Les pertes d'énergie dont vous ne savez rien. Vous préoccupent-elles ?

07-13-2013 | Commandes
L'analyse de vibrations mesure la fréquence et l'intensité des vibrations entraînées par l'usure, un mauvais alignement, un desserrement et d'autres problèmes mécaniques.
Utilisez la fonction Unified Power Measurement et la fonction de calcul des déperditions énergétiques sur les nouveaux analyseurs de qualité du réseau électrique Fluke 430 série II pour déterminer à quel point l'énergie est affectée par les harmoniques et les déséquilibres de charge.

En 2005, la plupart des installations considéraient leur facture d'électricité mensuelle comme un coût standard à payer pour leur entreprise. Lorsque le prix du pétrole a franchi la barre des 100 $ par baril, les attitudes ont changé pratiquement du jour au lendemain, ce qui a généré un intérêt soudain pour les rénovations favorisant des économies d'énergie qui n'auraient pas été rentables auparavant. Pourtant, lorsque les coûts d'énergie sont redescendus, les attitudes et les pratiques écoénergétiques sont restées. Les États-Unis essayaient encore de sortir de la récession. La concurrence mondiale pour les produits comme les services n'a fait que s'intensifier. Les installations américaines avaient alors trouvé une nouvelle source de marge et de rentabilité, sous la forme de leur facture mensuelle d'énergie, et ils ne comptaient pas l'abandonner.

En même temps, les fournisseurs d'énergie aux États-Unis ont commencé des campagnes de service client visant à aider les entreprises à mieux utiliser l'énergie qu'ils consommaient. Pourquoi un fournisseur voudrait-il aider ses clients à réduire leurs factures ? Parce que sa capacité est limitée. Compte tenu du cadre réglementaire, de la durée du projet et du simple coût pour la construction de nouvelles installations de production d'énergie, les fournisseurs ont tout intérêt à étendre la portée de leur capacité de production existante. Pour continuer d'ajouter de nouveaux clients au réseau, la consommation d'énergie des clients existants doit être optimisée. Les catastrophes sur les plateformes pétrolières et les accidents de fusion de réacteurs nucléaires ont seulement servi à souligner à quel point les options sont limitées.

Sur les quatre dernières années, la plupart des installations moyennes ont appris, grâce à leur fournisseur, à mieux comprendre leur facture mensuelle et ont probablement réalisé un audit énergétique de base pour déterminer l'énergie consommée chaque mois par les différentes fonctions opérationnelles. Beaucoup d'installations ont pu identifier des « cibles faciles » prêtes à être traitées : en d'autres termes, une consommation d'énergie qui peut être réduite sans investissement conséquent. Voici quelques exemples courants : couper les équipements et les systèmes la nuit au lieu de les laisser allumés ; mettre à niveau les systèmes d'éclairage et les charges importantes, comme remplacer les refroidisseurs par des modèles à haut rendement énergétique ; profiter des subventions gouvernementales en matière d'efficacité énergétique ; réparer les fuites dans les conduites d'air comprimé et ajouter des contrôles pour faire correspondre les sorties des équipements mécaniques aux exigences de performance.

Évaluation de l'IEEE

Parallèlement à ces changements, l'organisme de normalisation IEEE sur la qualité du réseau électrique a commencé une évaluation du travail académique nécessaire pour segmenter et quantifier plus précisément la consommation d'énergie dans les systèmes électriques triphasés. Cette évaluation a commencé il y a plus de dix ans. Depuis de nombreuses années, l'existence de lacunes dans le modèle mathématique qui sous-tend les calculs classiques de mesure de puissance triphasée était connue. En particulier, les effets de la puissance réactive, des harmoniques et des déséquilibres de charge n'étaient pas pris en compte dans les méthodes classiques utilisées dans la majorité des systèmes de surveillance de la consommation et de la qualité du réseau électrique.

À ce moment-là, les distorsions harmoniques et les déséquilibres de charge étaient vus comme des imperfections dans la pureté de l'énergie qui causaient des problèmes de performance des équipements et, dans le cas du facteur de puissance, diminuaient l'exploitation de l'énergie distribuée. Estimer la quantité d'énergie rendue inutilisable n'avait jamais été au programme. Les harmoniques et les déséquilibres posaient des problèmes de dépannage, pas de consommation d'énergie. En tout cas, jusqu'à ce que l'énergie devienne un produit de luxe.

Pourquoi se soucier de la quantité d'énergie affectée par les harmoniques et les déséquilibres de charge ? Parce que nous l'avons générée et payée, mais que nous ne pouvons pas l'utiliser.

Si 100 kilowatts sont fournis à une installation et qu'une partie de ces kilowatts est inutilisable à cause de la mauvaise qualité du réseau électrique, l'installation paye 100 kW, mais ne peut utiliser que 100 kW moins la partie gaspillée. Si la perte d'énergie pouvait être quantifiée et multipliée par le tarif du fournisseur, il serait alors évident que la quantité d'énergie perdue est suffisamment coûteuse pour corriger les problèmes de qualité du réseau électrique.

Le résultat des efforts de l'IEEE se trouve dans la nouvelle norme IEEE 1459-2000, qui contribue à permettre les calculs de la perte d'énergie en raison de la qualité de puissance, mais dans un cadre très académique. Une définition claire de la quantité physique d'une perte d'énergie était toujours absente. Peu de temps après la publication de cette nouvelle norme, deux professeurs de l'Université polytechnique de Valence, en Espagne, se sont penchés sur les calculs nécessaires pour quantifier l'énergie perdue à cause des harmoniques et des problèmes de déséquilibre.

En premier lieu, les professeurs Vincente Leon et Joaquín Montañana ont développé des méthodes mathématiques basées sur les recommandations de la norme IEEE 1459-2000 pour définir les sources de pertes d'énergie. Ensuite, ils ont conçu un instrument de mesure avec un système informatique qui calcule ce qu'ils ont appelé la puissance unifiée.

Leur méthode innovante de mesure de la puissance unifiée a pris en compte les meilleurs points de la norme IEEE 1459 et permet de calculer les effets des pertes d'énergie dues à la puissance réactive, aux harmoniques et aux déséquilibres dans le système électrique.

Fluke a entendu parler de cette découverte et a proposé un partenariat aux professeurs. Ensemble, les professeurs et les ingénieurs Fluke ont transposé la science de l'instrument académique dans la fonction Unified Power Measurement et la fonction de calcul des déperditions énergétiques, disponibles dès à présent dans un analyseur portable de la qualité du réseau électrique. Les deux parties détiennent des brevets portant sur différents aspects de ces nouvelles fonctionnalités.

Qu'est-ce que la puissance unifiée ?

Le système Unified Power Measurement exprime les mesures d'énergie et de puissance qui quantifient directement les pertes d'énergie dans des systèmes électriques, à l'aide d'une combinaison de méthodes classiques, de la norme IEEE 1459-2010 et des calculs mathématiques de l'Université polytechnique de Valence. La puissance unifiée quantifie les pertes dues aux harmoniques et aux déséquilibres en kilowatts. En multipliant par le coût du kilowatt par heure, il est possible de calculer le coût des pertes d'énergie sur une semaine, un mois ou un an.

Comment les harmoniques font-elles perdre de l'énergie ?

Un des effets les plus connus des harmoniques dans les systèmes électriques est l'excès de chaleur qu'elles créent dans les conducteurs les transportant. De nombreuses études ont prouvé le besoin d'augmenter la taille des conducteurs neutres dans les systèmes d'alimentation pour compenser le courant trop élevé sur le neutre des troisièmes harmoniques et leurs multiples. Elles ont également observé des cas de transformateurs qui surchauffaient à cause de la présence d'harmoniques. La chaleur est une forme de consommation d'énergie involontaire. Avec cette nouvelle méthode de calcul, il est possible de quantifier la perte en watts, en non en termes de chaleur.

Pourquoi les déséquilibres de charges font-ils perdre de l'énergie ?

Dans le cas de moteurs triphasés, un déséquilibre limite la performance de l'unité et réduit sa durée de vie. Un déséquilibre de la tension au niveau des bornes du stator du moteur cause un déséquilibre du courant de phase exagérément élevé par rapport au déséquilibre de tension. Les courants déséquilibrés vont, quant à eux, engendrer des pulsations, des vibrations accrues et des tensions mécaniques sur le couple, ainsi que des pertes en hausse et une surchauffe du moteur. Chacun de ces effets néfastes consomme de l'énergie, aujourd'hui quantifiable en watts.

Test sur le terrain de la fonction Unified Power : quelle est l'ampleur de la perte ?

Les professeurs Leon et Montañana ont conduit de nombreuses études sur le terrain pour confirmer leurs hypothèses sur un lien entre les problèmes de qualité du réseau électrique et leurs effets sur la perte d'énergie. Lorsque Fluke a rejoint le partenariat, l'équipe a réalisé des études supplémentaires pour tester si des personnes qui n'étaient pas des professionnels de l'ingénierie électrique de pointe pouvaient utiliser cette fonctionnalité.

Deux études en particulier ont eu lieu dans unparc industriel et une usine de fabrication automobile.

Le parc industriel est alimenté par une coopérative électrique locale. Il s'agit d'un parc industriel mixte qui a différents besoins en électricité. Certains des clients du parc possédaient un nombre significatif de charges inductives et le fournisseur d'énergie avait déjà choisi de mettre en place une correction du facteur de puissance pour réduire les effets du mauvais facteur de puissance.

Néanmoins, lorsque le dispositif Unified Power des professeurs a été connecté, il a signalé des pertes de puissance réactive considérables dans le secondaire du transformateur d'énergie dans le parc. Les pertes avaient principalement lieu la nuit, lorsque les charges inductives ne fonctionnaient pas, alors que les condensateurs de correction du facteur de puissance fonctionnaient. Les pertes d'énergie mesurées atteignaient 353,6 kWh par jour (en moyenne) ; multipliés par le tarif du fournisseur d'énergie, cela s'élevait par an à 14 000 $. En connaissant cette information, le fournisseur et le gestionnaire du parc se sont décidés pour une solution de relais de contrôle horaire qui déconnectent les condensateurs la nuit. Temps d'amortissement : moins d'un an.

Une étude a également été menée dans une grande usine automobile. Six zones de l'usine ont été surveillées et de nombreuses causes de pertes d'énergie ont été identifiées à travers l'usine, notamment une puissance réactive sur les lampes à décharge et des transformateurs légèrement chargés et inefficaces. La perte totale s'élevait à 50 000 $ par an. En installant la correction du facteur de puissance sur les lampes à décharge, en rationalisant l'installation des transformateurs et en utilisant un seul transformateur à haut rendement à la place des cinq transformateurs inefficaces à charge légère, l'usine a réalisé d'importantes économies d'énergie.

Une quantité significative d'énergie est donc gaspillée à cause des harmoniques et des déséquilibres. Que faites-vous pour y remédier ?

S'occuper des problèmes d'harmoniques et de déséquilibres nécessite généralement l'aide d'un ingénieur électrique et de son équipe ou d'électriciens contractuels. Pour résoudre les problèmes d'harmoniques, il faut un équipement de correction ou changer le type d'équipement actuellement exploité. Résoudre les problèmes de déséquilibre suppose de redistribuer les charges, d'installer un équipement de compensation des déséquilibres ou parfois d'augmenter la capacité totale d'alimentation électrique du système.

Avec la nouvelle fonctionnalité Unified Power, il est facile de calculer le retour sur investissement, en comparant le coût de la main-d'œuvre et de l'équipement nécessaires pour supprimer les harmoniques et les déséquilibres par rapport.au coût de la quantité d'énergie perdue.

Souvenez-vous que l'installation d'un filtre d'harmoniques améliorera également la qualité globale du réseau électrique, en augmentant la fiabilité, l'efficacité et la durée de vie de tous les équipements, tout en réduisant les temps d'arrêt.

Auparavant, vous ne pouviez pas réparer ce que vous ne voyiez pas. Plus récemment, l'adage aurait pu être : vous ne pouviez pas réparer ce que vous ne pouviez pas justifier. Aujourd'hui, le voir c'est le croire, et les réparations sont faciles.

Une version de cet article a auparavant été publiée dans Maintenance Technology.