Comment calculer l'économie d'énergie lors du passage à un moteur à haut rendement ?

Il n'y a qu'un seul moyen fiable de savoir si le passage à un moteur à haut rendement est judicieux : faire le calcul. La phrase « un moteur à haut rendement permet d'économiser de l'énergie » est vraie mais abstraite ; la vraie décision se prend en voyant à combien de kilowattheures et à combien d'argent cette économie correspond. Heureusement, ce calcul est bien plus simple qu'il n'y paraît et il vous suffit de disposer de quelques informations : la puissance du moteur, les heures de fonctionnement annuelles, les rendements de l'ancien et du nouveau moteur, et le tarif de l'électricité. Dans cet article, nous montrons pas à pas comment se calcule l'économie d'énergie annuelle lors du passage à un moteur à haut rendement, nous la traduisons en chiffres à travers un exemple concret et nous expliquons, avec le regard de DRG axé sur l'énergie, pourquoi le temps de retour dépend à ce point des heures de fonctionnement.

Qu'est-ce que le rendement d'un moteur exactement ?

Le rendement d'un moteur est le rapport entre la puissance mécanique qu'il produit et la puissance électrique qu'il absorbe. Autrement dit, plus le rendement est élevé, plus le moteur effectue le même travail en absorbant moins d'électricité. La différence est perdue sous forme de chaleur, de frottements et de pertes électriques. C'est précisément la réduction de cette part perdue qui est au cœur du passage à un moteur à haut rendement. Nous avons examiné en détail où et comment le rendement se perd dans notre article pertes de rendement des moteurs électriques.

Classes de rendement : IE1, IE2, IE3, IE4

Les moteurs sont classés selon leur rendement. IE1 représente la classe de rendement la plus basse et IE4 la plus élevée. Lorsqu'on compare un moteur IE1 et un moteur IE3 de même puissance, l'écart de rendement entre eux peut être de quelques points. Cet écart paraît faible, mais il se traduit par une grande différence d'énergie sur un moteur qui fonctionne toute l'année. Nous avons traité l'importance des classes de rendement dans notre article moteurs électriques à haut rendement.

L'écart de rendement varie aussi selon la puissance du moteur. Sur les moteurs de faible puissance, la différence entre les classes est plus marquée ; car sur les petits moteurs, le rapport des pertes à la puissance totale est déjà élevé. Sur les gros moteurs, même si l'écart en pourcentage diminue, l'économie reste appréciable parce que la puissance absolue est importante. Il y a donc une logique propre au passage à une classe à haut rendement aussi bien sur les petits que sur les gros moteurs ; seul le résultat du calcul diffère.

Pourquoi la puissance absorbée est-elle importante ?

Le point clé à comprendre ici est le suivant : la puissance inscrite sur la plaque signalétique d'un moteur (par exemple 30 kW) est la puissance mécanique qu'il fournit à l'arbre. La puissance électrique qu'il absorbe sur le réseau est supérieure ; car il y a des pertes. La puissance électrique absorbée s'obtient en divisant la puissance mécanique par le rendement. Plus le rendement est faible, plus il faut absorber d'électricité pour le même travail de 30 kW.

La logique du calcul d'économie

Lorsqu'on compare deux moteurs, on suppose qu'ils effectuent tous les deux le même travail mécanique. La différence apparaît dans l'électricité qu'ils absorbent en effectuant ce travail. L'ancien moteur en absorbe davantage parce que son rendement est faible, le nouveau en absorbe moins parce que son rendement est élevé. C'est précisément l'écart entre ces deux consommations qui constitue votre économie annuelle.

L'avantage de cette logique est qu'elle n'implique aucun compromis sur les performances. Le nouveau moteur effectue le même travail, à la même vitesse, avec le même couple ; il y parvient simplement en dépensant moins d'électricité. L'économie est donc obtenue non pas en réduisant la production, mais en supprimant le gaspillage. Cela fait de l'investissement dans le rendement l'un des types d'investissement les moins risqués ; car votre gain ne repose pas sur les conditions de production, mais sur les lois de la physique.

Formule de base

L'économie d'énergie annuelle se calcule avec la formule suivante :

Économie annuelle (TL) = P × t × (1/η_ancien − 1/η_nouveau) × Tarif

Ici, P est la puissance mécanique du moteur (kW), t le nombre d'heures de fonctionnement annuelles, η_ancien et η_nouveau les rendements des deux moteurs (en valeur décimale, par exemple 0,88 au lieu de 88 %) et Tarif le prix de l'électricité par kilowattheure. Le cœur de la formule est l'expression « 1/η_ancien − 1/η_nouveau » entre parenthèses ; elle donne l'écart entre les puissances absorbées par les deux moteurs pour le même travail.

Exemple de calcul pas à pas

Prenons un exemple concret. Nous disposons d'un ancien moteur IE1 d'une puissance de 30 kW et nous envisageons de le remplacer par un nouveau moteur IE3.

• Puissance mécanique : P = 30 kW
• Rendement de l'ancien moteur : η_ancien = 0,90 (90 %)
• Rendement du nouveau moteur : η_nouveau = 0,936 (93,6 %)
• Heures de fonctionnement annuelles : t = 6000 heures
• Tarif de l'électricité : 3 TL/kWh (valeur d'exemple)

Déterminons les puissances absorbées

Puissance électrique absorbée par l'ancien moteur : 30 / 0,90 = 33,33 kW. La puissance absorbée par le nouveau moteur est : 30 / 0,936 = 32,05 kW. L'écart entre les deux : 33,33 − 32,05 = 1,28 kW. Autrement dit, en effectuant le même travail, le nouveau moteur absorbe 1,28 kW d'électricité de moins chaque heure.

Économie annuelle en kWh

L'écart horaire de 1,28 kW s'accumule tout au long de l'année : 1,28 kW × 6000 heures = 7 680 kWh. Il s'agit de l'électricité économisée sur un seul moteur, sans aucune perte de performance, uniquement grâce à l'écart de rendement.

Économie annuelle en argent

Convertissons maintenant ces kilowattheures en argent : 7 680 kWh × 3 TL = 23 040 TL. Ce seul moteur permet donc une économie d'énergie d'environ 23 mille TL par an. Si vous imaginez des dizaines de moteurs dans votre installation, vous pouvez estimer à quel point le tableau global peut s'élargir.

Tableau récapitulatif de l'exemple de calcul

Temps de retour sur investissement

Une fois l'économie déterminée, le calcul du temps de retour est très simple : vous divisez le surcoût du nouveau moteur par l'économie annuelle. Supposons que le nouveau moteur IE3 coûte 30 000 TL de plus que son équivalent ancien. Temps de retour : 30 000 / 23 040 ≈ 1,3 an. Le moteur s'amortit donc en moins d'un an et demi ; toutes les années suivantes sont un gain net. Nous avons traité ce sujet en profondeur dans notre article durée d'amortissement d'un moteur à haut rendement.

L'effet déterminant des heures de fonctionnement

Le « t » de la formule, c'est-à-dire les heures de fonctionnement annuelles, augmente ou réduit directement l'économie. Sur un moteur qui ne fonctionne que quelques heures par jour, la contrepartie financière de l'écart de rendement reste faible et le temps de retour peut durer des années. En revanche, sur un moteur qui fonctionne 7 j/7 et 24 h/24, le même écart de rendement apporte rapidement une grande économie. C'est pourquoi la décision de passer à des moteurs à haut rendement commence par les moteurs qui fonctionnent le plus.

À partir de combien d'heures parle-t-on de « beaucoup » ?

En règle générale, sur les moteurs qui fonctionnent plus de 4000 heures par an, le passage à un modèle à haut rendement est presque toujours rentable. Entre 2000 et 4000 heures, la décision dépend de la puissance et de l'écart de rendement. En dessous de 2000 heures de fonctionnement, le temps de retour peut s'allonger ; néanmoins, si l'ancien moteur a un rendement très faible, le calcul vaut la peine d'être fait.

Tenez également compte du facteur de puissance

Le rendement à lui seul ne donne pas toute l'image. Le facteur de puissance d'un moteur indique quelle part de la puissance apparente absorbée se transforme réellement en travail. Un facteur de puissance faible entraîne l'absorption d'un courant inutilement élevé sur le réseau et, dans certains cas, des pénalités pour énergie réactive. Les moteurs de nouvelle génération à haut rendement présentent généralement aussi un meilleur facteur de puissance ; c'est un gain supplémentaire qui se répercute sur la facture. Lors du calcul d'économie, il ne faut pas oublier, dans la mesure du possible, le bénéfice apporté par l'amélioration du facteur de puissance.

Coût de la chaleur et du refroidissement

Un moteur peu performant dissipe dans l'environnement l'énergie qu'il perd sous forme de chaleur. Sur les moteurs qui fonctionnent dans un local fermé, cette chaleur réchauffe l'ambiance et oblige les systèmes de refroidissement à fonctionner davantage. Autrement dit, un moteur à faible rendement augmente non seulement la facture d'électricité directe, mais aussi, indirectement, le coût de refroidissement. Lorsque vous passez à un moteur à haut rendement, ce coût caché diminue également. Même si ce poste n'est pas inclus dans le calcul d'économie simple, il augmente encore un peu le gain réel.

N'oubliez pas le taux de charge

Dans notre calcul, nous avons supposé que le moteur fonctionnait à pleine charge. En réalité, de nombreux moteurs fonctionnent à une charge inférieure à leur puissance. La courbe de rendement varie selon le taux de charge ; sur la plupart des moteurs, le rendement maximal est obtenu autour de 75 % de la puissance nominale. Un moteur qui fonctionne à très faible charge est à la fois peu performant et mal dimensionné. Le choix de la bonne puissance est la condition préalable à l'économie.

Le prix d'un mauvais dimensionnement

Un moteur choisi bien plus grand que nécessaire fonctionne en permanence à faible charge et à faible rendement. Cela signifie à la fois payer trop cher à l'achat et dépenser trop d'énergie pendant toute sa durée de vie. Lors du calcul d'économie, il faut aussi prendre en compte le profil de charge réel du moteur ; parfois la solution consiste à déterminer la bonne taille avant même de remplacer le moteur.

L'effet du tarif

Plus le prix de l'électricité augmente, plus le rendement du passage à un moteur à haut rendement s'accroît. La même économie de kWh correspond à plus d'argent avec un tarif plus élevé. Dans un contexte où les coûts de l'énergie ne cessent de monter, l'investissement dans le rendement réalisé aujourd'hui prendra encore plus de valeur à l'avenir. C'est pourquoi il est plus réaliste de faire le calcul non pas sur le tarif d'aujourd'hui, mais sur un tarif futur moyen.

Dans de nombreuses entreprises, le tarif de l'électricité varie au cours de la journée ; une tarification différente peut s'appliquer le jour et la nuit. Si le moteur fonctionne principalement pendant les heures de tarif élevé, la contrepartie financière de l'écart de rendement s'accroît encore. C'est pourquoi, lors du calcul d'économie, prendre en compte non seulement le tarif moyen mais aussi les heures auxquelles le moteur fonctionne rend le résultat plus réaliste.

La perspective du coût du cycle de vie

Le prix d'achat d'un moteur ne représente qu'une petite partie de son coût total. Sur la plupart des moteurs industriels, l'énergie constitue plus de 90 % du coût sur toute la durée de vie. C'est pourquoi le « moteur bon marché » est le plus souvent l'option la plus coûteuse. Il faut envisager le calcul d'économie de manière à couvrir toute la durée de vie du moteur ; nous avons détaillé cela dans notre article coût du cycle de vie d'un moteur.

Multiplier l'économie avec un variateur

Le passage à un moteur à haut rendement est puissant en soi, mais dans les applications à charge variable, l'économie se multiplie lorsqu'il est associé à un variateur de fréquence. En particulier dans les applications telles que les pompes et les ventilateurs, régler la vitesse en fonction de la charge apporte un gain d'énergie important. Nous avons examiné ce sujet dans notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence.

Rebobiner l'ancien moteur ou le remplacer ?

Rebobiner un moteur grillé le maintient dans son ancienne classe de rendement ; dans le meilleur des cas, il reste en IE1. En revanche, passer à un nouveau moteur IE3 déclenche l'économie que nous avons vue dans le calcul ci-dessus. Ce simple calcul montre le plus souvent qu'au lieu de faire rebobiner cher un ancien moteur à faible rendement, le remplacement est bien plus rentable à long terme.

Raisonnez à l'échelle de toute l'installation

Si l'économie d'un seul moteur est impressionnante, la somme de tous les moteurs d'une installation est bien plus frappante. Identifiez d'abord les moteurs dont les heures de fonctionnement sont les plus élevées et le rendement le plus faible ; ce sont eux qui offrent le retour le plus rapide. Procéder au remplacement pas à pas, en commençant par le moteur le plus rentable, permet d'obtenir une économie maximale avec un budget limité.

La différence sur le coût de maintenance

Les moteurs à haut rendement sont généralement fabriqués avec de meilleurs matériaux et une meilleure exécution ; cela signifie moins d'échauffement, une durée de vie d'isolation plus longue et des pannes plus rares. Ce gain de maintenance, souvent négligé lors du calcul d'économie, augmente discrètement l'économie totale. Moins d'arrêts, moins de pièces de rechange et moins de main-d'œuvre ; tout cela constitue un bonus qui s'ajoute à l'économie d'énergie.

Erreurs fréquentes dans le calcul d'économie

L'erreur la plus répandue consiste à prendre directement la puissance de plaque du moteur pour sa consommation ; or la consommation s'obtient en divisant la puissance de plaque par le rendement. La deuxième erreur fréquente consiste à sous-estimer les heures de fonctionnement ; cela fait paraître le temps de retour plus long qu'il ne l'est. La troisième consiste à ne regarder que le prix d'achat en ignorant le coût énergétique sur toute la durée de vie. Éviter ces trois erreurs suffit pour que le calcul soit juste.

Faites le calcul avec vos propres données

Les valeurs de l'exemple présenté ici sont indicatives. Pour prendre votre décision réelle, utilisez les informations de plaque de votre propre moteur, les heures de fonctionnement mesurées et votre tarif d'électricité actuel. La formule est la même ; il vous suffit d'y substituer vos chiffres. Le résultat obtenu montre le plus souvent que le passage à un moteur à haut rendement s'amortit bien plus vite que vous ne le pensiez.

L'effet sur l'empreinte carbone

L'économie d'énergie a aussi une dimension environnementale. Chaque kilowattheure économisé est de l'électricité qu'il n'est pas nécessaire de produire ; cela signifie moins d'émissions de carbone. Dans l'exemple ci-dessus, une économie de 7 680 kWh par an sur un seul moteur correspond à une réduction de carbone appréciable. À l'échelle d'une installation, le passage à des moteurs à haut rendement est une démarche forte tant sur le plan économique que sur celui de la durabilité. Pour de nombreuses entreprises, c'est autant un poste de coût qu'un moyen concret d'atteindre des objectifs environnementaux.

L'échelle dans les applications industrielles

Dans les applications de l'industrie lourde à fonctionnement continu telles que le concassage, le pompage et la ventilation, le rendement de l'écart de performance est le plus élevé ; car ces moteurs fonctionnent la majeure partie de l'année. Vous pouvez découvrir les moteurs à haut rendement de DRG destinés à ce type d'applications dans notre article moteurs électriques industriels.

Traduisez l'économie en chiffres avec DRG Motor

La valeur du passage à un moteur à haut rendement ne devient visible qu'avec un calcul concret ; et ce calcul révèle, pour la plupart des entreprises, un temps de retour bien plus court que prévu. Chez DRG, en plus de nos moteurs de nouvelle génération à haut rendement, nous vous aidons à établir un calcul d'économie personnalisé en fonction des heures de fonctionnement réelles, du profil de charge et de votre tarif actuel des moteurs de votre installation. Contactez-nous pour calculer ensemble par quel moteur vous devriez commencer, quel sera votre temps de retour et combien vous économiserez par an. DRG Motor est à vos côtés avec des solutions moteur qui vous permettent de piloter vos coûts énergétiques avec des chiffres.