Etude sur l`Electro-VAR dans un réseau électrique

SOLUTIONS POUR LES ECONOMIES D’ENERGIE
RAPPORT SUR L’ELECTRO-VAR
Etude sur l’Electro-VAR dans un réseau électrique
Analyse sur les économies d’énergie
Micro Genesis
28 Septembre 2012
En collaboration avec: John A. Guidotti, Ing. (Micro Genesis)
Rapport préparé par:
Hamadache Mohamed, M. Ing. Électrique (Power Quebec)
Manjit Mand, M. Ing Électrique (Power Quebec)
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RAPPORT SUR L’ELECTRO-VAR
Résumé
L'efficacité de l'énergie électrique est d'une importance primordiale pour les entreprises industrielles et
commerciales opérant sur des marchés concurrentiels. De plus, l'utilisation optimale des équipements
constitue l'une des préoccupations principales que l'industrie tente de concilier avec l’efficacité
énergétique, pour des raisons à la fois économiques et environnementales.
En effet, de plus en plus consciente de son impact sur l'environnement, la société est en perpétuelle
recherche de la réduction de sa consommation d'énergie, ce qui est aujourd’hui réalisable grâce à
l'utilisation de mesures correctives telles que l’optimisation des réseaux électriques. La consommation
d'électricité est ainsi optimisée, ce qui conduit à une consommation d'énergie diminuée et à la
réduction des émissions de gaz à effet de serre(CO2).
Ce rapport présente le concept de l’optimisation d’un réseau électrique et son rôle dans la réduction de
la consommation d'énergie et dans les économies réalisées sur la facture d'électricité.
L’optimisation du réseau électrique est un moyen visant à améliorer la qualité de l'alimentation d'une
installation. L’opportunité d'apporter une contribution significative à l'environnement, tout en tirant
des avantages économiques existe. Ce rapport identifie ces points et présente les économies totales
réalisées sur la facture d'électricité.
Objectifs de l’étude
L'objectif de ce rapport est de calculer les économies totales de la facture l'électricité en améliorant le
facteur de puissance aussi proche que possible de l’unité. On y présente les avantages de l'optimisation
du réseau électrique qui peut se traduire par une faible puissance réactive (kVA), tirée de la ligne qui
engendre des réductions dans les pertes en ligne, les pertes de transformation et, dans certains cas, des
économies de l’énergie absorbée par la charge par l’amélioration de la qualité de l'électricité fournie à
la charge.
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1. Optimisation du réseau électrique: introduction
Le facteur de puissance d'un système fait référence à la relation entre la puissance réelle et la puissance
réactive. Il s'agit d'une mesure de l'efficacité de l’alimentation électrique dans un circuit donné.
Cette dernière est constituée de deux composantes orthogonales – la puissance réelle (qui effectue « le
travail) » et la puissance réactive (qui développe et maintient les champs électromagnétiques), le
facteur de puissance étant le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente comme
représenté ci-dessous.
Schéma -1
Relation entre la puissance réelle et la puissance apparente
Une charge est typiquement constituée d’un composant résistif et d’un composant réactif. La puissance
réelle, mesurée en kW, est dissipée dans le composant résistif qui effectue le «travail» du système et
fournit le mouvement et la chaleur. La puissance réactive, mesurée en kVAR, ne contribue pas au
«travail» en tant que tel, mais soutient plutôt le champ électromagnétique nécessaire pour faire
fonctionner l'appareil. C'est ce niveau de puissance réactive par rapport à la puissance réelle qui
détermine le facteur de puissance. Pour un dispositif de chauffage (qui est une charge purement
résistive) la puissance réactive est égale à zéro; les formes d'ondes de tension et de courant sont en
phase, l'angle d'alimentation est égal à zéro et par conséquent le facteur de puissance, fp = cos (0) = 1.
Pour un moteur qui nécessite un champ électromagnétique pour fonctionner, le facteur de puissance
peut être de l'ordre de 0,8.
Bien que le courant à travers le composant réactif (réactif) ne dissipe pas d'énergie (et par conséquent
n'est pas mesuré par un compteur de kWh), ce courant nécessite tout de même d’être transmis le long
des lignes de distribution afin de dissiper l'énergie par le biais d'autres éléments résistifs dans le système
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(câblage, interrupteurs, tableaux de distribution, etc.) En générant / fournissant ce courant réactif
localement par le biais de l'optimisation des équipements dans le circuit électrique, moins d'énergie doit
être fournie par le réseau de distribution, conduisant ainsi à la diminution des pertes de tension, une
amélioration de la tension de la ligne et une diminution de la facture d'électricité.
La puissance réactive peut être fournie par le biais d’une méthode d’optimisation du réseau électrique
impliquant l’installation du condensateur «Electro-VAR» (E-VAR), qui a pour effet de réduire la
magnitude du courant de ligne tel qu'indiqué au schéma-2.
Schéma-2
Effet de l’Electro-VAR sur la ligne de courant
Selon le schéma ci-dessus, il apparaît que la réduction des pertes en ligne et des pertes associées via
l’optimisation du circuit électrique est effective. La capacité fournie par le E-VAR fournit de la puissance
réactive localement et réduit l'angle de θ à φ conduisant à la réduction du courant de ligne du réseau
électrique. De cette manière, les pertes en ligne qui sont typiquement de 5% dans un réseau basse
tension sont réduites.
2. Avantages de la correction du facteur de puissance [1]
2.1 Réduction des factures d'électricité
Par l'optimisation du réseau électrique, les pertes en ligne qui comprennent les pertes cuivre
(principalement les pertes de chaleur dans le câblage) et les pertes de transformation qui incluent les
pertes fer et les pertes cuivre sont réduites. L’optimisation du réseau électrique améliore les utilisations
réelles de la charge par la puissance en améliorant la qualité de l'électricité fournie à la charge.
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2.2 Capacité accrue du système électrique
Le E-VAR dans les réseaux électriques fournit de l'énergie réactive et réduit globalement le courant
nécessaire à partir de l'alimentation. Cette réduction entraîne moins de charge sur le transformateur et
sur le circuit d'alimentation. Moins d'entretien est nécessaire, le disjoncteur est déclenché moins
souvent, le fusible brûle moins et la capacité à pleine charge du transformateur est plus élevée.
2.3 Amélioration des niveaux d’énergie de la tension
La basse tension peut être causée par un manque de puissance réactive. En outre, les chutes de tension
sont souvent causées par des charges dynamiques. Dans les deux cas, l'effet peut être néfaste. La basse
tension (en dessous de la tension nominale) réduit l'efficacité du moteur et peut provoquer une
surchauffe.
2.4 Réduction des pertes en ligne
Le E-VAR dans le réseau électrique fournit de l'énergie réactive et réduit la demande kVA de la ligne. En
diminuant les kVA, les pertes en ligne dans les réseaux électriques sont réduites.
3. Analyse des économies d’énergie
3.1 Analyse de la consommation sans le E-VAR [2]
Pour calculer les économies d'énergie atteintes par le biais de l’optimisation du réseau électrique, on
prend un bâtiment commercial avec différents sous-circuits et on calcule la consommation d'énergie
par les charges avec et sans E-VAR. Le schéma-3 montre les différentes branches avec un facteur de
puissance 0,8 qui est la valeur typique pour les équipements électriques. Pour les pertes en ligne du
réseau de distribution nous considérerons 5% de pertes dans le réseau de distribution basse tension.
3.2 Les pertes d'énergie dans le réseau électrique sans Electro-VAR
Les pertes dans les transformateurs:
Le schéma-3 montre les pertes d'énergie dans un réseau, y compris les pertes en ligne (pertes cuivre) et
les pertes des transformateurs (cuivre et fer). Un transformateur abaisseur à pleine charge a des pertes
de 2% mais quand on y réduit la charge en faisant baisser l’ampérage, son efficacité devient supérieure
et nous réduisons les pertes dans les transformateurs d’environ 1,8%.
Les pertes en ligne:
Une autre perte principale dans le réseau électrique est la perte en ligne, qui est dépend principalement
fonction de la taille, de la longueur et de l’âge des câblages et des appareillages. Comme le montre le
schéma ci-dessous, il ya une perte en ligne de 5% dans un réseau électrique basse tension. Ces pertes
peuvent être plus importantes si le câblage est très long ou surchargé. Nous pouvons réduire ces pertes
en ligne de 3,7% en faisant baisser l’ampérage en ligne.
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Schéma -3
Pertes d’énergie dans un circuit électrique sans le E-VAR
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Calculs facture d'électricité
Pour calculer la facture d'électricité, le tarif-M a été utilisé. Dans ce tarif, une pénalité est payée par le
consommateur si le facteur de puissance est inférieur à 0,9%. Toutefois, nous ne tiendrons pas compte
de cette pénalité dans nos calculs. Comme le montre le schéma-3, il y a 3 panneaux électriques qui sont
reliés à des charges différentes. Nous allons calculer la puissance active de ces panneaux.
Panneau 1
Tension sur le panneau V1= 240 V
Courant dans la ligne I1= 200 A
Facteur de puissance FP 1= 0.8%
Puissance active 1 = V1 * I1 * FP 1
= 240 * 200 * 0.8
= 38,400 Watts
= 38.4 kW
Panneau 2:
Tension sur le panneau V2= 240 V
Courant dans la ligne I2= 150 A
Facteur de puissance FP2= 0.8%
Puissance active 2 = V2 * I2 * FP 2
= 240 * 150 * 0.8
= 28,800 Watts
= 28.8 kW
Panneau 3:
Tension sur le panneau V3= 240 V
Courant dans la ligne I3= 100 A
Facteur de puissance FP3= 0.8%
Puissance active 3 = V3 * I3 * FP 3
= 240 * 100 * 0.8
= 19,200 Watts
= 19.2 kW
Total de la puissance active sur les 3 panneaux:
= 38.4kW + 28.8kW +19.2kW
= 86.4kW
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Les pertes dans le réseau électrique:
86.4kW est la puissance active d'une installation. Lorsque cette charge est exécutée, elle génère des
pertes dans le système (pertes en ligne + pertes du transformateur) sous forme de chaleur. Ci-dessous
les calculs démontrant la valeur de l'énergie électrique que le compteur électrique mesure. Il ya des
pertes en ligne de 5% et des pertes du transformateur 2% qui font augmenter les kW et kWh utilisés
dans la facture d'électricité.
Les pertes totales dans le système= Pertes en ligne + pertes du transformateur
= 5% + 2%
= 7%
Puissance réelle totale mesurée par le compteur d'électricité = puissance réelle tirée par la charge + les
pertes dans le réseau électrique = 86.4kW +7% de pertes = 92.448 kW
Facture d'électricité
1. Frais de la demande (kW) = 92.448kW * 13,44 $ / kW = 1242,50 $
2. Charges d’exploitation (kWh): Pour calculer les kWh, nous supposons que la puissance active
opère 12 heures par jour, 30 jours par mois.
Puissance active (kWh) = 92.44kW *12heures/jour * 30 jours/mois
= 33,278kWh * 0.0446$/kWh = 1484.21$
Montant total de la facture d’électricité = frais de la demande + Charges d’exploitation
= 1242.50$ + 1484.21$
= 2724.71$ /mois
3.3 Les économies d'énergie dans le réseau électrique avec le E-VAR
After installing PQ-EVR reactive power on the lines and transformer has been reduced therefore EVR
saves losses in electrical network.
Économies dans les pertes du transformateur:
Le diagramme suivant montre une économie de 1,8% dans les pertes du transformateur dans un réseau
électrique basse tension. En réduisant la charge réactive du transformateur, les pertes fer et cuivre du
transformateur sont réduites.
Economies de pertes en ligne:
Une autre économie principale vient des pertes en ligne. En faisant baisser le courant dans la ligne, les
pertes en ligne du réseau électrique sont réduites d’environ 3,7%.
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Schéma -4
Economies d'énergie dans le circuit électrique avec le E-VAR
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Calculs facture d'électricité:
Pour calculer la facture d'électricité, le tarif-M a été utilisé. Dans ce tarif, une pénalité est payée par le
consommateur si le facteur de puissance est inférieur à 0,9%. Toutefois, nous ne tiendrons pas compte
de cette pénalité dans nos calculs. Comme le montre le schéma-4, les pertes en ligne et les pertes du
transformateur sont réduites. Après avoir installé l’unité E-VAR, le facteur de puissance a augmenté de
0.8 à 0.96, et nous avons obtenu une réduction significative dans la ligne de courant ainsi qu’une légère
réduction d’a peu près 0.8 % dans la puissance réelle. Les calculs suivants aboutiront au nouveau
montant de la facture d’électricité avec moins de pertes dans le circuit électrique.
Panneau 1:
Tension sur le panneau V1= 240 V
Courant dans la ligne I1= 165 A
Facteur de puissance FP1= 0.96%
Puissance active 1 = V1 * I1 * FP 1
= 240 * 165 * 0.96
= 38,010 Watts
= 38.01 kW
Panneau 2:
Tension sur le panneau V2= 240 V
Courant dans la ligne I2= 123 A
Facteur de puissance FP2= 0.96%
Puissance active 2 = V2 * I2 * FP 2
= 240 * 123 * 0.96
= 28,330 Watts
= 28.33 kW
Panneau 3:
Tension sur le panneau V3= 240 V
Courant dans la ligne I3= 82.5 A
Facteur de puissance FP3= 0.96%
Puissance active 3 = V3 * I3 * FP 3
= 240 * 82.5 * 0.96
= 19,010 Watts
= 19.0 1kW
Total de la puissance active sur les 3 panneaux:
= 38.01kW + 28.33kW +19.01kW
= 85.35kW
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Réduction des pertes dans un circuit électrique avec le E-VAR :
85.35kW est la puissance active avec le E-VAR. Maintenant il y a moins de pertes dans le système
comparé au circuit électrique sans le E-VAR (en raison de la ligne à courant élevé).
Les pertes totales dans le système avec le E-VAR = Pertes en ligne + pertes du transformateur
= 1,3% + 0,2%
= 1,5%
Puissance réelle totale mesurée par le compteur d'électricité = puissance réelle tirée par la charge + les
pertes dans le réseau électrique
= 85.35kW +1,5% de pertes
= 86.63kW
Facture d'électricité
1. Frais de la demande (kW) = 86.63kW * 13.44$/kW = 1164.30$
2. Charges d’exploitation (kWh): Pour calculer les kWh, nous supposons que la puissance active
opère 12 heures par jour, 30 jours par mois.
Puissance active (kWh) = 86.69kW *12heures/jour * 30 jours/mois
= 31,186kWh * 0.0446$/kWh = 1390.93$
Montant total de la facture d’électricité = frais de la demande + Charges d’exploitation
= 1164.30$ + 1390.93$
= 2555.23$/mois
Pourcentage des économies sur la facture d'électricité: Après avoir installé le E-VAR, la facture
mensuelle d'électricité est passée a 2555,23 mois / alors qu’elle était de 2724,71 $ sans le E-VAR.
Économies en pourcentage : (2724,71 $ -2555,23 $) / 2724,71 $ = 6,22%.
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Références:
[1] ELSPEC Power quality solutions.2008. Technical Note: Benefits of Power Factor
Correction. En ligne. 2p.
<http://www.elspec.biz/TechnicalNotes/CompletedTechNotes/Tech%20notes-PFC%20Benefits.pdf>
[2]Norman
Disney & Young. Australian building codes board. 2002. Power factor correction
evaluation report. En ligne. 42p
<http://www.abcb.gov.au/~/media/Files/Download%20Documents/Archived/Major%20Initiatives/Ener
gy%20Efficiency/MultiResidential%20Commercial%20and%20Public%20Buildings/Pdf/31227%20Power%20Factor%20Correcti
on%20Evaluation.pdf>
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