05 Août 2014  |  Énergie
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 05/2014

Un système novateur de transfert d’énergie

Une entreprise active dans la transformation du lait a investi dans une installation produisant, dans un même cycle, du chaud et du froid. Ce système thermodynamique de transfert d’énergie permet de fournir au même instant, une puissance frigorifique à l’évaporateur et une puissance thermique au condenseur.

La Compagnie des Fromages fait partie du groupe Bongrain, le cinquième transformateur mondial de lait, qui emploie avec 18’870 collaborateurs. Elle s’est engagée dans la réduction des coûts énergétiques et des émissions de CO2en investissant dans une installation conçue par Cofely Axima, un leader du froid industriel appartenant au groupe GDF Suez. Cette solution se distingue par la mise en place d’un processus produisant, dans un même cycle, du chaud et du froid et par l’utilisation de composants clés fournis par le groupe Emerson: un compresseur à vis unique Vilter, d’Emerson Climate Technologies et un système d’entraînement à vitesse variable Leroy-Somer, d’Emerson Industrial Automation.
«Nous avons un rôle de conseil auprès de nos clients. C’est ainsi que nous avons lancé un audit énergétique auprès de l’usine de Vire de la Compagnie des Fromages», explique Jean-Yves Druillennec, directeur du développement durable, au sein de Cofely Axima GDF Suez. Basée sur une campagne de mesures, cette étude a permis de dresser un bilan des consommations et de proposer l’installation d’une thermo-frigo-pompe en lieu et place de quatre compresseurs à pistons qui ne produisaient que du froid.
L’entreprise Cofely Axima a été responsable de la gestion complète du projet: ingénierie, installation, régulation et supervision (gestion par automate, suivi instantané des performances et traçabilité de tous les paramètres). Seul le câblage électrique a été réalisé par des sous-traitants. A noter, que la production de la Compagnie des Fromages n’a été arrêtée que 3 heures lors de la mise en route.
 
Schéma d’ensemble: système d’entraînement Emerson Industrial Automation, compresseur à vis unique Vilter, échangeurs et système de stockage de l’eau chaude. Les compresseurs à pistons existants restent connectés pour garantir une sécurité maximale.
 
Une thermo-frigo-pompe produisant simultanément le froid et le chaud
Une thermo-frigo-pompe est un système thermodynamique de transfert d’énergie, permettant de produire simultanément le froid et le chaud. Le système frigorifique fournit au même instant une puissance frigorifique à l’évaporateur et une puissance thermique au condenseur. A Vire, quand on réfrigère 1000 kW d’eau glacée, on récupère dans le même processus, une quantité d’énergie de 1300 kW servant à chauffer de l’eau à 62 °C, le tout pour une consommation électrique supplémentaire de 100 kW.
Toutes les énergies produites et consommées sont intégralement récupérées, il n’y a aucun rejet d’énergie. Une unité de stockage tampon de 150 m3 permet de  lisser l’utilisation d’eau chaude suivant les besoins du procédé (notamment le nettoyage). Auparavant, cette eau était chauffée par le gaz, d’où un bilan carbone nettement amélioré. Par ailleurs, la chaleur produite et non récupérée, était évacuée par le biais d’une tour de refroidissement. Le nouveau système permet ainsi d’économiser 9000 m3 par an de consommation d’eau et a diminué l’usage de la tour de refroidissement, qui a toujours une image négative vis à vis des riverains, qui voient une fumée s’échapper de l´usine.
 
Compresseur à vis unique Vilter entraîné par un moteur synchrone à aimants permanents PLSRPM de la gamme Dyneo®.
 
Les détails du procédé
Dans le détail, l’installation comprend un moteur de 390 kW et un variateur, tous deux de marque Leroy-Somer. Ceux-ci entraînent un compresseur à vis unique de la marque Vilter, d’une capacité frigorifique de 1000 kW. Dans la logique environnementale, le fluide frigorigène utilisé dans l’installation est l’ammoniac (NH3), couramment utilisé dans ce cas. Pendant un tiers du temps, le froid et le chaud sont produits simultanément. Pour chauffer l’eau de 15 °C à 58 °C (avec un COP* mixte de 7,67), l’ammoniac, après avoir extrait la chaleur du côté froid pour la production d’eau glacée, doit être comprimé afin d’obtenir la pression et la température adéquates. Cette température est bien supérieure à la température habituelle pour une installation de refroidissement classique. L’ammoniac condense dans ce cas à 59 °C. Le chauffage de l’eau est réalisé en transférant la chaleur de l’ammoniac via le condenseur et d’autres échangeurs de chaleur disposés dans l’installation pour optimiser la récupération de chaleur.
Le tiers du temps restant, la production d’eau glacée se fait de manière classique, tout en fournissant un COP de 5,75. A terme, l’installation permettra de récupérer la totalité de la chaleur extraite lors de la production de l’eau glacée.
 
Détails du compresseur à vis unique.
 
Un retour sur investissement en 18 mois
La production quotidienne de l’eau glacée de 1 à 7 °C et celle de 200 m3 d’eau chaude à 60 °C nécessitaient une consommation d’énergie annuelle moyenne de 820 kW par tonne de production. Aujourd’hui, cette consommation a été réduite à 560 kW. «Le retour sur investissement est ainsi particulièrement court, même si ce calcul est fait en tenant compte d’aides à hauteur de moins de 20 % du financement», explique Patrick Marie, responsable de la maintenance pour la Compagnie des Fromages. «Mais le gain énergétique ne se situe pas uniquement au niveau du processus qui permet de produire du chaud avec une moindre consommation elle réside aussi dans l’utilisation de composants bien moins énergivores», précise Jean-Yves Druillennec.
 
Le système d’entraînement à vitesse variable Leroy-Somer et le compresseur à vis unique Vilter, d’Emerson Industrial Automation
 
Des moteurs à haut rendement
Une motorisation LSRPM de la gamme Dyneo® comporte une série de moteurs synchrones à aimants permanents, qui bénéficie de la technologie brevetée Leroy-Somer. La conception innovante du rotor à aimants permet une augmentation significative du rendement, qui atteint ainsi des taux proches de 98 %.
«Nous constatons un gain d’énergie de 7 % par rapport aux moteurs asynchrones à haut rendement. C’est un avantage significatif en matière de rentabilité, surtout lorsque l’on sait que le coût de l’énergie électrique devrait augmenter de 25 % au cours des cinq prochaines années. Ce moteur se distingue par la variation de vitesse. On a remarqué que certains moteurs asynchrones étaient sollicités de manière excessive en régime variable. Avec celui-ci, nous n’avons pas ce problème. Les moteurs restent fiables, quelle que soit la charge appliquée. L’utilisation d’un moteur asynchrone nous aurait amenés à utiliser un moteur surdimensionné».
Par ailleurs, les faibles pertes de la technologie rotor à aimants limitent considérablement l’échauffement des roulements. Cela diminue d’autant la fréquence d’intervention pour leur graissage et augmente la durée de vie du moteur.
 
Réservoir de stockage tampon de l’eau chaude.
 
Le compresseur à vis unique
Vilter est une entité d´Emerson Climate Technologies qui compte plus de 16’000 personnes dans le monde. A l’inverse des compresseurs standard à double vis, cette société utilise un procédé très différent: les compresseurs à vis unique, Single Screw Vilter. La compression est réalisée sur une unique vis, à l’aide de deux rotors satellites en étoile. Grâce à la conception du compresseur, la vis unique est équilibrée radialement et axialement. Cet équilibrage assure des charges très basses sur les paliers, et ainsi une grande fiabilité, le tout avec des niveaux de vibration et de bruit considérablement réduits.
La clé du rendement élevé du compresseur à simple vis réside dans le système à tiroirs ParallexTM, qui permet au compresseur de fonctionner à un rendement optimal sur toute sa gamme de puissance. Les tiroirs de réglage du volume et du débit (avec un rapport volumétrique étendu de 1,2 à 7) se déplacent indépendamment l’un de l’autre, quelles que soient les conditions opératoires. Ils éliminent de la sorte tout surrégime ou sous-régime de compression et économisent la puissance du moteur.
«Ces compresseurs se distinguent par leur possibilité de régler la capacité et le rapport volumétrique de manière indépendante. Cela crée une réelle différence en cas de fonctionnement en charge partielle. Avec les compresseurs Vilter, nous avons toujours mesuré un écart net en matière d’efficacité énergétique qui, selon les applications, peut atteindre jusqu’à 10 % par rapport à la technologie standard à double vis», explique Jean-Yves Druillennec.
 
MOTEURS LEROY-SOMER
F-16915 Angoulême
Tél.: +33 5 45 64 44 14
 

* Le COP (coefficient of performance) représente la performance énergétique de la machine. Il correspond au rapport entre la puissance thermique restituée et la puissance électrique consommée. Plus le COP est élevé, plus la facture d’électricité est diminuée.


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