Rendement énergétique dans le lavage de pièces en milieu

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Rendement énergétique dans le lavage de pièces
en milieu aqueux
Réduire la consommation en énergie globale d’une machine pour le
nettoyage de composants en milieu aqueux est une contribution
essentielle pour une production économique en matière d’énergie et
de ressources. Ceci est le résultat d’analyses effectuées sur une
machine de lavage de pièces en milieu aqueux, dans le cadre du
projet de recherche interdisciplinaire « Fabrique ETA » de l'université
technique de Darmstadt, pour une efficacité énergétique en
fabrication.
Au regard des coûts croissants de l’énergie et d’une concurrence
internationale de plus en plus féroce, l’efficacité énergétique en production
est devenue un élément-clé pour l’industrie allemande. Dans cet objectif,
les entreprises locales sont tenues de réduire à la fois la consommation
d’énergie et les émissions de CO2 dans leur production. Pour qu’à l’avenir,
les entreprises puissent déterminer et exploiter de manière approfondie et
par elles-mêmes leurs potentiels d’économie, l’université technique de
Darmstadt et 39 partenaires de l’industrie ont lancé le projet de recherche,
« Efficacité énergétique de fabrique » (fabrique ETA). L’objectif de ce projet
de recherche consiste à élaborer et envisager des solutions pour
l’amélioration au plan de l’énergie de la production industrielle de manière à
rendre possible une économie d’énergie pouvant aller jusqu’à 40 % par
l’intégration du bâtiment, de l’infrastructure technique et de la machine.
Le nettoyage de composants comme champ d’investigation
En raison de son importance croissante dans l’industrie et dans ses
processus à forte consommation d’énergie, le nettoyage de composants
est au centre des préoccupations de l’ETA. Les possibilités d’optimisation
et d’économie dans les processus de lavage et de séchage ont fait l’objet
d’études avec une machine de traitement par aspersion-immersion à deux
bains. En règle générale, trois étapes sont appropriées pour l’optimisation
de l’efficacité énergétique des processus de nettoyage de pièces : 1)
réduire les pertes système et propres à la machine par une protection ou
une isolation thermiques adéquates, 2) minimiser et revaloriser les pertes
internes par une accumulation et une récupération effectives (récupération
d’énergie intégrée) et 3) autoriser une régénération d’énergie intelligente
dépassant les limites de la machine (intégration). Dans ce contexte, quatre
principaux points d'intervention ont été identifiés afin d’y puiser la plupart
des potentiels d’économie en matière de coûts d’énergie et d’électricité.
Ces quatre points sont :
1) le chauffage de l’eau de traitement par mise en réseau externe,
2) l’accumulation et la récupération de la chaleur propre de la machine et
son exploitation rentable pour le préchauffage de l’air de séchage,
3) la récupération de chaleur de l’air évacué et
4) le suivi par capteurs des processus.
Considérant l’ensemble des besoins en énergie de la machine de lavage,
on peut atteindre globalement, selon l’état actuel des développements,
jusqu'à 35 % d’économie d’énergie avec un équipement de machine, une
configuration du processus et une intégration intelligente appropriés.
Figure 1 : L’analyse des sous-ensembles et des processus
Sur la base de cette hiérarchie, l’étude s’est concentrée tout d’abord sur le
chauffage de l’eau de traitement dans le but de mettre au point un mode
d’échange pour un transfert de chaleur reproductible. Aux fins d’intégration
énergétique, il s’agissait ensuite de pouvoir utiliser la chaleur technique de
l’environnement de production dans le processus d’échange.
Figure 2 : Couplage de l’eau de traitement (prototype)
Paramètres d’échange de chaleur pour le chauffage de l’eau de
traitement
Dans une chaîne de production, le lavage de pièces a pour effet une
dissipation de chaleur. Cela signifie que de l’eau doit être ajoutée dans le
processus pour obtenir la propreté de composant requise par des bains de
nettoyage à température contrôlée. Pour pouvoir déterminer la
consommation d’énergie de la machine de lavage de pièce analysée, un
processus standard a été conçu et l’influence de la température du liquide,
la taille de lot, la configuration du processus (lavage, rinçage, séchage) et
la durée de fonctionnement sur la consommation d’énergie globale a été
systématiquement étudiée. L’intérêt s’est porté ensuite sur le
comportement des entreprises en matière d’énergie : avec quelle forme
d’énergie le chauffage des bains de traitement conformément au niveau de
la technique est réalisé – courant de chauffe conventionnel ou sur la base
de sources d’énergie alternatives comme par exemple l’eau chaude
disponible tirée de l’énergie solaire thermique, de la cogénération ou de la
chaleur technique sous forme de chauffage à distance.
Cette considération a mené au profil d’exigence suivant :
le mode d’échange recherché devait assurer une température constante
allant jusqu’à 75 °C sans utiliser de courant de chauffe et la sécurité du
processus sans nuire à l’efficacité du lavage, ni à la qualité de l’eau de
traitement. Il devait d’autre part réagir de manière flexible aux différentes
sources de chaleur et, en outre, fournir la chaleur plus rapidement et plus
spontanément que l’utilisation de courant traditionnelle. De cette manière,
on réduisait les délais de mise en production et compensait plus
rapidement les brèves pertes de température dues par exemple à la mise
en place de gros composants. L’échange de chaleur devait s’effectuer
quasiment sans pertes afin de pouvoir exploiter intégralement le potentiel
d'économie de 35 % recherché.
Le module d’échange thermique
Sur la base de ces connaissances, un module d’échange thermique
utilisant la chaleur disponible pour le chauffage des liquides de nettoyage a
été mis au point. Un procédé d’échange thermique à haut rendement avec
tubes coaxiaux assure un transfert pratiquement sans pertes de la chaleur
dégagée par le milieu de chauffage sur le liquide de nettoyage et son
renvoi ensuite dans le processus de lavage. Afin de garantir une plus
grande flexibilité, il a été veillé à ce que le courant de chauffe puisse être
remplacé de manière rentable par de l’eau chaude provenant de sources
d’énergie alternatives et à ce que l’amenée de chaleur (eau chaude) de
trois sources d’énergie différentes soit possible :
1. Utilisation de l’eau chaude du traitement thermique,
2. des processus de cogénération existants ou
3. de la production d’eau chaude provenant d’énergies renouvelables
(énergie solaire thermique).
Les résultats de l’étude montrent que le module d’échange thermique
permet de réduire de plus de 90 % la consommation de courant pour le
chauffage des milieux et de minimiser en même temps des émissions de
CO2 correspondantes.
Poursuite de l’exploitation des potentiels d’économie
Avec le procédé d’échange thermique nouvellement mis au point, on
dispose d’une possibilité d’alimentation directe de la chaleur dégagée par
l’environnement de production dans le processus partiel du nettoyage de
composants et d’optimiser le bilan énergétique d’une entreprise dans le
sens de la norme EMAS DIN EN ISO 50001.
Comme on l’a déjà mentionné au début, il existe, outre le chauffage d’eau
de traitement, d’autres approches susceptibles de permettre une
amélioration de la consommation d’énergie dans les processus de
nettoyage de composants. Les travaux de recherche et de développement
en matière de protection et d’isolation thermiques fournissent de nouveaux
résultats : les possibilités d’économie mentionnées peuvent par conséquent
être garanties par une protection thermique intégrale efficace de la
machine et la récupération intelligente de la chaleur propre de la machine
pour les processus de séchage, en liaison avec un chauffage intégré de
l’eau de traitement. Cette économie d’énergie minimise d’autre part la
dissipation thermique de la machine et contribue ainsi à l’amélioration des
conditions sur les postes de travail dans l’environnement de la machine.
Elle réduit également la pollution de l’air dans les hangars de production.
Une économie des frais d’entreprise qui seraient indispensables pour
l’évacuation et la climatisation de l’air dans les hangars est ainsi assurée.
En 2016/2017, des études détaillées suivront à propos de la récupération
de chaleur de l’air évacué et d’une intelligence de processus par capteurs
de suivi de la production. Des considérations préliminaires montrent
aujourd’hui déjà d’autres intéressantes approches systématiques aux
potentiels d’économie supplémentaires.
Globalement, le projet ETA montre clairement que les potentiels
d’économie ne sont pas dus uniquement à l’optimisation de la machine,
mais aussi et, de manière plus nette encore, quand il existe une intégration
thermique de la machine, du bâtiment et de l’environnement de production.
La directive écologique EMAS de l’Union européenne
Le système de gestion de l’environnement EMAS (Eco-Management and Audit
Scheme) représente la base dans l’Union européenne selon laquelle les
entreprises peuvent mettre en place, de leur propre initiative, un système de
gestion de l’énergie et de l’environnement (EMAS DIN EN ISO 50001) dans le
but d’améliorer en permanence leur compatibilité écologique et leur viabilité.
Les entreprises employant plus de 250 collaborateurs et réalisant un chiffre
d’affaires supérieur à 50 millions y sont même déjà tenues depuis le mois de
juillet 2015. Le certificat EMAS représente également la condition pour une
exemption partielle de la redevance CEE ainsi que, à l’avenir, pour l’allégement
des entreprises de production en matière de taxe sur l’électricité et l’énergie.
Auteur : Joachim Schwarz, directeur des services Développement avancé
et Production chez MAFAC – E. Schwarz GmbH & Co. KG.