Quand la récupération d'énergie est-elle rentable ?
Les convertisseurs capables de réinjecter de l'énergie rendent les énergies génératrices utilisables
Les technologies de récupération réinjectent l’énergie de freinage dans le réseau. Il peut s’agir d’une approche très efficace sur le plan énergétique. Cependant, ces technologies impliquent souvent des coûts d’investissement plus élevés. Il peut également y avoir des pertes d’énergie supplémentaires dues à des rendements plus faibles, de sorte que les économies d’énergie sont rares, voire inexistantes. Vérifiez donc toujours si l’investissement dans des unités de récupération d’énergie est rentable pour votre application. Découvrez comment dans ce Tech Insight.
Récupération d'énergie : qu'est-ce que l'énergie génératrice ?
Nous rencontrons les énergies génératrices dans la vie de tous les jours, par exemple lors du freinage d’une voiture hybride ou électrique. Lors du freinage, le moteur électrique de la voiture se transforme en générateur et l’énergie de freinage retourne à la batterie sous forme d’énergie électrique. Le principe d’action dans l’industrie est le même.
Dans les systèmes d’entraînement à vitesse variable, le flux d’énergie va du réseau à la machine de travail. Un système d’entraînement à vitesse variable se compose des éléments suivants : Le réseau électrique fournit la puissance nécessaire pour entraîner le processus de travail. Le convertisseur convertit la tension et la fréquence constantes du réseau en grandeurs variables et impose la vitesse au moteur. Le moteur électrique entraîne le processus de travail en convertissant la puissance électrique en puissance mécanique. La machine de travail transforme la puissance mécanique du moteur en mouvement, en transport de matériaux ou en pression, par exemple.
En mode générateur, tous les processus physiques agissent dans le sens inverse. Cela signifie que dans certaines conditions de fonctionnement, l’énergie de la machine de travail revient au convertisseur.
Quand l'énergie génératrice apparaît-elle ?
La machine de travail produit de l’énergie génératrice dans certaines conditions de fonctionnement, comme par exemple lors des processus de freinage des centrifugeuses. Dans ce cas, la vitesse de rotation de la machine de travail diminue et l’énergie cinétique précédemment absorbée est dissipée. L’abaissement d’un mécanisme de levage ou d’un ascenseur constitue également un tel état de fonctionnement. C’est là que l’énergie potentielle, qui a été absorbée auparavant en soulevant ou en maintenant la charge, est restituée.
Si une application avec moteur électrique subit un freinage, comme par exemple la descente d’un ascenseur, elle génère de l’énergie génératrice qui peut être réinjectée dans le réseau.
L’énergie fournie par la machine de travail est absorbée par le moteur électrique, qui agit alors comme un générateur, et transformée en énergie électrique. Plus les conditions de fonctionnement décrites sont fréquentes, plus le moteur fonctionne souvent en générateur et plus l’énergie génératrice peut être réinjectée.
Une partie de l’énergie est perdue sous forme de puissance dissipée par le travail mécanique de la charge et par le travail de friction. La partie restante arrive dans le circuit intermédiaire du convertisseur via le moteur. La structure typique des variateurs de fréquence empêche le flux d’énergie du variateur vers le réseau, c’est pourquoi l’énergie est généralement convertie en chaleur et transmise à l’environnement sous forme de puissance dissipée. Pour rendre l’énergie utilisable, différentes technologies de récupération sont utilisées.
Manipulation de l'énergie génératrice
Examinons tout d’abord les méthodes dans lesquelles l’énergie génératrice reste inutilisée et est évacuée, mais où les coûts d’investissement sont faibles, voire inexistants.
- Le moteur comme résistance de freinage : le moteur lui-même agit alors comme une résistance de freinage et absorbe l’énergie sous forme d’énergie thermique. Le principe de base repose sur l’inversion de l’aimantation du moteur. Toutefois, si l’énergie génératrice est trop élevée, le moteur peut facilement surchauffer, ce qui risque d’endommager le moteur et de provoquer une panne.
- Chopper de freinage avec résistance de freinage : les choppers de freinage avec résistance de freinage font également partie des méthodes de freinage à perte. Ce procédé est également soumis au principe de la transformation de l’énergie en chaleur. Le hacheur de freinage est un commutateur à semi-conducteurs qui pulse la tension du circuit intermédiaire sur une résistance de freinage, créant ainsi un flux de courant cadencé dans la résistance de freinage. Ce flux de courant génère de la chaleur à travers la résistance ohmique de la résistance de freinage, qui est transmise à l’environnement.
Comment utiliser l'énergie génératrice
Dans la pratique, il existe deux solutions techniques courantes, alternatives aux méthodes de perte de freinage, qui permettent d’utiliser l’énergie génératrice. Les deux solutions techniques sont possibles avec les variateurs de fréquence Danfoss.
- Couplage du circuit intermédiaire par un variateur de fréquence avec redresseur actif : ce type de variateur peut connecter son circuit intermédiaire à courant continu au circuit intermédiaire d’autres appareils. Il est ainsi possible d’alimenter d’autres appareils directement avec l’énergie réinjectée. Il y a toutefois quelques restrictions à prendre en compte. Par exemple, les utilisateurs doivent s’assurer qu’un court-circuit dans un appareil ne peut pas endommager d’autres appareils. En outre, il faut tenir compte des conséquences si tous les appareils couplés fournissent simultanément de l’énergie produite en générateur.
- Réinjection de la puissance par des variateurs de fréquence capables de réinjecter la puissance : les variateurs de fréquence avec Active Front-End ou Active Infeed Converter peuvent réinjecter la puissance générée par le générateur dans le réseau électrique. Ces appareils nécessitent un investissement initial plus important. La rentabilité de ces appareils destinés à être réinjectés dans le réseau dépend de trois facteurs.
Variateurs de fréquence avec réinjection d'énergie dans le réseau : quand l'investissement est-il rentable ?
Avec les convertisseurs capables de réinjecter de l’énergie, l’énergie générée n’est pas perdue, mais utilisée. Cela améliore l’efficacité énergétique. Cependant, les convertisseurs avec réinjection d’énergie dans le réseau ont des rendements inférieurs à ceux des convertisseurs sans réinjection d’énergie dans le réseau et, par conséquent, des pertes beaucoup plus élevées. C’est pourquoi il convient de vérifier pour chaque application si l’énergie de renvoi peut compenser ces pertes et si l’investissement accru dans un convertisseur capable de renvoyer l’énergie vaut la peine. La rentabilité de la réinjection d’énergie dans le réseau peut être déterminée à l’aide des trois facteurs suivants :
- Quantité d’énergie génératrice disponible : la plupart des applications génèrent de l’énergie lors des processus de décélération. Cette énergie diminue continuellement pendant la variation de vitesse. En théorie, l’énergie génératrice correspond à 50 % de la différence entre l’énergie présente dans le système au début de la décélération et l’énergie présente dans le système à la fin de la décélération. Mais en réalité, cette valeur se situe quelque part entre 10 et 20 pour cent. Il existe des exceptions pour les ascenseurs, les grues et les applications de levage.
- Cycle de charge et pourcentage du temps passé en mode générateur : plus un moteur fonctionne souvent en mode générateur, plus il peut réinjecter d’énergie dans le réseau. Il convient donc de déterminer les états du cycle de charge qui génèrent de l’énergie. Un cycle de charge se définit par exemple par la part de temps consacrée à la montée (fonctionnement motorisé) et à la descente (fonctionnement en générateur) d’un dispositif de levage.
- Pertes : le moteur, les câbles, les engrenages et même l’appareil de réinjection lui-même génèrent des pertes qui réduisent l’énergie à réinjecter dans le réseau. Les pertes du convertisseur avec réinjection d’énergie dans le réseau sont alors beaucoup plus élevées que celles d’un convertisseur de fréquence standard. En effet, ils utilisent un redresseur actif dont les pertes peuvent être deux fois plus importantes qu’un redresseur normal, aussi bien en fonctionnement qu’en veille. En fonction de leur conception, les variateurs de fréquence capables de réinjecter de l’énergie dans le réseau et dépourvus des filtres nécessaires génèrent davantage de courants harmoniques, ce qui peut également entraîner des pertes plus importantes dans le réseau.
Pour l’exemple de cas de l’ascenseur de personnes, il ressort du calcul à droite que l’utilisation de l’énergie de freinage n’est pas rentable.
Dans les ascenseurs pour personnes, de l’énergie génératrice est produite lorsque l’ascenseur descend. Néanmoins, l’utilisation de variateurs de fréquence avec réinjection d’énergie dans le réseau n’est pas rentable, car la part du temps consacrée au fonctionnement en générateur est trop faible. L’énergie génératrice ne peut donc pas compenser les pertes supplémentaires du convertisseur capable de réinjecter de l’énergie. Aucune économie ne peut être réalisée grâce à la réinjection d’énergie. La consommation d’énergie est plus faible avec un variateur standard.
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La deuxième étude de cas porte sur un pont roulant. La part du temps consacrée au fonctionnement en mode générateur est élevée. Des économies d’énergie sont réalisées grâce à la technologie de récupération. Dans l’exemple de calcul, cela permet d’économiser environ 100 euros par an sur les coûts énergétiques. L’investissement est donc amorti au bout de deux ans seulement, et même plus rapidement si les prix de l’énergie sont plus élevés.
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