Les moteurs électriques sont couramment utilisés dans les applications de fabrication depuis au moins la fin des années 1800. En comparaison aux méthodes antérieures, elles offraient de nombreux avantages, notamment un couple instantané, une meilleure contrôlabilité et une maintenance réduite. Si la technologie des moteurs s’est certainement améliorée au fil des ans, il reste encore de grands progrès à faire. Cet article d’Analog Devices explore la manière dont le processus d’amélioration de l’efficacité des moteurs électriques peut contribuer à réduire les émissions contribuant au changement climatique.
L’accord de Paris de 2015 a établi un plan visant à limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C d’ici 2050. Pour atteindre l’objectif de 1,5 °C en 2050, il faut réduire les émissions de CO2 d’environ 70 % par rapport aux niveaux de 2018. La trajectoire actuelle du réchauffement climatique peut entraîner des perturbations économiques, sociétales et environnementales majeures. La planète s’est déjà réchauffée de 1,1 °C et les experts estiment qu’elle risque de dépasser 1,5 °C dans les années 2030.
La figure 1 décrit la voie à suivre afin d’atteindre l’objectif de 1,5 °C en réduisant les émissions de CO2 à moins de 10 Gt CO2, comme indiqué dans le World Energy Outlook 2019. Dans ce rapport, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) se penche sur deux scénarios relatifs à la trajectoire des émissions mondiales. Le premier est le scénario des politiques déclarées, lequel estime les émissions sur la base des politiques gouvernementales annoncées publiquement. Le second est le scénario de développement durable, qui étudie d’autres moyens de minimiser les émissions. La plus grande opportunité de réduire les émissions de CO2 dans le cadre du scénario de développement durable de l’AIE réside dans les gains d’efficacité énergétique, qui représentent 37 % des réductions du scénario de développement durable par rapport au scénario des politiques établies. Compte tenu du fait que 25 % des émissions de CO2 proviennent de l’industrie en 2022 [2], l’accélération des investissements dans l’efficacité énergétique industrielle constituera un facteur essentiel en vue d’atteindre des émissions nettes nulles en 2050.
Figure 1 : Trajectoire vers la réduction des émissions de CO2
L’importance des moteurs industriels
L’approvisionnement mondial en électricité en 2022 était de 28 642 térawattheures, soit 13,2 Gt d’émissions de carbone. L’industrie consomme environ 30 % de l’électricité mondiale et, dans l’industrie, les moteurs électriques représentent environ 70 % de la consommation d’électricité. Il est clair que l’efficacité de ces composants est une contribution potentiellement critique aux économies d’efficacité identifiées dans la figure 1. Les solutions de mouvement les plus basiques et les moins efficaces sont basées sur des moteurs triphasés à courant alternatif direct connectés au réseau, qui utilisent un appareillage de commutation pour assurer la commande marche/arrêt et la protection de base. Ces solutions de mouvement fonctionnent à une vitesse relativement fixe, indépendamment de toute variation de charge. Les ajustements des variables de sortie (comme le débit de fluide dans les pompes et les ventilateurs) sont mis en œuvre par des commandes mécaniques telles que des étrangleurs, des amortisseurs et des vannes, tandis que les changements de vitesse importants sont mis en œuvre par des engrenages.
Figure 2 : Le rôle des moteurs industriels dans la consommation mondiale d’énergie
L’ajout d’un redresseur, d’un bus CC et d’un étage d’onduleur triphasé, tel qu’illustré à la figure 3(b), crée un onduleur à fréquence variable et une sortie de tension variable qui est appliquée au moteur pour permettre une commande de vitesse variable. Ce moteur piloté par onduleur réduit considérablement la consommation d’énergie du système en faisant tourner le moteur à la vitesse optimale pour la charge et l’application. Il s’agit par exemple de pompes et de ventilateurs plus efficaces. Lorsqu’il est ajouté au moteur existant d’une pompe, d’un ventilateur ou d’un compresseur, un inverseur peut potentiellement réduire la consommation d’énergie de 25 à 60 %, en fonction du moteur et de l’application. Pour les applications de contrôle de mouvement plus performantes, un VSD (figure 3(c)) assure un contrôle précis du couple, de la vitesse et de la position.
Figure 3 : (a) Moteur à courant alternatif connecté au réseau (b) Moteur alimenté par un onduleur (c) Entraînement de moteur à vitesse variable
On estime que seulement 1 sur 6 de tous les moteurs déployés dans l’industrie sont entraînés par un variateur ou connectés à un VSD. En remplaçant les moteurs connectés au réseau par des moteurs à onduleur ou des variateurs de vitesse, il est possible de réduire de manière significative la consommation d’énergie et les émissions de CO2. Ces réductions de la consommation d’énergie permettraient une fabrication plus durable, avec des émissions de CO2 réduites. Il a été estimé que si tous les systèmes motorisés déployés fonctionnaient avec une efficacité maximale, cela permettrait de réduire la demande mondiale d’électricité de 10 % et d’éliminer 2 490 Mt d’émissions de CO2 en 2030.
Normes d’efficacité des moteurs
Afin d’accélérer le déploiement de systèmes motorisés plus efficaces, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a contribué à la définition de normes pour les moteurs électriques à haut rendement énergétique. Il s’agit notamment de la norme d’essai CEI 60034-2-1 pour les moteurs électriques et du système de classification CEI 60034-30-1 comprenant quatre niveaux d’efficacité des moteurs (IE1 à IE4), le niveau IE5 devant être introduit à l’avenir. Les normes les plus élevées peuvent être atteintes soit par une conception de moteur plus efficace, soit par l’ajout d’un onduleur ou d’un VSD à une conception de moteur standard. Les classes d’efficacité devenant de plus en plus strictes, il devient de plus en plus difficile et coûteux de les respecter en améliorant uniquement la conception du moteur. En plus des avantages supplémentaires apportés par le contrôle de la vitesse variable dans l’application, les arguments en faveur de l’installation d’un VSD sur la plupart des moteurs industriels sont de plus en plus convaincants.