fabricant de films plastiques a équipé son compresseur de 93 kw de variateurs ABB, ce qui lui a permis de réduire sa facture énergétique de 37 %. Une fois les fuites colmatées, un capteur a été mis en place pour surveiller la pression du système. Ces améliorations devraient permettre une économie annuelle de 12 000 dollars, soit 375 000 dollars sur la durée de vie totale de l'installation. Usine chimique Une usine chimique en Chine a remplacé ses pompes à acide à vitesse constante et son ancien système de commande des ventilateurs par huit variateurs C.A. ABB, pour une puissance totale de 977,5 kw. Les applications fonctionnent environ 8000 heures par an et l'énergie consommée a baissé en moyenne de 37 %. Le projet a pu être amorti en 6 mois environ. Environ 1200 MWh par an 672 tonnes/an Industrie chimique, pompes et Environ 203 MWh par an 89 tonnes/an ventilateurs Plastique et caoutchouc, compresseur Un producteur de laiton récolte les bénéfices d'une évaluation énergétique. Une usine d'engrais diminue sa consommation d'électricité. Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO2
Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles Tours de refroidissement Les tours de refroidissement utilisent généralement des bancs de ventilateurs, chacun servant à alimenter des cellules de refroidissement. À l'intérieur des cellules, un ventilateur pousse l'air extérieur à travers un jet d'eau pulvérisée, ce qui permet à la chaleur de se dissiper. Un variateur de vitesse peut faire baisser l'énergie consommée de 60 %. Pour une puissance totale de 100 kw des moteurs et un fonctionnement de 4000 h/an, les chiffres sont les suivants: Usine de sucre de canne Une sucrerie du Honduras a remplacé cinq turbines à vapeur, qui généraient l'énergie nécessaire à la sucrerie, par des moteurs à induction couplés à des variateurs C.A. ABB. La vapeur produite par les turbines peut servir à générer de l'électricité pour alimenter l'ensemble de l'usine, ou même être revendue au réseau électrique. Environ 24366 MWh par an 12 183 tonnes/an Usine de sucre de canne Usine pétrochimique Une raffinerie en Argentine a remplacé une turbine à vapeur, qui entrainait une soufflante, par un moteur à induction couplé à un variateur C.A. ABB. L'indice d'intensité énergétique (EII) a été amélioré de 10,5 % en un an. Cimenterie Une cimenterie implantée au Mexique économise chaque année 5300 MWh depuis qu'elle a remplacé l'ancien système de régulation à registre des ventilateurs à vitesse fixe de 735 kw par deux variateurs C.A. ABB. Le cimentier bénéficie également d'une productivité améliorée, qui a permis une augmentation d'environ 574 000 euros du chiffre d'affaires annuel, tout en réduisant de 97 % les interventions de maintenance. La durée d'amortissement a été estimée à six mois. Environ 200 MWh par an 112 tonnes/an Ventilateurs pour systèmes CVC Environ 7650 MWh par an 3780 tonnes/an Pétrochimie, soufflante Les tours de refroidissement réduisent leurs émissions de CO2 de 112 tonnes/an. Environ 5300 MWh par an 3650 tonnes/an Ventilateurs aspirants Une cimenterie mexicaine économise 5300 MWh. Impact d'une évaluation énergétique sur des applications industrielles réelles l Evaluation énergétique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO2 11
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