Pour évaluer les économies d’énergies que générera l’installation de variateurs de vitesse, il faut bien comprendre le comportement des pompes dans leur fonctionnement actuel et dans le fonctionnement qu’elles auront avec variateur.

La variation électronique de vitesse tout d’abord, est une solution pertinente surtout lorsque le pompage nécessite d’être régulé. Je dis « surtout » car lorsqu’aucune régulation n’est nécessaire, lorsque le débit et la hauteur manométrique sont constants,  la variation de vitesse peut avoir un rôle à jouer, en cas de sur-dimensionnement du système moto-pompe, mais ce n’est pas le cas de figure dans lequel son potentiel est pleinement exploité.

Quitte à enfoncer des portes ouvertes, continuons jusqu’au bout. La régulation est nécessaire lorsqu’un paramètre d’exploitation change dans le temps. Dans le cas du pompage le plus répandu (caractéristiques du fluide constantes), les paramètres pouvant varier, sont le débit et la hauteur manométrique. La régulation va donc permettre de maintenir un débit constant, malgré une hauteur manométrique variable, ou faire varier le débit pour une hauteur manométrique constante, ou faire varier le débit avec une hauteur manométrique variable,…

Dans le cas étudié ci-dessous le paramètre qui varie est le niveau de la nappe pompée. D’un point de vue hydraulique, le paramètre qui varie est donc la hauteur manométrique (HM) de fonctionnement.

schema_station-pompage

Le point de fonctionnement de la pompe est déterminé par l’intersection entre la Courbe de Pompe, qui définit les possibilités de fonctionnement de la pompe, et la Courbe de Réseau, qui représente les pertes de charges en fonction du débit.

La variation de la Hauteur Manométrique fait évoluer la courbe de réseau. Lorsque la nappe monte, la hauteur manométrique diminue, et la courbe de réseau s’affaisse tel qu’illustré ci-dessous. Sans aucune intervention (par laminage ou variation de vitesse), le point de fonctionnement devrait alors glisser le long de la Courbe de Pompe (passage de B0 à B1), et le débit devrait augmenter (passage de Q0 à Q1).

Variation de vitesse et pompage

Variation de vitesse et pompage

Or la contrainte de notre cas d’étude est de rester à débit constant.

Il faut donc soit rectifier la courbe de réseau, soit faire évoluer la courbe de pompe pour garder un débit égal à Q0.

Laminage

Aujourd’hui, pour maintenir le débit de ses pompes à 300m3/h (250m3/h pour F5), l’industriel procède par laminage. Par la fermeture de vannes, il augmente les pertes de charges et par conséquent augmente la hauteur manométrique de fonctionnement. Ceci a pour conséquence de redresser la courbe de réseau pour la ramener au point de fonctionnement B0.

Courbe variation électronique de vitesse pour pompage

Courbe variation électronique de vitesse pour pompage

Ce système de régulation fonctionne, mais fait passer l’industriel à côté d’économies d’énergies significatives. En effet, le fait que la nappe monte, implique normalement moins d’énergie pour pomper l’eau, cette diminution potentielle d’énergie est perdue aujourd’hui dans la dissipation par frottement dans les vannes.

Ainsi la pompe ne voit pas la variation de niveau de la nappe, le laminage fait en sorte qu’elle « voie » une Hauteur manométrique constante.

 

Variation de vitesse

a.   Fréquence et Puissance

Schema_variation-vitesse_pompage

Faire varier la vitesse des moteurs des pompes est un autre moyen de réguler. Il présente l’intérêt d’exploiter le potentiel d’économies d’énergie que représente la hausse du niveau de la nappe. C’est grâce à la variation électronique de vitesse ou de fréquence que l’on va réguler la vitesse de rotation des moteurs.

D’un point de vue hydraulique, la méthode de régulation par variation de vitesse, ne rectifie pas la Courbe de Réseau, comme le laminage, mais fait évoluer la Courbe de Pompe. Le niveau de la nappe monte, la courbe de réseau s’affaisse donc, comme vu précédemment, mais pour maintenir un débit contant, le variateur de vitesse va faire bouger la courbe de pompe comme illustré ci-dessous :

Variation électronique de fréquence ou de vitesse pompage

Variation électronique de fréquence ou de vitesse pompage

D’un point de vue énergétique cette solution est d’autant plus pertinente que la puissance de la pompe varie avec le cube de la fréquence de fonctionnement. Selon la formule ci-dessous, avec n, la fréquence et P, la puissance :

Equation-Variateur-Vitesse

Le variateur de vitesse va faire diminuer la fréquence de rotation du moteur, pour venir maintenir un débit constant malgré la diminution de la hauteur manométrique, et ainsi, la puissance électrique appelée, va diminuer au cube de la diminution de cette fréquence.

Du fait de cette loi cubique, et du faible coût de l’électronique, l’installation de variateurs de vitesse est souvent très rentable économiquement, dans des processus aérauliques ou hydrauliques.

 

b.   Rendement

Il est une chose importante également à prendre en compte dans la régulation par variation de vitesse, c’est le rendement du système moto-pompe. En effet, la variation de fréquence fait sortir ce système de sa plage de fonctionnement nominal et a donc un impact sur le rendement de la pompe et du moteur. Il est donc important de prendre en compte, dans le cadre d’une étude sur les économies d’énergie, cette diminution éventuelle de rendement.