Déceler le gaspillage énergétique que produit une application industrielle

Identifier les problèmes, quantifier les solutions et valider le retour sur investissement

En ce qui concerne les économies d'énergie, il y a toujours une intention, puis un plan par la suite. Les installations industrielles aux États-Unis font preuve d'un intérêt soutenu pour la gestion de l'énergie. Voici l'intention : Réduire globalement ou maintenir la consommation d'énergie, tout en augmentant la quantité produite par kW utilisé.

Le plan ? Parfois, c'est là où se trouve le problème.

En fabrication, un plan fonctionne quand il associe la sagesse de l'expérience qui guide la vision et les chiffres du retour sur investissement pour appuyer l'effort. Quand il s'agit d'énergie, les responsables d'installation industrielle ne disposent pas de travaux de recherche pour les aider à définir des bases de références quant à une consommation « raisonnable » d'énergie dans une usine de fabrication. Comment donc estimer la proportion d'énergie actuellement utilisée qui est raisonnable ou gaspillée et, sur cette énergie gaspillée, comment savoir quelle installation propose un retour sur investissement suffisamment important pour que ça en vaille la peine ?

Le retour sur investissement en question ici est le coût au kWh, tel qu'il est facturé par le fournisseur. Ces unités possèdent des taux différents selon le moment du jour et de l'année. Réduire ces dépenses constitue donc les économies à réaliser. L'investissement se compose des matériaux et de la main-d'œuvre requis pour changer la consommation d'énergie. Le retour sur investissement est le temps nécessaire pour que les économies réalisées avec la facture d'électricité réduite remboursent l'investissement. Le profit commence lorsque toutes les dépenses sont payées.

Si l'on revient au plan, comment obtenir une estimation du retour sur investissement lorsqu'il n'existe pas de normes de l'industrie quant à une consommation raisonnable d'énergie ?

Profil de la consommation d'énergie dans une application industrielle

La consommation d'énergie dans une application industrielle varie en fonction de différents facteurs :

  • âge de l'usine
  • type et taille de la charge
  • planning opérationnel, jours par semaine et intensité de la charge
  • nombres d'employés
  • climat
  • philosophie de maintenance

La réponse est : N'essayez pas de gérer chaque kW consommé par votre installation. Voici la partie « sagesse de l'expérience » de l'équation. Divisez l'installation en une infrastructure électrique, puis en systèmes clés.

Les économies d'énergie commencent par deux tactiques de base : (1) une inspection générale des systèmes clés et (2) une collecte de données ciblées, notamment des enregistrements de la consommation d'énergie au niveau des alimentations électriques principales et des charges clés.

Identifiez combien le système est censé consommer, déterminez sa consommation actuelle et identifiez les gaspillages, soit dans l'exploitation, horaires et types, soit dans l'équipement ou le système lui-même. Pour réaliser des économies, l'installation doit s'attaquer au gaspillage, soit en changeant son exploitation et sa maintenance soit ses équipements et ses commandes.

Composants de l'énergie

Avant d'expliquer comment suivre la consommation d'énergie, revoyons comment nous définissons et mesurons l'énergie.

Figure 1. L'énergie est exprimée en puissance active, réactive et apparente.

L'énergie est exprimée en puissance active, réactive et apparente (Figure 1).

Le flux d'énergie est décrit par :

  • la puissance réelle (P) ou active en watts (W) ;
  • la puissance réactive (Q) en voltampères réactifs (VAR) ;
  • la puissance complexe (S) en voltampères (VA) ;
  • la puissance apparente, magnitude de la puissance complexe (VA).

La relation mathématique entre la puissance réelle, réactive et apparente peut être représentée par des vecteurs ou exprimée avec des nombres complexes, S = P + jQ (j étant l'unité imaginaire).

La puissance réactive ne transfère pas d'énergie - aucun travail n'est produit ; elle est donc représentée en tant qu'axe imaginaire du diagramme vectoriel. La puissance réelle déplace de l'énergie ; il s'agit donc de l'axe réel.

La vitesse du flux d'énergie dans un système dépend de la charge : est-elle résistive, réactive, ou les deux ?

Si la charge est purement résistive, la tension et le courant inversent la polarité en même temps, à chaque instant le produit de la tension et du courant est positif à chaque instant et seule la puissance réelle est transférée : du travail est produit.

Si la charge est purement réactive, la tension et le courant sont déphasés et leur produit peut être positif ou négatif, ce qui indique qu'une partie de l'énergie est transférée à la charge tandis qu'une partie est réacheminée. Le transfert net d'énergie vers la charge est de zéro : aucun travail n'est produit.

En réalité, les charges comportent une combinaison de résistance, d'inductance et de capacité électriques, ce qui crée de la puissance réelle et de la puissance réactive dans un système. Pour cette raison, les systèmes électriques sont conçus pour tolérer une certaine quantité de puissance réactive. Un problème se déclare lorsque trop de puissance réactive est générée. Non seulement il n'y a pas assez de puissance réelle pour produire le travail requis, mais la capacité globale de production de travail du système est compromise. C'est pourquoi les fournisseurs d'électricité pénalisent leurs clients si leurs charges produisent trop de puissance réactive : c'est de l'énergie gaspillée qui coûte de l'argent à générer, mais ne peut être utilisée. La plupart des factures d'énergie traquent les VAR (puissance réactive) et certaines calculent le facteur de puissance, qui évalue de combien un système est passé en dessous de la puissance réelle de 100 %. La plupart des fournisseurs exigent que leurs clients restent au-dessus de 0,95 FP (facteur de puissance).

Suivre la consommation d'énergie

Figure 2. Set up energy logging equipment to measure overall level and quality of consumption and then trace when energy is consumed.

Comprendre les bases des composants de l'énergie permet à un électricien de mettre en place des équipements d'enregistrement de l'énergie pour mesurer le niveau global et la qualité de la consommation, puis suivre les périodes où l'énergie est consommée et par quoi (Figure 2).

Enregistrez la puissance au niveau des panneaux principal et secondaire et au niveau des charges principales Enregistrez les kW, les kWh et le facteur de puissance sur une période de temps représentative.

Cela vous fournit une idée très précise, au fil du temps, de la consommation d'énergie réelle sur des circuits et des charges triphasés.

Les plus importantes économies d'énergie réalisées proviennent de la possibilité de déterminer à quel moment votre consommation d'énergie est au plus haut, d'évaluer le facteur de puissance et la consommation d'électricité globale par rapport aux factures du fournisseur et, éventuellement, de rééquilibrer vos charges. Deux petites minutes de pic de consommation peuvent augmenter le tarif de l'installation pendant quelques heures, jours ou semaines.

Replanifier les charges peut permettre à une entreprise de profiter des moments de la journée où l'énergie est moins chère. Vérifiez si votre facteur de puissance est fort en dessous de 1 et examinez vos factures d'électricité pour déterminer si vous êtes pénalisé en raison d'un facteur de puissance médiocre. Si c'est le cas, l'enregistreur de qualité d'énergie peut vous aider à repérer les sources du problème. Ensuite, une fois que vous avez effectué des améliorations écoénergétiques, reconnectez l'enregistreur pour vérifier les avantages de vos améliorations en termes d'efficacité.

Comprendre les points de gaspillage d'énergie

Chaque système et exploitation peut potentiellement représenter un point de gaspillage qui peut être atténué ou rectifié. Il est bon de commencer par les sous-systèmes électriques, les systèmes d'air comprimé, de vapeur et électromécaniques spécifiques, mais chaque exploitation présente des points de gaspillage d'énergie qui doivent être mesurés.

Le but est de cartographier la consommation d'énergie de chaque équipement et processus spécifique pour rechercher où l'énergie est gaspillée, quantifier l'énergie perdue et donner la priorité aux améliorations ou aux remplacements en fonction de la durée de vie de l'équipement et les modifications susceptibles de fournir le meilleur retour sur investissement.

Figure 3. Energy mapping provides a baseline from which to measure the effectiveness of energy saving projects to justify the cost.

La cartographie de la consommation d'énergie fournit également une référence à partir de laquelle il est possible de mesurer l'efficacité des projets relatifs à l'économie d'énergie pour justifier les coûts engagés (Figure 3).

Les gaspillages courants dans les sous-systèmes électriques :

  • Charges habituellement laissées actives après les heures normales ou inutilement en fonctionnement aux heures de pointe.
  • Absence de contrôle du moteur pouvant signifier une création de puissance de sortie plus importante que nécessaire.
  • Conditions de surtension/surintensité provoquant une consommation électrique excessive en guise de compensation.
  • Déséquilibre de phase entraînant une consommation d'électricité par la charge sans pouvoir l'utiliser.

Identifier et quantifier :

  • Effectuez une analyse thermique du tableau électrique et de la charge mécanique à la recherche de surchauffe.
  • Enregistrez les données de l'alimentation au fil du temps : quelle est la consommation électrique à un moment donné de la journée et quelle est la quantité gaspillée ?

Les gaspillages courants et les points à inspecter dans des systèmes électromécaniques.

  • Une friction excessive résultant de problèmes d'alignement, de roulements, d'équilibrage et de desserrage entraîne une surcharge du moteur et une consommation d'électricité excessive.
  • Des charges non contrôlées laissées actives après les heures normales, fonctionnent aux heures de pointe, créent une puissance de sortie plus importante que nécessaire ou subissent les conditions de surtension/surintensité et de déséquilibre de phase.
  • De vieux dispositifs mécaniques consomment beaucoup plus que des nouveaux modèles à haute efficacité, et leur remplacement prématuré peut être justifié pour réduire seulement la consommation en kWh.

Identifier et quantifier :

  • Effectuez une analyse thermique du tableau de commande et de la charge mécanique en cas de surchauffe, un signe indiquant une inefficacité électrique.
  • Enregistrez la consommation d'énergie au fil du temps : vérifiez la consommation totale en kWh, le facteur de puissance, la consommation de pointe, les déséquilibres et les harmoniques.
  • Testez les niveaux de vibration conformément aux normes et identifiez les solutions de maintenance, telles que le rééquilibrage.
  • Effectuez une analyse thermique des couplages/arbre/courroies, roulements et ventilateur.
  • Vérifiez les niveaux de courant et de tension.
  • Effectuez une analyse thermique du boîtier de terminaison/de raccordement et des enroulements et menez des tests de résistance de l'isolement des conducteurs.

Les gaspillages courants et les points à inspecter dans des systèmes d'air comprimé :

  • Importantes fuites dans les conduites d'air comprimé entraînant un fonctionnement excessif pour maintenir l'alimentation.
  • Les compresseurs maintenus en activité en dehors des heures d'utilisation gaspillent de l'énergie.

Identifier et quantifier :

  • Enregistrez la puissance au niveau du compresseur en guise de référence pour la consommation.
  • Mesurez la pression au niveau du compresseur et du point d'utilisation pour déterminer le niveau de chute.
  • Il est possible d'utiliser les ultrasons pour identifier les fuites.

Les gaspillages courants et les points à inspecter dans des systèmes à vapeur :

  • Les purgeurs de vapeur défectueux etune isolation insuffisante entraînent des pertes de vapeur, causant une surproduction destinée à maintenir l'alimentation nécessaire.

Identifier et quantifier :

  • Enregistrez la puissance au niveau d'une chaudière en guise de référence pour la consommation.
  • Effectuez une analyse thermique des tuyaux et des purgeurs pour identifier les blocages et les lacunes au niveau de l'isolation.

Valider le retour sur investissement

À cause de l'absence de normes dans l'industrie précédemment mentionnée, comment savoir quels sont les systèmes possédant le retour sur investissement le plus intéressant ? Les exemples de cas qui représentent des situations courantes sont nos meilleurs outils. Voici plusieurs exemples pour des systèmes industriels courants.

Inspection électromécanique

Type d'installation : usine de recyclage d'acier en Allemagne
Type d'équipement : ventilateur avec entraînement par courroie, pour refroidissement de processus
Mesures prises : tests de vibration
Problèmes relevés : déséquilibre modéré, mauvais alignement et usures des roulements détectés
Économies : un rééquilibrage était nécessaire. Un moteur de 350 kW fonctionnait à 80 % de sa puissance nominale, la puissance mesurée était d'environ 280 kW. Après le rééquilibrage, la consommation d'énergie a été réduite de 3 %. Au prix de 0,11 euro/kWh, les économies annuelles ont atteint 8 094 euros.

Inspection air comprimé

Type d'installation : fabrication
Type d'équipement : système d'air comprimé
Mesures prises : inspection ultrason du système d'air comprimé (enregistrement des données complètes du compresseur recommandé)
Problèmes relevés : la quantité d'air comprimé produite par rapport à la demande réelle
Économies : plusieurs points d'amélioration ont été détectés. Les économies annuelles totales ont atteint 50 600 $. Arrêt du compresseur les week-ends : économies annuelles de 32 700 $ Installation de solénoïdes pour couper la circulation d'air lorsque les machines sont arrêtées : économies annuelles de 7 100 $. Réparation de 36 fuites : économies annuelles de 4 800 $. Installation de filtres dans le système pour un coût de 6 000 $ ; économies annuelles de : 6 000 $.

Inspection du purgeur de vapeur

Type d'installation : fabrication
Type d'équipement : chaudières et conduites de vapeur
Mesures prises : inspection thermique des conduites de vapeur
Problèmes relevés : six purgeurs de vapeur ne fonctionnaient pas correctement ; présence de fuites dans les bobines des chaînes d'électrodéposition : possibilité de récupérer le condensat
Économies : six purgeurs défectueux remplacés à un coût individuel de 500 $. Économies réalisées : 3 200 $ par purgeur selon les calculs de coût de génération de vapeur et de perte de chaleur connus. Économies réalisées : 16 200 $.
Prochaine étape : consignation de l'énergie au niveau du compteur de la chaudière avant et après réparation des fuites et des problèmes de condensats.

Productivité en hausse ou réduction de frais ?

Une réponse à la prochaine question ne peut être que précieuse : une fois que vous avez identifié un moyen de réduire la consommation d'énergie, est-ce que vous investissez ces économies pour augmenter le rendement de l'usine (même consommation de kWh, mais production plus importante) ou pour d'autres stratégies commerciales (marges bénéficiaires, niveaux de prix) ?

Réduire la consommation d'énergie est une bonne affaire. En enregistrant la puissance de chaque système majeur et en cartographiant les coûts par rapport aux factures du fournisseur d'énergie pour quantifier où et quand les consommations ont lieu, les entreprises réalisent souvent des économies en changeant simplement leur exploitation et leurs plannings. En identifiant les équipements inefficaces ou obsolètes, les entreprises peuvent justifier et donner la priorité à leur remplacement. Et, en réduisant la consommation totale d'énergie, les entreprises réduisent leurs coûts opérationnels et augmentent ainsi leur compétitivité sur le marché.

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