L'efficacité des installations d'air comprimé peut être considérablement améliorée

Avec les compresseurs d'air comprimé classiques, 85 à 95 % de l'énergie consommée est généralement perdue sous forme de chaleur. Si, en outre, le système en aval présente des fuites, des filtres augmentant la résistance et des sécheurs devant être régénérés à l'air comprimé, le rendement énergétique total de l'installation dépasse à peine les 5 %. Mais aujourd'hui, on peut faire beaucoup mieux. Tout d'abord, les nouvelles générations de compresseurs et de sécheurs gèrent l'énergie consommée de manière beaucoup plus efficace. Ensuite, grâce à des techniques de récupération d'énergie, des méthodes de mesure ciblées et une surveillance, il est possible de franchir de nouvelles étapes pour réaliser au final des économies de 10 à 50 % sur la consommation totale d'énergie.

Demandez aux entreprises de production ce que leur coûtent exactement la production et la distribution d'air comprimé, et vous serez surpris par la réponse la plus fréquente : « Nous n'en avons aucune idée. Tant que ça marche. » Étrange, bien sûr, car l'air comprimé est un vecteur énergétique extrêmement coûteux qui représente pas moins de 10 % de la consommation électrique industrielle totale. Au vu de tels chiffres, on s’attendrait à ce que les coûts des installations d’air comprimé soient surveillés de près et que tout soit mis en œuvre pour en améliorer le rendement. Mais rien n’est moins vrai, ce qui est d’autant plus remarquable que, outre les coûts, la pression sociale pour réduire la consommation d’énergie et les émissions_{de CO₂} des usines ne cesse de croître. Cette pression s’exerce même de plus en plus par le biais de nouvelles législations (inter)nationales. On demande aux entreprises de production ce que leur coûtent exactement la production et la distribution d’air comprimé, et vous serez surpris par la réponse la plus fréquente : « Nous n’en avons aucune idée. Tant que ça fonctionne. »

C'est bien sûr étrange, car l'air comprimé est une source d'énergie extrêmement coûteuse qui représente pas moins de 10 % de la consommation électrique industrielle totale. Au vu de tels chiffres, on pourrait s'attendre à ce que les coûts des installations d'air comprimé soient surveillés de près et à ce que tout soit mis en œuvre pour en améliorer le rendement. Mais rien n'est moins vrai, ce qui est d'autant plus surprenant que, outre les coûts, la pression sociale l'impose également. Les économies d'air comprimé s'inscrivent parfaitement dans ce cadre et sont même, dans de nombreux cas, très faciles à réaliser à un coût relativement faible. Comme le remplacement des tuyaux et raccords qui fuient et/ou la réduction de la pression. Mais les investissements dans de nouveaux compresseurs plus rentables, dotés d’entraînements plus économes en énergie et de systèmes de récupération de chaleur intégrés, sont généralement entièrement amortis en quelques années. Il est donc grand temps que les entreprises examinent d’un œil critique leur approvisionnement en air comprimé et commencent à réaliser des économies. Car cela est possible dans presque tous les cas et permet de réaliser rapidement des économies de plusieurs dizaines de milliers d’euros par an.

En mode stationnaire ou à régime régulé ?

Comme la capacité des installations d'air comprimé est généralement dimensionnée en fonction de la demande de pointe, cela signifie que de nombreuses installations sont surdimensionnées. De plus, la pression du système est souvent réglée trop haut afin de garantir un fonctionnement optimal jusqu'aux confins de l'usine. D'un point de vue énergétique, ce n'est pas l'idéal, car chaque bar au-dessus de la pression nominale entraîne une augmentation de 7 % des coûts énergétiques. Le défi consistant à mettre en place le « système idéal » présentant le coût total de possession (TCO) le plus bas commence par l'aménagement de la salle des compresseurs. Dans la plupart des cas, on optera pour des compresseurs à vis, ce qui soulève les questions suivantes : combien, quelle taille et avec ou sans régulation de vitesse ? Avant de se lancer dans cette démarche, il est judicieux, en cas de remplacement, de réaliser d'abord un audit ou un scan de l'air.

Les compresseurs fixes couvrent alors les besoins de base en air comprimé, tandis que le compresseur à vitesse variable compense les fluctuations de la demande d'air comprimé au-delà de la demande nominale…

Dans ce cadre, la consommation réelle d'air comprimé de la production est enregistrée avec précision grâce à des mesures ciblées effectuées sur plusieurs jours. Cela permet d'obtenir une image fidèle de la capacité requise et des fluctuations de la demande dans le temps, sur lesquelles peut ensuite se fonder la configuration idéale des compresseurs. On a le choix entre des compresseurs stationnaires qui sont commutés en charge nulle/pleine charge, c'est-à-dire en mode marche/arrêt, et des compresseurs à régulation de vitesse, dont le débit est adapté à la demande réelle. Il est important de savoir que le fonctionnement à pleine charge est la situation la plus idéale pour les compresseurs, car l'énergie consommée est alors convertie de la manière la plus efficace en air comprimé. Cependant, en cas d'utilisation de compresseurs stationnaires, cela implique que la demande en air comprimé doit être pratiquement constante, sinon les compresseurs seront mis en marche et arrêtés trop fréquemment.

Dans de nombreux cas, la demande n'est toutefois pas constante. Afin de pouvoir absorber de manière rentable les fluctuations de la consommation d'air comprimé, la capacité totale requise peut être répartie entre plusieurs compresseurs stationnaires (de plus petite taille). Grâce à un système de régulation intelligent, ceux-ci sont alors mis en marche ou arrêtés en fonction de la demande. Il est également possible de combiner un ou plusieurs compresseurs stationnaires avec un compresseur à vitesse variable. Les compresseurs stationnaires couvrent alors les besoins de base en air comprimé, tandis que le compresseur à vitesse variable compense les fluctuations de la demande d'air comprimé au-delà de la demande nominale. Les machines à vitesse variable actuelles fonctionnent de manière optimale et rentable sur une large plage de capacité, allant d'environ 20 % à 100 %. Si une pression (beaucoup) plus élevée est néanmoins nécessaire dans une partie de l'usine, envisagez d'utiliser des surpresseurs uniquement pour cette partie.

Innovation en matière de compresseurs

L'entraînement des groupes compresseurs est généralement assuré par des moteurs électriques. Alors qu'il s'agissait initialement de moteurs triphasés standard (avec ou sans régulation de fréquence), de nouveaux types de moteurs électriques ont été introduits ces dernières années, notamment des moteurs triphasés plus économes en énergie (IE3/IE4) ainsi que des moteurs à aimants permanents et à réluctance synchrone dont la vitesse de rotation peut être contrôlée avec précision. Cela permet d'entraîner directement les vis d'un compresseur, c'est-à-dire sans passer par un réducteur, ce qui apporte déjà un gain de rendement appréciable. Étant donné que, dans les compresseurs à vis à deux étages (sans huile), les blocs compresseurs peuvent ainsi tourner à des vitesses différentes, le compresseur dans son ensemble est devenu encore plus rentable

Équipés d'entraînements directs à vitesse variable, les nouveaux compresseurs sont jusqu'à 50 % plus économes en énergie qu'un compresseur stationnaire classique à vitesse fixe et à moteur triphasé. Si l'on utilise en outre la récupération de chaleur, il est possible, selon le système, de récupérer environ 95 % de la chaleur de l'air de refroidissement et environ 76 % de la chaleur du circuit d'huile, et de les utiliser pour le chauffage des locaux (via le circuit de chauffage central) ou pour le chauffage des processus dans l'usine.

Ainsi, les sécheurs à adsorption doivent par exemple être régénérés à intervalles réguliers, ce qui entraîne une consommation d'énergie supplémentaire. Les tout derniers sécheurs à chaleur de compression « sans énergie », qui utilisent la chaleur du compresseur pour régénérer l'agent dessiccatif, constituent une exception à cette règle. Il existe également désormais ce que l'on appelle des sécheurs en tandem, dans lesquels un sécheur par réfrigération est combiné à un sécheur par adsorption au sein d'un même appareil, ce qui confère à ces sécheurs combinés un rendement nettement supérieur à celui des anciennes générations de sécheurs par réfrigération ou par adsorption.

Mesurer et surveiller

Pour bien cerner le fonctionnement et les coûts des installations de compression d'air, il faudra effectuer des mesures à différents endroits. Ces mesures peuvent être réalisées (ou confiées à un tiers) de manière périodique, mais si l'on souhaite véritablement optimiser le système, il faudra recourir à des instruments de mesure installés en permanence, accompagnés d'un système de surveillance et du logiciel correspondant. On peut bien sûr imaginer toutes sortes de scénarios et effectuer des mesures de pression, de débit et d'humidité au niveau détaillé de chaque machine, mais cela n'est souvent pas nécessaire. Ce qu'il est en tout cas important de mesurer, ce sont la puissance absorbée par le compresseur, la pression du système et le débit d'air comprimé. Il faut également garder à l'esprit que la pression, la température ambiante, la température de l'eau de refroidissement, l'état des filtres d'admission, etc. ont également une influence sur la puissance absorbée d'un compresseur. Pour pouvoir effectuer ces mesures de manière fiable, il est important d'utiliser des wattmètres triphasés. Ceux-ci mesurent non seulement en continu l'intensité du courant (A), mais aussi la tension actuelle (V) sur les trois phases du câble d'alimentation. Grâce à ces wattmètres, le facteur de puissance (PF), la tension, le courant, le Cos φ et de nombreux autres paramètres électriques peuvent être mesurés et calculés automatiquement. Lors de la détermination du facteur de puissance, on tient compte à la fois du déphasage du courant par rapport à la tension (Cos φ) et de la distorsion du courant par rapport à une sinusoïde parfaite. Dans l'idéal, le facteur de puissance est égal à 1, mais si le Cos φ est trop faible ou si la distorsion harmonique totale (THD) est trop élevée, la valeur du facteur de puissance diminuera.

Débitmètres, manomètres et thermomètres

Les instruments les plus couramment utilisés pour mesurer le débit d'air comprimé sont les débitmètres massiques thermiques, les débitmètres à vortex, les débitmètres à pression différentielle, les débitmètres Coriolis, les débitmètres mécaniques (rotatifs) et les débitmètres à ultrasons (à pince). Les débitmètres à pression différentielle mesurent le débit en fonction de la chute de pression au niveau d'une bride de mesure. Ces débitmètres sont souvent utilisés pour les mesures de débit selon la norme ISO 1217. Si l'on souhaite effectuer des mesures extrêmement précises, les débitmètres Coriolis constituent le choix idéal, mais ils sont jusqu'à dix fois plus chers que les débitmètres massiques. Pour la mesure de l'air comprimé, les débitmètres massiques thermiques sont donc les plus adaptés. Ils disposent d'une large plage dynamique, mesurent le débit sur la base de la perte de chaleur et offrent un rapport qualité-prix attractif. Ils sont toutefois sensibles à l'eau et à l'huile et ne peuvent donc pas être utilisés pour des mesures en amont du sécheur. Pour cette application, il existe des débitmètres à insertion fonctionnant sur le principe de la pression différentielle. Les débitmètres les plus récents sont capables de mesurer plusieurs valeurs, notamment le débit (bidirectionnel), la pression, la température et le débit total.

Article rédigé par Frank Senteur dans Process Control 2 – 2021