Gestion De L'énergie : Enjeux, Challenges Et Solutions

Le 01/10/2014 à 14:00  

L'essentiel

Considérée comme une contrainte ou au contraire comme une opportunité pour améliorer la productivité, l'efficacité énergétique est au cœur des préoccupations des industriels.

Certains d'entre eux la considèrent même comme une priorité. Il faut dire que le gisement d'économies potentielles est énorme.

La réussite d'une politique de gestion énergétique passe par la conformité aux normes en vigueur et par le déploiement d'une solution globale qui permet de connaître en temps réel la consommation d'énergie au niveau de chaque équipement.

Les automaticiens sont souvent les interlocuteurs privilégiés des industriels dans le choix des meilleures solutions technologiques pour l'efficacité énergétique.

Contrainte pour les uns, prise de conscience environnementale pour les autres… Source de coûts supplémentaires pour certains, moyens d'améliorer la productivité pour d'autres… Quelle que soit l'idée, qu'on la trouve bonne ou mauvaise, l'efficacité énergétique est, depuis quelques années déjà, au cœur des préoccupations des industriels. Et quand on évoque l'efficacité énergétique dans le domaine de l'industrie, cela s'entend au sens des ressources énergétiques consommées dans les procédés de production industrielle, à savoir l'eau, l'air, le gaz, l'électricité et la vapeur, ce que les anglo-saxons regroupent sous l'appellation générique WAGES ( Water, Air, Gas, Electricity, Stream ). Pour accompagner les industriels dans leur quête d'une meilleure efficacité énergétique de leurs installations, une nouvelle norme internationale a vu le jour en juillet 2011: ISO 50001.

Largement inspirée de la norme européenne EN 16001, ISO 50001 fournit aux organismes et industries qui souhaitent améliorer leur gestion de l'énergie, une méthodologie opérationnelle précise pour arriver à leurs fins. « La norme ISO 50001 ne fixe aucun objectif chiffré d'économie d'énergie mais apporte aux entreprises une méthodologie précise qui permet la mise en œuvre de leurs stratégies énergétiques et d'atteindre les performances énergétiques que ces sociétés se sont elles-mêmes fixées », explique Catherine Moutet, responsable d'Afnor Energies au sein du groupe Afnor. Et Mme Moutet de préciser: « La norme requiert d'analyser les consommations selon la nature de l'énergie (électricité, gaz, chaleur, carburants, géothermie, solaire thermique, photovoltaïque…), à la fois pour la période actuelle,mais aussi pour une période passée représentative et pour le futur. Puis ces consommations sont réparties par usage (éclairage, chauffage, ventilation, transport interne, machines de production,informatique…).Ensuite, l'entreprise doit déterminer,suivant des critères qui lui sont propres, quels sont les usages énergétiques significatifs sur lesquels existent des potentiels d'économies. La méthodologie consiste bien en une approche de l'utilisation finale de l'énergie. Une fois répertoriés et hiérarchisés les potentiels d'amélioration de la performance énergétique, on peut alors commencer à élaborer les plans d'actions et consolider progressivement son système de management de l'énergie avec le programme de formation, le plan de mesurage, etc.»

Un potentiel d'économies énorme

Sans surprise, ce sont les secteurs les plus énergivores qui ont compris les premiers l'avantage que pouvait représenter l'efficacité énergétique en termes de gain de productivité, d'autant que le coût de l'énergie est orienté à la hausse et cela risque d'aller de mal en pis. « La démarche ISO 50001 connaît un certain succès dans les secteurs de la sidérurgie (aluminium, acier…) ou de la cimenterie pour lesquels l'énergie est au centre de leur activité. Elles ont déjà beaucoup optimisé la gestion de leur performance énergétique. Il y a aussi le secteur agroalimentaire à qui la norme promet d'apporter des gisements de productivité importants et d'amélioration ses marges.Ensuite,les hôpitaux et le tertiaire s'y mettent », confirme Catherine Moutet.

Pour se convaincre du bien-fondé d'une démarche des industriels visant à améliorer l'efficacité énergétique de leurs outils de production, il suffit d'avoir à l'esprit quelques chiffres. Ainsi, Mary Burgoon, en charge du développement de marchés chez RockwellAutomation, rappelle qu'une étude récente de l'agence américaine EIA ( Energy Information Administration ) prévoit que la consommation mondiale d'énergie va croître de plus de 50% d'ici à 2035. «Avec une population qui atteindra environ 10 milliards de personnes à l'horizon 2040 et un secteur industriel qui devrait croître en conséquence,les industries qui consomment le plus d'énergie n'auront d'autre choix que de trouver des solutions pour améliorer leur efficacité énergétique et faire des économies », précise-t-elle. Et le gisement d'économies potentielles est énorme. « L'industrie absorbe à elle seule environ 30 % de l'énergie consommée dans le monde et on estime que 40 % de cette énergie dédiée à l'industrie est perdue, gâchée ou utilisée à mauvais escient », a ainsi déclaré Serge Catherineau, directeur marketing industrie de Schneider Electric France lors d'une conférence de presse organisée par le Gimelec (Groupement des industries de l'équipement électrique,ducontrôle-com-mande et des services associés) le mois dernier et portant sur « Les leviers de la transformation » vers l'industrie 4.0 dont l'efficacité énergétique est l'un des axes majeurs.

Les secteurs de l'industrie les plus énergivores, tels que la sidérurgie ou la cimenterie, sont ceux qui ont compris les premiers l'avantage que pouvait représenter l'efficacité énergétique en termes de gain de productivité.

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Mais pour beaucoup d'industriels, la mise en place d'une stratégie d'efficacité énergétique globale rime forcément avec investissements lourds. Or, ce n'est toujours le cas, loin s'en faut. Ainsi, dans le domaine de l'agroalimentaire, troisième secteur industriel le plus énergivore, des économies sont possibles sans investissements massifs. C'est en tout cas ce qui ressort d'une récente étude réalisée sous l'égide de l'ANIA (Association nationale des industries alimentaires) et qui a été portée à notre connaissance par Ordinal Software, éditeur de logiciels dans les domaines de la supervision et du MES ( Manufacturing Execution System ). Cette étude estime en effet que 50% en moyenne des économies d'énergie dans le secteur des industries alimentaires sont accessibles rien qu'en améliorant le pilotage de la production. « Ce résultat est intéressant, car il va à l'encontre de l'a priori qui veut que les économies d'énergie impliquent nécessairement le changement d'une grande partie des équipements de l'outil de production, un changement d'un coût prohibitif en période de budgets serrés », précise-t-on chez Ordinal Software. D'ailleurs, les adages commencent à se fissurer et les mentalités à changer.Ainsi, dans l'étude de l'EIA mentionnée plus haut, 25% des capitaines d'industries interrogés affirment que l'efficacité énergétique est leur priorité. Dans le même ordre d'idée, une enquête récente menée auprès des industriels français par Premium Contact, réalisée en partenariat avec Kerdos Energy, société d'ingénierie spécialisée dans les technologies énergétiques, et la revue Mesures (voir Mesures n°862 de février 2014) , révèle que pour près de 44 % des industriels interrogés, l'efficacité énergétique est un moyen de réduire ses coûts d'exploitation, alors qu'ils sont près de 29 % à indiquer qu'il s'agit d'une priorité. Un peu plus de 21% du panel estiment qu'il s'agit d'un devoir, mais ils sont à peine 4% à voir l'efficacité énergétique comme un outil marketing et seulement 2,5 % à la considérer cela comme une contrainte.

Une récente étude de l'ANIA (Association nationale des industries alimentaires) estime que 50% en moyenne des économies d'énergie dans le secteur des industries alimentaires sont accessibles rien qu'en améliorant le pilotage de la production, c'est-à-dire sans investissements massifs.

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Pour accompagner ce que l'on pourrait appeler une prise de conscience, les normes revêtent une importance toute particulière. Car si la volonté des industriels de réduire leur facture énergétique semble bien réelle, se pose rapidement le problème de la mise en place de solutions concrètes permettant de mettre en œuvre la politique d'efficacité énergétique décidée par l'entreprise. Les normes constituent en quelque sorte le premier outil de l'efficacité énergétique. « La norme ISO 50001,par exemple,fournit aux usines, établissements commerciaux ou organisations, un cadre pour gérer l'énergie au sein de leurs installations et évaluer leurs performances énergétiques.Elle les aide à utiliser plus efficacement leurs actifs énergivores en testant, mesurant, documentant et générant des rapports sur les améliorations en matière d'efficacité énergétique, précise Mary Burgoon de Rockwell Automation, qui ajoute que, d'après certaines estimations, cette norme pourrait influer sur 60 % de la consommation d'énergie dans le monde.»

Mary Burgoon, en charge du développement de marchés chez Rockwell Automation : « Avec les solutions de production avancées actuelles et de gestion active de l'énergie permettant de connaître en temps réel la consommation d'énergie au niveau de chaque équipement et de chaque machine, il est possible d'optimiser la consommation énergétique globale de toute une installation ou une usine de manière dynamique et d'en réduire le coût, au lieu de la considérer comme une charge fixe. »

Rockwell Automation

Par ailleurs, le point de départ de la mise en place d'une stratégie d'efficacité énergétique passe bien souvent par un audit qui est d'ailleurs obligatoire depuis 2012 pour les grandes entreprises (plus de 250 salariés et 50 millions d'euros de chiffre d'affaires). Et là encore, les normes sont là pour aider à la réalisation d'audits énergétiques. Selon la norme NF EN 16247-1 publiée en 2012, un audit énergétique est un examen et une analyse méthodiques de l'usage et des consommations énergétiques d'un site, d'un bâtiment ou d'un organisme. Il vise à identifier les flux énergétiques et les potentiels d'amélioration de l'efficacité énergétique, puis d'en rendre compte. La norme NF EN 16247-1 délivre les exigences générales pour la réalisation d'un audit énergétique. Elle indique la méthodologie et les actions à mener tout au long des différentes étapes d'un audit énergétique (définition de l'objectif, du périmètre, réalisation d'une visite sur site, etc.).

L'importance des normes

Par ailleurs, trois nouvelles normes, publiées par Afnor cet été, viennent compléter la norme NF EN 16247-1 en édictant des méthodes de référence d'audit énergétique ciblant trois secteurs spécifiques, à savoir le bâtiment, l'industrie et le transport. Pour le bâtiment, la norme NF EN 16247-2 précise les exigences, la méthodologie et les livrables d'un audit énergétique dans les bâtiments dans leur ensemble (à l'exclusion des habitations privées individuelles), sur des parties spécifiques ou un système technique. Sur un site industriel, un audit énergétique est un outil décisif pour aider un organisme à gérer sa consommation d'énergie. Car les secteurs industriels présentent une grande diversité de procédés, d'utilités et d'usages énergétiques. La norme NF EN 16247-3 est un nouveau document de référence pour la réalisation d'audits énergétiques dans ce secteur. Enfin, dans le domaine du transport, la norme NF EN 16247-4 harmonise les procédures déjà utilisées pour mener un audit énergétique. Elle décrit des aspects spécifiques à chaque mode de transport. Les exigences s'appliquent au transport routier, ferroviaire, maritime et aérien, et prennent en compte les différences entre transports locaux et à longue distance, ainsi que ce qui est transporté (en somme, des marchandises et des personnes).

Quoi qu'il en soit, pour être efficace, la gestion de l'énergie ne doit pas être ponctuelle, mais au contraire globale et continue. « La gestion de l'énergie doit faire partie intégrante de la gestion et de l'exploitation de l'usine pour atteindre un niveau d'efficacité optimal tout en respectant les objectifs de production, affirme Eric Petela, responsable des services de conseils d'Aspen-Tech,éditeur de logiciels optimisant les opérations des industries de type process (énergie,chimie,pétrochimie,etc.) .Lacapa-cité àvisualiser et àanalyser les performances des usines en temps réel est essentielle pour comprendre la consommation d'énergie etles émissions et prendre les mesures nécessaires.L'idée que les coûts énergétiques sont fixes est fausse.Ils constituent en fait uneentitévariablequi peut diminuer les marges et même affecter les performances des usines.Et lorsque les margessont restreintes,laprise en compte ou non de cette considération peut fairebasculer une entreprise de la rentabilité àl'instabilité financière et commerciale, et inversement », précise-t-il. Mary Burgoon de Rockwell Automation va même plus loin. «Avecles solutions de production avancées actuelles et de gestion active del'énergie permettant de connaître entemps réel la consommation d'énergie auniveau de chaque équipement et de chaque machine, il est possible d'optimiser la consommation énergétique globale de toute une installation ou une usine de manière dynamique (par exemple en fonction des heures pleines ou creuses) et d'en réduire lecoût, au lieu de la considérer comme une charge fixe», indique-t-elle.Etselon les chiffres fournis par RockwellAutomation, rien qu'aux Etats-Unis, une réduction de 10% delaconsommation d'énergie équivaut àune économie annuelle de 6milliards de dollars.

Nécessité d'un retour sur investissement rapide

Bien que l'énergie représente l'un des principaux facteurs de coût indirect des industriels et que ces derniers se sentent de plus en plus concernés par cette thématique,cer-tains rechignent encore àmettre enœuvre une stratégie d'efficacité énergétique.« Le fait est que sans une méthode uniforme pour mesurer, générer des rapports et contrôler la consommation d'énergie,ce poste de coûts est l'un des plus difficiles àgérer.Parallèlement,la mise en œuvred'un système de gestion de l'énergie exige souvent d'importants travaux d'écrituredecode d'application et peut faire double emploi avec la structuredecontrôle existante. Résultat: les industriels considèrent que les projets d'amélioration de la maîtrise de l'énergie sont trop longs et coûteux àmettre enœuvre », indique Mary Burgoon de Rockwell Automation. C'est la raison pour laquelle,depuis 2012, l'automaticien américain participe, avec l'ODVA ( Open DeviceNetVendors Association )qui est en charge du développement et de la promotion du protocole CIP ( Common Industrial Protocol ), àunprojet visant àdéve-lopper une norme internationale pour l'énergie basée sur l'architectureréseau CIP et baptisée CIP Energy.CIP Energy est conçu pour transformer la manièredont les industriels surveillent et contrôlent leur consommation d'énergie en fournissant une interface de commande commune et une structurededonnées visible via le réseau.Par exemple,les données sur l'énergie bloquées àl'intérieur des produits d'automatisation peuvent êtremises àladisposition des systèmes d'information (supervision, acquisition de données, MES, etc.) et d'automatisation (modules d'E/S, process, contrôle d'axe, sécurité,etc.) de manièretransparente et native, en tirant parti des technologies qui existent déjà sur le réseau. Les industriels peuvent ainsi partager ces données sur le réseau d'opérations,des dispositifs jusqu'aux lignes de production et systèmes d'entreprises, ainsi qu'avec le réseau électrique. «Aujourd'hui, la plupart des projets de gestion de l'énergie nécessitent des systèmes et un équipement de mesure séparés pour obtenir une visibilité sur la consommation d'énergie. Or la mise en place de ces systèmes implique souvent une période d'amortissement supérieure à deux ans qui constitue bien souvent le seuil au-delà duquel les industriels ne franchissent pas le pas. L'intégration directe de CIP Energy dans les systèmes et réseaux existants évite justement aux industriels d'avoir à installer un système de gestion de l'énergie séparé, ce qui permet de réduire les coûts de mise en œuvre du projet et de raccourcir le délai de retour sur investissement », argumente Mary Burgoon de Rockwell Automation. Ainsi, en facilitant l'accès à des informations relatives à l'énergie en les mettant à disposition sur le réseau industriel et en fournissant une plus grande visibilité sur la consommation d'énergie au niveau opérationnel, les industriels peuvent optimiser leur consommation d'énergie durant la production et diagnostiquer les problèmes potentiels d'une machine ou d'un procédé particulier.

Rockwell Automation propose ce qu'il appelle des « solutions d'intelligence énergétique » qui reposent, entre autres, sur trois outils logiciels, en l'occurrence FactoryTalk VantagePoint Energy, FactoryTalk EnergyMetrix et IntelliCENTER Energy, dont la vocation est d'aider les responsables d'usines à visualiser la consommation des ressources en lien avec certaines unités, lignes et machines, ce qui leur permet de prendre des décisions plus efficaces concernant l'énergie.

Rockwell Automation

De fait, les automaticiens sont souvent des interlocuteurs privilégiés lorsqu'il s'agit de mettre en œuvre des solutions concrètes pour améliorer l'efficacité énergétique d'un site industriel. D'ailleurs, les principaux ténors du secteur –B&R, Bosch Rexroth, Rockwell Automation, Schneider, Siemens pour ne citer qu'eux – disposent tous d'une offre plus ou moins riche en la matière. Rockwell Automation propose ainsi ce qu'il appelle des « solutions d'intelligence énergétique » qui reposent, entre autres, sur trois outils logiciels, en l'occurrence FactoryTalk VantagePoint Energy, FactoryTalk EnergyMetrix et IntelliCENTER Energy, dont la vocation est d'aider les directeurs d'usine et les responsables des opérations à visualiser la consommation des ressources en lien avec certaines unités, lignes et machines, ce qui leur permet de prendre des décisions plus efficaces concernant l'énergie. Plus précisément, FactoryTalk VantagePoint Energy permet aux utilisateurs d'agréger les données de consommation énergétique mesurées avec les actifs de production de toute l'entreprise. Ils peuvent ainsi facilement accéder, via un navigateur web, à des données telles que des tendances historiques sur le coût de l'énergie ou l'évolution dans le temps des coûts énergétiques, et ce pour une machine, une ligne ou une usine particulière ou pour toute l'entreprise, et par là même optimiser la consommation énergétique, corréler l'utilisation de l'énergie, calculer le coût de production et négocier les tarifs de l'énergie. FactoryTalk EnergyMetrix, lui, collecte, enregistre et stocke les données sur l'énergie fournies par des compteurs électriques Allen-Bradley (une marque de Rockwell Automation) ou tiers. Ce logiciel peut également capturer des informations sur l'utilisation de l'énergie, le débit, la température et la pression à partir de contrôleurs, de dispositifs tiers ou de saisies manuelles. Quant à IntelliCENTER Energy,il est dédié aux commandes de moteurs intelligents dans les MCC (machines à courant continu), avec les variateurs de vitesse, les relais de surcharge et les démarreurs SMC. Il simplifie la surveillance et la gestion de l'utilisation d'énergie de l'installation et facilite l'intégration des MCC dans les systèmes de gestion de l'énergie à l'échelle de l'usine.

Bosch Rexroth, de son côté, a regroupé l'ensemble de ses solutions pour l'efficacité énergétique sous la dénomination 4EE, solutions qui concernent toutes les technologies du mouvement et tous les aspects permettant d'optimiser l'efficacité énergétique : composants performants (par exemple les moteurs IndraDyn à pôles magnétiques offrant un rendement de plus de 95 %), gestion des régimes variables (pompes à vitesse variable entraînées par un servomoteur avec convertisseur de fréquence, technologie d'entraînement modulaire IndraDrive pour une combinaison moteur-variateur à rendement énergétique optimal, gammes de variateurs, convertisseurs de fréquence, commande hydraulique, etc.), mais aussi récupération d'énergie (en particulier les entraînements IndraDrive à conception modulaire pour simplifier la récupération d'énergie au freinage) et optimisation système via ingénierie et logiciels de simulation.

Jusqu'à 30 % d'économie

Les solutions de B&R, elles, intègrent tous les aspects de l'optimisation énergétique,depuis la conception du matériel d'automatismes jusqu'au système de contrôle de process. Le système de monitoring énergétique APROL EnMon de l'autrichien facilite la mise en place d'une gestion énergétique conforme à la norme ISO 50001. Ses fonctionnalités permettent non seulement de collecter, d'enregistrer et d'évaluer tous types de mesures, mais aussi d'analyser la consommation, quel que soit le type d'énergie (électrique, thermique, air comprimé, etc.). Le système APROL EnMon est fourni préinstallé sur un PC industriel B&R Automation PC 910 et s'interface avec tous types de capteurs et centrales de mesures via les coupleurs X20 de B&R (Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus, HART, M-Bus, entrées analogiques). Son tableau de bord permet aux équipes en charge de la mise en route, de l'entretien ou de la maintenance de disposer d'un environnement puissant pour le diagnostic et l'exploitation de leurs installations. De là, ils peuvent produire des rapports accessibles depuis n'importe quel navigateur web et ciblant des machines individuelles, des lignes ou tout un site industriel. Il est également possible de générer des rapports par lots de production ou par unités de coûts. Qui plus est, ce système permet d'agir directement sur le système de contrôle pour, par exemple, mettre en œuvre une gestion de charges et éviter les coupures inopinées, ou encore assigner un timing prédéfini à un process de production pour optimiser son profil énergétique.

Bosch Rexroth a regroupé l'ensemble de ses solutions pour l'efficacité énergétique sous la dénomination 4EE, solutions qui concernent toutes les technologies du mouvement et tous les aspects permettant d'optimiser l'efficacité énergétique : composants performants, gestion des régimes variables, mais aussi récupération d'énergie et optimisation système via ingénierie et logiciels de simulation.

Bosch Rexroth AG

Quant à Siemens, il a récemment introduit Energy Analytics, une plate-forme sur mesure dédiée au traitement des données énergétiques, et propose différents packages de suivi et d'analyse énergétique en fonction des besoins des industriels pour les aider à identifier leurs potentiels d'économies et optimiser l'efficacité énergétique de leurs installations. Une «Energy Box» depuis le site permet d'acquérir et de remonter dans une base de données, de façon sécurisée, toutes les informations nécessaires afin d'en effectuer les analyses et d'obtenir un rapport, du plus simple au plus complet, en fonction du choix du client.Ainsi, l'exploitant peut consulter en ligne les données, obtenir un premier rapport pour une exploitation interne, juger de l'évolution en temps réel, avoir une analyse des consommations autour des pics ou lorsque la production est à l'arrêt avec des conseils d'amélioration. Selon Siemens, une plate-forme Energy Analytics dédiée permet à tout moment aux exploitants de se connecter à l'aide d'un login et d'un mot de passe pour obtenir les rapports ou analyses déterminés: les gains potentiels niveau site, niveau opérationnel et niveau terrain, un rapport mensuel de management , des modules de comparaison de profil de charge ou de répartition de coûts énergétiques ou encore une analyse non-productive, pour l'optimisation des charges ou des achats énergétiques. Selon Siemens, la simple transparence énergétique peut réduire la facture de 5 à 10% et l'identification des potentiels d'économies peut abaisser les consommations au sein du système jusqu'à 30%.

Un système intelligent de gestion de l'énergie

Schneider, quant à lui, rassemble ses solutions pour l'efficacité énergétique sous l'appellation EcoStruxure. Cette offre s'articule autour de deux grands principes.Tout d'abord, EcoStruxure s'appuie sur une offre complète d'applications regroupant cinq domaines d'expertise clés pour résoudre l'équation énergétique actuelle : la distribution électrique avec des solutions complètes de gestion de l'énergie pour les bâtiments industriels et les grandes installations tertiaires ; les centres de données avec l'architecture InfraStruXure qui propose une approche modulaire et évolutive pour optimiser la consommation énergétique et le refroidissement des systèmes et pour réduire l'inefficacité résultant des surdimensionnements ; les processus et machines avec des solutions d'automatismes et de contrôle industriel à destination des constructeurs de machines (OEM), de l'industrie et des infrastructures ; le contrôle des bâtiments avec des solutions de gestion du bâtiment destinées à réduire les coûts d'installation et de fonctionnement ; et enfin la sécurité avec des architectures pour minimiser les coûts et réduire les pertes résultant des arrêts intempestifs, tout en apportant une analyse complète des risques. Ensuite, EcoStruxure permet de connecter ces cinq domaines d'expertise entre eux. Elle s'appuie pour cela sur des technologies ouvertes et souples, basées sur les services web et IP, permettant à chaque application spécifique de se connecter à une autre. Schneider Electric entend ainsi proposer des solutions capables de se connecter pour créer un système intelligent de gestion de l'énergie à tous les niveaux d'application.

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