Gestion de l'énergie dans l'industrie 4.0

Les réseaux en courant continu offrent de nouvelles opportunités

Le courant continu (CC ou DC en anglais) est de plus en plus utilisé dans l'environnement bâti et les centres de données, principalement à des tensions plus faibles. Bien que l'industrie semble moins enthousiaste, il y a de nombreux avantages à en tirer. C'est ce que démontre la recherche de Thomas Vandenhove sur le potentiel d'un réseau industriel en courant continu. Il conclut que, dans le contexte de l'industrie 4.0, celui-ci offre effectivement des avantages en termes de surveillance et de gestion de l'énergie.

L'intérêt général pour le courant continu s'est considérablement accru ces dernières années, en partie en raison du besoin croissant de production d'énergie renouvelable par le biais de l'énergie éolienne et solaire, et des développements en cours dans le domaine du stockage de l'énergie, tels que les grands systèmes de batteries. En effet, l'énergie éolienne et l'énergie solaire produisent toutes deux du courant continu, et la technologie des batteries est également basée sur le courant continu.

Thomas Vandenhove est ingénieur d'application chez Flanders Make, un centre de recherche stratégique pour l'industrie manufacturière en Flandre. Il a passé les trois dernières années à étudier les possibilités d'un réseau industriel en courant continu. "Le courant continu est déjà utilisé dans les centres de données et des projets utilisant le courant continu sont également réalisés dans l'environnement bâti. Dans l'industrie, cependant, l'utilisation du courant continu est une nouveauté parce que la distribution de l'électricité se fait traditionnellement par le biais du courant alternatif et qu'il est difficile de passer de l'un à l'autre. Pour montrer à l'industrie à côté de quoi elle passe, nous avons mené des recherches avec plusieurs partenaires industriels et la KU Leuven/EnergyVille sur la faisabilité et l'utilité de la mise en place d'un réseau industriel à courant continu.

possibilités et avantages

Économie d'énergie

L'utilité du courant continu ne fait aucun doute, car ses avantages sont vastes et pertinents. M. Vandenhove explique: "Le premier avantage est un meilleur rendement grâce à la réduction des pertes. En effet, avec le courant continu, il faut moins d'étapes pour la conversion de l'énergie. En outre, avec un réseau à courant continu, les machines peuvent être commandées directement sur le courant continu. Bien que le gain d'énergie par machine ne soit pas très important étant donné que le rendement actuel des onduleurs est déjà supérieur à 90%, le nombre total de machines peut faire une différence significative dans la plupart des cas."

"En particulier pour les machines dynamiques travaillant avec de grandes accélérations, le courant continu peut faire une différence significative en termes de consommation d'énergie"

En outre, le courant continu offre la possibilité de récupérer plus facilement l'énergie de freinage et de l'injecter dans le réseau ou de la stocker dans une batterie. Cela permet de réutiliser l'énergie et de ne pas la convertir en chaleur perdue dans l'environnement. M. Vandenhove explique: "Nous avons testé cette fonctionnalité sur des moteurs à induction pour récupérer l'énergie de freinage. En particulier dans les machines dynamiques fonctionnant avec de grandes accélérations, cela peut faire une différence significative en termes de consommation d'énergie."

commande et collecte de données

Dans le contexte de l'Industrie 4.0, où les machines sont interconnectées et communiquent à la fois entre elles et avec le système de commande de niveau supérieur, le courant continu offre l'avantage d'une commande plus simple. Cela simplifie la réalisation de réglages complexes et permet ainsi de gagner du temps (de développement).

En raison de la nature bidirectionnelle du courant continu, il est plus facile non seulement de contrôler les machines, mais aussi d'obtenir des données à partir des machines. Cela peut être utile à des fins de maintenance ou de gestion de l'énergie, par exemple. Avec un réseau à courant continu, il est possible de réaliser un réseau intelligent, dans lequel tous les flux d'énergie peuvent être contrôlés de manière dynamique à l'aide d'un système de gestion de l'énergie (EMS) intelligent.

En pratique

Dans la pratique, cela permet de coordonner les processus de production entre eux et avec la quantité d'énergie disponible. En outre, la consommation d'énergie des machines peut être surveillée de manière optimale via un réseau à courant continu. Cela permet non seulement de détecter rapidement les pannes, mais aussi d'améliorer la connaissance de l'utilisateur ou du propriétaire sur la consommation d'énergie des différents processus, dans le but de l'optimiser.

M. Vandenhove explique: "Par exemple, vous pouvez coordonner les différentes étapes de production des différentes machines de manière à ce qu'il ne faille jamais une (trop) grande quantité d'énergie en même temps. Cela permet d'éviter une connexion plus lourde, qui entraîne des coûts supplémentaires, et d'utiliser autant que possible l'énergie produite localement. Le scénario idéal est que l'on utilise tout soi-même et qu'on ne doive pas pas réinjecter de l'énergie dans le réseau public."

Il poursuit: "Nous avons écrit plusieurs algorithmes dans le cadre de nos recherches et du prototype de réseau à courant continu que nous avons développé. Ces algorithmes font des choix de gestion de l'énergie en fonction de facteurs tels que la productivité et la disponibilité des énergies renouvelables, et donc aussi du prix. Le système EMS intelligent que nous avons développé permet d'améliorer la fiabilité, la réduction des pertes et la qualité de l'énergie. Il en résulte une amélioration globale de la performance des réseaux à courant continu."

"Les réseaux à courant continu contribuent à accroître la stabilité du réseau, ce qui améliore la fiabilité des machines"

distorsion harmonique et stabilité

Un autre avantage des réseaux à courant continu, comme le souligne M. Vandenhove, est qu'ils contribuent à une bonne stabilité et provoquent moins de distorsion harmonique. Il explique: "Il est important pour un grand réseau électrique d'avoir le moins de distorsion possible. Dans les usines, nous avons souvent affaire à des variateurs de vitesse alimentés par un redresseur passif, ce qui peut entraîner des harmoniques. Malheureusement, il n'existe pas de solution standard à ce problème, car chaque réseau et sa charge électrique sont différents. Toutefois, dans les réseaux à courant continu, nous pouvons utiliser un redresseur actif central pour obtenir un meilleur équilibre et les perturbations peuvent être équilibrées de manière dynamique. En principe, cela peut également être fait pour chaque moteur individuel, mais cela devient rapidement coûteux. En plaçant le redresseur actif au centre et en alimentant l'ensemble du réseau CC, les coûts supplémentaires peuvent être réduits. En outre, les réseaux CC offrent également une meilleure stabilité du réseau, ce qui améliore la fiabilité des machines."

Défis

Voilà pour la discussion sur les possibilités et les avantages d'un réseau à courant continu pour l'industrie 4.0. Cependant, il est important de reconnaître également les défis associés. D'une part, les entreprises sont encore limitées par les lois et les règlements, ce qui rend plus difficile la mise en place de leur propre réseau CC. D'autre part, il y a également des défis techniques à prendre en compte.

Stockage de l'énergie

M. Vandenhove: "L'infrastructure actuelle n'est pas adaptée à la réception de courant continu provenant de panneaux photovoltaïques ou de turbines éoliennes, car ces sources d'énergie peuvent fluctuer. Cela dépend non seulement du temps qu'il fait ou de l'heure de la journée, mais aussi des saisons. Il est donc nécessaire de stocker l'énergie électrique. Cela signifie que nous devons créer d'importantes réserves afin de pouvoir faire face aux pics de la demande d'énergie, mais aussi de fournir suffisamment d'énergie lorsque la production d'énergie renouvelable est faible."

Les développements en matière de stockage de l'énergie sont actuellement rapides, non seulement dans l'environnement bâti, mais aussi dans l'industrie. Dans l'environnement bâti, on cherche à stocker l'électricité et la chaleur, par exemple au moyen de batteries au sel ou en convertissant l'électricité en hydrogène. Dans l'industrie, on étudie le stockage direct de l'énergie électrique dans des batteries électrochimiques, telles que les batteries Li-ion.

Il existe déjà d'excellents exemples d'entreprises qui développent des batteries à haute densité énergétique et à contrôle intelligent qui tient compte de l'offre et de la demande. Ces batteries peuvent prendre des décisions intelligentes basées sur l'intelligence artificielle. En associant cette intelligence à des informations sur les processus de fabrication, il est également possible d'optimiser les processus de charge et de décharge.

"Le nombre de composants CC sur le marché aujourd'hui est encore relativement limité"

Compatibilité

Un dernier défi cité par M. Vandenhove est la compatibilité des différents composants d'une machine ou d'un hall d'usine lorsqu'ils ne proviennent pas du même fabricant. Le prototype de réseau CC mentionné plus haut, que Flanders Make a développé avec ses partenaires, combinait donc cinq marques: Siemens, Lenze, ABB, Beckhoff et Schneider.

L'une des difficultés réside dans le fait que le niveau de tension n'a jamais été convenu, ce qui a rendu leur combinaison difficile. M. Vandenhove explique: "En outre, le nombre de composants à courant continu sur le marché est encore relativement limité. Néanmoins, l'idée n'était pas de développer ces composants nous-mêmes, mais de dresser une liste de composants standard disponibles dans le commerce. En effet, il est important que ces composants puissent être appliqués directement dans l'industrie, la disponibilité est donc essentielle."

Conclusion

L'étude a révélé, entre autres, qu'un réseau à courant continu permet une plus grande efficacité en réduisant les pertes d'énergie de 5 à 10%. A cela s'ajoute la récupération de l'énergie de freinage. En outre, l'essai a prouvé qu'un réseau à courant continu conduit à une plus grande stabilité, tandis que la production décentralisée d'énergie solaire et éolienne peut être facilement et efficacement mise en œuvre dans le réseau. Le stockage sur batterie combiné au système EMS appliqué a également permis à l'équipe de réduire le courant de pointe au niveau de la partie frontale active (connectée au réseau CA). Par exemple, il serait possible de remplacer un transformateur de 1 MW par un transformateur de 300 kW pour permettre l'interaction avec le réseau CA. Cela permettrait de réaliser d'importantes économies.

Avec le développement du prototype, dans lequel un réseau industriel à courant continu a été réalisé en utilisant des composants disponibles sur le marché, Flanders Make a atteint une étape unique qu'elle a l'intention de continuer à développer. M. Vandenhove: "Cela nous a permis de nous positionner en tant qu'acteur clé en matière de durabilité, d'efficacité énergétique et d'innovation dans le domaine de la consommation d'électricité industrielle. Le moment est venu de partager ces connaissances et d'aider nos partenaires à poursuivre le développement du prototype pour qu'il devienne une preuve de concept."