La méthodologie développée par l’ATEE propose deux niveaux d’étude énergétique. Le premier appelé pré-diagnostic sert à donner un avis sur la consommation énergétique du procédé. Pour cela, l’auditeur réalise un examen visuel de l’installation, examine les moyens de mesures et les documents analytiques existants et s’entretient avec le responsable de l’installation. Au terme de cette étude, les points de l’installation susceptibles de bénéficier d’améliorations doivent être identifiés et les gains potentiels estimés.
Le second niveau est à proprement parler, le diagnostic. Il s’agit non plus d’un avis mais d’une expertise qui doit être effectuée avec une instrumentation adaptée. Cette procédure doit être exhaustive, précise et doit aboutir à une proposition d’actions chiffrées en coût et en gains, le tout accompagné d’un calendrier de mise en œuvre.

EXEMPLE DE PRE-DIAGNOSTIC
Le premier établissement choisi est une société du secteur de l’agro-alimentaire. Pour alimenter son procédé de fabrication, l’entreprise a besoin de températures froides comprise entre – 1,45 °C et + 14°C. Pour fournir ces niveaux de température, elle a choisi une installation du type indirect. La production de froid est le fait d’une centrale frigorifique utilisant l’ammoniac. Elle se compose de deux compresseurs à vis de puissance 1050 kW froid / 306 kWe pour des températures d’évaporation et de condensation de + 14 °C et + 35°C. La condensation et l’évaporation sont assurées par des échangeurs à plaques. La distribution de froid vers les utilités est assurée par un réseau d’eau glycolée à –8°C. Suivant les besoins de froid, un ou deux compresseurs sont en fonctionnement.

L’un des premiers objectifs du pré-diagnostic est de réaliser une photographie de l’installation, l’auditeur en dresse donc la typologie grâce à l’examen visuel et à l’examen des documents existants. Après cette description détaillée, il cherche à connaître les conditions d’exploitation. Dans le cas présent, il n’existe pas de comptage ni sur l’énergie frigorifique produite, ni sur la consommation d’électricité liée à la production de froid. Seuls sont disponibles les relevés des heures de fonctionnement des compresseurs (voir tableau 1 ci-dessous). Il montre que les deux compresseurs fonctionnent simultanément avec des charges très variables.

Tableau 1

mois	compresseur 1	compresseur 2	compresseur 1+2
avril	0.51	0.60	1.11
mai	0.40	1.00	1.40
juin	0.72	0.64	1.36
juillet	90	0.47	1.37
aout	1.00	0.44	1.44
septembre	0.76	0.64	1.40
octobre	0.71	0.69	1.40
novembre	0.47	1	1.47
décembre	0.63	1	1.63

Une étude simplifiée du process industriel permet de déterminer les besoins de froid nécessaires à la fabrication du produit. Les différentes étapes du process sont passées en revue pour aboutir, en première approche, à des besoins théoriques estimés à environ 12 000 MWh froid qui, sur la base d’un fonctionnement de 8 000 heures, donnent une puissance de 1 500 KW froid, soit la puissance de 1,4 compresseur.

Le taux de fonctionnement des compresseurs réel et l’analyse des besoins en froid-théoriques, servent à l’estimation de la consommation d’énergie liée à la production de froid (donnée non accessible car absence de comptage) :

Consommation des compresseurs :

. Base : 1,4 compresseur en marche,

. Répartition de charge : 80 % pour le 1er compresseur, 60 % pour le second,

. Heures de fonctionnement annuelles : 8 760,

. Production et consommation annuelle : 12 900 MWh froid ; 4800 MWh élec.

Consommation électrique des auxiliaires pour 8 760 heures de fonctionnement :

. Pompes eau glycolée des groupes : 175 MWh

. Pompes d’eau de refroidissement sur condenseur : 245 MWh

. Ventilateurs des aéroréfrigérants : 200 MWh

Pour une production frigorifique de 12 900 MWh, la consommation d’électricité des compresseurs est de 4 800 MWh et celle des auxiliaires de 1 270 MWh soit au total 6 070 MWh. L’analyse de la facture électrique de 1996 donne l’élément suivant : la consommation globale d’électricité de l’usine s’établit à 11 830 MWh. La production de froid (6 070 MWh) représente donc près de 50% des besoins globaux. Ce bilan énergétique est à confirmer soit par la mise en place d’un système de comptage, soit par une campagne de mesure. C’est l’une des premières observations faites à l’issue du pré-diagnostic.

A ce stade, le pré-diagnostic permet de fournir des pistes d’améliorations de l’installation. Dans le cas présent, la première suggestion concerne la conception même de l’installation. Les températures froides utiles se situent entre – 1,5 °C et + 14 °C. Pour fournir cette énergie, le système choisi fournit une température d’eau glycolée unique à – 8°C. Or plus de 50% de la consommation sont des besoins de froid à 11/14°C. une étude devrait être engagée sur les besoins de froid de chaque étape du process pour chiffrer les gains potentiels. A titre d’exemple, le refroidissement d’une étape du process avec de l’eau à 5°C au lieu de l’eau glycolée à –8°C entraînerait un gain de 50% sur la consommation d’électricité relative aux besoins frigorifiques (180 MWh élec), soit une économie de 60 000 F/an.

Seconde suggestion : il faudrait étudier la possibilité de mieux réguler la température de condensation. En hiver et en demi-saison, le point de consigne pourrait être abaissé sachant qu’un abaissement de la température de condensation entraîne un gain notable sur la consommation d’électricité : 3% pour 1°C soit 48 MWh/an, soit 17 000F/an d’économie.

La troisième suggestion s’intéresse à la consommation d’énergie des auxiliaires (pompes…). Ce poste est important avec une consommation annuelle de 1 270MWh et une facture d’électricité de 450 Kf/an. Trois points sont à étudier : les performances des pompes, les pertes de charge des circuits et les conditions d’exploitation. Illustration par deux exemples : lors des périodes d’arrêt du compresseur, le maintien en fonctionnement de la pompe eau glycolée du groupe en appoint représente une consommation électrique de 52 MWh soit un coût de 18 000F/an. Il faudrait donc étudier la possibilité d’arrêt ou de diminution du débit pendant les arrêts. Second exemple : les pompes d’eau glycolée de distribution représentent une consommation importante : 650 MWh, un gain de 10 % engendrerait une économie de 23 000F/an. Il faut donc s’attacher à l’efficacité des pompes, à l’optimisation de l’engagement des compresseurs et à la réduction des pertes de charge à la distribution.

D’autres points de l’installation mériteraient une étude plus détaillée. Une campagne de mesure ou la mise en place d’un système de comptage permettrait de vérifier d’une part les points ci-dessus et d’autre part les performances des différents équipements de l’installation (compresseurs, pompes).

En première approche, le gisement d’économie d’énergie potentiel sur cette installation de froid est évalué à 500 MWh soit 175 kF/an/

UN EXEMPLE DE DIAGNOSTIC
Le second exemple traite également d’une entreprise du secteur agro-alimentaire. Pour le refroidissement de ses produits vers +5°C, l’entreprise a besoin d’un air refroidi entre 0°C et 4°C. L’installation frigorifique produit du froid à –10 / -12°C, elle utilise le fluide frigorigène vers les utilisations). Quatre compresseurs à vis assurent les besoins de froid du lundi au vendredi et deux compresseurs à piston assurent le maintien le week-end. Les puissances installées sont de 2 820 kW froid, soit 817 kW élec, pour des températures d’évaporation et de condensation respectives de –10°C et + 35°C. Un condenseur évaporatif assure la condensation ; quant à la distribution du R22, elle est prise en charge par des pompes. La première étape consiste à réaliser un pré-diagnostic. Une approche du bilan énergétique est établie avec les moyens dont dispose l’usine. La consommation totale d’électricité de l’usine est de 24 000 MWh ce qui représente une facture annuelle de 9 000 kF. La partie compresseur de la centrale froid consomme 2 500 MWh, en ajoutant les auxiliaires 3 000 MWh et avec les équipements avals 6 000 MWh . Trois constats sont à souligner : 12% de la consommation électrique globale sont imputables à la centrale froid ; 12% de la consommation électrique sont imputables à l’utilisation du froid ; l’énergie utile au refroidissement des produits ne représenterait que de 30% de l’énergie frigorifique produite.
La première approche à permis de proposer des pistes d’amélioration. Certaines de ces pistes ont pu être vérifiées en réalisant un examen plus approfondi de l’installation axé sur les points suivants : performances réelles des compresseurs et confirmation des besoins en froid et des consommations, avec variation dans le temps, des paramètres de fonctionnement (température d’évaporation et de condensation). Pour obtenir ses informations, une campagne de mesures instrumentée a été effectuée sur une période d’une semaine.

Concernant les quatre compresseurs à vis (CV1, CV2, CV3 et CV4) les mesures ont cherché à caractériser les grandeurs suivantes : puissance électrique absorbée, pertes par le refroidissement d’huile (débit et température), pression et température à l’aspiration et au refoulement. Les bilans de performances montrent que la consommation spécifique des compresseurs CV4 et CV2 est augmenté de 25%. Résultat : les compresseur SCV4 et CV2 devraient fonctionner en priorité. Il est possible encore d’affiner l’analyse en réalisant des mesures plus poussées incluant le circuit d’huile.

Le bilan des consommations sur une semaine a permis l’extrapolation sur une année de fonctionnement (voir tableau 2). Ce bilan confirme l’importance énergétique de la centrale de production de froid et du système de refroidissement des produits.

Tableau 2

.	semaine MWh	année MWh
Electricité compresseurs	49	2500
Electricité auxilaires centrale R22	10	510
Electricité cambre, tunnels R22	62	3 160
Electricité totale, R22	127	6 170
Production frigorigique *par débit liquide R 22	101	5 151
*par les compresseurs	122	6 222
Production de desserts...	1 493	76 140
Energie de refroidis. de desserts	35.5	1 810

L’étude des besoins de froid et des performances des équipements permet de déterminer les points de fonctionnement de l’installation. Que ce soit en production normale ou en période de forte demande, trois compresseurs suffisent à fournir les besoins de froid, l’ajustement se fait par variation de la charge. La régulation du type « tout ou rien » du débit d’injection de R22 entraîne des débits compris entre 0 et 50 m3/h. Conséquence : à chaque injection, la haute pression oscille de 0,3 bar, la température d’évaporation remonte de 0,8°C à 0,9°C et peut entraîner la mise en route inutile d’un compresseur. Les niveaux de température à l’évaporation et à la condensation sont les suivants : moyenne de 30°C pour la température de condensation et –12°C pour la température d’évaporation. La forte variation autour de la valeur moyenne (-13,5°C à –8,8°C) de cette dernière est due à un manque de progressivité dans la variation de la charge et au système de régulation d’injection du R22 (type « tout ou rien »). Le débit maxi de R22 distribué vers les utilisateurs est de 20 à 25 m3/h, il est assuré par trois pompes qui permettent un débit nettement supérieur de 100 m3/h.

Ce dernier point montre qu’une étude d’adaptation du débit de R22 est à réaliser. C’est l’une des observations faites par l’expert. Mettre en place un système permanent de comptage et étudier plus spécialement la régulation sont aussi des points précis à étudier. Mais le plus important est d’approfondir les conclusions suivantes :

Limitations des besoins en froid

L’usine refroidit des produits, lorsque ceux-ci sortent chauds des fours, autour de 50°C, un pré-refroidissement par l’air ambiant est possible. La diminution des charges thermiques apportée par les moteurs et l'éclairage dans les chambres devra être étudiée. Illustration : un gain de 10% sur les charges représente 100 MWh soit 35 000 F d’économie annuelle. Plus généralement, la diminution des pertes dues au bâtiment (ouverture de portes) est source d’économie : un gain de 10% représente 40 MWh soit 15 000 F / an d’économie.

Performances des compresseurs

Des mesures plus précises réalisées avec un équipement plus complet devraient permettre de confirmer les performances des compresseurs. Une simulation de l’engagement des compresseurs devrait être effectuée en fonction des performances réelles et de la consommation électrique. Globalement, les consommations spécifiques des compresseurs sont dégradées d’au moins 10 M, ce qui représente 250 MWh soit 90 000 F/an de pertes.

Performances des évaporateurs

Une amélioration du dégivrage permettrait une optimisation du fonctionnement des évaporateurs avec une augmentation de la température d’évaporation. A titre d’exemple, pour une augmentation de la température de 1°C, le gain est de 3% ce qui représente 175 MWh, soit 28 000 F/an d’économie.

Performances et régulation des condenseurs

Sur ces équipements des vérifications sont encore nécessaires. Toutefois en première approche, l’expert indique que pour un abaissement de la température de condensation de 1°C, le gain potentiel par an serait de 60 MWh soit 22 000F. Une simulation de l’exploitation des condenseurs associée à une diminution de la pression de condensation devrait être menée et ce en fonction des besoins en froid. Elle devra tenir compte des limites de fonctionnement des compresseurs et de la vanne d’injection de liquide. Cette étude permettrait de vérifier qu’en période hivernale, en réponse à la surpuissance des condenseurs et aux basses températures humides, un abaissement de 5°C de la température d’évaporation est possible.

Environnement
les fuites de R22 sont notables et résultent en partie de l’étendue du réseau. Une recherche systématique doit être lancée.

En conclusion, l’expert chargé du diagnostic évalue le gisement d’économie d’énergie de cette installation entre 600 et 700 MWh, soit environ un gain annuel de 250 kF. Ce diagnostic n’est pas le plus abouti, il a été réalisé avant tout pour valider la méthode développée par l’ATEE, des mesures complémentaires permettraient de justifier les observations faites.
Ces deux diagnostics ont été réalisés par l’Apave Nord Picardie.

Article publié dans ENERGIE PLUS n°220 du 15 février 1999.

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