Une pompe, deux pompes, trois pompes…

Comment réduire sa consommation d’énergie sur un navire.

Les pompes utilisent près de 40 % de l’énergie électrique générée dans un navire. Voyons comment on peut en réduire cette consommation.

Dans le monde maritime, les pompes de refroidissement sont surdimensionnées principalement en raison des critères liés à leur conception. Ces systèmes doivent assurer le refroidissement des organes mécaniques d’un navire dans les pires conditions. On calcule donc la capacité des pompes en utilisant comme points de référence la température d’eau de mer à 32 °C et une charge thermique équivalente à 110 % de la valeur maximale (il s’agit d’une norme ISO).

En pratique, les navires fonctionnent à environ 80 % de leur puissance et rares sont ceux qui naviguent dans des eaux à 32 °C. À cette température, les échangeurs (refroidisseurs à plaques ou autres) sont moins efficaces puisque leur capacité d’échange est déterminée par la différence de température entre un fluide chaud et un fluide froid. Ainsi, un refroidisseur ayant une capacité de 7 000 kW à 32 °C verra son rendement augmenter à plus de 10 000 kW en eau plus froide (20 °C).

Comment peut-on appliquer un des premiers principes d’efficacité énergétique qui est de produire et d’utiliser uniquement ce dont on a besoin?

Un des premiers pièges à éviter lors de la conception d’un navire est d’installer deux pompes qui sont chacune capable de fournir 110 % du refroidissement (la deuxième pompe ne servant que pour assurer la redondance comme l’exigent les sociétés de classification). Il est de loin préférable d’installer trois pompes avec chacune ayant une capacité de 55 %. De cette façon, on maintient la redondance mais on sort gagnant du fait qu’on peut moduler le débit en arrêtant une des pompes ou en installant des variateurs de vitesse, communément appelés des VFD.

On comprendra facilement que, si les refroidisseurs sont plus performants en eau froide, le débit d’eau de refroidissement sera moindre.

On est donc en présence de deux facteurs qui, pour l’armateur, rendent incontournable et rentable l’ajout de VFD. L’eau de mer étant plus froide, la capacité des refroidisseurs est augmentée et la puissance développée par le navire est inférieure aux critères de conception. On peut donc sans crainte réduire le débit d’eau de refroidissement de même que la puissance électrique consommée par les pompes et, conséquemment, dégager des économies.

Pour illustrer les économies réalisables, voyons l’exemple suivant qui représente un cas réel mesuré sur un navire :

Lors de sa conception, on a calculé que le débit d’eau de refroidissement nécessaire était de 500 m3/h à 3 bars de pression.

Donc, lors de cette période préliminaire, deux choix s’offraient aux ingénieurs :

Une grosse pompe de 500 m3/h à 3 bars de pression.

Ou

Trois petites pompes ayant chacune une capacité de 250 m3/h à 3 bars.

L’utilisation d’une grosse pompe au lieu de deux petites, comme c’est la coutume, aurait consommé moins d’énergie au départ puisqu’une plus grosse pompe est habituellement plus efficace. Cependant, sa capacité de modulation aurait été limitée. Même si on installait un VFD, compte tenu du débit visé de 200 m3/h, la pression aurait chuté de façon trop importante et n’aurait pas pu contrer les pertes de charge du système. De façon générale, dans un circuit fermé, on ne peut pas réduire le débit d’une pompe à moins de 50 %.

Le choix retenu a été d’installer trois pompes, ce qui est bien.

Or, un audit énergétique effectué dans des conditions d’exploitation a révélé que le navire était en mesure de combler ses besoins en refroidissement avec seulement 200 m3/h à environ 1 bar de pression (cas classique).

Il a été démontré qu’une seule des trois pompes suffisait pour combler les besoins de refroidissement. L’armateur a donc estimé qu’il était inutile d’installer des VDF sur le système. Plutôt, les opérateurs auraient la possibilité d’arrêter une des pompes selon leur bon vouloir.

Étudions ensemble quelle aurait été la rentabilité des différents scénarios :

Les calculs ci-dessus montrent que l’installation de VFD sur deux des trois pompes permettra des économies annuelles de près de 36 000 $ au-delà de ce qui aurait été possible avec des arrêts occasionnels d’une des deux pompes et réduira les GES de plus de 230 tonnes par année. Un autre avantage est que ces pompes s’abimeront beaucoup moins rapidement car leurs vitesses de rotation seront passablement diminuées. Ces économies, étant difficilement quantifiables, ne sont pas chiffrées ici.

Conclusion :

Du point de vue technique, il arrive souvent que les décideurs doivent choisir entre les ‘impressions’ formulées par leur département technique et les chefs-mécaniciens, et les ‘faits régis par les lois de la physique’ qui sont donc immuables. De plus, l’hydrodynamique, en particulier la loi de l’affinité, n’est plus à démontrer. L’ajout de variateurs de vitesse permet de piloter automatiquement la vitesse des pompes en fonction des besoins et, par le fait même, augmente les économies lors des manœuvres et au port tout en réduisant les risques d’erreurs humaines.

Si vous investissez dans l’analyse énergétique de vos navires, la meilleure façon de rentabiliser votre mise de fonds est de mettre en œuvre les recommandations soumises. Elles sont émises par des professionnels certifiés. Il y aura toujours de la résistance au changement et des apprentis-sorciers qui s’élèveront contre les recommandations. C’est malheureusement le propre de l’homme. On ne peut pas en revanche remettre en question les lois de la physique, le coût de l’énergie et la production de GES qui en découlent.