Auteur/autrice : F. Gailliot

Les groupes froids peuvent être complexes à opérer, surtout lorsqu’ils sont couplés entre eux et connectés à une ou plusieurs tours de refroidissement. Leurs performances énergétiques sont en effet étroitement liées à l’efficience de leurs sous-systèmes (compresseurs, pompes, échangeurs, évaporateurs…) ayant chacun un rendement nominal et optimal… Ils sont également extrêmement dépendants de leur environnement (tours de refroidissement, pompes de distribution, réseau, etc). Passons en revue quelques solutions pour en améliorer les performances énergétiques.

 

Avant d’agir : instrumenter pour mesurer le COP global

B.A.-BA de la démarche d’optimisation, le monitoring des groupes froids et des tours de refroidissement est un préalable à toute action correctrice. Il s’agit non seulement de déterminer le COefficient de Performance de chaque groupe et tour (via des mesures de débit, de température d’entrée et de sortie, et de consommation électrique) mais surtout de construire un COP global, intégrant les pompes de distributions, les auxiliaires, les consommations des tours aéroréfrigérantes, et tenant compte de la rigueur climatique (température et hygrométrie). L’idéal étant bien sûr de construire un historique de données d’une année afin de couvrir toutes les saisons et un maximum de conditions de production.

 

1- Investir dans une nouvelle technologie de production de froid

Les groupes les plus récents, à paliers magnétiques, sont particulièrement performants avec un COP atteignant aisément 7 ou 8 (contre 3 ou 4 pour un compresseur classique). Ces groupes froids sont très modulables et ne perdent pas en efficacité car ils contiennent plusieurs petits compresseurs qui démarrent en cascade. Ils sont en revanche très coûteux. En absence de budget, l’ajout de variateurs de puissance sur les compresseurs et pompes existants peut améliorer significativement les consommations.

Potentiel de gains : de 20 à près de 50 %

 

2- Ajouter un stockage tampon

L’ajout d’un réservoir de froid au niveau du by pass permet de faire travailler le compresseur essentiellement à son régime nominal, et de réduire le besoin de pointe. C’est donc une alternative aux cascades de groupes froids, qui offre également une meilleure stabilité électrique à l’échelle de l’usine. Un stockage très volumineux permet même d’optimiser les horaires de production de froid en fonction des contrats d’énergie.

Potentiel de gains : 5 % – 10 %

 

3- Changer d’énergie

Les groupes froids à absorption ont pour principe de « faire du froid avec du chaud »[1]. Si l’usine a par ailleurs des besoins importants en chaleur, il peut être intéressant d’implanter une centrale tri-génération : chaleur au gaz, production d’électricité conjointe, et récupération d’une partie de la chaleur fatale par un groupe froid à ab/adsorption. L’énergie électrique du compresseur, principale consommation des groupes froids classiques, disparaît alors carrément de l’équation !

Potentiel de gains : Dépend du contrat d’exploitation de la cogénération

 

4- Ajouter du « free cooling »

Lorsque les conditions climatiques le permettent suffisamment souvent, l’ajout d’échangeurs passifs à l’air libre (en général sur le toit de l’usine), permet de s’affranchir de l’usage des tours de refroidissement, et des consommations associées.

Potentiel de gains : 5 % – 15 %

 

5- SANS CAPEX : Optimiser les cascades d’engagement

Dès que plusieurs groupes travaillent en parallèle se pose la question de la meilleure combinaison (leurs puissances et performances pouvant être différentes) ainsi que du bon moment pour les démarrer. En s’appuyant sur leurs caractéristiques techniques (courbes de rendement, puissance, débits…) et sur l’historique de données, il est possible de construire des règles d’engagement basées sur des critères objectifs : débit dans le by pass, conditions atmosphériques, plan de production… Ces cascades prennent également en compte les performances des tours de refroidissement et leurs contraintes techniques (nombre, vitesse, délais de démarrage…).

Potentiel de gains : 10 % – 20 %

 

6- SANS CAPEX : Modifier les « set points »

L’analyse des données offre régulièrement des découvertes contre-intuitives, généralement liées à des effets systémiques : « L’optimum global ne résulte pas des optima locaux » explique l’expert Jean Vielle dans Factor.e (Ed#3 : « De l’importance d’une approche systémique »). Concrètement, il arrive fréquemment qu’en augmentant légèrement la consommation d’une tour aéroréfrigérante (simplement en diminuant sa température de consigne), on réduise encore plus celle des compresseurs des groupes froids. L’étude des bons réglages nécessite un solide travail sur les données et des tests en grandeur nature.

Potentiel de gains : 5 % – 10 %

 

7- (Presque) SANS CAPEX : Essayez la HP flottante

Benjamin Franklin n’a pas seulement fait voler des cerfs-volants les jours d’orage. Avant de fonder les USA, il démontra par son expérience « le bouillant de Franklin », qu’une faible pression réduit la température d’ébullition d’un liquide. C’est le principe de la HP flottante : réduire la haute pression du compresseur en fonction de la température extérieure (donc surtout en hiver) pour économiser des « bars » inutiles. L’achat d’un module de régulation spécifique est cependant nécessaire.

Potentiel de gains : 5 % – 15 %

 

Ainsi, avec ou sans investissement, rapidement ou avec un historique assorti de quelques études sur les données énergétiques, les solutions pour optimiser la consommation énergétique de votre production de froid s’avèrent variées. Leur efficacité sera d’autant plus importante que votre SIE (Système d’Information Énergétique) est complet.

 

[1] Une bonne explication ici :

https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11175#c6324+c6325+c6328

 

Les démarches d’efficacité énergétique industrielle concernent souvent la production d’utilités en premier lieu. Une priorisation compréhensible : après tout, les produits sont l’objet même de l’activité, et ne peuvent souffrir de la moindre baisse de qualité ou de cadence de production. Intouchables donc les process de fabrication !? Pourtant il est possible (et souvent souhaitable) de challenger leur rendement énergétique. Voici déjà quelques pistes…

 

Pour optimiser le rendement énergétique dans vos process :

1- Impliquez les opérateurs

À l’usine ou à l’atelier, comme ailleurs, on cherche à bien faire : des produits de qualité, en respectant les consignes et les KPIs, et en s’appuyant sur l’expérience et la connaissance. Sauf que ces bonnes intentions se traduisent parfois (et même souvent) par des attitudes gourmandes en énergie : un confort de conduite exagéré (marges de sécurité en puissance et/ou en durée de fonctionnement), une confusion entre consignes et habitudes (« Ça fait trente ans qu’on fait comme ça, personne ne s’est plaint »), et un manque criant de prise en compte de la chose énergétique. Le rendement énergétique n’est certes pas la priorité mais ce n’est pas une raison pour le délaisser totalement.

 

 

 

2- Exploitez votre chaleur fatale

Quasiment tous les process produisent de la chaleur résiduelle, pas toujours exploitée. Parfois à raison, par manque évident de rentabilité. Et souvent à tort, faute d’avoir vraiment étudié les possibilités. Le préchauffage de votre eau de chaufferie par l’eau de refroidissement des compresseurs sera-t-il rentable ? S’il existe des échangeurs pour récupérer des calories sous toutes formes (gaz/gaz, liquide/liquide, liquide/gaz…), encore faut-il s’assurer de la synchronisation entre les besoins et la production de chaleur, de puissances et températures compatibles, d’une distance raisonnable entre les producteurs et consommateurs, etc.

 

 

 

3- Affinez vos régulations

La stratégie de contrôle commande se heurte régulièrement à deux problématiques. D’abord l’identification des bons paramètres à réguler, ce qui n’est pas aisé si l’on ne connaît pas précisément les process de l’usine et les équipements. Et ensuite la définition des réglages de régulation : comment s’assurer que les corrections PID (proportionnel, intégral, dérivé) ne sont ni « standards », ni arbitraires ?

 

 

 

4- Assouplissez vos paramétrages

« L’humidité résiduelle de notre matière première doit être de 10 %. » Ah ? Que se passe-t-il à 9 %, ou à 11 % ? Quel sera l’impact sur la qualité du produit fini ? Sur la fiabilité des process ? Sur l’entretien et la maintenance des équipements ? Et surtout combien coûte la réduction de ce seul point d’humidité ? N’y a-t-il pas là des gisements de confort de conduite, de productivité, et d’énergie ?

 

 

 

5- Évitez l’obsolescence des équipements

Faut-il rappeler qu’une machine usée consommera TOUJOURS plus d’énergie qu’une neuve ? S’il n’est bien sûr pas question de remplacer des équipements encore « bons pour le service » par des modèles plus économes (quoique, cela peut être rentable dans certains cas…), il est tout de même rageant de voir les efforts énergétiques d’une équipe se diluer dans une machine antédiluvienne, simplement parce qu’il n’y a pas de CAPEX au budget.

 

 

 

6- Rénovez vos réseaux de distribution

Prenons l’exemple d’un réseau d’eau chaude alimentant 5 bâtiments. Vingt ans après sa construction, deux édifices ont disparu, remplacés par un autre, situé plus loin sur le site. Le réseau est ainsi utilisé avec une pression et une température supérieure (afin d’alimenter correctement le bâtiment lointain et gourmand). Une aubaine pour les autres usagers, qui en profitent pour surconsommer allègrement !

 

 

 

7- Outillez les managers

Qui connaît le mieux le fonctionnement de l’atelier : le manager qui suit les KPIs sur Excel, ou le chef d’atelier, qui les « vit » au quotidien ? Chacun son job bien sûr. Mais tout de même : comment confronter efficacité énergétique et confort de conduite (qui restent foncièrement antinomiques) si l’on ne comprend pas vraiment les contraintes du terrain ?

 

 

Saviez-vous que la CTA – Centrale de Traitement d’Air – fait partie des équipements les plus complexes à maîtriser dans les usines ? Ce système autorégulé est parfois perçu comme une « boîte noire », et il n’est pas aisé d’en jauger les performances énergétiques. Pourtant, avec des outils adéquats, vos équipes sont en mesure de les optimiser. Il ne faudrait surtout pas passer à côté de cette opportunité.

C’est pourquoi une application web métier est indispensable pour le suivi et l’optimisation énergétique de vos centrales de traitement d’air. En effet, les CTA sont exploitées pour atteindre des niveaux de qualité d’air exigeants dans les ateliers (poussières, humidité, température…). Pour cela, elles sont constituées de nombreux éléments contrôlant automatiquement divers paramètres de l’air (température, hygrométrie, pression…). Ces derniers sont si nombreux qu’identifier des pertes ou des dérives est très complexe. Les dysfonctionnements passent donc souvent inaperçus ! D’autre part, les équipes n’ont pas les mêmes expériences et pratiques de conduite, ils ne ciblent pas les mêmes problèmes. L’animation de l’énergie permettra ainsi une plus grande efficacité sur le terrain.

 

Les centrales de traitement d’air : complexe ou systémique ?

Bien sûr, la CTA n’est pas un mystère. Cependant son fonctionnement repose sur un “chemin thermodynamique de l’air” qui détermine les traitements successifs à effectuer sur l’air extérieur et/ou intérieur, afin de l’amener à la qualité souhaitée au point de soufflage.

« Les étapes sont simples – chauffage, refroidissement, lavage…– mais sont toutes liées et concourent à ajuster les paramètres de l’air en totale coordination. Les batteries froides serviront à refroidir ou déshumidifier, et les laveurs à humidifier. La CTA offre ainsi plusieurs façons d’obtenir un même résultat, la difficulté réside dans la stabilisation de la configuration la plus performante.» explique Stéphanie Hoarau, Chef de projet efficacité énergétique.

 

Toujours quelque chose à faire

On pourrait penser qu’une fois bien paramétrée, la CTA atteindra puis maintiendra efficacement ses objectifs. C’est sans compter sur les inévitables dérives des sondes, vannes bloquées ou passantes, erreurs et saisies de consignes incohérentes… sans parler des événements exogènes comme la variation des conditions extérieures ou dans l’atelier.

« Le problème réside justement dans l’orientation “objectifs ” d’une CTA : elle cherche à satisfaire la consigne, et pourra l’atteindre même en mode dégradé, au détriment de sa consommation énergétique. Et même si l’on détecte une anomalie, via ses interfaces, encore faut-il savoir séparer la cause des symptômes. Un air chaud et sec sera humidifié puis refroidi. Si l’air est trop froid en sortie, pour cause de vanne trop ouverte par exemple, des batteries chaudes en aval pourront entrer en jeu. Pas facile de diagnostiquer d’un seul coup d’œil ce problème depuis la supervision ! » précise Stéphanie Hoarau.

 

La data à la rescousse !

Alors comment évaluer ce qui se passe vraiment dans votre CTA ? En collectant un maximum de données sur son fonctionnement, y compris (et même surtout) sur ses sous-systèmes.

« A partir des caractéristiques techniques de tous les composants d’une CTA, nous pouvons construire un modèle de fonctionnement théorique et une banque de situations combinant les données d’entrées (comme les conditions extérieures et consignes) et l’état précis des sous-systèmes : consigne sur telle vanne, niveau de température après tel équipement… On peut ensuite comparer avec la réalité, en temps réel, pour chercher d’éventuelles incohérences et alerter en cas d’écarts » dévoile Stéphanie Hoarau.

 

Les bénéfices du monitoring énergétique des Centrales de Traitement d’Air

Les gains potentiels sont significatifs car ils permettent d’échapper à des situations qui durent :

• les surconsommations sont évitées,
• la qualité de l’air est améliorée,
• les coûts de maintenance sont réduits, car les durées de fonctionnement en mode dégradé diminuent (lorsqu’un équipement dysfonctionne, ses voisins vont chercher à compenser).

 

L’application CTA de Vertuoz Industri.e fonctionne déjà. Elle permet en un coup d’œil de savoir tout ce qui se passe dans votre CTA, et surtout de résoudre des problèmes « indétectés » auparavant. Alors on l’ouvre, cette boîte noire ?

L’industrie agroalimentaire consomme beaucoup d’énergie pour assurer la maîtrise de la température et la qualité d’air des zones de travail. Bien souvent, quelques actions simples permettent de réaliser des économies substantielles. En voici quelques exemples, pour des ateliers emblématiques de l’industrie agroalimentaire : la salle de cuisson et son extraction d’air d’une part, et l’atelier de confection/conditionnement avec sa centrale de traitement d’air d’autre part.

 

Maîtriser l’extraction d’air en salle de cuisson

Les industriels de l’agroalimentaire sont nombreux à faire face au même dilemme : réduire l’exposition à la chaleur de leur personnel en ventilant abondamment les ateliers de cuisson et éviter de contaminer les produits en sortie de four avec un air de refroidissement grossièrement filtré. Pourtant, il est possible de combiner harmonieusement ces enjeux, et quasiment sans CAPEX !

Le refroidissement est généralement confié à des extracteurs d’air, plaçant la salle de cuisson en dépression. Plusieurs dizaines de milliers de m3/h d’air chaud sont ainsi aspirés et remplacés par de l’air « neuf » à température ambiante. « La qualité de cet air neuf peut être très discutable, estime Yves Bergeron, Consultant Industrie. Les prises d’air sont par exemple situées au ras du sol dans l’atelier de maintenance. Les vitesses d’air sont telles que l’effet d’envolement est important. Et celui-ci est en général simplement préfiltré, car il est difficile de filtrer finement de tels flux d’air ». Dans la démarche d’optimisation, une fois n’est pas coutume, la maîtrise de l’énergie et de la qualité microbiologique se rejoignent : le premier levier de progrès concerne l’ajustement de l’extraction d’air au minimum nécessaire pour assurer une température de travail acceptable.

 

 

Une autre action très simple consiste à s’assurer que l’extraction ne fonctionne que lorsqu’on en a besoin. Ne démarre-t-elle pas trop tôt, alors que le four et la salle sont encore froids ? Ne s’arrête-t-elle pas trop tard ? « Le nombre et/ou le niveau de marche des extracteurs doivent être ajustés en fonction de la météo (température extérieure et ensoleillement), mais aussi de l’activité de la salle elle-même » propose Yves Bergeron.

 

Optimiser le point de fonctionnement de la centrale de traitement d’air

Plantons le décor : la centrale de traitement d’air permet d’assurer la conformité de l’air de la salle pendant la production, par rapport à la norme applicable (température de la salle, qualité microbiologique de l’air).

Première piste de travail : optimiser l’énergie dépensée pendant les périodes de hors production. L’enjeu est d’autant plus important si l’atelier tourne peu. Rappelons qu’un atelier qui fonctionne 8 heures par jour, 5 jours par semaine, est trois fois plus souvent hors production qu’en production !

Rappelons que le taux de renouvellement d’air imposé par la norme pendant la production a été calculé pour éliminer la contamination apportée par les flux entrants dans l’atelier (produit, emballages, personnels…).

Hors production et hors maintenance, lorsque les portes des ateliers sont fermées et qu’il n’y a aucun flux, ce taux de renouvellement peut être fortement diminué, tout en assurant la qualité microbiologique de l’air nécessaire.

La contrainte imposée sur la température de la salle en production est également très probablement excessive hors production. « La norme ne s’applique pas puisqu’il n’y a alors pas de production, même s’il faut bien évidemment s’assurer (et pouvoir prouver) que la qualité de l’air reste maîtrisée, et sera conforme à la norme dès le début de production, rappelle Yves Bergeron. Des actions d’accompagnement classiques hors production consistent à consigner les portes, boucher les ouvertures et couvrir les équipements. Et on sera surpris de constater que la qualité du début de production est souvent fortement améliorée par rapport à la qualité obtenue en laissant la centrale de traitement d’air à fond pendant les arrêts de production. »

Ce premier succès légitime la remise en question d’une croyance : « On fait tourner la centrale de traitement d’air à fond. Comme ça on n’a pas de problème ! ». Un petit effort préalable est cependant indispensable : il faut bien connaître la norme applicable. En effet, la bonne compréhension de la norme permet de challenger positivement les responsables qualité et de définir avec eux le point de fonctionnement nécessaire pour le niveau d’activité le plus exigeant. Il devient dès lors possible, en procédant par étapes entrecoupées de longues périodes d’observation, de réduire graduellement le niveau de marche de la centrale de traitement d’air jusqu’à ce point de fonctionnement. Sur certains ateliers, il est même possible d’aller plus loin. « Les besoins réels de renouvellement d’air peuvent dépendre très fortement de l’activité, calcule Yves Bergeron, du nombre de personnes présentes, du flux de produits, d’emballages… Si le produit est tranché et génère beaucoup de particules, ou s’il est refroidi en salle et génère de l’humidité… ». Il n’est pas rare que l’activité la plus exigeante soit en réalité peu fréquente. L’optimisation peut alors se poursuivre pour les niveaux d’activité courants.

 

Piloter vraiment pour gagner tout le temps

À l’évidence, adapter le niveau de marche des extracteurs d’air et des centrales de traitement d’air au niveau d’activité et aux conditions météorologiques augmente la complexité. « Une supervision centralisée prend ici tout son sens. D’abord pour historiser sereinement les états de fonctionnement, les rapprocher des données de production, et analyser leurs conséquences énergétiques, à l’échelle de chaque salle. Mais aussi pour identifier les réglages efficaces et les propager à d’autres ateliers. Il n’est pas nécessaire d’aller jusqu’au contrôle-commande, la diffusion de consignes simples avec les plans de production suffit en général » propose Yves Bergeron. Prévoyez une bonne année pour constituer un corpus de données suffisant, puis récoltez les fruits énergétiques : la division par deux de votre consommation est tout à fait envisageable !

De nombreuses raisons peuvent pousser à répartir uniformément une charge entre plusieurs équipements similaires : usure équilibrée, contraintes de maintenance, sécurisation du process, éléments contractuels, habitudes… et souvent l’impression de faire des économies car « on tourne moins vite ». Las. Les synergies attendues pourraient bien s’avérer négatives.

 

Une histoire de rendement

Premier responsable : le rendement non linéaire de la plupart des équipements. On confond trop facilement la consommation énergétique absolue d’un matériel, qui varie globalement avec la charge et la durée d’utilisation, et sa consommation relative ou rendement : la quantité d’énergie nécessaire par unité traitée. Si nous prenons l’exemple des compresseurs, leur rendement, exprimé en kWh/m³, dépend notamment de 3 critères : la technologie (électro-compression ou turbine à gaz), le taux de compression demandé (Pression finale/Pression initiale), et le débit injecté en entrée. La courbe de rendement obtenue est sans équivoque : pour un taux donné, seule une certaine plage de débit offre un rendement élevé. On comprend ainsi qu’il vaut mieux utiliser un seul compresseur dans sa plage d’usage idéale que deux ou plus, dans une zone peu efficiente.

À noter : La courbe de l’électrocompresseur est inférieure : meilleur rendement énergétique.

 

Quand les indicateurs énergétiques et économiques divergent…

Mais les choses se corsent dès que l’on passe des kWh aux euros. La courbe de rendement technique peut s’avérer insuffisante, et même se voir contredite par le rendement économique, exprimé en €/unité produite. C’est ainsi le cas lorsqu’une technologie l’emporte clairement sur l’autre du fait du prix de l’énergie : à puissance égale, un compresseur à gaz est toujours moins cher à utiliser. D’autres critères peuvent interférer, de manière différente selon les équipements : plafonds ou planchers d’abonnement, pertes au démarrage, durée d’utilisation minimale, contraintes de maintenance, participation à un programme d’effacement… Selon leurs courbes de rendement, et leur énergie de fonctionnement, il est possible de dessiner les courbes de rendement économique de tous les équipements en parallèle : compresseurs, chaudières, groupes froids, pompes… pour pouvoir arbitrer et construire les cascades d’allumage optimales en énergie ».

La courbe de la turbine à gaz est inférieure : meilleur rendement économique sur toute la plage.

 

Une petite étude pour une grosse réduction initiale

Concrètement (et idéalement) les courbes de rendement peuvent être construites à partir des données historiques de fonctionnement. Une étude sur les demandes de charges les plus fréquentes permet alors de construire les stratégies de démarrage des matériels, et de dégager immédiatement des économies très significatives. Les gains sont très variables, pouvant aller jusqu’à des pourcentages de réduction à deux chiffres, et un ROI très rapide. On peut ainsi adapter les cascades de démarrage en temps réel et préconiser des consignes de conduite précises pour chacun des équipements ! ».

 

Vers l’optimisation continue avec le numérique

En effet, l’apport d’une plateforme numérique permet de :

• Créer les indicateurs de rendement technique grâce aux historiques de data.
• Construire les indicateurs économiques qui en découlent.
• Superposer visuellement les courbes pour repérer facilement les cascades de démarrage à appliquer.
• Comparer les résultats obtenus et en tirer les bonnes pratiques selon les cas d’usages.

 

Et si vous n’avez pas d’outil pour le moment, commencez déjà par allumer vos équipements les uns après les autres, en visant systématiquement un usage à la puissance nominale.