Et si on s’attaquait aux économies d’énergie dans l’industrie ?

Par Alain GARNIER ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims.

Les économies d'énergie en industrie : un marché en pleine expansion et peut-être un moyen de conserver des emplois en France. En effet, l'industrie offre un potentiel d'économie fort peu exploité, alors que les économies d'énergie réalisables sont souvent importantes.

En 2010, la consommation d'énergie brute dans l'industrie manufacturière et agroalimentaire s'est élevée à 35,8 millions de TEP (hors carburant), soit environ 25 % de l’énergie finale totale consommée en France.

L'électricité a représenté 40,5 % des consommations hors usage en tant que matière première et le gaz 37,2 %. En revanche, la part des produits pétroliers a continué de baisser pour s'établir à 9,0 % en 2010.

Préambule : nous ne parlerons pas, ici, des industries spécifiques telles que les cimenteries, la métallurgie, etc. où des techniques adaptées sont déjà mises en place - car elles sont devenues des standards depuis des années. Nous parlerons plutôt des techniques qui pourront être réalisées au coup par coup et qui exigeront une approche pragmatique avec une méthodologie différente à chaque fois.

Réglementation thermique dans l’industrie

Seuls les bâtiments où le confort intervient, comme les bureaux, sont soumis à la réglementation thermique. Les bâtiments ou parties de bâtiments, qui, en raison de contraintes liées à leur usage, doivent garantir des conditions particulières de température, d’hygrométrie ou de qualité de l’air de production, ne sont pas concernés.

Ce qui veut dire que, dès lors que l’on s’occupe principalement du processus et non des occupants, on n’est pas obligé d’appliquer la réglementation thermique en vigueur. Rien ne pousse donc à installer des récupérateurs de chaleur sur des débits d’air élevés, réaliser des transferts thermiques,  rechercher des performances sur les générateurs ou  obtenir une bonne efficience énergétique d’un système global.

Dans le cadre de son Paquet Energie Climat adopté fin 2008, l'Union européenne s'est engagée, de 1990 à 2020, à réduire jusqu’à 30% ses émissions de gaz à effet de serre (GES), atteindre 20% d'énergie renouvelable (EnR) dans sa consommation électrique et  accroître de 20% son efficience énergétique.

Tous les secteurs sont concernés, y compris l'industrie qui n’a pas de réglementation contraignante à l’inverse de l’habitat et du tertiaire. Mais on le voit bien, ce n’est que de l’incitation ; il n’existe même pas de contraintes particulières ou d’indicateurs de performance à respecter suivant les secteurs d’activité.

Peu de systèmes permettent actuellement des économies d’énergie dans l’industrie

Dans le secteur industriel, les économies d’énergie réalisables sont souvent importantes et le coût des travaux d’amélioration pourraient être amorti rapidement plus que nul part ailleurs. Certains industriels, qui vendent des produits technologiques, pourraient voir leur image ternie s’ils n’étaient pas les premiers à réaliser des systèmes thermiques performants.

C’est également le cas du recours aux EnR qui est très peu utilisé, si ce n’est, de temps en temps, pour le côté «vitrine technologique».


Les principaux freins aux économies d’énergie dans l’industrie

• Il y a le phasage pour la mise en place de solutions d’économies d’énergie :

En général, les industriels font réaliser des productions de fluides et des installations destinées au processus ou/et au confort de façon séparée et au fur et à mesure de leurs extensions, sans pour autant imaginer une conception globale qui permettrait des gains énergétiques importants.

Rares sont ceux qui prennent la décision de remettre tout à plat et de bâtir une stratégie de mise en place d’un plan d’économies d’énergie sur 5 à 10 ans. Et pourtant la durée de vie des matériels et l’augmentation des performances des équipements et concepts globaux ne pourraient que leur être favorables : plus on attend et plus on perd d’argent, c’est bien connu. De plus, en cas de destruction d’un matériel, la solution en attente aurait pu être mise en place plutôt que de remplacer à l’identique…

• Il y a la méconnaissance de solutions d’économies d’énergie de la part des industriels :

Même quand il s’agit de bâtiments neufs, les industriels ne font que rarement appel à des « Ingénieurs en Economie d’Energie » ou leur « Responsable Energie » n’est pas encore nommé. Lorsqu’ils construisent, ils confient bien souvent leur projet à une entreprise générale ou un bureau d’étude d’ingénierie générale qui n’a pas pour  préoccupation première le gain d’énergie. Et c’est dommage car c’est à ce moment là qu’il aurait fallu imposer un programme d’économies d’énergie - les coûts de travaux auraient été réduits et on aurait eu un peu plus de temps pour concevoir de façon globale.

• Il y a la méconnaissance de solutions performantes que seul un partenariat avec des professionnels pourrait éviter :

Dans la grande industrie, il y a un « Responsable Energie » : en général un ingénieur avec de bonnes connaissances des solutions thermiques de base, de la réglementation concernant les nuisances et des tarifications d’énergie et d’eau. Ces ingénieurs connaissent bien leurs processus et savent exprimer leurs problèmes.

Les industriels qui ont le même produit depuis des années ont réussi à trouver des solutions autonomes. Pour les autres, et dans un monde en perpétuelle  transformation et guerre économique, il n’en n’est pas de même : trouver des solutions permettant de réduire la consommation d’énergie est une question de survie.

Les « responsables énergie » ne connaissent pas tous les matériels et toutes les techniques de réduction de celle-ci : transferts  thermiques, thermodynamique, récupération enthalpique, stockage thermique, GTC et GMAO, lissage des productions de fluides, délestage tarifaire, prévision météorologique, calcul de l’efficience énergétique d’un système global.

Ce n’est pas qu’un problème de formation mais, surtout, de complémentarités qui ne sont pas mises en place entre les « Responsables Energie » chez les industriels et les « Ingénieurs en Economie d’Energie » du privé. Il est vrai que ces derniers sont en petit nombre, même dans les grands bureaux d’études car le turn-over et la vague de départ en retraite du baby boum n’ont rien arrangé.

Confier un dossier à un jeune ingénieur « énergéticien » ne donne pas souvent de bons résultats car, bien souvent, il risquera d’aller puiser ses solutions dans les catalogues et faire l’étalage de ses connaissances acquises récemment. Il oubliera de poser les bonnes questions à l’industriel, ce qui lui aurait permis en repartant des fondamentaux de faire mettre en place des concepts globaux vendables et économiques en énergie. Et de plus, il oubliera de mettre en place les outils permettant le maintien des performances dans le temps.

• Il y a parfois un manque d’ambition de la part de l’industriel :

Les « Responsables Energie », bien souvent, ne savent pas imaginer des concepts globaux et communs de productions destinés aux fluides ou/et au processus et au confort. Cela est dû surtout au fait qu’ils ne savent pas appréhender les gains de consommation d’énergie qu’ils pourraient obtenir.

A chacun son métier ! C’est donc très souvent qu’ils passent, involontairement ou non, à côté de gisements d’économies d’énergie importants.

On le voit tous les jours ; il existe un potentiel de synergie important et peu d’installations sont réalisées à partir d’un concept global.

Peu d’industriels, par ailleurs, ont recours aux EnR, ou alors c’est juste un minimum, histoire de pouvoir communiquer.

Bien choisir les professionnels

Pour les industriels qui pensent que la consommation élevée d’énergie est inéluctable, je leur conseillerai de commander un audit énergétique auprès d’un Ingénieur en Economie d’Energie Spécialisé en Energie et Fluides en industrie.

Son travail consistera à :

• Relever les installations thermiques et électriques ainsi que leurs locaux techniques et postes de livraison des alimentations en énergie,


• Se faire communiquer les consommations, les rapports d’exploitation, les programmes de futurs travaux,


• Analyser ces consommations et retrouver leur répartition par poste,  calculer les rendements et de là les besoins primaires, tracer les monotones de façon à déceler les synergies possibles,

Electricité

Gaz naturel

• Trouver des améliorations sur les processus de production industriels,


• Trouver pour les productions de fluides et le confort, des solutions performantes ayant une efficience énergétique maximale,


• Mettre au point un programme de travaux cohérent à partir d’un concept global,


• Trouver un phasage adéquat tenant compte à la fois des moyens financiers de l’industriel, de l’opportunité de remplacement d’un processus ou d’un système trop vétuste, de l’application de la réglementation, d’une mise en sécurité, des économies d’énergie et donc de la rapidité d’amortissement des travaux à mettre en place (coût global).

Cet « Ingénieur en Economie d’Energie », après avoir bien détecté les problématiques et discuté avec le « Responsable Energie » pour en vérifier la véracité, rédigera un cahier des charges (programme).

Il calculera les indicateurs de performances tenant compte des gains à obtenir. Il estimera les coûts de travaux, Il établira une liste des potentiels en énergie renouvelables et fossiles possibles sur le site. Il imaginera un phasage de travaux et en anticipera éventuellement certains en fonction de la vétusté des matériels. Il augmentera le confort et la sécurité des personnels. Il tiendra compte des contraintes locales et réglementaires. Sans oublier le budget de l’industriel.

Les indicateurs de performances devront être vérifiés tout au long du projet : de la conception, à l’exploitation en passant par la réalisation. Bien souvent c’est la GTC qui les contrôlera à partir de compteurs réels ou virtuels suffisamment précis.


Mettre en place un plan d’économie d’énergie et s’y tenir

Que ce soit dans le neuf ou dans l’existant, on l’aura compris, le manque de méthodologie ne permet pas de proposer une « conception globale » alors qu’il existe un potentiel de synergie très important.


Les réflexions à avoir :

Les questions de base à se poser pour réussir son projet, sont :

• Quel confort, quelle tolérance de température pour le processus et les personnes, quelle qualité d’air et olfactif dois-je garantir ?


• A quelle typologie de bâtiment ai-je à faire ?


• Quels sont les horaires de fonctionnement ?


• Est-ce qu’il est possible de couper ou de ralentir le chauffage ou la climatisation en dehors des plages d’occupation du personnel ?


• De quelles ressources en énergie naturelles locales puis-je disposer ?


• Quelles sont les tarifications d’énergie qui seront appliquées ?


• Quelle devra être la meilleure disposition des générateurs vis-à-vis des points de livraison des énergies et des besoins ?
• Qui réalise la maintenance et l’exploitation des fluides et des productions d’énergie ?


• etc.

En industrie, plusieurs catégories d’actions peuvent être menées, mais leur efficacité n’est pas la même qu’en habitat. Chaque secteur d’activité devra être examiné au cas par cas et on les classera ensuite de façon décroissante en terme d’économie d’énergie.

On trouvera généralement le classement suivant :

• Les améliorations sur les processus.


• L’optimisation des équipements énergétiques et des réseaux de distribution, en passant par la réduction des pertes de distribution et des fuites.


• Les transferts thermiques possibles.


• Le recours aux EnR.


• L’isolation thermique des bâtiments.

Il faut se débarrasser des habitudes et des préjugés pour conserver son esprit d’invention

Les pièges courants et les solutions pour les éviter :

• Réaliser un système chauffage performant et bâtiment bien isolé, alors que celui-ci compte tenu de la surchauffe apportée par le processus fonctionnant H24 n’aura pratiquement jamais besoin de chauffage. Il aurait mieux valu installer une modulation de la ventilation mécanique de façon à pouvoir évacuer sa chaleur.


• Réaliser une climatisation dans un bâtiment en tôle dont l’étanchéité de couleur noire fait que le plafond rayonne de l’infrarouge sur le personnel situé en dessous. Il aurait mieux valu installer une étanchéité de couleur claire ou lourde (gravillons) avec un rafraîchissement adiabatique sec sur le système de traitement d’air double flux.


• Réaliser une climatisation dans un bâtiment fort peu occupé au moyen de diffuseurs plafonniers mélangeant l’air froid soufflé à la couche d’air chaud stratifiant sous la toiture. Il aurait mieux valu installer des diffuseurs à déplacement soufflant de l’air froid au sol et près des postes de travail et ainsi pouvoir réaliser un zoning sans mélanger l’air froid à l’air chaud dans tout le volume.


• Installer un groupe de production de froid raccordé à un condenseur à air, évacuant sa chaleur de réjection à l’extérieur alors qu’il y a des besoins de réchauffage dans le bâtiment ou de fluides à réchauffer tout près. Il aurait mieux valu le raccorder à un aéroréfrigérant adiabatique et lui ajouter un désurchauffeur ce qui aurait permis de produire 20% de la chaleur de réjection à 60°C.

• Une production d’eau glacée fonctionnant H24 (6000 h/an) dont 2/3 du temps en hiver, réalisée au moyen d’un groupe de froid à compression électrique dont la durée de vie est d’environ 50 000 h. Il aurait mieux valu installer une machine à absorption à réchauffage direct fonctionnant au gaz. On aurait bénéficié d’un prix de kWhf et kWc plus intéressant car la tarification hiver est plus économique en gaz qu'en électricité et on récupère environ 1,42 kWc/kWf au lieu de 1,3 kWc/kWf.

La difficulté de relever certaines consommations

On sait a peu près évaluer les besoins et les consommations de chauffage en habitat en se servant des DJU et en prenant une base de température nuit et jour en rapport avec l’efficacité de l’isolation thermique et des apports thermiques. On le sait moins, en industrie, où les apports par le processus jouent un rôle majeur et obligent bien souvent à devoir recourir à la climatisation.

On sait moins les évaluer quand il s’agit de produire de la chaleur et du froid pour un processus. Il faudra donc que « l’Ingénieur en Economie d’Energie » ait une solide expérience en industrie et soit capable de se servir des possibilités locales :

• Un compteur totaliseur sur un groupe de froid ou un compresseur d’air fera l’affaire, un feuillet de gestion gaz et électricité permettra de ventiler les consommations en chaud et en froid ainsi que la production d’eau chaude ou encore la part des moteurs et de l’éclairage, etc.


• Un coup de pince ampéremétrique donné sur un circuit d’alimentation d’une armoire électrique nous renseignera sur la puissance absorbée et, de là, dissipée sous forme de chaleur.

Et si la consommation d’un poste est importante pour concevoir avec certitude un concept global, on demandera la mise en place d’un compteur avec, peut- être même, un enregistrement pour analyser les cycles (puissance atteinte, débit maxi et mini, etc.).

Méthodologie à mettre en œuvre

« L’Ingénieur en Economie d’Energie » avant de proposer des solutions d’amélioration devra analyser les consommations d’énergie à partir des feuillets de gestion des énergies, des compteurs à demeure ou mis en place pour la circonstance, etc... Pour les fluides il se les fera communiquer ou il réalisera ses propres relevés à l’aide de compteurs portatifs, d’enregistreurs de température et d’humidité, etc.).

Il réalisera ensuite les tableaux de bord suivants :

• Schémas de principe.
• Monotones (profils des besoins ou des consommations seuls ou conjugués).
• Bilan thermique.
• Débit avec un pas suivant le degré de précision à obtenir (horaire, mensuel, etc.).
• Température, pression, etc.

Pour les processus existants, une analyse minutieuse devra lui permettre de connaître les besoins. Sa tâche sera ensuite de trouver les couplages qui lui permettront de réaliser des transferts thermiques et d’obtenir la meilleure efficience énergétique d’un système ou d’un concept global.

Il analysera toutes les pertes d’énergie et examinera les possibilités de les diminuer et/ou de les récupérer.

Il examinera les possibilités de remplacer les matériels ou les systèmes en place par des plus performants et moins polluants.

Il devra, donc, être en veille technique permanente et devra s’informer sur la pérennité des nouvelles techniques pour ne pas partir sur des voies d’échec.

Il proposera des concepts globaux et performants avec un phasage tenant compte du budget de son client, de l’application de la réglementation, de la pérennité des matériels et installations.

Bien souvent il sera amené à proposer un mix énergétique. Il devra être en mesure de hiérarchiser les priorités, en mettant les EnR et les moins chères en avant.

Il devra pouvoir mesurer les indicateurs de performances de façon à pouvoir se recouper avec les performances annoncées et vérifier d’éventuelles dérives.


Le choix des solutions

Nous ne parlerons pas ici des systèmes permettant  des économies d’énergie et d’eau sur les processus bien spécifiques. Ils sont bien trop nombreux et font appel à des techniques spécifiques et bien identifiées par les industriels.

Nous ne traiterons que des systèmes permettant des économies d’énergie et d’eau en rapport et les processus courants (eau chaude, eau glacée, vapeur, air comprimé, etc.).

Les fondamentaux à mettre en œuvre :

Même si les solutions permettant de réduire les consommations d’énergie et d’eau sont innombrables, elles partent toujours des mêmes réflexions :

J’ai des besoins de chaleur et de froid :

• Ces besoins de chaleur et de froid sont-ils continus (processus) ou saisonniers (confort) ou encore s’agit-il de séries saisonnalisées (production en fonction de cycles de production ou de récoltes par exemple)


• Ne peut-on pas chauffer les bâtiments grâce à une architecture passive ?


• Ne peut-on pas rafraîchir les bâtiments grâce à une simple surventilation ou à un rafraîchissement ayant recours aux EnR ?


• Ne peut-on pas créer des synergies énergétiques entre voisins (Eco Quartier) ?

Quelle tolérance de température ou d’humidité dois-je assurer pour respecter le programme du client ?

• S’il s’agit de bâtiments : il faudra bien étudier l’isolation et le calfeutrement, l’inertie de la construction, la mise en place de sas et de brise soleil, etc.


• S’il s’agit de processus parfois intermittents : il faudra bien prévoir des tampons thermiques, des rapidités d’émetteurs et de régulations en adéquation avec les pointes, etc.

Quels sont les rejets thermiques actuels ?

• Quelles sont les monotones des sources et des besoins ?


• N’y a-t-il pas la possibilité d’effectuer de la récupération de chaleur ou de froid et avec quel gradient de température ?


• Ne peut-on pas, avec les sources de chaleur ou de froid récupérées, réchauffer ou refroidir des besoins qui soient en adéquation avec le gradient de température de la source de récupération ?


• Ne peut-on pas combler la différence entre les besoins et les sources de récupération thermique avec des EnR ?

Comment pourrait-on améliorer le confort tout en diminuant la consommation ?

• Dans l’industrie les locaux sont généralement très hauts et il existe une stratification continue à l’intérieur quelle que soit la saison. La variation de température peut atteindre 1,2°C par mètre de hauteur. Cette situation est préjudiciable au confort des personnes et à la consommation d’énergie nécessaire pour le chauffage.
  - En hiver, ne peut-on pas rabattre l’air chaud qui stagne au plafond au niveau du sol ?
  - En été, ne peut-on pas laisser l’air chaud stagner au niveau du plafond pour n’avoir qu’à rafraîchir au niveau du sol ?

• Ne peut-on pas mettre en veille certains émetteurs et générateurs ?
  Ne peut-on pas réduire la consommation en période de non utilisation ?

• Ne peut-on pas mettre en veille certains matériels ?
  Exemple : Dans le cas d’un aérofrigérant, on pourrait réaliser un rafraîchissement sec et seulement adiabatique lors des pointes de température.

Avons-nous fait le bon choix d’énergie et n’y a t-il pas un mix énergétique à trouver ?

• Ne peut-on pas avoir recours au gaz plutôt qu’a l’électricité lors d’une tarification électrique trop élevée ?


• Ne peut-on pas avoir recours aux EnR ?
  - Bien souvent, on pourrait préchauffer des bains à 45°C à l’aide de capteurs solaires vitrés ou à 60°C à l’aide de capteurs solaires à tubes sous vide.
  - On pourrait produire de l’électricité au moyen de capteurs photovoltaïques installés sur une toiture terrasse ou à faible pente. En même temps, ils protégeraient la toiture d’un trop fort rayonnement solaire.
  - On pourrait également produire du froid une partie de l’année grâce à une machine à absorption à réchauffage indirect dont le bouilleur serait couplé à des capteurs solaires à tubes sous vide. Dès lors que le bouilleur reçoit un fluide a plus de 75°C, la machine produit du froid. Lorsque le rayonnement solaire s’avérerait insuffisant on alimenterait le bouilleur en chaleur provenant soit des chaudières à eau ou vapeur.
  
  Parmi les « niches » qui pourraient utiliser ce système il y aurait :
  * La climatisation des bureaux et ateliers à fort taux de personnel ou à forts apports calorifiques dus au processus,
  * Le refroidissement des cuves (comme dans les cuveries pour le Champagne par exemple),
  * Le refroidissement de certains processus.

Il faut se rappeler que plus il y a de soleil plus on a besoin de refroidir mais plus on produit de froid …

Par Alain GARNIER
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER 120 rue Gambetta à Reims

– Lauréat du premier prix de l'Eco-Efficacité catégorie « concepteurs » en 2009

récompense remise lors de l'UCE (Université du confort et de l'eau) de ICO à Lille.
www.be-garnier.fr

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Sources & liens

• www.be-garnier.fr
• www.guide-bepos.com