Sauver la planète, un moteur à la fois

L'Accord de Paris de 2015 a établi un plan visant à limiter le réchauffement climatique à 1,5°C d'ici 2050. Atteindre l'objectif de 1,5°C en 2050 nécessite une réduction d'environ 70 % des émissions de CO2 par rapport aux niveaux de 2018. La trajectoire actuelle du réchauffement climatique pourrait entraîner des perturbations importantes sur les plans économique, sociétal et environnemental. Le monde s'est déjà réchauffé de 1,1°C et les experts estiment qu'il est probable que le seuil de 1,5°C soit franchi dans les années 2030.

La figure 1 décrit un chemin vers 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) examine deux scénarios pour la trajectoire des émissions mondiales. Le premier est le scénario des politiques déclarées, qui estime les émissions sur la base des politiques gouvernementales annoncées publiquement. Le second est le scénario de développement durable, qui explore des voies supplémentaires pour réduire les émissions. La plus grande opportunité de réduction des émissions de CO2 dans le cadre du scénario de développement durable de l'AIE repose sur les gains en efficacité énergétique, représentant 37 % des réductions du scénario de développement durable par rapport au scénario des politiques déclarées. Avec 25 % des émissions de CO2 provenant de l'industrie en 2022 [2], accélérer les investissements dans l'efficacité énergétique industrielle sera une partie importante du chemin vers la neutralité carbone en 2050.

Pourquoi les moteurs industriels sont importants

L'approvisionnement mondial en électricité en 2022 était de 28 642 térawattheures, contribuant à 13,2 Gt d'émissions de carbone. L'industrie consomme environ 30 % de l'électricité mondiale et, au sein de l'industrie, les moteurs électriques représentent environ 70 % de la consommation électrique. De toute évidence, l'efficacité de ces composants constitue une contribution potentiellement cruciale 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 connectés directement au réseau CA, utilisant des appareillages de commutation pour fournir un contrôle marche/arrêt et une protection de base. Ces solutions de mouvement fonctionnent à une vitesse relativement fixe, indépendante de toute variation de charge. Les ajustements des variables de sortie (comme le débit dans les pompes et les ventilateurs) sont effectués avec des commandes mécaniques telles que des vannes, des registres et des soupapes, tandis que des changements de vitesse significatifs sont mis en œuvre avec des engrenages.

L'ajout d'un redresseur, d'un bus DC et d'un étage onduleur triphasé, comme illustré dans la Figure 3(b), crée un onduleur avec une fréquence variable et une sortie de tension variable qui est appliquée au moteur pour permettre un contrôle de vitesse variable. Ce moteur entraîné par onduleur réduit significativement la consommation d'énergie du système en faisant fonctionner le moteur à la vitesse optimale pour la charge et l'application. Parmi les exemples figurent des pompes et des ventilateurs à plus haute efficacité. Lorsqu'un onduleur est ajouté au moteur existant d'une pompe, d'un ventilateur ou d'un compresseur, il peut réduire potentiellement la consommation d'énergie entre 25 % et 60 %, selon le moteur et l'application. Pour des applications de contrôle de mouvement à haute performance, un VSD (Figure 3(c)) permet un contrôle précis du couple, de la vitesse et de la position.

On estime qu'environ une machine sur six déployée dans l'industrie est équipée d'un variateur ou connectée à un VSD. En passant davantage d'équipements de mouvement déployés des moteurs connectés au réseau aux systèmes équipés de variateurs ou de VSD, il est possible de réduire significativement la consommation énergétique et les émissions de CO. Ces réductions de consommation d'énergie permettraient une fabrication plus durable avec des émissions de CO2 réduites. Il a été estimé que si tous les systèmes à moteur déployés fonctionnaient à leur efficacité maximale, cela réduirait la demande mondiale en électricité de 10 % et éliminerait 2490 Mt d'émissions de CO2 en 2030.

Normes d'efficacité des moteurs

Pour accélérer le déploiement de systèmes motorisés à plus haute efficacité, la Commission Électrotechnique Internationale (IEC) a contribué à la définition de normes pour les moteurs électriques économes en énergie. Cela inclut la norme de test IEC 60034-2-1 pour les moteurs électriques et le système de classification IEC 60034-30-1 comprenant quatre niveaux d’efficacité des moteurs (IE1 à IE4), le niveau IE5 devant être introduit à l’avenir. Les normes de niveau supérieur peuvent être atteintes soit par une conception plus efficace des moteurs, soit par l’ajout d’un variateur ou VSD à une conception standard de moteur. À mesure que les classes d’efficacité deviennent plus strictes, les atteindre uniquement par une amélioration de la conception des moteurs devient de plus en plus difficile et coûteux. En parallèle avec les avantages supplémentaires offerts par le contrôle à vitesse variable dans l’application, l’argument en faveur de l’ajout d’un VSD à la plupart des moteurs industriels devient de plus en plus convaincant.