Les pompes : 85 % du coût total d’exploitation correspond à l’énergie
Le monde industriel utilise des pompes partout. On estime qu’environ 10 % de l’énergie mondiale est consommée par différents types de pompes. Il s’agit donc d’un domaine particulièrement pertinent lorsqu’il s’agit de réduire la consommation énergétique.
Les pompes centrifuges (fonctionnant grâce à une roue ou une turbine) sont très répandues et relativement économiques. Elles sont largement utilisées dans le secteur agroalimentaire, notamment pour les fluides à faible viscosité : réception du lait ; pasteurisation ; traitement aseptique/UHT ; jus ; NEP ; filtration. Ce qui surprend souvent, c’est que 85 % du coût total de possession (TCO) d’une pompe centrifuge provient de sa consommation d’énergie. Nous pouvons vous aider à transformer cette contrainte en avantage.
{"chart":{"type":"pie","chartType":"pie"},"title":{"text":"Coût total des opérations","align":"left"},"subtitle":{"text":null,"align":"left"},"tooltip":{"pointFormat":"'{series.name}: <b>{point.percentage:.1f}%</b>"},"series":[{"name":"Coût","colorByPoint":false,"data":[{"name":"Énergie ","y":85.0,"color":"#3DBDF3"},{"name":"Décontamination/élimination","y":1.0,"color":"#F58220"},{"name":"Exploitation ","y":3.0,"color":"#454545"},{"name":"Achat et installation 7","y":7.0,"color":"#0A5982"},{"name":"Perte de production ","y":1.0,"color":"#E1F2FD"},{"name":"Maintenance et réparation","y":3.0,"color":"#5D5D5D"}]}],"legend":{"layout":"vertical","align":"right","verticalAlign":"bottom"},"exporting":{"buttons":{"contextButton":{"enabled":false}}}}
Améliorer les performances, la durée de vie des équipements et la durabilité
Des économies d’énergie significatives grâce à un VFD
De nombreuses lignes agroalimentaires nécessitent des débits variables afin de s’adapter aux paramètres de traitement, aux recettes ou aux ingrédients utilisés. Dans un système à étranglement, le débit est réduit en fermant progressivement une vanne.
Cette approche présente toutefois deux inconvénients majeurs : Elle augmente la contre-pression exercée sur la pompe, ce qui génère de la chaleur et peut entraîner une dégradation du produit ainsi qu’une usure prématurée des composants, notamment des garnitures mécaniques. Elle est peu efficace sur le plan énergétique et peut même provoquer des dommages sur la pompe.
La bonne nouvelle est qu’il existe une solution simple pour réaliser d’importantes économies d’énergie : associer la pompe à un variateur de fréquence (VFD), ou à un convertisseur de fréquence. En modifiant la fréquence électrique d’alimentation, on ajuste directement la vitesse de rotation de la pompe. Cette solution permet d’utiliser efficacement une même pompe pour traiter différents liquides, viscosités, pressions et débits.
Le tableau ci-dessous compare ces deux méthodes de régulation du procédé. En prenant comme hypothèse un débit de 70 m3/h à la capacité maximale de la pompe et une consommation électrique de 26 kW, les deux systèmes présentent des performances identiques. En revanche, si le débit est réduit à 60 % de la capacité, le système à étranglement consomme encore 21 kW, tandis que le système équipé d’un variateur de fréquence (VFD) ne consomme que 9 kW ! Le VFD représente un investissement limité pour des économies substantielles.
| Débit (m3/h) | % Flow | Systèmes à étranglement | Systèmes VFD |
|---|---|---|---|
| 70 | 100 % | 26 kW | 26 kW |
| 56 | 80 % | 23 kW | 16 kW |
| 42 | 60 % | 21 kW | 9 kW |
| 35 | 50% | 20 kW | 6 kW |
Un VFD maintient votre pompe dans sa zone de fonctionnement optimale, améliorant ainsi les performances, la durée de vie des équipements et la durabilité des opérations.
Choisir la bonne pompe dès le départ consiste à sélectionner un équipement dont la plage de performances correspond à vos applications – et c’est déjà un excellent point de départ. Cependant, la plupart des pompes doivent faire varier leurs performances en fonction des exigences d’une application donnée, des changements de produits, de la qualité des matières premières ou de l’utilisation d’ingrédients spécifiques. Dans ces conditions, il est essentiel de pouvoir adapter le fonctionnement de la pompe tout en maintenant un rendement élevé et une fiabilité optimale.
La pompe fonctionnera dans l’enveloppe définie par cette courbe de fiabilité, mais plus son point de fonctionnement s’éloigne du point de rendement optimal (BEP), plus sa fiabilité diminue et plus les défaillances deviennent fréquentes (voir le temps moyen entre les pannes – MTBF). Cela met en évidence une autre différence importante. Lorsque le débit est réduit par étranglement, non seulement vous perdez de l’énergie en vous éloignant du point de rendement optimal, mais la pompe peut également être soumise à des vibrations et à une contre-pression plus élevées, entraînant une usure prématurée des roues, des roulements et des garnitures mécaniques. L’énergie perdue est alors dissipée sous forme de chaleur, ce qui peut dégrader le produit alimentaire traité.
À l’inverse, un système équipé d’un VFD réduit simplement la fréquence d’alimentation de la pompe – et donc sa vitesse de rotation – sans risque de cisaillement excessif ni d’élévation de température susceptibles d’affecter les produits sensibles. Cela se traduit par une réduction des coûts de maintenance grâce à une fiabilité accrue et à une durée de vie plus longue des équipements, ainsi que par une amélioration de la durabilité des opérations grâce à la diminution des pertes de produit et des émissions. De plus, comme le montre le diagramme, l’utilisation d’un VFD pour réguler le débit permet de maintenir la pompe dans sa « zone de fonctionnement optimale », où son rendement est le plus élevé.
Courbe de fiabilité de la pompe, BEP = BOP
Dans ce diagramme, la pompe possède un point de rendement optimal (BEP). La bonne pratique consiste à maintenir son fonctionnement entre -10 % et +5 % autour de ce point. Sensibilité de la courbe de fonctionnement de la pompe en fonction de sa fiabilité.
Les calculs sont plus simples qu’ils n’y paraissent
Comme la plupart des pompes centrifuges sont entraînées par un moteur électrique, la vitesse de la pompe correspond généralement à celle du moteur, et la vitesse ainsi que le diamètre de l’impulseur déterminent la pression de la pompe. Cependant, modifier la vitesse influence la pression, le débit et la puissance requise par la pompe, conformément aux lois d’affinité suivantes :
- Le débit (volume/heure) varie proportionnellement au changement de vitesse. Deux fois plus de vitesse signifie deux fois plus de débit. Si la vitesse est réduite à un tiers, le débit est également réduit à un tiers.
- La pression de la pompe varie selon le carré de la variation de la vitesse. Si la vitesse double, la pression est multipliée par quatre (22). Une vitesse correspondant à 80 % de la vitesse nominale génère 64 % de la pression obtenue à pleine vitesse (0,802).
- La puissance requise (kW) varie selon le cube de la variation de la vitesse. Si la vitesse double, la consommation de puissance est multipliée par huit (23). À demi-vitesse, la pompe ne nécessite qu’un huitième de la puissance requise à pleine vitesse (0,503).
« Le calcul est simple : si votre pompe ne fonctionne pas en permanence à 100 % de sa capacité, vous pouvez réellement tirer profit d’un variateur de fréquence (VFD), car les économies d’énergie réalisées grâce à ce mode de régulation du débit sont considérables. À l’inverse, lorsque vous réduisez le débit par étranglement, vous vous éloignez immédiatement du point de rendement optimal. Des vibrations supplémentaires et une contre-pression plus élevée apparaissent alors, ce qui peut réduire la durée de vie des garnitures mécaniques et entraîner des pannes coûteuses ainsi qu’une augmentation des temps d’arrêt ».
- Angelo Mennecillo, chef de produit composants industriels chez Tetra Pak®
