Variateurs de fréquence : moins de charge moteur, plus de capacité réseau

Environ 50 millions de moteurs électriques entraînent les ventilateurs, les pompes et les compresseurs des usines et des bâtiments américains. Ensemble, ils consomment l'équivalent de près du tiers de la demande électrique totale des États-Unis. Un article d'IEEE Spectrum soutient que beaucoup de ces moteurs consomment bien plus que leur charge ne l'exige, et que les variateurs de fréquence (VFD) constituent le moyen le moins coûteux de combler cet écart.

Le cadrage de départ de ce sujet appelle une correction. Un VFD ne fait pas passer davantage de courant dans les lignes de transport ou de distribution existantes. Il fait l'inverse : il réduit la charge en bout de ligne. L'effet sur un réseau congestionné peut sembler comparable, puisque la capacité qui n'est plus consommée devient disponible pour quelqu'un d'autre. Le mécanisme et les limites techniques diffèrent cependant, et les ingénieurs doivent bien distinguer les deux.

01Ce que fait réellement un variateur

Un moteur à induction standard alimenté par une source fixe de 50 ou 60 Hz tourne à une vitesse quasi constante. Lorsqu'un ventilateur ou une pompe n'a pas besoin de sa pleine puissance, la solution habituelle est l'étranglement mécanique, avec des registres, des vannes ou une recirculation. Le moteur continue de tourner à pleine vitesse et l'énergie excédentaire est dissipée.

Un VFD est un convertisseur d'électronique de puissance. Il redresse le courant alternatif entrant vers un bus continu, puis utilise un onduleur pour synthétiser un courant alternatif à la fréquence et à la tension dont le moteur a besoin. Abaisser la fréquence réduit la vitesse de l'arbre. Une boucle de régulation, généralement asservie à une consigne de pression ou de température, ajuste la vitesse en continu pour suivre la demande.

Les économies découlent de la physique des charges centrifuges. D'après les lois de similitude, le débit varie avec la vitesse et la hauteur manométrique avec son carré, de sorte que la puissance à l'arbre varie avec le cube. À 80 % de la vitesse, la puissance tombe à 0,8³ = 0,512 de la puissance à pleine vitesse, soit une baisse de 49 % pour une réduction de débit de 20 %. À 60 % de la vitesse, la puissance chute à seulement 22 % de la demande à pleine vitesse.

Neal Elliott, directeur émérite de l'American Council for an Energy-Efficient Economy, estime les économies d'énergie typiques d'un VFD sur un moteur à environ 40 à 60 %, selon le reportage de Spectrum. Il s'agit d'une fourchette pour les applications adaptées, non d'une garantie pour chaque moteur.

02Où les économies sont réelles, et où elles ne le sont pas

La loi cubique ne vaut que pour les charges qui se comportent comme du pur frottement. Une pompe qui élève de l'eau contre une hauteur statique, par exemple, doit fournir un travail minimal qu'aucune réduction de vitesse ne peut supprimer. Un guide technique indique que, dans les systèmes à forte hauteur statique, les économies réelles seront inférieures à celles calculées. Un autre précise que le gain peut représenter moins de la moitié du chiffre issu de la loi cubique, et qu'il faut superposer la courbe de la pompe à celle du réseau pour le savoir avec précision.

D'autres contraintes s'appliquent :

• Pertes du variateur. Un onduleur perd généralement de 2 à 4 % de la puissance transitée sous forme de chaleur ; un variateur qui fait tourner un moteur à pleine vitesse toute la journée n'économise donc rien.
• Charges à couple constant. Les convoyeurs et les compresseurs volumétriques ne bénéficient pas de l'effet cubique. Les économies y proviennent d'un meilleur ajustement à la charge, et non des lois de similitude.
• Comportement du moteur à charge partielle. Le rendement d'un moteur chute nettement lorsque la charge descend sous 40 %, ce qui explique que le bon dimensionnement et les variateurs soient souvent évalués ensemble.
• Qualité de l'énergie. Les variateurs absorbent un courant non sinusoïdal. Le filtrage des harmoniques, ainsi que les contraintes sur les câbles et l'isolation des moteurs, doivent figurer dans tout cahier des charges de rénovation. Les sources que j'ai consultées ne chiffrent pas ces coûts.

03L'écart d'adoption

Le potentiel existe parce que le déploiement est faible. Spectrum, citant l'évaluation de marché de 2021 du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), indique que seulement 16 % des systèmes motorisés industriels et 4 % des moteurs du secteur commercial utilisent des VFD. L'article l'attribue en partie à la lourdeur perçue de la rénovation et au fait que les variateurs ne sont généralement pas obligatoires.

Le rapport du LBNL (volume 1) apporte des précisions utiles pour le ciblage. L'adoption des variateurs augmente avec la taille des sites : 17 % de la capacité des systèmes motorisés des grands sites industriels est équipée d'un VFD, contre 8 % dans les petits. Le même rapport constate que près de la moitié de la consommation d'électricité des systèmes motorisés provient d'environ 3 500 sites, soit 1,5 % des sites manufacturiers américains. Un programme visant quelques milliers de grands sites pourrait donc toucher une part importante de la charge.

La marge de progression ressort aussi des données de charge. Le LBNL a constaté que 47 % des systèmes motorisés industriels et 50 % des systèmes commerciaux fonctionnent à moins de 75 % de leur pleine capacité. Le laboratoire a estimé que le redimensionnement des moteurs ou l'installation d'un VFD pourrait économiser 115 000 GWh par an dans les deux secteurs.

À titre de conversion approximative, 115 000 GWh répartis uniformément sur 8 760 heures représentent une moyenne d'environ 13 GW. Ce calcul est le mien, non un chiffre du LBNL. Le soulagement de capacité sur le réseau dépend de la demande de pointe coïncidente, qu'un chiffre d'énergie annuelle ne saisit pas. Les « gigawatts » doivent être considérés comme un ordre de grandeur, non comme une prévision.

04Pourquoi c'est important pour les files d'attente d'interconnexion

Selon Spectrum, une demande moindre des moteurs libérerait de la capacité sur le réseau pour de gros consommateurs comme les centres de données et les véhicules électriques. Elle aiderait aussi les usines qui passent d'un chauffage aux combustibles fossiles à des solutions électrifiées à base de moteurs, comme les pompes à chaleur, alors que les prix de l'électricité industrielle grimpent. Spectrum ajoute que la technologie des VFD s'est perfectionnée et coûte moins cher à installer que celle des générations précédentes.

Pour un ingénieur confronté à un départ ou à un poste source saturé, la comparaison avec les solutions côté offre est instructive. Les technologies d'optimisation du réseau agissent sur le réseau lui-même :

Les deux approches sont complémentaires, non concurrentes. Un dispositif au niveau du réseau de transport peut ajouter 100 MW à un poste. Un programme de variateurs est réparti sur des milliers de sites et doit être mesuré moteur par moteur. Son avantage est de ne nécessiter ni autorisation auprès du gestionnaire de réseau ni accès à un corridor. Il réduit aussi la facture du client et, parce qu'il diminue les kWh comme les kW, évite la production qui serait autrement nécessaire.

05Ce qui reste à démontrer

Trois points ressortent. Premièrement, une grande partie des preuves d'économies provient de modèles d'ingénierie et de sources proches des fabricants. Les économies réalisées dépendent du profil de fonctionnement, de la hauteur statique et de la qualité de la régulation ; la mesure et la vérification sont donc essentielles. Deuxièmement, le bénéfice pour le réseau n'est pas automatique. Les réductions de charge ne soulagent une contrainte que si elles interviennent au bon nœud et aux bonnes heures. Un départ limité par une pointe de soirée estivale n'en profite que si les moteurs fonctionnent à ce moment-là. Troisièmement, l'économie de l'adoption reste à éclaircir. Spectrum note que les variateurs ne sont généralement pas imposés, et les données du LBNL suggèrent que les freins sont en partie organisationnels.

Les distributeurs et les régulateurs sont confrontés à une version du même problème avec le matériel de réseau. Le Center on Global Energy Policy de Columbia affirme que le déploiement des technologies d'optimisation du réseau est freiné par des incitations mal alignées pour les opérateurs, des obstacles d'accès aux données et une réglementation qui récompense les investissements à forte intensité capitalistique. La leçon côté demande est similaire. Le matériel est mature ; les questions ouvertes sont de savoir qui paie, qui mesure le résultat et qui capte la capacité libérée.