Sobriété et efficacité dans les moteurs – Focus sur l’efficacité énergétique

Efficacité énergétique

a. Technologies : les moteurs électriques sont soumis à plusieurs normes qui définissent leurs caractéristiques, leurs performances et leur efficacité énergétique. La norme IEC 60034 –  Norme de référence pour les moteurs électriques (Commission Électrotechnique Internationale) est la référence principale pour la classification des moteurs électriques. Elle couvre plusieurs aspects :

• Puissances normalisées : Les moteurs sont définis par des puissances standardisées (ex. : 0,37 kW, 0,75 kW, 1,5 kW, 3 kW, etc.), garantissant l’interchangeabilité entre fabricants.
• Tensions et fréquences normalisées : Elle définit les tensions d’alimentation standards (400V, 690V en triphasé) et les fréquences (50 Hz en Europe, 60 Hz en Amérique du Nord).
• Classes thermiques et températures de fonctionnement : Classification des enroulements selon leur capacité à supporter la chaleur (ex. : classes B, F, H).
• Protection et refroidissement : classification IP (Indice de Protection) et méthodes de refroidissement (IC410, IC411…).
• La norme IEC 60034-30 établit des classes de rendement énergétique :
  • IE1 : Rendement standard (ancienne génération, en voie de disparition)
  • IE2 : Rendement amélioré
  • IE3 : Haut rendement (obligatoire dans l’UE depuis 2017 pour certains moteurs)
  • IE4 : Très haut rendement (encore en déploiement, moteurs plus coûteux mais plus efficaces)

Une cinquième classe, l’IE5 Classe «Ultra Premium», a récemment été développée par les constructeurs. Depuis janvier 2017, chaque moteur d’une puissance nominale comprise entre 0,75 et 375 kW doit soit avoir un rendement supérieur ou égal au rendement IE3, soit atteindre le niveau de rendement IE2 et être équipé d’un variateur de vitesse. Les moteurs haute efficacité (IE3, IE4) permettent de réduire la consommation électrique des machines-outils et de se conformer aux réglementations environnementales.

Les nouvelles générations de moteurs génèrent moins de pertes, ce qui améliore leur rendement. Cependant, les coûts associés sont plus élevés. Le schéma suivant montre que les gains sont plus importants pour les moteurs de petite puissance : 15 points d’efficience gagnés entre un moteur IE1 et IE5 de 1 kW, contre 5 points pour un moteur de 100 kW. Le deuxième graphique met en évidence les gains annuels générés par le remplacement d’un moteur IE1 par un IE4 en fonction de plusieurs puissances et temps de fonctionnement (hypothèse de 160 €/MWh pour le calcul des gains). Les économies seront plus significatives pour les moteurs qui fonctionnent un plus grand nombre d’heures par an.

b. Variateurs : un variateur de vitesse, ou variateur de fréquence (VFD, pour Variable Frequency Drive en anglais), est un dispositif utilisé pour contrôler la vitesse d’un moteur électrique en ajustant la fréquence de l’alimentation électrique. Il permet ainsi d’adapter la vitesse du moteur aux besoins réels d’une installation, ce qui entraîne des économies d’énergie, optimise les performances et prolonge la durée de vie des équipements.

L’approche Schneider Electric pour la commande et la protection des moteurs – Contrôle de la chaîne mécatronique

La commande de moteur s’inscrit dans deux catégories : vitesse fixe et vitesse variable.

1. Vitesse fixe

Afin d’optimiser la gestion énergétique des moteurs à vitesse fixe, Schneider Electric a développé la gamme de démarreurs modulaires TeSys™ Island avec des fonctionnalités de données et de contrôle améliorées.

TeSys™ Island est une solution numérique de la commande directe des moteurs apportant connectivité et fiabilité aux machines. C’est un système de commande de charge entièrement numérisé et orienté objet afin de fournir des données conformes à l’Industry 4.0. Il réduit le temps de développement des machines, tout en permettant aux tableautiers de modéliser leur départ moteur DOL, il facilite la gestion de l’énergie pour les end users. En exploitation, TeSys™ Island offre aux utilisateurs un accès facile et à distance aux données des moteurs et des charges pour une maintenance prédictive et préventive, conduisant à des diagnostics et à une maintenance conditionnelle.

Grâce à son approche orientée objet, TeSys™ Island assure :

• Une surveillance de l’énergie pour chaque charge individuelle ainsi que pour tout l’îlot ;
• La sélection des applications et la configuration de la chaîne mécatronique ;
• La réduction et la facilité des tâches d’ingénierie ;
• Une installation plus rapide de la machine ;
• Une maintenance conditionnelle pour identifier les problèmes avant l’arrêt de la machine ;
• Un accès aux informations à distance avec une analyse proposée par le web server.

Comme le TeSys™ Island possède de nombreuses fonctionnalités utiles en matière de qualité de l’énergie, il peut également être utilisé dans des applications non motorisées telles que les charges résistives (Éclairage, chauffage), etc., Il est important de sélectionner le bon contacteur pour les caractéristiques de la charge.

2. Vitesse variable – Altivar Process, la gamme de variateur de vitesse pour l’Industrie du Futur et la résilience énergétique.

Pour répondre à ces nouveaux défis, l’industrie a effectué une mutation vers une production plus sobre énergétiquement, plus rapide et ultra flexible. Cela n’est possible qu’en digitalisant les modèles mécaniques et en les déclinant à toutes les étapes de la production : de la conception à la formation, en passant par la fabrication et la maintenance. Les composants de cette usine digitalisée reposent sur des automatismes connectés et orientés services. La gamme de Variateurs de Vitesse Altivar, dédiée à la commande des pompes, intègre les quatre axes clés de cette stratégie : Connectivité, Mobilité, Cloud et Analyse.

Ces 4 valeurs sont les constituants de la stratégie EcoStruXure de Schneider Electric.

Avec l’utilisation d’un variateur de vitesse Altivar, les performances dynamiques sont nettement améliorées et les indications issues de Power Monitoring Expert ajustent le processus de façon optimale.

Exemple 1 : Implémentation d’un système moto-régulé au niveau du pompage d’eau brute

Le démarreur (WEG IE1 – 93%) d’une pompe a été remplacé par un variateur ATV630 (ABB IE4 – 96%) de 55 kW. Cette modification a permis de réaliser un gain de consommation de 109 MWh/an (soit une réduction de 30% de la consommation initiale ou de 10 tonnes de CO2 éq/an). L’investissement de 29 000 €, réduit de 60% (subventions), a été rentabilisé en moins de 3 ans (coût énergétique de 2021).

Lors des essais, la puissance consommée en pleine demande est deux fois moindre que sa puissance nominale. Le gain réel est deux fois supérieur au gain estimé pour valider le budget.

“Il ne s’agit pas de mon premier projet concernant l’installation des systèmes moto-régulés. Je peux vous confirmer qu’en cas de besoin de régulation (pompage, ventilation, broyage ou mélangeuse), le retour sur investissement est très intéressant en plus des aides en France”

Exemple 2 : Implémentation sur des compresseurs d’air

Les bénéfices économiques liés à l’installation de variateurs de vitesse n’ont pas été quantifiés ou suivis lors de la réalisation du projet. Cependant, la comparaison entre les données de suivi des compteurs et les données théoriques de consommation des compresseurs d’air a permis de mettre en évidence un gain de 10%. Des variateurs ont été implémentés sur deux équipements  (de 30 kW chacun) des trois présents (142 kW).

c. Mettre en place des systèmes de récupération d’énergie : l’installation de systèmes de récupération d’énergie sur les moteurs industriels permet d’optimiser l’efficacité énergétique, notamment dans les applications de levage (grues, ponts roulants) et de centrifugation (industrie agroalimentaire). Cette technologie repose sur l’utilisation de variateurs réversibles, qui convertissent l’énergie générée lors du freinage en électricité, permettant ainsi une économie d’énergie de 20 % à 30 %. Le concept s’inspire du SREC (Système de Récupération de l’Énergie Cinétique) utilisé en automobile et ferroviaire, où l’énergie de freinage peut être stockée sous différentes formes pour une réutilisation ultérieure (volant d’inertie, air comprimé, batterie, ou réseau électrique). Son intégration dans l’industrie contribue à réduire les coûts d’exploitation et l’empreinte environnementale des installations motorisées.