Définition de la limite des systèmes [5, Hardell and Fors, 2005]

Les exemples ci-après considèrent de simples composants, sous-systèmes et systèmes, et examinent comment l’amélioration de l’efficacité énergétique peut être évaluée. Ils reposent sur une évaluation type de l’efficacité énergétique d’une société. Ils montrent les effets de la prise en compte d’un système pour une utilité requise à un trop faible niveau (au niveau d’un composant/d’un élément ou au niveau du sous-système).

Le rendement¹⁶ de l’énergie physique est présenté dans la Section 1.2.2.1 (et dans l’Annexe 7.1.1) :

Rendement énergétique η = Énergie en sortie = Travail (W) (exprimé généralement en %) Énergie en entrée

Où :

Travail (W) = la quantité de travail utile effectué par le composant, le système ou le procédé (en joules)

Énergie (E) = la quantité d’énergie (en joules) utilisée par le composant, le système, le procédé ou l’équipement

Amélioration (changement) de l’efficacité énergétique = Changement d’énergie utilisée utilisation de l’énergie d’origine Exemple : Système 1 - Moteur électrique

Ancien moteur électrique

Une société a effectué une analyse des entraînements par moteur existants. Elle a identifié un ancien moteur ayant une puissance électrique en entrée de 100 kW. Le rendement du moteur étant de 90 %, sa puissance mécanique de sortie est donc de 90 kW (voir Figure1.10).

16 En Anglais, « energy efficiency » signifie ici le rendement énergétique d’une partie d’un équipement ou d’un procédé (et non pas son utilisation inconsidérée), en Français, cela correspond à « rendements énergétiques ».

Figure 1.10 : Limite du système – ancien moteur électrique Nouveau moteur électrique

Pour améliorer l’efficacité, le moteur a été remplacé par un moteur à rendement élevé. Les effets de ce changement sont représentés sur la Figure 1.11. La puissance électrique nécessaire pour produire la même puissance de sortie, 90 kW, est maintenant de 96 kW en raison du rendement plus élevé du nouveau moteur. L’amélioration de l’efficacité énergétique est donc de 4 kW, ou :

Amélioration énergétique = 4/100 = 4 %

Figure 1.11 : Limite du système – Nouveau moteur électrique Exemple : Système 2 - Moteur électrique et pompe

Comme représenté sur la Figure 1.12, un moteur électrique permet d’actionner une pompe alimentant en eau de refroidissement un système de refroidissement. L’association moteur et pompe est considérée ici comme un seul sous-système.

Nouveau moteur électrique et ancienne pompe

La valeur de sortie de ce sous-système est la puissance hydraulique sous forme de débit d’eau de refroidissement et de pression. En raison du faible rendement de la pompe, la valeur de sortie est limitée à 45 kW.

Figure 1.12 : Limite du système – nouveau moteur électrique et ancienne pompe

Nouveau moteur électrique et nouvelle pompe

L’ancienne pompe est remplacée par une nouvelle, ce qui augmente le rendement de la pompe en le faisant passer de 50 à 80 %. Le résultat de ce remplacement est représenté sur la Figure 1.13.

Figure 1.13 : Limite du système – Nouveau moteur électrique et nouvelle pompe

Le rendement du nouveau sous-système est nettement supérieur à l’ancien. La puissance hydraulique est passée de 45 à 67 kW. L’augmentation de l’efficacité énergétique peut être représentée comme (voir Section 1.3.1) :

EEF = efficacité = 75 = 1,60, (soit 60 % d’amélioration de l’efficacité énergétique)

efficacité de référence 47

Exemple : Système 3 - Nouveau moteur électrique et nouvelle pompe avec une valeur de sortie constante

Comme indiqué sur la Figure 1.12, le système de refroidissement fonctionnait de manière satisfaisante même avec une puissance hydraulique de 45 kW. L’avantage d’une augmentation de 50 % de la puissance hydraulique en la faisant passer à 67 kW n’est pas évident et les pertes de pompage peuvent maintenant avoir été transférées à une vanne de régulation et au système de tuyauterie. Ce n’était pas là l’objectif prévu lors du remplacement des composants par des solutions plus efficaces au plan énergétique.

Une étude globale du système de refroidissement aurait pu montrer qu’une puissance hydraulique de 45 kW était suffisante, et dans ce cas, la puissance de l’arbre peut être estimée à 45/0,8 = 56 kW. La puissance électrique nécessaire pour entraîner le moteur aurait alors été de 56/0,937 = 60 kW.

Figure 1.14 : Nouveau moteur électrique et nouvelle pompe avec une sortie constante

Dans ce cas, la puissance d’entrée est de 40 kW inférieure à la puissance antérieure, voir Figure 1.10. Le rendement reste à 75 % mais la consommation électrique par le système 1 (ancien moteur et vraisemblablement ancienne pompe) est réduite de 40 % et celle du système 2 (nouveau moteur, nouvelle pompe) est réduite de 33 %.

L’évaluation aurait dû rechercher s’il était possible de réduire la taille du moteur et de la pompe sans avoir d’effets nocifs sur le refroidissement, ou de réduire la puissance hydraulique requise, par exemple à 20 kW. Ceci aurait permis de réduire les investissements de capitaux consacrés aux équipements et d’avoir, par ailleurs, une amélioration de l’efficacité énergétique.

Exemple : Système 4 - Système 3 couplé à un échangeur de chaleur

Sur la Figure 1.15, la limite du système a été étendue et le sous-système comprend maintenant un nouveau moteur, une nouvelle pompe et l’ancien échangeur de chaleur pour le procédé de refroidissement. La puissance de refroidissement du procédé est de 13 000 kW_th (th = thermique).

Figure 1.15 : Nouveau moteur électrique, nouvelle pompe et ancien échangeur de chaleur

Les valeurs de sortie sont l’élimination de la chaleur du procédé et la puissance hydraulique en raison d’une augmentation du débit d’eau et de la pression.

Toutefois, en ce qui concerne la définition de ce système d’utilité (voir Sections 1.3.1 et 1.4.1) le service fourni est un refroidissement. Le système est conçu pour fournir un refroidissement de 13 000 kW_th à un procédé (ou à des procédés). La chaleur du procédé dans ce système ne joue aucun rôle et la chaleur de sortie est perdue. L’efficacité reste à 75 % comme dans le Système 3 si on la mesure sur une base entrée/sortie. Toutefois, elle peut être mesurée sur une base SEC, et l’énergie requise pour fournir une quantité de refroidissement spécifiée (voir Section 1.3.1) : SEC = Énergie utilisée = (Énergie importée – Énergie exportée)

Produits élaborés Produits/sorties produits

= Énergie utilisée dans le système de refroidissement = 90 – 67 kW

Service fourni 13 000 kW_th refroidissement

= 0,00177 kW/kWth refroidissement = 1,77 W/kWth refroidissement

Si les besoins en refroidissement sont réduits, par exemple par suite d’une réduction de la production à 8 000 kW de refroidissement, alors la SEC passe à 2,88 W/kW_th. Comme indiqué dans la Section 1.3.1, il s’agit d’une augmentation de la SEC, et par conséquent d’une perte de l’efficacité énergétique, c'est-à-dire d’une perte de :

(2,88 – 1,77) = 62 % 1,77

Remarque : il ne s’agit pas là de traiter l’efficacité du refroidissement du procédé, mais uniquement l’efficacité énergétique du système de refroidissement.

Exemple : Système 5 - Système 4 avec récupération de chaleur

En raison des préoccupations environnementales, la société a pris la décision de réduire les émissions de carbone et de dioxyde d’azote en valorisant la chaleur émise par l’eau de refroidissement, et en réduisant de ce fait l’utilisation de fioul dans l’installation de chauffage (voir Figure 1.16) :

Figure 1.16 : Nouveau moteur électrique, nouvelle pompe et deux échangeurs de chaleur

Un calcul réalisé strictement sur les entrées et les sorties du système de refroidissement montre : Énergie utilisée dans le système de refroidissement = 90 – 67 kW

Service fourni 4000 kW refroidissement

= 0,00575 kW/kW_th refroidissement = 5,75 W/kW_th refroidissement.

Par rapport aux calculs du Système 4, on note une diminution de l’efficacité, alors que