Efficacité énergétique Philippe Brem, avril 2012 Efficacité énergétique Confidential © ABB Group March, 2010 | Slide 1 1

Efficacité énergétique Sommaire Un peu de théorie Un peu de pratique Les variateurs ABB Exemples vécus Conclusion

Efficacité énergétique : un peu de théorie Philippe Brem, avril 2012 Efficacité énergétique : un peu de théorie Confidential © ABB Group March, 2010 | Slide 3 3

Pourquoi se concentrer sur les moteurs? 65%

Potentiel d’économies d’énergie Environ 40% de l’énergie sont consommés par les industries Les 2/3 de cette énergie sont utilisés par des moteurs électriques. Les variateurs de fréquence régulent la vitesse de rotation des moteurs Par exemple, dans les applications de ventilation et de pompage, les variateurs permettent l’ajustement précis du débit d’air ou de liquide à la demande. Dans ces applications, la consommation énergétique peut être réduite de 30 à 50%. Pourtant, seulement 10% des moteurs sont entraînés par un variateur de vitesse.

Pourquoi se concentrer sur les moteurs? 99%

Coût du cycle de vie d’un moteur électrique Coût d’achat Coût d’entretien Energie La consommation énergétique d’un moteur électrique représente 99% de son coût total sur toute sa durée de vie Le prix d’achat d’un moteur ne représente donc que 1% de son coût total sur toute sa durée de vie Ce qui correspond à 8/12 semaines de sa consommation électrique totale Les variateurs pouvant ajuster et optimiser la vitesse de rotation du moteur, sa consommation énergétique peut être réduite de 50% dans certaines applications.

% de l’énergie consommée Base installée de moteurs Répartition des moteurs dans une usine typique Puissance kW % de la base installée % de l’énergie consommée 0.75 - 4 58.8 4.8 >4.0 - 15 26.4 10.4 >15 - 37 9.1 12.7 >37 - 75 2.9 >75 - 160 1.8 14.5 >160 - 355 0.7 15.8 >355 - 700 0.2 13.4 >700 0.1 15.7 14.8% 84.8% A survey in the USA found that, on a typical plant, 95% of the energy consumed by electric moteurs was accounted for by only 41% of the installed base – i.e. the few very large moteurs accounting for the majority of Puissance consumed. In these higher Puissance moteurs the cost differential between EFF1 and EFF2 can be as low as ~10% with payback times less than 12 months Source: United States Industrial moteur Systems Market Opportunities Assessment, December 1998

Pourquoi se concentrer sur les ventilateurs et les pompes? 50%

Les machines entraînées Les pompes sont les plus gros consommateurs d’énergie dans la Communauté Européenne Ventilateurs Compresseurs à air Autres Compresseurs de réfrigération Pompes

Applications prioritaires Couple variable ou quadratique : Fonctionnement suivant la loi du CUBE Principalement: Pompes centrifuges Ventilateurs

La loi du cube Y = kX3

La loi du cube Petit exercice : Données : Un moteur d’entraînement de ventilateur doit délivrer une puissance utile de 100kW à plein débit Question : Quelle puissance utile doit délivrer le moteur lorsque le ventilateur tourne à mi-vitesse? Réponse : tout le monde a trouvé 12,5kW ? Explication : Puissance à pleine vitesse = 100 = kNn3 Puissance cherchée à mi-vitesse = P?= k(Nn/2)3 = kNn3x(1/2)3 D’où P?= 100x(1/2)3 = 100/8 = 12,5

La loi du cube Les ventilateurs et les pompes centrifuges sont de loin les machines les plus répandues, elles offrent le plus gros potentiel d’économies d’énergie Les économies découlent du fait que la puissance décroît avec la vitesse et que les machines centrifuges suivent la loi du cube A mi-vitesse, le débit est aussi moitié Mais la puissance n’est plus qu’1/8 Exemple pour une machine de 45kW: Vitesse (tr/mn) Vitesse (%) Débit (m3/h) Puissance (kW) Puissance (%) 1800 100 45,00 100,00 1620 90 32,81 72,90 1260 70 15,44 34,30 900 50 5,63 12,50

Economiser l’énergie en faisant varier la vitesse Courbe puissance/vitesse d’une machine à couple quadratique 100 75 50 25 42.1 12.5 100 75 50 25 42.1 12.5 100 75 50 25 42.1 12.5 100 75 50 25 42.1 12.5 La Puissance est proportionnelle à (Vitesse)3 Puissance (%kW) Vitesse (% tr/mn)

Vitesse fixe comparée à Vitesse variable Puissance nécessaire pour produire le débit utile Puissance absorbée par la pompe en vitesse fixe Puissance absorbée par le variateur Puissance Economie d'énergie Débit %

Régulation d’un ventilateur centrifuge Moteur Registres, ventelles, pales variables…

Ventilateurs jusqu’à 70% Méthode de régulation : Potentiel d’économie d’énergie jusqu’à 70% Méthode de régulation : PI en Pression ou Débit

Ventilateurs : où chercher ?

Vanne, Dérivation, Tout ou rien Régulation de pompe Vanne, Dérivation, Tout ou rien Pompe Moteur

Pompes centrifuges jusqu’à 70% Méthode de régulation : Potentiel d’économie d’énergie jusqu’à 70% Méthode de régulation : PI en Pression ou Débit

Pompes : où chercher ?

Applications secondaires Couple Constant (la Puissance varie LINEAIREMENT avec la Vitesse) Exemples: Convoyeurs Extrudeuses Compresseurs à vis Pompes à piston Pompes à vide Packs Hydrauliques CES MACHINES NE SONT PAS LA CIBLE PRINCIPALE !

Couple constant Courbe Puissance/Vitesse Vitesse (%RPM) 100 75 50 25 100 75 50 25 100 75 50 25 100 75 50 25 Puissance est proportionelle à la Vitesse Vitesse (%RPM)

Efficacité énergétique : un peu de pratique Philippe Brem, avril 2012 Efficacité énergétique : un peu de pratique Confidential © ABB Group March, 2010 | Slide 28 28

Où regarder : résumé

Outils et documents sur http://www.abb.com/ Descendre avec l’ascenseur

Outils et documents sur http://www.abb.com/ Cliquer sur Energy Efficiency

Outils et documents sur http://www.abb.com/ Energy Efficiency : nombreuses informations

Evaluations énergétiques : deux catégories Evaluations simples : maximum 5 entraînements simples type ventilateur ou pompe centrifuge étude au bureau sur base de données client ou collecte de données sur site Evaluations évoluées : plus de 5 entraînements nécessité d’inclure d’autres intervenants : OEM, Engineering… processus complexes partie de processus, unité complète voire usine complète dépassent largement le cadre des moteurs et variateurs seuls

Outils de calcul d’économies d’énergie PumpSave

Outils de calcul d’économies d’énergie PumpSave Les données de base du calcul sont fournies par le client : Données du système : Densité du liquide (1000 kg/m3 pour l’eau) Hauteur statique (hauteur à laquelle le liquide pompé est élevé) Données de la pompe (voir courbes de la pompe et du système) Hauteur nominale Hauteur maximum Débit nominal Rendement de la pompe au point de fonctionnement Méthode actuelle de régulation du débit : Etranglement, Marche/Arrêt ou couplage hydraulique

Outils de calcul d’économies d’énergie PumpSave Les données de base du calcul sont fournies par le client : Données moteur et alimentation (valeurs relevées sur la plaque moteur) Tension d’alimentation Puissance moteur Rendement moteur Profil de fonctionnement = courbe de charge annuelle de la pompe : Temps de fonctionnement annuel en nombre d’heures Répartition dans le temps : pendant combien de pourcent du temps de fonctionnement le débit est-il de X% du débit nominal ( plage de 40% à 100%) Données économiques : Prix moyen du kWh Coût de l’investissement total (matériel + installation + mise en service + exploitation) Taux d’intérêt Durée d’utilisation prévue : durant combien d’années cette pompe va-t-elle fonctionner?

Outils de calcul d’économies d’énergie FanSave

Outils de calcul d’économies d’énergie FanSave&PumpSave Le calcul présente les économies réalisables : En MWh En Tonnes de CO2 En Euros Temps de retour sur investissement NPV (Net Present Value) sur 10 ans, calculée avec le taux d’intérêt saisi Présentation des résultats sous forme de tableau ou/et graphique

Les variateurs de fréquence d’ABB Philippe Brem, septembre 2011 Les variateurs de fréquence d’ABB © ABB Group May 11, 2019 | Slide 39

LA PLUS GRANDE GAMME DU MARCHE Notre offre LA PLUS GRANDE GAMME DU MARCHE 0,18 à 5600kW/100 à 690V © ABB Group May 11, 2019 | Slide 40 40

Notre offre 0,18 à 5600 kW Variateurs de fréquence 3400 2800 2400 1900 1450 500 400 355 200 132 110 75 55 11 8 7.5 5.5 4 2.2 1.5 1.1 0.75 0.55 0.37 0.18 Variateurs de fréquence Variateurs courant continu Variateurs pour éoliennes Onduleurs solaires Outils logiciels Outils d’économies d’énergie Services Expérience / Expertise Puissance kW 100 120 200 240 200 240 380 480 500 690 V © ABB Group May 11, 2019 | Slide 41 monophasé triphasé

Une croissance continue Croissance annuelle en nombre d’unités: 20% Croissance annuelle en MVA: 20% © ABB Group May 11, 2019 | Slide 42 42

Les variateurs ABB économisent l’énergie ! En 2009, la base installée de variateurs ABB a permis d’économiser 220 TWh, soit l’équivalent de la consommation annuelle de 54 millions de foyers européens Ces 220 TWh représentent une réduction d’émission de CO2 de 180 millions de tonnes, soit l’émission annuelle de 45 millions de voitures The average electricity consumption per household in the EU-27 was about 4000 kWh in 2005 Using an average emission 200g CO2 per kilometer (low) and an average 20000 km per year per car the average yearly emission of CO2 per car is about 4 tonne. © ABB Group May 11, 2019 | Slide 43 43

Variateurs ABB pour ... Les bâtiments Les Industries Les machines 44 © ABB Group May 11, 2019 | Slide 44 44

Variateurs de fréquence ABB 0,18 à 5600 kW ABB machinery drives 0,18 à 160kW ABB component drives : ACS55-ACS150 ABB general machinery drives : ACS355 ABB high performance machinery drives : ACSM1 ABB standard drives 0,37 à 355kW : ACS310-ACS550-ACH550 ABB industrial drives 0.55 à 5600 kW : ACS800 single drives : ACS800-01/02/11/17/31/37 drive modules : ACS800-04/04M – ACS850-04 multidrives : ACS800 multidrives ABB wind turbine converters : ACS800-77

Efficacité Energétique Histoires vraies

HVAC : Tours de refroidissement, Ventilateurs Les tours de refroidissement utilisent typiquement des batteries de ventilateurs, chaque batterie alimentant des cellules de refroidissement Dans les cellules, le ventilateur déplace l’air extérieur à travers un brouillard d’eau, permettant ainsi à la chaleur de se dissiper Avec la vitesse variable, les économies d'énergie peuvent atteindre 60% Soit pour une puissance de 100 kW fonctionnant 4000 h/an: Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 200 MWh/an 100 tonnes/an HVAC, ventilateurs

Agro-alimentaire : Fabrication de sel, Ventilateur Dans une usine anglaise de production de sel, pour un coût total de seulement 20 000 £, les économies d’énergie représentent 20 000£ d’économies, chaque année En remplaçant sur un seul ventilateur le moteur surdimensionné par un moteur plus petit entraîné par un variateur, la consommation énergétique d’un sécheur a diminué de plus de 60% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 1 640 MWh/an 721,6 tonnes/an Agro-alimentaire, ventilateur

Agro-alimentaire : Boulangerie, Pompes Un producteur anglais de pain économise plus de 30 000£ par an avec 3 variateurs ABB L’usine stocke ingrédients et produits finis dans de grosses unités de réfrigération Les réfrigérateurs sont alimentés par de l’eau de refroidissement pompée par trois moteurs de 75kW Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 517 MWh/an 228 tonnes/an Agro-alimentaire, pompes

Agro-alimentaire : Boulangerie, Ventilateurs Dans une boulangerie britannique, deux machines de vidage utilisent un système de vide pour retirer les pains de leurs supports Le vide était produit dans des chambres avec des ventilateurs de 15kW à vitesse fixe La mise en place de variateurs ABB a permis de contrôler la vitesse des ventilateurs et donc le vide généré Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 135 MWh/an 67,5 tonnes/an Agro-alimentaire, ventilateurs

Ciment : Ventilateurs Un cimentier grec pilote ses ventilateurs de 630kW avec des variateurs ABB D’importantes économies d'énergie ont été réalisées par rapport à l’ancienne régulation de débit par registres La consommation d’énergie a été réduite de 163kW Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 1 250 MWh/an 625 tonnes/an Ciment, ventilateurs

Ciment : Ventilateurs Un cimentier mexicain a remplacé la régulation de débit avec registres par des variateurs ABB sur ses deux ventilateurs de 735kW Le gain de productivité s’est chiffré à environ 900 000$ Les coûts de maintenance ont été réduits d’environ 97% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 5 300 MWh/an 2 650 tonnes/an Ciment, ventilateurs

Mine : Ventilateurs Une mine de fer mexicaine a équipé de variateurs ABB ses ventilateurs de refroidissement 1250kW, auparavant à vitesse fixe Résultat : réduction de la consommation énergétique de 23% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 2 300 MWh/an 1 150 tonnes/an Mine, ventilateurs

Mine : Pompes Une mine chinoise a installé 2 variateurs ABB pour remplacer les vannes de 2 pompes à sable 185kW et 55kW L’installation fonctionne 8000 heures par an Retour sur investissement : environ 1 an Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 630 MWh/an 315 tonnes/an Mine, pompes

Mine : Moteurs La société minière suédoise LKAB voulait réduire la consommation énergétique de ses 15 000 moteurs Grâce aux robustes moteurs à haut rendement d’ABB, le client a engrangé les bénéfices des économies d’énergie générées Temps de retour sur investissement : moins de deux ans Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application 16 000 kWh/moteur/an 8 000 tonnes/moteur/an Mine

Métal : Aciérie, Ventilateurs Une aciérie britannique a installé des variateurs ABB sur ses deux ventilateurs d’extraction 1200kW auparavant à vitesse fixe Economie d'énergie : 37% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 4 680 MWh/an 2 340 tonnes/an Métal, ventilateurs

Métal : traitement des fumées, Ventilateurs Un métallurgiste économise annuellement 130 000£ avec des variateurs ABB Une évaluation énergétique de l’installation de traitement des fumées a révélé le potentiel d’économies d’énergie sur un ventilateur 250kW et trois ventilateurs 132kW Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 3 300 MWh/an 1 500 tonnes/an Métal, ventilateurs

Métal : Décalaminage, Pompes Un sidérurgiste taiwanais utilisait une vanne by-pass pilotée par un régulateur PID externe pour contrôler la pression d‘eau des pompes de décalaminage du train à chaud L‘installation de variateurs ABB a permis de considérables économies d‘énergie et d‘eau La consommation annuelle d‘eau a diminué d‘environ 65 000 m3 Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 3 000 MWh/an 1 500 tonnes/an Métal, pompes

Métal : soufflante de haut-fourneau Un sidérurgiste suédois a remplacé une turbine à vapeur alimentant la soufflante du haut-fourneau par un variateur ABB de 6MW Ce remplacement a apporté une économie d'énergie estimée à 16GWh Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 16 000 MWh/an 8 000 tonnes/an Métal, soufflante de haut-fourneau

Pétrole et Gaz : Réservoirs de pétrole, Pompes Une installation de stockage de pétrole aux Emirats Arabes Unis souhaitait contrôler le pompage du pétrole entre réservoirs, des réservoirs vers les bateaux et des bateaux vers les réservoirs La solution ABB mise en place comprenait 20 pompes centrifuges de 350 kW pilotées par un multidrive ABB avec deux unités d’alimentation Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 580 MWh/an 290 tonnes/an Pétrole et Gaz, pompes

Pétrochimie : Soufflante Une raffinerie argentine a remplacé une turbine à gaz pilotant une soufflante par un moteur à induction ABB et un variateur ABB L’indice EII (Energy Intensity Index) s’est amélioré de 10.5% en un an Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 7 560 MWh/an 3 780 tonnes/an Pétrochimie, soufflante

Energie : Ventilateur Une centrale électrique américaine alimentant une université a remplacé les vannes d‘entrée d‘un ventilateur par un variateur ABB L‘Efficacité énergétique s‘est améliorée de 25% Les coûts de maintenance ont diminué de 10 000$/an Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 1 460 MWh/an Environ 730 tonnes/an Energie, ventilateur

Energie : Pompes de chaudière Une centrale à charbon allemande a remplacé les coupleurs hydrauliques régulant deux pompes à eau de chaudières par deux variateurs ABB de 5,8MW chacun Réduction de la consommation énergétique : environ 30% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 6 000 MWh/an Environ 4 800 tonnes/an* Energie, pompes * 0,8 kg/kWh for carbon Energie plants

Energie : Ventilateurs Une centrale énergétique de la compagnie suédoise Kraftingen Produktion AB voulait réduire la consommation énergétique de trois ventilateurs à vitesse fixe, dont le débit était régulé par registres La mise en place de moteurs et variateurs ABB a permis au client d’économiser plus de 22 000€ Temps de retour sur investissement : 3-4 ans Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application 400 MWh/an 200 tonnes/an Energie, ventilateurs

Energie : Pompes de chauffage urbain La société suédoise Mälarenergi AB a remplacé par des variateurs ABB les résistances et moteurs à bagues de ses pompes pour le chauffage urbain. Puissance de chaque moteur : 1765kW. Temps de retour sur investissement : moins d’un an. Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Energie, pompes 1 008 MWh/an 504 tonnes/an

Pétrochimie : Pompes de Raffinerie Une raffinerie saoudienne a été modernisée pour répondre à la future demande interne de produits raffinés Plusieurs pompes à vitesse fixe ont été équipées de variateurs ABB Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 18 700 MWh/an Environ 9 350 tonnes/an Pétrochimie, pompes

Chimie : Pompes et Ventilateurs Une usine chimique chinoise a équipé ses pompes et ventilateurs à vitesse fixe de 8 variateurs ABB, pour une puissance installée total de 977,5 kW Les applications tournent environ 8 000 heures par an Economie d'énergie moyenne : 37% Temps de retour sur investissement : environ 6 mois Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 1 200 MWh/an 600 tonnes/an Chimie, pompes et ventilateurs

Chimie : Ventilateurs Un des principaux producteurs européens de fertilisants et de phosphates pour nourriture animale a équipé cinq ventilateurs de process avec des moteurs et variateurs ABB Remplacement des moteurs existants et de la régulation mécanique du débit La réduction annuelle de consommation d’électricité dépasse les 4 000 MWh Baisse annuelle du coût énergétique : environ 150 000 € Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 400 MWh/an 2 800 tonnes/an Chimie, ventilateurs

Eau : Pompes de surpression Un fournisseur chinois d’eau devait améliorer le rendement des pompes de surpression dans un station alimentant 200 000 personnes Le système de vannage a été remplacé par des variateurs ABB Résultat : environ 30% d’économie d'énergie Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 1 000 MWh/an 500 tonnes/an Eau, pompes

Eau : Pompes Un fournisseur anglais d’eau a remplacé trois vieux variateurs (20 ans d’âge), qui étaient inefficaces, peu fiables et bruyants Resultats : plus de 65% d’économie d'énergie et un temps de retour sur investissement de seulement sept mois Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 143 MWh/an 63 tonnes/an Eau, pompes

Eau : Pompes Une ville néerlandaise exploite une station de traitement des eaux usées Un ensemble de pompes transporte après collecte les eaux usées vers l’installation de traitement 15 pompes fonctionnant auparavent en tout ou rien ont été équipées de variateurs ABB Les économies d'énergie sont réalisées par temps sec Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 150 MWh/an 75 tonnes/an Eau, pompes

Eau : Pompes de distribution Un fournisseur d’eau thaïlandais alimentant 11 millions de personnes en eau potable, devait améliorer l’efficacité de ses stations de pompage pour la distribution 13 variateurs ABB, totalisant 13,5 MW, ont remplacé les variateurs à courant de Foucault Economies d'énergie : de 15 à 30% Economie d'énergie Réduction d'émission CO2 Segment et application Environ 2 000 MWh/an 1 000 tonnes/an Eau, pompes

ArcelorMittal : chaudières ArcelorMittal, France Une évaluation d’efficacité énergétique conduite par ABB dans une aciérie française d’ArcelorMittal a identifié 53 opportunités d’économies d’énergie représentant un montant potentiel d’économie de 13,9MUSD. Les économies en gaz ont été estimées à 8,3MUSD et celles en électricité à 6MUSD. « Nous sommes très satisfaits des résultats, car ABB a clairement identifié les gisements d’économies d’énergie et comment les valoriser. Ce travail a vraiment été apprécié, c’est mieux qu’un audit » Jeroen van Lishout, Energy Manager, ArcelorMittal Europe

ArcelorMittal : chaudières ArcelorMittal, résultats de l’audit énergétique d’ABB : 2009 : passage de la 1ère chaudière en vitesse variable 2011 : passage de la 2e chaudière en vitesse variable 2012 : 3e chaudière? Pour chaque chaudière : Ventilateur de tirage : 1 variateur ACS800-07-2120-7 – 1700kW/690V Ventilateur de soufflage : 1 variateur ACS800-07-0870-7 – 710kW/690V Ventilateurs du shelter : 4 variateurs ACS355-03E-12A5-4 – 5,5kW/400V Le tout mis en shelter spécifique

ArcelorMittal Fos : chaudières

Efficacité énergétique : conclusion Philippe Brem, septembre 2011 Efficacité énergétique : conclusion © ABB Group May 11, 2019 | Slide 95

Efficacité énergétique : contexte Sans actions appropriées, on prévoit que la consommation mondiale d’énergie doublera entre 2010 et 2050 A moyen ou long terme, les prix de l’énergie vont augmenter Une croissance non maîtrisée de l’énergie fossile accélérera les changements climatiques

Efficacité énergétique Une approche gagnant-gagnant La demande énergétique et les prix de l’énergie augmentent L’Efficacité énergétique est une question fondamentale aussi bien au niveau national qu’international C’est une exigence globale Pour les utilisateurs l’Efficacité énergétique est une opportunité multiple Réduction des coûts Contribution au développement durable Image publique positive pour l’engagement environnemental Pour ABB l’Efficacité énergétique est Un point-clé de notre mission Une contribution au développement durable

Confidential © ABB Group January, 2009 | Slide 98