YAZAKI Automotive Products

Sous la pression des pénuries d’énergie et de la sensibilisation croissante du public aux problèmes environnementaux, les entreprises accordent de plus en plus attention à leurs pratiques de gestion de l’énergie puisqu’elle ne caractérise plus une réalité purement sociétale mais éminemment un levier de compétitivité et une nouvelle modalité pour fonctionner dans une atmosphère consciencieuse et responsable. Anciennement, les entreprises considéraient les dépenses énergétiques comme étant un coût fixe et incontrôlable alors que la réalité est tout à fait différente puisque les techniques d’utilisation et de contrôle de l’énergie ne cessent de progresser, permettant ainsi de réaliser des économies importantes dans le secteur industriel, un des secteurs les plus énergivores à l’échelle mondiale.

Consciente du fait que la réduction des dépenses énergétiques est l’un des piliers lui permettant de se positionner durablement dans le marché mondial et dans un contexte de globalisation de plus en plus caractérisé par les règles de compétitivité et d’innovation, YAZAKI s’arrime au principe d’optimisation des coûts de sa facture énergétique qui lui permettra, au-delà de la performance économique, un meilleur équilibre entre l’offre et la demande d’énergie contribuant ainsi à un meilleur développement social et environnemental marqué par la limitation des émissions des gaz à effet de serre dans le cadre d’une charte partagée sur l’ensemble des filiales.

C’est dans ce cadre que notre projet de fin d’étude effectué au sein de YAZAKI Automotive Products s’inscrit, visant à améliorer la situation énergétique de l’entreprise en optimisant la consommation énergétique de l’aire de production. Ce présent rapport est constitué de cinq chapitres. Le premier étant une présentation de l’entreprise d’accueil ainsi que la problématique à laquelle nous avons fait face. Le deuxième chapitre couvre la situation actuelle de l’aire de production, son système d’éclairage, d’air comprimé et de climatisation ainsi que l’historique et le suivi de la consommation énergétique. Le troisième, quatrième et cinquième chapitre porteront respectivement sur le diagnostic du système d’éclairage, du système de production d’air comprimé et du système de climatisation et les solutions proposées pour en optimiser la consommation énergétique avec une étude de l’impact énergétique et environnemental ainsi qu’une analyse financière de chaque solution.

Présentation de l’entreprise Introduction Nous avons eu la chance de réaliser notre projet de fin d’études au sein de la société YAZAKI Automotive Products. Dans ce chapitre, nous présenterons la multinationale YAZAKI, la société mère de notre entreprise d’accueil ainsi que le projet sur lequel nous avons travaillé. Présentation générale de l’entreprise Fondation du groupe YAZAKI YAZAKI Corporation est un fabricant indépendant de composants automobiles fondé en 1941. Outre les faisceaux de câbles automobiles, ses produits de base pour lesquels elle détient une part importante du marché mondial, des compteurs, des composants électroniques et de nombreux autres produits pour l\’automobile. Depuis que son premier site de production à l\’étranger a été établi en Thaïlande en 1962, son réseau mondial de développement et de fabrication a continué de se développer, de même que sa relation de confiance mutuelle avec les constructeurs automobiles du monde entier. Avec pour politique d\’entreprise « Une entreprise en phase avec le monde » et « Une entreprise en demande de la société », elle s’engage à respecter l\’environnement dans tous les aspects de ses activités. Elle produit une large gamme de produits respectueux de l\’environnement et économes en énergie, du premier système de climatisation au monde à énergie solaire thermique en 1974 au premier système de climatisation au monde à énergie issue de la biomasse du bois en 2008 [Web1]. Implantation à l’échelle mondiale Pour répondre rapidement et avec souplesse à toutes les exigences, le groupe se situe à proximité de ses clients dans le monde entier. YAZAKI a atteint une présence mondiale significative avec 170 entreprises et plus de 430 sites d’entreprises dans 39 pays ; aux Etats-Unis, au Mexique, en Amérique de sud, en Afrique, en Australie, en Asie de sud, en Inde et en Chine ainsi que dans tout le continent européen comme illustré dans la figure 1 [Web2]. Figure 1: Implantation de YAZAKI dans le monde YAZAKI en chiffres Au cours de l’année 2018, le groupe YAZAKI a réalisé un chiffre d’affaires de 1926.6 billions yen qui vaut 17.6 billions de dollars partagés comme le montre la figure 2 [Web1]. Figure 2: Répartition du chiffre d’affaires en fonction des branches opérationnelles Clients de YAZAKI Automotive Products Grâce à sa très bonne compétitivité, Yazaki Automotive Products a pu attirer plusieurs clients tels que : NISSAN MOTORS, FIAT, TOYOTA, MERCEDES, etc. Ce que lui a permis d’être un leader à l’échelle mondiale sur le marché du câblage. YAZAKI Automotive Products Tunisie YAZAKI Automotive Products Tunisie est l’une des filiales du groupe YAZAKI fondée en 2015. YAZAKI Bizerte L’activité principale de YAZAKI Bizerte est l’assemblage des câbles électriques afin de produire un câblage fiable permettant de connecter les différents éléments dans un système électromécanique et de fournir de l’énergie électrique et des signaux électroniques aux différents périphériques du système. Les certifications La parfaite maîtrise de la qualité et de l’environnement par la société YAZAKI lui a valu le mérite d’obtenir plusieurs certifications en reconnaissance de son respect des systèmes de management de la qualité et d’environnement exigés par l’industrie automobile, citons notamment : ISO 9001, ISO 14001, ISO TS16949. Organigramme L’entreprise YAZAKI Bizerte suit une hiérarchie bien structurée présentée dans son organigramme dans la figure 3. Figure 3 : Organigramme de YAP-T Processus de fabrication La fabrication de câble passe par plusieurs étapes dans différentes zones comme illustré dans la figure 4. La zone de coupe reçoit des bobines, des cosses et des joints du magasin et fournit soit des fils coupés et sertis à la zone assemblage soit des fils coupés et dénudés à la zone préparation pour alimenter par la suite la zone assemblage par des fils préparés. Figure 4 : Processus de fabrication des câbles Zone de coupe P1 Cette étape consiste à couper les fils électriques qui constituent la matière première selon les instructions de l’ordre de fabrication ou le Kanban (Système CAO), c’est à dire : la longueur désignée par le client, le dénudage, insertion des terminaux, sertissage et insertion des bouchons. Zone de pré-assemblage P2 C\’est la deuxième zone de la production, il s\’agit d\’assembler les fils déjà préparé par la coupe pour former des sous- éléments. Elle est sculptée par plusieurs opérations : Le regroupement Cette opération consiste à regrouper deux ou plusieurs références de fils selon la nomenclature de l’article en question. C’est une opération de préparation pour la poste soudure ou directement pour l’assemblage. La soudure ultrason C’est une opération de soudure de plusieurs fils ensemble à l’aide d’une technique de vibration ultrason. Le torsadage Cette opération permet de créer un assemblage en tournant plusieurs éléments les uns autour des autres en hélice circulaire à un pas constant dans le même sens. Zone d’assemblage P3 La majorité des opérations sont manuelles dans cette zone. Les opérateurs assemblent les fils et les sous éléments précédemment établis par la coupe et la préparation pour former des faisceaux électriques sur des tapis tournants appelés « Carosselle ». Les opérations qui se réalisent dans cette zone sont : L’encliquetage L’encliquetage est le fait d’introduire le contact dans le boîtier. Pour cette opération il faut éviter la réparation sauf par les moyens adéquats et il faut entendre un bruit de Clic. L’enrubannage Les postes d’enrubannage sont les derniers postes dans le processus d’assemblage, ils consistent à couvrir les faisceaux électriques soit avec des rubans adhésifs ou avec des tuyaux, afin de les protéger de la haute température et pour assurer des côtes adéquates aux spécifications client. Contrôle électrique Il s’agit de contrôler les faisceaux sur un banc de test électrique pour vérifier la continuité électrique entre les différentes extrémités du circuit ainsi que l’étanchéité des boitiers et pour examiner la présence d’inversion. Il s’agit également de tester la présence et la position des agrafes, ainsi que de contrôler l’aspect dimensionnel de faisceau. Problématique et périmètre du projet La consommation énergétique, en l’occurrence électrique, de l’aire de production présentée dans l’annexe 1, forge un part dominant ce qui rend la facture d’électricité un véritable fardeau de l’entreprise. Cette consommation est partagée entre 4 secteurs, à savoir ; l’éclairage, l’air comprimé, l’alimentation des machines de production et la climatisation. Sur ces entrefaites, nous tirons conclure d’une mauvaise gestion de l’énergie électrique au sein de l’aire de production, qui, comme son nom l’indique, consiste en un zone spacieuse séparée virtuellement en zones de travail. Présentation du cahier des charges Objectifs Conséquemment à la problématique citée antérieurement, nous aurons comme finalité d’optimiser la consommation électrique de l’aire de production afin de : Améliorer la gestion de l’énergie électrique Minimiser la facture d’électricité Différentes étapes du projet Afin de mener à bien ce projet, nous avons comme commandement de suivre et analyser la consommation électrique de l’aire de production, déterminer les zones de consommation les plus énergivores et brutaliser, par conséquent, les anomalies pour optimiser la consommation tout en concertant les solutions proposées. Planification du projet Dans le but d’accoster nos objectifs, nous sommes contraints à planifier le déroulement de ce projet comme l’illustre le tableau 1. Tableau 1 : Planification du projet Conclusion A la queue de la présentation de la société d’accueil, nous évoquons l’état initial de l’aire de production ainsi que sa consommation énergétique dans l’optique de l’optimiser. Chapitre 2 : Situation actuelle de l’aire de production à YAZAKI Introduction Dans ce chapitre, nous évoquerons la situation actuelle de l’aire de production à YAZAKI à savoir le système d’éclairage, d’air comprimé et de climatisation ainsi que sa consommation en termes d’énergie électrique. Système d’éclairage existant Le système d’éclairage de la société YAZAKI est partagé entre éclairage naturel via des luminaires et artificiel via des lanterneaux. Lanterneaux La société YAZAKI dispose de 32 lanterneaux fixes dans l’aire de production destinés pour tirer profit de l’éclairage zénithal et pour assurer le taux d’éclairage naturel exigé par la norme du groupe YAZAKI. Ces lanterneaux éparpillés au niveau de la toiture sont en Polycarbonate transparent de 10mm d’épaisseur, 2m de longueur et 1m de largeur. Luminaires utilisés L’aire de production de la société YAZAKI contient 204 luminaires en iodure métallique ayant une puissance de 430 W illustrés dans la figure 5. Il est à noter que nous n’avons pas pu avoir davantage d’informations concernant ces luminaires puisqu’ils ont été importés de l’Algérie par le propriétaire précédent de l’usine avant que YAZAKI Bizerte ne soit installé en 2011 et donc n’ont pas de fiche technique qui permet de se renseigner par rapport à la courbe photométrique. Figure 5 : Armature iodure métallique de la société YAZAKI Disposition des luminaires La disposition des luminaires est effectuée selon un plan bien précis. Les armatures sont placées à une hauteur de 5.8m et sont espacées de 8m l’une de l’autre. Il est à noter qu’ils existent des gaines textiles tout au long de l’aire de production servant à distribuer l’air froid des climatiseurs. Ceux-ci forment un obstacle devant le flux lumineux émis par les sources lumineuses et il est impératif de les prendre en considération. Consommation d’énergie Les 204 luminaires de l’aire de production ont une puissance de 430 W chacun. Le tableau 2 illustre la consommation énergétique actuelle ainsi que son coût pour une tarification de la STEG de 0.225 DT le kWh. Tableau 2 : Consommation et coût annuels actuels de l\’éclairage Consommation annuelle (kWh/an) Coût annuel (DT/an) 653200 146321 Pour 0,084 kg.CO2 par un kWh d’électricité, nous pouvons estimer l’émission de CO2 du système d’éclairage comme illustré dans le tableau 3. Tableau 3 : Emission de CO2 du système d\’éclairage Consommation annuelle (kWh/an) Emission de CO2 (kg.CO2/an) 653200 54868,8 Système d’air comprimé existant Réseau de production Le réseau de production comprend deux compresseurs qui fonctionnent en alternance, deux sécheurs et deux réservoirs ainsi que des filtres d’air. La première chose que nous avons dû effectuer, est de réaliser un plan du réseau pneumatique illustré dans la figure 6 au moyen du logiciel Revit MEP présenté plus en détails en annexe 2 vu que l’entreprise ne dispose pas d’un plan prêt au préalable. Cette approche nous a permis de distinguer les principales artères ainsi que les singularités du réseau de production. Figure 6 : Salle des compresseurs Les compresseurs Les caractéristiques Les deux compresseurs utilisés dans la production de l’air comprimé présentent de petites différences. Le tableau 4 récapitule les caractéristiques de chacun. Tableau 4 : Caractéristiques des compresseurs Marque Atlas Copco GA 75+ Mattei AC 75 Puissance absorbée par l’arbre du moteur (kW) 75 75 Type Rotatif à vis Rotatif à palettes Type du moteur A vitesse fixe A vitesse fixe Fluide de refroidissement Air Air Pression à la sortie (bar) 7,5 7,7 Débit (m3/min) 14,95 14,32 Principe de fonctionnement Atlas Copco GA75+ Figure 7 : Principe de fonctionnement de l\’Atlas Copco GA75+ [Web29] Comme illustré dans la figure 7, l’air est aspiré à travers un filtre, il atteint la vanne d’entrée pour qu’il soit comprimé à l’intérieur de l’élément compresseur. Un mélange d’huile et d’air comprimé s’écoule ainsi dans le réservoir d’air / séparateur d’huile via le clapet anti-retour. L’air est refoulé via la soupape à minimum de pression au refroidisseur d’air qui comprend un séparateur d’eau et un ventilateur qui produit le débit d’air de refroidissement. La soupape à minimum de pression maintient la pression dans le réservoir / séparateur au-dessus de la valeur minimum nécessaire à la lubrification. Un clapet anti-retour intégré empêche l\’air comprimé en aval de la soupape d\’être libéré dans l\’atmosphère pendant la marche en décharge. Lorsque le compresseur est arrêté, le clapet anti-retour et la vanne d\’entrée se ferment, empêchant ainsi l\’air comprimé et l\’huile d\’être libérés dans le filtre à air. Mattei AC 75 Figure 8 : Principe de fonctionnement du Mattei AC 75 [Web30] Comme illustré dans la figure 8 l\’air est aspiré à travers un filtre dans l\’unité \”Rotor-Stator\” qui consiste en un cylindre (stator) dans lequel tourne un rotor monté de manière excentrée et tangente au stator. Le rotor comporte des fentes longitudinales dans lesquelles les palettes glissent. Les aubes sont poussées contre la surface interne du stator par la force centrifuge générée par la rotation. L\’air est comprimé par la contraction en volume de la chambre, composée du stator, des aubes et du rotor, pendant la rotation. L\’étanchéité entre les pièces en mouvement, le refroidissement et la lubrification sont assurés par injection d\’huile. Le mélange air-huile sortant de l\’unité de compression traverse une chambre de séparation où la vitesse ralentit et où la gravité renvoie l\’huile en vrac dans le réservoir d\’huile. L\’air et les aérosols d\’huile restants passent ensuite à travers un filtre coalescent séparateur air / huile à haute efficacité qui élimine les résidus d\’huile de l\’air. En passant par des étapes de séparation mécanique et par coalescence, le mélange d’air comprimé et d’huile est purifié. Un flux d\’air de refroidissement produit par un ventilateur auxiliaire fait passer l\’air ambiant à travers l\’armoire du compresseur et évacue la chaleur du refroidisseur d\’huile générée pendant la compression. L\’air comprimé quitte le compresseur à travers une vanne qui a pour fonction de maintenir une pression minimale à l\’intérieur de la chambre d\’huile. Les sécheurs Caractéristiques Les deux sécheurs utilisés dans l’installation d’air comprimé sont identiques. Leurs caractéristiques sont citées dans le tableau 5. Tableau 5 : Caractéristiques des sécheurs Réfrigérant R407C Température d’entrée d’air comprimé +35°C Pression de service 7 bars Pression de service maximale 14 bars Point de rosée +3°C Principe de fonctionnement Figure 9 : Principe de fonctionnement des sécheurs [Web30] Comme illustré dans la figure 9, l’air chargé d’humidité chaude entre dans un échangeur de chaleur air-air. Il passe ensuite à travers l’échangeur de chaleur air-réfrigérant. La température de l’air est réduite à environ 2 °C, entraînant la condensation de la vapeur d’eau en liquide. Le liquide est ainsi accumulé en permanence et récolté dans le séparateur pour être éliminé par la vidange de condensation. L’air sec passe ensuite à travers l’échangeur de chaleur air-air pour qu’il soit réchauffé. Les filtres d’air Le réseau de production de l’air comprimé est équipé de filtres d’air identiques placés en aval des réservoirs et des sécheurs. Ce sont des filtres déshuileurs capable d’ôter jusqu’à 99% d’huile. Ils ont les caractéristiques citées dans le tableau 6. Tableau 6 : Caractéristiques des filtres d\’air Débit 24 m3/min Pression maximale 16 bars Température de service maximale 100°C Réseau de distribution Le réseau de distribution est l’intermédiaire entre la production et les utilisateurs finaux. Nous constatons qu’au sein de la société, ce réseau n’est pas fixe. En effet, la disposition des équipements est aléatoire, fonction des projets sur lesquels elle travaille et d’actions d’optimisation d’espace. Les canalisations principales responsables du transport de l’air comprimé contiennent des vannes sur toutes leurs longueurs. En cas de besoin, un tuyau est raccordé à l’une des vannes permettant d’acheminer l’air comprimé vers une machine. Néanmoins, il est à mentionner que toutes les machines qu’existent dans l’aire de production fonctionnent à une pression de service qui varie entre 5 et 6 bars et sont équipés d’un système de sécurité qui fait que si la pression à l’entrée de la machine est inférieure à sa pression de service, elle ne pourra pas fonctionner correctement. Consommation d’énergie Les deux compresseurs qui existent absorbent une puissance de 75 kW et fonctionnent en alternance. Ensemble, ils fonctionnent 24h par jour pendant 309 jours par an. Nous pouvons donc estimer la consommation d’énergie ainsi que le coût annuel de la production de l’air comprimé pour un prix unitaire d’électricité de 0,237 DT facturé par la STEG comme illustré dans le tableau 7. Tableau 7 : Consommation et coût annuels de la production d\’air comprimé Consommation annuelle (kWh/an) Coût annuel (DT/an) 556200 131819,4 La production de l’air comprimé engendre une émission de CO2 que nous pouvons estimer pour 0,084 kg.CO2 par kWh illustrée dans le tableau 8. Tableau 8 : Emission de CO2 des compresseurs Consommation annuelle (kWh/an) Emission de CO2 (Kg.CO2/an) 556200 46720,8 Système de climatisation existant Les climatiseurs de toiture Pour assurer la climatisation de l’aire de production, YAZAKI dispose de 3 unités compactes de toiture comme le montre la figure 10 qui ne sont mises en marche que pendant les mois estivaux à savoir juin, juillet, août et septembre et ceci est à condition que la température dans les lieux de travail soit inférieure à 26°C. Figure 10 : Unité compacte de toiture Les principales caractéristiques des unités sont illustrées dans le tableau 9. Tableau 9 : Caractéristiques des PAC Type 50 EH 720 EER 2,85 Puissance absorbée (kW) 58,8 Puissance frigorifique (kW) 167,6 Débit d’air nominal (m3/h) 56000 Réfrigérant R-410A L’extraction de l’air vicié s’effectue par le biais d’un aspirateur qui aspire l’air chaud de l’aire de travail et l’achemine vers la PAC située à l’extérieur comme illustré dans la figure 11. Figure 11 : Aspirateur d\’air Les climatiseurs de toiture professionnels (Rooftop) constituent le système de refroidissement de l’air le plus adapté pour la climatisation des grands espaces. Pareillement aux systèmes de climatisation classiques, le fonctionnement d’un climatiseur de toiture comprend plusieurs éléments techniques : Unité extérieure : ventilateur, compresseur, filtration, pompe à chaleur, circuit frigorifique Tableau / coffret électrique pour visualiser le bon fonctionnement de l’installation Gaines pour la recirculation de l’air traité et vicié Unité intérieure pour la circulation de l’air dans le local Les unités de traitement sont connectées à des gaines rigides galvanisées vers des sorties dans les locaux. La pompe à chaleur réversible, permet d’utiliser la chaleur/fraîcheur de la température extérieure pour réguler celle des bâtiments à moindre coût. Le principe de fonctionnement des PAC air/air est assez simple. En effet, il s’appuie sur un circuit de captage regroupant quatre organes : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. A l’intérieur de la PAC circule un fluide frigorigène qui subit différentes transformations comme illustré dans la figure 12. Figure 12 : Principe de fonctionnement d\’une PAC air/air [Web3] Le principe de fonctionnement est décrit comme suit : Dans l’évaporateur, le fluide frigorigène à l’état fluide récupère les calories de l’air extérieur ce qui augmente sa température pour passer ainsi à l’état gazeux. Dans le compresseur, le gaz formé est comprimé et chauffé pour qu’il soit expédié au condenseur. Le fluide à l’état vapeur haute pression, cède de l’énergie au condenseur qui, à son tour, restitue l’énergie sous forme de chaleur au bâtiment. A la sortie du condenseur, la température du fluide diminue considérablement. En passant dans le détendeur, le fluide voit sa pression diminuer pour qu’il puisse recommencer le cycle. Gaines de distribution Afin d’assurer une répartition uniforme de l’air froid dans toute l’usine, des gaines textiles en polyester dotées de fentes diffusantes sont attachées à la sortie des unités intérieures comme le montre la figure 13. Ces gaines diffusent de l’air à une vitesse moyenne qui varie entre 4 et 10 m/s. Cette technique est basée sur l’induction et l’effet « Coanda » qui a lieu lorsqu\’un jet de fluide est attiré et suit une surface courbe sur laquelle il s\’écoule. Ainsi, quand un fluide sort par un orifice, une partie de ce fluide a tendance, au moment où il émerge, à épouser intimement le contour extérieur du récipient [Web4]. Figure 13 : Gaine textile à la sortie de l\’unité intérieure Consommation d’énergie Le système de climatisation, en l’occurrence les trois climatiseurs de toiture, fonctionne pour 12h par jour pour 26 jours par mois pendant la saison de climatisation (du 1er juin au 31 octobre). Le nombre d’heures de fonctionnement du système de climatisation est de l’ordre de 1560h. Comme mentionné dans le tableau 7, un seul climatiseur de toiture absorbe une puissance égale à 58,8 kW pour la climatisation. Nous pouvons donc estimer la consommation annuelle du système de climatisation qui est de l’ordre de 91728 kWh/an. Nous pouvons donc estimer le coût annuel de la climatisation pour un prix unitaire de l’électricité facturé par la STEG de 0.225 DT comme illustré dans le tableau 10. Tableau 10 : Consommation annuelle du système de climatisation Consommation annuelle (kWh/an) Coût annuel (DT/an) 91728 20638,8 Comme l’utilisation de l’électricité émet environ 0.084 Kg.CO2/kWh [17], le tableau 11 illustre l’émission de CO2 qu’engendre la climatisation des lieux de travail. Tableau 11 : Emission annuelle du CO2 du système de climatisation Consommation annuelle (kWh/an) Emission de CO2 (Kg.CO2/an) 91728 7705,152 Historique de la consommation électrique Dans le but de comprendre le comportement de la consommation électrique de la société YAZAKI, nous avons récupéré les factures des années 2017 et 2018 et nous avons comparé la consommation mensuelle respective des deux ans comme le montre la figure 14. Figure 14 : Consommation électrique en 2017 et 2018 par mois Nous constatons que la consommation électrique globale de l’entreprise est pratiquement la même pendant le mois de janvier des années 2017 et 2018. Elle est, en revanche, en février, mars avril et mai 2017 inférieure à celle de la même période de l’an 2018. Pendant le mois de juin nous remarquons une légère augmentation de la consommation électrique qui est due principalement à l’utilisation des climatiseurs et qui s’accentue encore pendant juillet. Une rechute de la consommation est enregistrée en août malgré la mise en marche du système de climatisation. Cette fluctuation de la consommation est due au fait que le congé annuel de la société YAZAKI n’a ni une date ni une période fixe, il commence pendant la 2ème quinzaine de juillet et s’achève pendant la 1ère quinzaine d’août. Figure 15 : Différence de la consommation annuelle entre 2017 et 2018 Comme le montre la figure 15, nous remarquons que la consommation électrique en 2018 a augmenté de 180000 kWh par rapport à 2017. Cette augmentation relativement importante est due à l’augmentation du nombre de machines de production à la suite de la prise en charge d’autres projets pendant cette dernière année ce qui augmente par conséquent l’utilisation de l’éclairage ainsi que la production des compresseurs et donc la consommation énergétique globale de l’entreprise. Suivi de la consommation électrique La société YAZAKI dispose d’un système de suivi de la consommation journalière par secteur. Ce système permet de suivre la consommation des principales armoires à savoir l’éclairage de l’aire de production, les compresseurs, la climatisation ainsi que les machines de production. Nous avons donc récupéré les courbes de la consommation journalière des trois premiers mois du stage pour pouvoir définir les grands consommateurs de l’énergie électrique. Janvier 2019 : Figure 16 : Consommation électrique du mois de Janvier Pour le mois de janvier, nous constatons que la consommation électrique des différents secteurs illustrée dans la figure 16, varie pratiquement de la même façon pour les journées de labeur ainsi que pour les fins de semaines bien que nous enregistrions une utilisation injustifiée de l’éclairage durant les fins de semaines pendant lesquels la production s’arrête dans toute l’usine. Nous remarquons, en outre, que l’éclairage est le plus grand consommateur d’énergie dans l’aire de production. Février 2019 : Figure 17 : Consommation électrique du mois de Février Pour le mois de février, nous remarquons que la consommation électrique des différents secteurs varie de la même façon et ne montre pas des pics de consommations injustifiables comme illustré dans la figue 17. Cependant, nous remarquons que pendant les fins de semaines la consommation électrique de l’éclairage est relativement élevée, de l’ordre de 1500 kWh et qui peut être rationnalisée rien qu’en appliquant une procédure de gestion de l’éclairage ainsi qu’en sensibilisant les opérateurs et les agents de sécurité interne de l’importance des gestes simples tels que l’éteinte des lampes inutiles. Mars 2019 : Figure 18 : Consommation électrique du mois de Mars Pour le mois de Mars, nous constatons que la consommation électrique des différents secteurs varie de la même façon comme illustré dans la figure 18. Cependant, la consommation électrique de l’éclairage est considérée excessive et il fallait agir sur ce secteur en premier lieu pour diminuer la consommation énergétique globale de l’entreprise. Nous récapitulons les enregistrements de la consommation des trois mois dans le tableau 12. Tableau 12 : Suivi mensuel de la consommation électrique par secteur Consommation par secteur (kWh) Janvier-19 Février-19 Mars-19 Machines de production 30268,95 26458,02 26066,84 Eclairage (Aire de production) 80492,24 81601,44 83031,66 Compresseurs 53962,05 47264,93 46766,02 Climatisation 474,36 172,78 917,72 Le diagramme des consommations est illustré dans la figure 19. Figure 19 : Comparatif de la consommation mensuelle des différents secteurs Nous constatons que l’éclairage de l’aire de production constitue le plus grand consommateur d’énergie avec un taux de 51% suivi des compresseurs avec un pourcentage de 31% comme le montre la figure 20. Quant à la climatisation, elle est considérée comme le secteur le moins énergivore pendant ces mois puisque les pompes à chaleur qui existent dans l’usine ne sont utilisées qu’en été pour le refroidissement des lieux de travail. Figure 20 : Distribution de la consommation électrique annuelle (%) La part d’électricité consommée par l’éclairage de l’aire de production est considérée très grande par rapport aux autres secteurs ceci est dû au nombre et au type d’armatures utilisées dans l’aire de production qui sont considérée énergivores et peu économiques par rapport aux armatures qui existent sur le marché. Conclusion Au cours de ce chapitre, nous avons déterminé les grands consommateurs d’électricité dont il faut trouver une solution pour optimiser la consommation énergétique globale de l’aire de production. Chapitre 3 : Diagnostic et optimisation du système d’éclairage Introduction L’éclairage constitue un élément crucial dans les opérations effectuées par les opérateurs au sein de l’aire de production. Un éclairage mal étudié affecte énormément le confort visuel des opérateurs ce qui mène à une diminution inéluctable de leur productivité. Outre cela, un éclairage déployé incongrûment engendre une facture énergétique exorbitante. Dans ce chapitre, nous avons étudié les causes qui ont rendu l’éclairage le plus grand consommateur d’énergie et nous allons ensuite proposer des solutions pour optimiser sa consommation. Revue bibliographique L’éclairage naturel L’éclairage naturel constitue une solution triviale pour minimiser la consommation électrique due à l’éclairage artificiel vue qu’elle est une source gratuite mais surtout disponible dans la plupart du temps. Cependant, cette source est souvent négligée. Types de ciel Le rayonnement électromagnétique qui provient du soleil constitue la partie visible de la lumière naturelle. Cependant, la disponibilité de cette source lumineuse naturelle dépend de maints paramètres y compris la position du soleil et l’intensité de la couverture nuageuse. La distribution de cette lumière est modélisée par différents types de ciel cependant, sa caractérisation est généralement compliquée. Lanterneaux L’utilisation des lanterneaux est répandue éminemment dans les entrepôts et les plateformes logistiques. Cette solution a des avantages non seulement sur la réduction de la consommation de l’électricité mais aussi sur le bien-être des occupants du bâtiment puisque le manque de lumière naturelle est source de la sensation d’endormissement et de dépression [Web31]. Néanmoins, il est recommandé d’avoir un coefficient de transmission thermique maximal de 2.5 W/m². K pour bénéficier d’une bonne transmission énergétique des lanterneaux [1]. L’éclairage artificiel Lorsque l’éclairage naturel sur les lieux de travail est insuffisant à cause de la disposition des lieux ou des exigences techniques, l’installation d’un système d’éclairage artificiel s’impose pour uniformiser la lumière et garantir un confort sur les lieux de travail. Les sources de lumière Les lampes LED Elles bénéficient de certaines performances tels qu’une longue durée de vie, une forte efficacité lumineuse, un rallumage instantané, etc. qui permettent tout type de gestion. Il existe des lampes LED qui permettent de substituer les lampes sodium haute pression ou iodures métalliques, tout en conservant les luminaires [1]. Les lampes à iodure métallique Ce sont des lampes à décharge qui allient lumière blanche, efficacité lumineuse élevée qui peut atteindre 140 lm/W et un bon IRC. Elles ont, par ailleurs, une durée de vie moyenne de l’ordre de 15000 heures, se déclinent principalement en deux températures de couleur (4000 K et 6500 K), présentent un indice de rendu de couleurs supérieur à 80. Cependant, le temps de montée en pleine puissance à l’allumage est relativement élevé ce qui les rend mal adaptées aux systèmes de gestion et elles sont utilisées en fortes puissances qui atteint les 400 W [1]. Les tubes fluorescents Ce sont des lampes rectilignes à double culot de 16 mm de diamètre appelés T5 qui peuvent atteindre une durée de vie de 24 000 heures et sont toujours associés à un appareillage1 électronique. Ils présentent une efficacité lumineuse supérieure à 110 lm/W pour des puissances élevées [1]. Les lampes à vapeur de mercure et les lampes sodium haute pression Les lampes à vapeur de mercure haute pression ont été bannies du marché européen depuis avril 2015. Quant aux lampes sodium haute pression, elles sont généralement utilisées dans les entrepôts vu leur efficacité lumineuse élevée qui varie entre 100 lm/W et 150 lm/W. Cependant, elles ont été abandonnées à cause de leur indice de rendu des couleurs médiocre qui atteint un maximum de 65 [1]. Les luminaires Grâce à ses optiques et son diffuseur, un luminaire permet de répartir, filtrer, transformer et diriger le flux lumineux émis par une ou plusieurs sources. Il comprend tous les dispositifs indispensables pour la fixation et la protection des sources ainsi que le raccordement au réseau. La photométrie du luminaire est caractérisée par sa répartition lumineuse indiquant la direction et l’intensité d’éclairement du luminaire, par son rendement qui est la proportion de lumière produite par les lampes qui sort effectivement du luminaire ainsi que par son efficacité globale (en lumens par watt sortant du luminaire). Norme Le groupe YAZAKI ne suit pas à l’instar d’autres multinationales la norme NF EN 12464-1 pour la définition du niveau d’éclairement moyen (E_m ) ̅ qui doit être préservé ainsi que le taux d’éblouissement unifié UGR, l’indice d’uniformité U0 et l’indice de rendu des couleurs IRC illustrée dans l’annexe 3. En effet, le groupe possède une norme confidentielle propre à lui qui doit être respectée par toutes les filières du groupe. Diagnostic du système d’éclairage existant Afin d’obtenir la distribution lumineuse actuelle au sein de l’aire de production, nous sommes contraints à réaliser une simulation par le biais du logiciel DIALux evo 8, présenté plus en détail dans l’annexe 4. Pour ce faire, nous avons en premier lieu, modélisé en 3D la construction de l’usine présentée dans la figure 21. Figure 21 : Modélisation de l\’usine Nous avons ensuite vérifié à l’aide d’un luxmètre les différents éclairements dans l’aire de production pour pouvoir conclure quant à la distribution lumineuse comme illustré dans la figure 22. Figure 22 : Mesure de l\’éclairement à l\’aide d\’un luxmètre Nous avons dû, par ailleurs, chercher des armatures dont les caractéristiques s’approchent au maximum possible de celles utilisées dans l’aire de production. Nous avons donc fouillé des centaines de catalogues de différents fabricants de lampes pour pouvoir mener une simulation aussi fidèle que possible. Nous avons finalement opté pour des lampes ayant la courbe photométrique de la figure 23 avec un angle de diffusion du faisceaux lumineux de 100°. Nous avons vérifié cette caractéristique à l’aide du logiciel OxyTech LITESTAR 4D présenté en annexe 5 puisque la fiche technique qui est en annexe 6 ne mentionne aucune indication par rapport à l’angle de diffusion. Figure 23 : Distribution lumineuse des lampes existantes La simulation réalisée a abouti aux résultats de la figure 24. Figure 24 : Distribution de la lumière avec les lampes en iodure métallique L’annexe 8 regroupe la signification des couleurs de l’éclairement lumineux. Nous remarquons que la plupart des surfaces possèdent un éclairement lumineux de 500 lux. Néanmoins, nous constatons des zones à l’intérieure de l’aire de production qui affichent un éclairement de 300 lux ainsi que des zones minimes affichant 750 lux. Dans la zone de circulation, l’éclairement varie de 50 lux jusqu’à 200 lux avec un éclairement moyen total est de 415 lux. Selon la norme NF EN 12464-1, nous pouvons dire que l’éclairage de l’aire de production est surdimensionné. Cependant, le département maintenance de YAZAKI exige un minimum d’éclairement de 500 lux dans la zone de production vu qu’il y a lieu de travaux de haute précision particulièrement le sertissage manuel qui nécessite plus d’éclairement lmineux qui atteint même les 1000 lux selon une norme confidentielle propre au groupe YAZAKI. Optimisation de la consommation de l’éclairage de l’aire de production Pour améliorer l’efficacité énergétique de l’éclairage du bâtiment, nous allons établir une procédure pour la gestion de l’éclairage, nous allons ensuite remplacer les lampes existantes par des nouvelles lampes de haute efficacité énergétique, ces lampes doivent satisfaire certains critères qui seront mentionnés ultérieurement et finalement, nous allons étudier la possibilité d’installer un système intelligent pour la gestion de l’énergie. Procédure de gestion de l’éclairage Le suivi de la consommation journalière de l’éclairage dans l’aire de production que nous avons effectué durant les trois premiers mois de 2019 nous a permis de détecter une mauvaise gestion de l’éclairage par la sécurité interne ce qui a rendu la mise en place d’une procédure pour l’amélioration de la gestion de l’éclairage en fonction des heures de la production et des besoins en éclairage, une étape primordiale. Nous avons donc réalisé une procédure pour la gestion de l’éclairage de l’aire de production, la cantine, le parking des bus ainsi que l’extérieur. Cependant, cette procédure ne sera efficace que si une conscience de l’importance de la gestion de l’éclairage soit établie chez tous les acteurs à savoir les agents de la sécurité interne, les opérateurs, etc. dans l’aire de production. La figure 25, illustre la procédure de gestion de l’éclairage appliquée dans l’aire de production alors que la procédure complète est en annexe 9. Figure 25 : Procédure de gestion de l\’éclairage de l\’aire de production Impact énergétique La mise en place d’une procédure de gestion de l’éclairage, pourrait, lorsqu’elle est respectée convenablement, économiser jusqu’à 5% de la facture énergétique de l’éclairage [Web39]. Nous illustrons donc dans la figure 26 le gain énergétique réalisé grâce à cette action. Figure 26 : Consommation énergétique de l\’éclairage dans les deux situations Impact environnemental La quantité de CO2 qu’émet 1 kWh est de 0.084 kg.CO2. La réduction de CO2 réalisée est donc illustrée dans le tableau 13. Tableau 13 : Réduction de CO2 grâce à la procédure Economie annuelle en énergie (kWh/an) Réduction annuelle de CO2 (kg.CO2/an) 32660 2743,44 Analyse financière et impact sur la rentabilité Afin d’analyser l’impact monétaire de ce comportement à suivre par les employés de l’entreprise, nous avons estimé le gain en consommation d’énergie sur la base des heures d’utilisation recommandées. Le gain estimé est de 5% de la consommation soit 7740,42 DT ; un gain net sans besoin de supporter aucun frais de formation aux employés. Changement des luminaires Etude des technologies d’éclairage existantes Les technologies de sources lumineuses ne cessent d’évoluer et nous nous trouvons face à de nombreux types de lampes. Le tableau 14 regroupe les principaux types utilisés notamment dans les bâtiments industriels. Tableau 14 : Caractéristiques des sources lumineuses [Web5] Type Puissance (W) Flux lumineux (Lum) Efficacité lumineuse (lm/W) IRC T° de couleur Durée de vie moyenne (h) Tube fluorescent 4 à 140 120 à 8350 30 à 112 50 à 98 2700 à 8000 12000 à 66000 Halogénure métallique 20 à 2100 1300 à 225000 37 à 118 65 à 95 2600 à 5600 15000 à 24000 Sodium haute pression 35 à 1000 3400 à 130000 35 à 150 25 à 81 1800 à 2200 10000 à 30000 LED 1 à 18 par LED 140 à 950 30 à 120 80 à 90 2700 à 4000 25000 à 30000 Choix des nouvelles lampes Le choix des sources de lumière repose sur plusieurs paramètres tels que : La puissance : qui indique la consommation énergétique d’une source lumineuse. Plus elle est basse, plus nous économisons la facture énergétique. La distribution lumineuse qui définit la répartition de la luminosité issue d’un luminaire dans les deux sens transversal et longitudinal comme le montre la figure 27. Figure 27 : Distribution lumineuse des sources [Web6] Le taux d’éblouissement unifié (UGR) qui varie selon le type du local et il est compris entre 10 (peu d’éblouissement) et 30 (fort éblouissement) caractérisant la luminance apparente d’un ensemble de luminaires par rapport à la luminance du fond perçue dans le champ visuel d’un observateur. Le rendement lumineux qui est le rapport entre le flux lumineux émis par la source lumineuse et la puissance absorbée par la source. Plus ce rendement est élevé, plus nous aurons besoin de points lumineux dans les lieux. La durée de vie qui a un impact majeur dans le calcul du temps de retour sur investissement ainsi que le coût de la maintenance. L’indice de rendu des couleurs (IRC) qui caractérise la capacité d’une à reproduire d’une manière fiable les couleurs des surfaces. Plus cet indice est élevé, plus la reproduction des couleurs est fidèle comme le montre la figure 28. Figure 28 : Indice de rendu des couleurs [Web7] Prise de décision Pour donner suite aux critères évoqués ci-dessus, nous optons pour les lampes LED qui s’avèrent les meilleures en termes de puissance et durée de vie. De plus, leurs caractéristiques photométriques s’allient parfaitement avec les exigences techniques recommandées par la norme EN NF 12464-1. En effet, ces lampes sont fabriquées à base de semi-conducteurs ce qui fait qu’une petite quantité d’énergie permet d’émettre de la lumière au contraire des lampes à incandescence dont la plus grande partie d’énergie est dissipée en chaleur [Web8]. Le département maintenance de la société YAZAKI nous a imposé d’utiliser des lampes BY698P LED300/NW PSU WB EN de la marque PHILIPS qui s’avèrent les meilleures sur le marché, ayant les principales caractéristiques mentionnées dans le tableau 15. Tableau 15 : Caractéristiques des lampes LED Puissance d’entrée initiale 225 W Diffusion du faisceau lumineux du luminaire 100° Flux lumineux initial 29000 lm Efficacité initiale du luminaire 129 lm/W Indice de rendu des couleurs > 80 Durée de vie 50000 h Simulation du nouveau système d’éclairage Pour pouvoir réaliser une simulation par le logiciel Dialux evo 8, nous avons cherché la courbe photométrique des luminaires puisque le site officiel de la marque PHILIPS n’a pas fourni la courbe des ces luminaires. Nous avons dû donc choisir un autre luminaire de la même marque qui ne diffère du nôtre qu’en termes de consommation et ensuite nous avons modifié celle-ci par le biais du logiciel LDT Editor présenté en annexe 7 comme le montre la figure 29. Figure 29 : Modification des paramètres par LDT Editor La courbe photométrique des lampes LED est comme l’illustre la figure 30. Figure 30 : Distribution lumineuse des lampes LED Puisque YAZAKI dispose d’une norme d’éclairage jugée confidentielle qui doit être respectée par toutes les filières du groupe. En dépit de cette norme, la disposition et la nature des postes de travail dans l’aire de production doit être prise en considération bien qu’elle n’est guère fixe. Nous avons donc réalisé la simulation en considérant le lay-out mis à jour de l’aire de production. Pour ce faire, nous avons simulé en premier temps l’éclairement lumineux d’une seule armature pour pouvoir déterminer le diamètre du cercle lumineux ce qui nous permettra de déterminer la disposition des luminaires dans l’espace. Cette armature a été placé à la même hauteur que nous souhaitons placer le nouveau système qui est de l’ordre de 5.8m. Figure 31 : Eclairement lumineux d\’une seule armature Comme le montre la figure 31, le rayon du cercle ayant un éclairement lumineux de 300 lux est de 2.8m, le cercle ayant un éclairement lumineux de 200 lux a un rayon de 4m. Au-delà de ce rayon l’éclairement, est inférieur à 200 lux comme l’illustre l’annexe 8. Vu que le nouveau lay-out contenant la disposition des postes de travail tout au long de la période suivante est considéré confidentiel pour des raisons de sécurité, nous n’avons pas pu l’évoquer dans notre rapport. La simulation que nous avons réalisé en prenant en considération cette disposition a abouti à la distribution lumineuse de la figure 32. Figure 32 : Distribution de la lumière avec les lampes LED Nous avons désormais un éclairement total moyen égal à 667 lux ainsi que plus de zones dont l’éclairement lumineux est égal à 750 lux comme l’illustre l’annexe 8. Pour avoir un tel résultat, nous avons placé 204 luminaires dans toute l’aire de production disposés comme indiqué dans la figure 32. Cette rénovation montre une consommation énergétique de l’éclairage pour 0.225 DT le kWh comme le montre la figure 33. Figure 33 : Consommation et coût d\’énergie des LED Cette solution a été validée par le département maintenance de YAZAKI, cependant, à cause du budget limité accordé à la rénovation de l’éclairage pour cette année, la direction de la société n’a validé que l’investissement en 120 luminaires pour le moment et inclure les 84 luminaires restants dans le budget de l’année prochaine. Impact sur l’éclairement À la suite du changement des armatures en iodure métallique par d’autres LED, nous constatons une amélioration remarquable de la distribution lumineuse au sein de l’aire de production comme illustré dans la figure 34. Figure 34 : Comparaison entre l’ancienne et la nouvelle distribution lumineuse Le tableau 16 présente une comparaison des éclairements lumineux moyens de l’ancienne configuration des lampes en iodure métallique et la nouvelle configuration utilisant les nouvelles lampes LED. Tableau 16 : Comparaison des éclairements des deux situations Ancien éclairement total moyen Nouvel éclairement total moyen 415 lux 667 lux De plus de l’amélioration de l’éclairement total moyen, nous avons atteint l’éclairement exigé en fonction de la nature du poste de travail ce qui assure un confort visuel pour les opérateurs. Impact énergétique La substitution des armatures en iodure métallique d’une puissance nominale de 430 W chacune par d’autres en LED d’une puissance nominale de 225 W nous fait gagner pratiquement 53% de l’énergie utilisée pour alimenter les anciennes armatures. La figure 35 illustre ce gain. Figure 35 : Différence entre la consommation énergétique annuelle des armatures Cette solution permet donc de réduire considérablement la consommation énergétique de la société tout en améliorant l’éclairement lumineux des lieux de travail pour répondre aux exigences de la norme du groupe YAZAKI. Impact environnemental L’électricité émet environ 0.084 Kg.CO2/kWh [Web9]. Donc, nous pouvons estimer les gains que nous pouvons réaliser en termes d’émission de CO2 grâce à cette solution. Les calculs effectués sont mentionnés dans le tableau 17. Tableau 17 : Réduction annuelle de l\’émission de CO2 Economie annuelle (kWh/an) Réduction annuelle de CO2 (kg.CO2/an) 311200 26140,8 En plus de l’économie réalisée en termes d’énergie, cette solution permet une réduction importante de l’émission de CO2 qui fait partie de la politique environnementale de YAZAKI. Analyse financière et impact sur la rentabilité Afin d’estimer l’importance financière de notre amélioration, on va calculer le délai de récupération de l’investissement supporté au départ de l’action en utilisant l’indicateur financier à savoir, le délai de récupération sur une base fixe des prix de consommation. Puisque le prix unitaire d’un luminaire BY698P LED300/NW PSU WB EN de la marque PHILIPS est de 1050 DT [Web10], l’investissement total pour une telle acquisition est donc de 214200 DT. Le délai de récupération est calculé suivant la formule 1. Délai de récupération= (Coût de l\’investissement)/(Gain réalisé) ( 1 ) Comme cette solution permettra d’économiser 310600 kWh d’énergie annuellement, et pour un coût fixé par la STEG de 0,225 DT pour le kWh, le DL de cette solution est alors de 3 ans. Ce résultat s’estime important en vue du gain de l’énergie, le délai de récupération est inférieur à la durée d’utilisation des LED ce qui approuve encore l’utilité de la proposition. Installation d’un système intelligent pour la gestion de l’énergie Afin de mieux gérer l’énergie, nous avons pensé à installer un système intelligent de gestion de l’éclairage qui permettra en premier lieu de modifier la luminosité des lampes en fonction de l’éclairage naturel disponible ce qui assure un confort visuel pour les opérateurs et d’éviter les heures supplémentaires inutiles du fonctionnement des lampes qui peut être dues à une mauvaise gestion humaine de cette ressource. Ce système doit évidemment satisfaire certains critères pour qu’il soit compatible avec l’installation. En effet ce système doit être : Compatible avec la structure de l’installation existante ainsi que la disposition des lampes pour ne pas engendrer des surcoûts inutiles Economique en énergie Compatible avec les lampes LED OSRAM propose un système simple et efficace pour la gestion de l’éclairage illustré dans la figure 36 qui promet d’économiser jusqu’à 50% d’énergie [Web11]. Figure 36 : Le système OSRAM DALI MULTIEco Ce système varie la luminosité des lampes en fonction de la lumière du jour disponible et en fonction de la présence détectée dans une zone précise. Etant donné que l’aire de production est assez spacieuse, il faudrait la partager selon les zones de production pour pouvoir installer ce système. Nous avons pensé à diviser l’aire de production par projet ce qui facilitera la gestion de l’éclairage. Nous aurons donc besoin de 5 systèmes de gestion comprenant chacun : Un capteur de présence et un capteur de lumière Un graduable permettant de réguler la luminosité Un contrôleur de commande permettant d’évaluer les signaux envoyés par les capteurs Une unité de commande manuelle digitale permettant à l’utilisateur de générer un signal vers le reste du système Impact énergétique de la solution Après le changement de tous les luminaires de l’aire de production en LED, nous aurons une consommation annuelle de l’énergie pour l’éclairage égale à 342600 kWh/an. Comme la gestion intelligente de l’éclairage promet d’économiser 50% de l’énergie qui est jugée très importante, la consommation énergétique économisée est illustrée dans la figure 37. Figure 37 : Energie annuelle consommée dans les deux situations Impact environnemental de la solution Cette économie énergétique est accompagnée évidemment d’une réduction de l’émission de CO2 puisque 1 kWh d’électricité émet 0.084 kg.CO2. Le tableau 18, illustre la quantité de CO2 réduite grâce à cette solution. Tableau 18 : Réduction de CO2 par la gestion intelligente de l\’éclairage Economie annuelle d’énergie (kWh/an) Réduction annuelle de CO2 (kg.CO2/an) 171300 14389,2 Analyse financière et impact sur la rentabilité Pour pouvoir effectuer l’analyse financière de cette acquisition, nous avons calculé les coûts nécessaires à l’installation de ce système en annexe 10. L’investissement pour cette solution est de l’ordre de 4069 DT. Cette solution permet de gagner 171300 kWh d’énergie annuellement, donc pour un prix fixé par la STEG de 0.225 DT le kWh, le DL de cette solution est alors calculé selon la formule de l’équation 1. Il est de l’ordre de 1 mois uniquement. Cependant, il est à noter que la durée de vie de ces capteurs est pratiquement illimitée [Web38] ce qui motive encore à procéder à l’installation de ce système intelligent de gestion de l’éclairage. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons effectué un diagnostic du système d’éclairage et nous avons par la suite proposé des solutions pour l’optimisation de la consommation énergétique pour l’éclairage résumées en annexe 11 qui constituait le plus grand fardeau de la facture énergétique. Chapitre 4 : Diagnostic et optimisation du système d’air comprimé Introduction Comme nous l’avons pu remarquer grâce au suivi de la consommation que nous avons réalisé, le système d’air comprimé est le second responsable de la facture énergétique élevée de la société. Dans ce chapitre, nous ferons un diagnostic de ce système pour comprendre les causes de cette consommation et nous proposons ensuite des solutions pour l’optimisation de l’énergie consommée par ce secteur. Revue bibliographique Le compresseur Le compresseur est un dispositif permettant d’augmenter la pression de l’air atmosphérique qu’il aspire en le comprimant. Un compresseur de faible puissance utilise un moteur électrique monophasé ou un moteur à essence, alors que les compresseurs de grande puissance nécessitent des moteurs électriques triphasés, des moteurs diesel ou des turbines à gaz. Types de compresseurs Les compresseurs se partagent en deux grandes familles. Nous y trouvons les compresseurs volumétriques et les compresseurs dynamiques. Les compresseurs volumétriques Une quantité définie d’air est aspirée dans une chambre de compression pour diminuer son volume, ce qui engendre une augmentation proportionnelle de sa pression avant qu’il soit refoulé. Les trois types les plus répandus de compresseurs volumétriques utilisés dans les petites et moyennes industries sont les compresseurs d’air rotatifs à vis, les compresseurs à palettes et les compresseurs à pistons [Web12]. Les compresseurs rotatifs à vis Ils sont les plus répandus sur le marché pour des puissances allant de 4 à 700 kW. Ils consistent en deux rotors accouplés et engrainés ensemble, emprisonnant l’air et réduisant son volume le long des rotors comme le montre la figure 38. Selon les exigences de pureté de l’air, les compresseurs rotatifs à vis se trouvent en deux versions ; lubrifié ou sec (exempt d’huile). [Web12] Figure 38 : Compresseur à vis [Web13] Compresseurs à piston Ces compresseurs comportent un piston entraîné par un vilebrequin et un moteur électrique comme le montre la figure 39. Les compresseurs à piston sont disponibles sur le marché dans des puissances comprises entre moins de 0.7 kW et 22 kW environ. Ils sont souvent employés pour fournir de l’air à des dispositifs de régulation et d’automatisation dans les bâtiments [Web12]. Figure 39 : Compresseur à piston [Web14] Compresseurs à palettes Ils mettent en jeu un rotor à rainures excentré, situé dans un cylindre comme le montre la figure 40. Les rainures longitudinales du rotor sont équipées chacune d’une palette. Lorsque le rotor tourne, ces palettes sont plaquées vers l’extérieur par la force centrifuge et elles coulissent à l’intérieur des rainures en raison de l’excentricité du rotor par rapport au stator. Les palettes balayent le cylindre, aspirant l’air d’un côté et le rejetant de l’autre. Les compresseurs à palettes servent généralement dans des applications de petite puissance lorsqu’existent des problèmes d’encombrement ; ils ne sont toutefois pas aussi efficaces que les compresseurs rotatifs à vis. [Web12] Figure 40 : Compresseur à palettes [Web15] Les compresseurs dynamiques Les compresseurs dynamiques se divisent en machines axiales et centrifuges. Les compresseurs centrifuges augmentent l’énergie du gaz comprimé grâce à la force centrifuge qui est provoquée par le mouvement de rotation des roues à aube. L’indice principal de ces compresseurs est la continuité de l’écoulement de l’entré à la sortie, A l’entrée de la roue se passe la compression du gaz et l’augmentation de l’énergie cinétique. L’énergie cinétique reçue par le gaz est transformée en énergie potentielle dans les éléments immobiles. Ce type de compresseurs est utilisé généralement lorsqu’un service non interrompu est exigé pendant plusieurs années [Web12]. C’est pour cela, nous n’allons pas s’attarder dans la présentation de ce type puisqu’il ne fera pas l’objet de ce projet. Diagnostic du système d’air comprimé Perte de charges Théorie des fluides compressibles Les fluides compressibles sont généralement définis comme étant des flux à densité variable ce qui est en contradiction avec les fluides incompressibles dont la densité est supposée constante tout au long d’une ligne d’écoulement. [2] L’équation d’état des gaz L’équation d’état des gaz traduit le comportement des gaz en fonction des paramètres physiques [Web16]. La formule globale est donnée par l’équation 2 : P V = n R T ( 2 ) Les équations bilans Bilan de masse Cette équation suppose que la masse est conservée c’est-à-dire qu’il y a autant de fluide sortant du système que dans celui-ci. Le fluide n’est ni stocké ni libéré dans le système [Web17]. D’où, la masse contenue dans un volume est l’intégrale sur ce volume de la masse volumique ρ(x ⃗,t). Elle est donnée par l’équation 3 : d/dt ∭_(V(t))▒〖ρ(x ⃗,t) dV〗=0 ( 3 ) La forme intégrale de l’équation de conservation de masse s’écrit donc selon l’équation 4 [Web17]. ∂ρ/∂t+div (ρv ⃗ )=0 ( 4 ) Bilan de quantité de mouvement La quantité de mouvement dans un volume de contrôle V(t) varie sous l’action des contraintes surfaciques σ ⃗ appliquées à ce volume ou des forces induites par des champs de gravité, électromagnétiques ou acoustiques (f_v ) ⃗. Le bilan global des quantités de mouvement prend la forme 5 [Web17]. (∂ρv ⃗)/∂t+div(ρv ⃗⊗ v ⃗ )=div(σ ⃗ )+ f ⃗_v ( 5 ) Où (ρv ⃗⊗ v ⃗ ) est un tenseur d’ordre 2. Bilan total d’énergie L’énergie totale massique e_T est la somme de l’énergie cinétique massique e_c=½ v ⃗^2 et de l’énergie interne e. Le bilan global de la variation de l’énergie totale s’écrit selon l’équation 6 [Web17]. ∭_(V(t))▒(∂ρe_T)/∂t dV+ ∬_(∂V(t))▒〖ρe_T 〗 v ⃗.n ⃗ dS= ∬_(∂V(t))▒〖(σ ⃗ 〗.v ⃗)n ⃗ dS+ ∭_(V(t))▒(f_v ) ⃗ .v ⃗ dV- ∬_∂V(t)▒q ⃗ .n ⃗ dS+ ∭_V(t)▒r ⃗ .v ⃗ dV ( 6 ) Où q ⃗ est le flux de chaleur et r ⃗ des termes sources de chaleur (rayonnement, etc.). La forme locale de l’équation de conservation de l’énergie totale s’écrit sous la formule 7 [Web17]. (∂ρe_T)/∂t+div(ρe_T v ⃗ )=div(σ ⃗.v ⃗ )+ f ⃗_v.v ⃗-div(q ⃗ )+ r ⃗ ( 7 ) Les nombres sans dimensions Les chercheurs ont mis au point de nombreux ratios sans dimensions afin de décrire le comportement du fluide. Nombre de Reynolds Le nombre de Reynolds est le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses. Il caractérise le régime d’un écoulement [Web18]. Il est donné par l’équation 8. Re = (V D ρ)/μ ( 8 ) La rugosité relative Ce nombre est d’une extrême importance dans la détermination de la perte d’énergie mécanique [Web32]. Elle est donnée par l’équation 9 : ε_R = ε/D ( 9 ) Le coefficient de perte Le facteur de perte mesure la chute de pression des fluides [3]. Il est donné par l’équation 10 : K = ⨍▒L/D ( 10 ) Nombre de Mach Le nombre de Mach permet de définir la compressibilité d’un fluide [3]. Il est donné par l’équation 11 : M = u/c ( 11 ) Le tableau 19 récapitule les différents régimes de fluides en fonction du nombre de Mach [Web33]. Tableau 19 : Les différents régimes du fluide Nombre de Mach Régime M < < 1 Ecoulement incompressible M < 1 Ecoulement subsonique 1 < M 5 Ecoulement hypersonique Perte de charges Les pertes de charges dans les conduites des réseaux aérauliques sont des pertes irréversibles de l’énergie de pression que subit un fluide lorsqu’il passe dans les conduites et les singularités d’un réseau. Il existe deux types de pertes de charges [Web19] : Les pertes de charges régulières ΔP Elles sont dues aux frottements inévitables du fluide sur les parois internes d’une conduite. Elles dépendent des paramètres des conduites à savoir la longueur L, le diamètre D, la vitesse moyenne V du fluide et sont proportionnelles à son énergie cinétique. Elles s’écrivent selon l’équation 12 de Darcy Weisbach [Web19] : ΔP= λ L/D ρ V^2/2 ( 12 ) Le coefficient de pertes de charges linéaires λ dépend de la rugosité de la conduite, de la viscosité du tube ainsi que la vitesse du fluide donc du nombre de Reynolds. Nous distinguons 3 types d’écoulement selon la valeur Re comme illustré dans le tableau 20. Tableau 20 : Calcul du coefficient de pertes de charges linéaires [Web20] Ecoulement laminaire Re ≤ 1200 λ = 64/Re Ecoulement turbulent lisse 1200 < Re < 105 λ = 0.316 〖Re〗^(-0.25) Ecoulement turbulent rugueux Re ≥ 105 1/√λ=2 log⁡〖(ε/(3.71 D)+ 2.51/(Re.√λ))〗 Nous pouvons également avoir recours au diagramme de Moody sous forme d’abaque qui est illustré dans l’annexe 13. Les pertes de charges singulières ΔPsing Elles sont dues généralement à un changement brusque du diamètre de la conduite, au changement de direction du fluide ou à un organe de liaison à savoir coude, vanne, etc. Elles répondent à l’équation 13 [Web21]. ΔP_sing=K ρ V^2/2 ( 13 ) Où K est le coefficient de pertes de charges qui ne dépend que de la singularité en elle-même. Il ne dépend ni de la température ni du débit du fluide. Des industriels proposent plusieurs formules de calcul de ce coefficient pour des configurations de circuits très diverses. Nous évoquons en annexe 14 les formules Pont-à-Mousson de Saint-Gobain canalisations [Web21]. Calcul des pertes de charge Pour calculer les pertes de charges dans le réseau d’air comprimé de l’usine, nous avons essayé de collecter des données concernant les débits et les pressions à la sortie des lignes de distribution et à l’entrée des machines de production qui sont des paramètres indispensables dans le processus de calcul des pertes de charges. Cependant, ce n’était pas possible puisque la société ne dispose pas d’un débitmètre et d’un manomètre. Nous avons donc modélisé le réseau d’air comprimé par le biais du logiciel AFT Arrow 6, présenté en détail dans l’annexe 12, qui permettra de faire une simulation dans le but de calculer les pertes de charge dans l’installation depuis la production jusqu’aux utilisateurs finaux. Pour ce faire, nous avons pris toutes les mesures des conduites et des singularités du réseau et nous avons ajusté tous les paramètres des équipements de l’installation à savoir les compresseurs, les sécheurs et les réservoirs. La modélisation du réseau est illustrée dans la figure 41. Figure 41 : Simulation du réseau pneumatique Cette simulation a abouti à une perte de charge de l’ordre de 1,1 bars et les détails de calcul sont illustré dans l’annexe 15. Cette chute de pression est considérée acceptable vu l’étendu du réseau de distribution selon une norme confidentielle du groupe YAZAKI. Fuites d’air comprimé L’air comprimé est de l’air atmosphérique qui, au moyen d’un compresseur, a été comprimé à une pression supérieure à sa pression initiale. Cette forme d’énergie est indispensable pour le fonctionnement de quelques machines, équipements et procédés industriels. Toutefois, l’air comprimé subit pendant son acheminement de la production vers les appareils pneumatiques finaux des fuites indésirables qui sont dues à maintes raisons. Les causes principales des fuites Des joints métal sur métal non fiables Ce type de joints présente une des causes responsables des fuites d’air dans l’industrie puisqu’il est difficile de réaliser des joints métal-métal durables et d’une grande fiabilité. Il vaut mieux dans ce cas-là respecter les consignes données par les fabricants scrupuleusement pour éviter les fuites d’air [Web22]. Un montage incorrect des raccords des tubes Les raccords pour tubes montés d’une façon incorrecte, augmentent la probabilité de voir apparaître des fuites et mettent la sécurité de l’installation en jeu. Pour remédier à ce problème, il faut orienter convenablement les bagues et vérifier le serrage des raccords à l’aide d’un calibre de contrôle [Web22]. Des tubes mal choisis, manipulés maladroitement ou mal préparés Le choix et la préparation d’un tube peut avoir une incidence sur le risque de fuites. Le risque de corrosion, de défaillance prématurée et donc de fuites est important avec un tube dont le matériau est incompatible avec le fluide du processus ou le milieu extérieur. Par ailleurs, un tube coupé irrégulièrement, bosselé, rayé ou qui n’a pas été ébavuré peut compromettre l\’étanchéité du raccord [Web22]. Les méthodes de détection et mesure de fuites Il existe différentes méthodes permettant de détecter les fuites dans un réseau d’air comprimé. Les tests peuvent être partagés en deux catégories : ceux que l’on effectue généralement sur un équipement en place et ceux que l\’on effectue plus communément dans un laboratoire [Web22]. Inspection sonore Il s’agit de la vérification de base à effectuer pour détecter des fuites dans un système acheminant des gaz. Des souffles qui s’entendent auprès des canalisations ou des machines utilisant l’énergie pneumatique. Cette inspection est généralement effectuée sur un équipement en place, cependant, elle ne permet pas de mesurer la gravité des fuites. [Web22] Test à la bulle Il s’agit d’un test simple et économique. Une fine couche d’un produit tensioactif, à savoir le savon, est appliquée sur un raccord où celui-ci est immergé dans l’eau. Les bulles révèlent la présence d’une fuite, cependant, le test ne vise à quantifier cette fuite [Web22]. Test de mesure des variations de pression Ce test est utilisé à la fois pour les liquides et les gaz. L’équipement testé est pressurisé de manière isolée à une pression déterminée pour une durée déterminée. Une perte de charge progressive et mesurable révèle la présence d’une fuite [Web22]. Contrôle par ultrasons aériens Ce test nécessite un dispositif de mesure des ultrasons aériens qui servira à localiser une fuite. Dans un système sous pression, ce test peut être utilisé pour estimer le débit de fuite. Il peut également être réalisé sur un système non pressurisé en utilisant un dispositif supplémentaire générant des sons vers l’intérieur. Ce type de contrôle est généralement effectué sur des équipements en place [Web22]. Mesure du taux de fuite Les fuites d’air comprimé constituent un fardeau et un vrai enjeu du département maintenance puisque c’est difficile de détecter toutes les fuites. Maintes études au sein du milieu industriel montrent que 25 à 60% de l\’air comprimé produit est perdu dans les fuites []. En passant dans les couloirs de l’aire de production, la première chose qui nous attire l’attention est le sifflement causé par les fuites d’air comprimé dans les machines. Nous avons donc dû calculer le débit de fuite afin d’estimer la gravité du problème. Puisque les compresseurs utilisés sont munis d’un système de régulation tout ou rien, nous avons mesuré la période de fonctionnement du compresseur en charge ainsi que la période de fonctionnement d’un cycle complet (qui est la somme de la période de fonctionnement en charge et celle avec un compresseur délesté à 100%) lors d’un arrêt total de la production dans l’usine [4]. Le débit de fuite obéit ainsi à l’équation 14 [4]. Débit de fuite = (Temps en charge)/(Temps d^\’ un cycle complet) x Débit nominal du compresseur ( 14 ) Dans le tableau 21 nous regroupons les calculs et les mesures que nous avons effectués. Tableau 21 : Calcul du débit de fuite Temps en charge du compresseur (s) 8,76 Temps d\’un cycle complet (s) 28,52 Débit nominal du compresseur (m3/min) 14,95 Débit de fuite (m3/min) 4,59 Pourcentage de fuite (%) 30,72 Pour pouvoir estimer les surcoûts annuels dus aux fuites, nous avons déduit à partir des courbes de consommation du compresseur l’énergie moyenne consommée par ce dernier et nous avons ensuite calculé la production annuelle estimée d’air comprimé qui dépend du nombre d’heures de fonctionnement du compresseur et le coût annuel estimé pour la production d’air comprimé pour un prix facturé par la STEG de 0,237 DT pour le kWh. Connaissant le volume annuel d’air comprimé produit et l’énergie annuelle consommée par le compresseur pour le produire, nous pouvons ainsi déterminer le prix du mètre cube d’air comprimé ce qui nous permet de conclure quant au coût des fuites. Le tableau 22 récapitule les calculs effectués. Tableau 22 : Calcul du coût des fuites Puissance absorbée par le compresseur (kW) 75 Débit nominal du compresseur (m3/min) 14,95 Nombre d\’heures de fonctionnement par an (h/an) 7416 Production annuelle d\’air comprimé (m3/an) 6652152 Energie annuelle consommée par le compresseur (kWh/an) 556200 Prix du kWh (DT) 0,237 Coût annuel de la production (DT/an) 131819,4 Prix du m3 (DT/m3) 0,0198 Débit annuel de fuite (m3/an) 2043227,61 Coût annuel de fuite (DT/an) 40488,71 Optimisation du système de production d’air comprimé L’entretien préventif pour réduire les fuites Fréquemment, l’entretien courant au sein de l’usine consiste à réparer une fuite en cas d’urgence lorsque le rendement de l’équipement tombe sous la normale à cause de cette fuite ou le lorsque le sifflement est très audible ce qui dérange les opérateurs. Nous proposons donc un programme d’entretien préventif qui est nettement plus efficace puisqu’il permet de réduire et contrôler les fuites. Il est donc impératif de catégoriser les fuites qui puissent exister. [5] Les microfuites : Ce sont des fuites inaudibles qui peuvent être détectées par ultrason ayant un débit de 0,85 m3/h. Les fuites mineures : Elles sont à la limite de la détection auditive et ont un débit situé entre 0,85 m3/h et 6,8 m3/h. Les fuites moyennes : Ces fuites sont à l’origine d’un sifflement important audible ayant un débit pouvant atteindre les 26 m3/h. Les fuites importantes : Ces fuites produisent un bruit considérable ce qui permet de les détecter facilement. Elles ont un débit dépassant les 26 m3/h. Bien que la majorité des fuites détectables dans l’usine sont des microfuites, elles n’ont pas besoin d’être colmatées et ne justifient pas le changement d’un équipement. Cependant, il impératif de suivre l’évolution de ces fuites et intervenir avant qu’elles passent de microfuites aux fuites mineures. Les fuites mineures ont un débit suffisant pour justifier une réparation à moins qu’elle ne demande pas un arrêt prolongé de de la production. Nous pouvons nous concentrer sur les fuites au niveau des raccords rapides et les régulateurs défectueux puisque ce sont les plus aptes à des fuites. Et puisqu’il est impossible de mesurer le débit de chaque fuite, nous recommandons de faire appel à la même équipe, et idéalement formée pour effectuer cette tâche, vu qu’elle sera la plus apte à suivre l’évolution des fuites. A la suite du colmatage des fuites, il est nécessaire de remesurer le débit de fuite afin de déterminer le pourcentage de l’avancement par rapport à l’objectif visé et l’efficacité du colmatage effectué. Il est à noter qu’une négligence de quelques mois de cet entretien fait augmenter le débit de fuites puisqu’elles apparaissent continuellement alors que si cet entretien est effectué convenablement, il pourra nous faire éviter jusqu’à 10% des fuites [6]. Impact énergétique Comme nous avons pu le constater dans le tableau 21, 30.72% de la production annuelle d’air comprimé ne sert qu’à alimenter les fuites et 10% de cette production pourrait être économisé grâce à l’entretien préventif. La figure 42 illustre cette économie. Figure 42 : Economie d\’énergie estimée Impact environnemental Puisque 1 kWh d’électricité émet 0.084 kg.CO2, nous pouvons donc estimer le taux de CO2 que nous pourrons en épargner l’environnement comme illustré dans le tableau 23. Tableau 23 : Réduction annuelle de CO2 Energie annuelle économisée (kWh/an) Emission annuelle de CO2 réduite (kg.CO2/an) 17086,46 1435,26 Analyse financière et impact sur la rentabilité Bien que cette solution ne nécessite aucun investissement. Rien qu’en définissant un calendrier bien défini d’entretien préventif, elle pourra, pour une tarification de 0.237 DT/kWh, nous économiser jusqu’à 4050 DT annuellement ce qui est un montant assez important, en absence d’investissement initial. Et afin d’optimiser encore cette défaillance, dans l’élément 4.3., nous proposons une autre solution avec la mise en place d’un investissement initial. Détection et colmatage des fuites Il était primordial de faire une campagne de détection des fuites dans toute l’aire de production afin de minimiser les pertes. La majorité des fuites est le résultat d’un montage incorrect des raccords des tubes et plus précisément des bagues mal serrées. Nous avons effectué une campagne de chasse aux fuites à l’ouïe puisque l’entreprise ne dispose pas d’un appareil ultrason, et nous avons par la suite enregistré tout équipement présentant des fuites dans une fiche Excel que nous avons ensuite envoyé aux responsables des zones de production pour les colmater comme le montre la figure 43. Cette action serait plus efficace lorsqu’elle est appliquée aux pistolets et aux applicateurs puisque l’accès aux fuites est plus facile. Figure 43 : Colmatage des fuites Afin de déterminer l’impact de cette solution, nous avons estimé avec le département maintenance le pourcentage de fuites que nous pouvons réduire grâce au colmatage. Vu le nombre d’équipements nécessitant de l’air comprimé pour fonctionner, un énorme nombre de fuites a été repéré particulièrement au niveau des liaisons tuyau/machine ainsi que dans les liaisons tuyau/applicateur. Cette solution pourrait, selon les estimations faites, nous épargner jusqu’à 20% de fuites. Impact énergétique Comme nous avons pu le constater dans le tableau 21, 30.72% de la production annuelle d’air comprimé ne sert qu’à alimenter les fuites. La figure 44 illustre l’économie en termes d’énergie que nous pouvons réaliser grâce au colmatage des fuites. Figure 44 : Economie d\’énergie estimée Impact environnemental Puisque 1 kWh d’électricité émet 0.084 kg.CO2, nous pouvons donc estimer le taux de CO2 que nous pourrons en épargner l’environnement comme illustré dans le tableau 24. Tableau 24 : Réduction annuelle de CO2 Energie annuelle économisée (kWh/an) Emission annuelle de CO2 réduite (kg.CO2/an) 34172,93 2870,53 Analyse financière et impact sur la rentabilité Cette solution ne nécessite aucun investissement, elle peut être effectuée avec les moyens de bord. Malgré cela, et pour une tarification de 0.237 DT/kWh, elle peut nous économiser jusqu’à 8000 DT annuellement eu égard à l’absence d’investissement initial. Substitution des vannes par des électrovannes Vu que nous ne pouvons pas colmater toutes les fuites d’air comprimé dans les machines puisque l’accès aux sources de fuites n’est pas toujours trivial, nous proposons le changement des vannes liant le réseau de distribution aux tuyaux des équipements par des électrovannes normalement fermées commandées par un automate programmable. Ceux-ci s’ouvrent lorsqu’une machine est mise en marche et se ferment dès qu’elle est arrêtée. Néanmoins, cette solution ne peut être appliquée qu’aux machines de production puisque les pistolets et les applicateurs ne fournissent pas un signal lors de leur mise en marche. Choix des électrovannes Ils existent sur le marché différents types d’électrovannes, à chacun son utilisation appropriée. Pour les fluides neutres et propres, il est conseillé d’utiliser des électrovannes à action directe à plongeur alors que pour les fluides corrosifs les électrovannes à action directe à armature battante sont plus recommandées. Puisque le fluide en question est l’air comprimé, nous opterons pour des électrovannes à action directe [Web34]. Cependant, d’autres paramètres entrent en jeu pour affiner notre choix ; les tuyaux d’air comprimé utilisés dans l’usine ont un diamètre de 8 mm et une pression de service qui varie entre 5 et 6 bars. Et vu le type d’architecture du réseau utilisée et illustrée dans la figure 45, nous aurons besoin d’électrovannes à 2 voies. Nous avons donc préparé un cahier de charges présenté dans l’annexe 16 dans l’optique de trouver le fournisseur adéquat et pouvoir effectuer une analyse financière détaillée. Figure 45 : Architecture du réseau de distribution Automatisation du système Description du cycle de fonctionnement L’opérateur appuie sur le bouton marche/arrêt de la machine. Une fois la machine mise en marche, l’électrovanne s’ouvre pour l’alimenter en air comprimé. Lorsque la machine est arrêtée par l’opérateur, l’électrovanne se ferme. Vu que le nombre de machines par ligne est variable, nous supposons que sur une même ligne, nous avons 10 machines qui demandent l’air comprimé pour fonctionner. GRAFCET de point de vue système Le GRAFCET de point de vue système est présenté dans la figure 46. Figure 46 : GRAFCET de point de vue système GRAFCET de point de vue partie opérative Le GRAFCET de point de vue partie opérative est présenté dans la figure 47. Ce GRAFCET doit être modifié selon le type d’actionneur de la machine en question (moteur, vérin, etc.). Figure 47 : GRAFCET de point de vue partie opérative Avec : OEV : Ouvrir les électrovannes FEV : Fermer les électrovannes GRAFCET de point de vue partie commande Le GRAFCET de point de vue partie commande est illustré dans la figure 48. Figure 48 : GRAFCET de point de vue partie commande Choix de l’automate programmable Le choix de l’automate est basé sur les critères suivants : Le nombre et types d\’entrées/sorties : Ils permettent de choisir les extensions nécessaires. Le type du processeur : La taille mémoire, la vitesse de traitement et les fonctions spéciales offertes par le processeur permettront le choix de la gamme souvent très étendue. La fiabilité Il est à noter que l\’automate doit pouvoir communiquer avec les autres systèmes de commande (API, supervision…) et offrir des possibilités de communication avec des standards normalisés (profibus, modbus, etc.). Puisque SIEMENS est le fournisseur principal d’automates de la société YAZAKI, nous avons cherché dans les gammes offertes par SIEMENS. Nous avons opté pour la gamme S7-1200 vu qu’elle offre divers modules et cartes enfichables pour accroître les capacités de la CPU avec des E/S supplémentaires ou d’autres protocoles de communication illustré dans la figure 49. Figure 49 : Automate S7-1200 Vu le nombre d’entrées/sorties dont nous aurons besoin, nous avons choisi le module d’entrée sortie 6ES7223-1BL32-0XB0 et la CPU C1214 DC/DC/RLY 6ES7 214-1HE30-0XB0. En collaboration avec le département maintenance de YAZAKI, nous avons essayé d’estimer les gains qui pourront être réalisé grâce à cette solution. Cette estimation est basée sur le nombre de machines utilisant l’air comprimé ainsi que le temps de leur mise en repos. Ces machines passent moyennement 8h/j en repos ce qui permet d’épargner la société 30% des fuites. Impact énergétique Comme le débit de fuite enregistré est de 170864,64 kWh/an, nous pouvons ainsi calculer l’économie réalisable en énergie comme illustré dans la figure 50. Figure 50 : Economie d\’énergie réalisable Cette solution nous permet donc d’économiser annuellement jusqu’à 51259,4 kWh/an ce qui est relativement important. Impact environnemental L’économie réalisée en termes d’énergie est toujours accompagnée d’une réduction d’émission du CO2 dans l’atmosphère puisque 1 kWh équivaut à une émission de 0.084 kg.CO2 comme le montre le tableau 25. Tableau 25 : Réduction de CO2 après l\’installation des électrovannes Energie annuelle économisée (kWh/an) Emission annuelle de CO2 réduite (kg.CO2/an) 51259,39 4305,79 Analyse financière et impact sur la rentabilité Sur la base d’une consultation auprès du fournisseur Burkert (Choisi sur des bases de réactivité de la réponse) le responsable technico-commercial propose des électrovannes qui satisferont nos choix et nous avons pu avoir le prix unitaire d’une électrovanne qui est de 259 DT. Nous avons 10 lignes avec, moyennement, 10 machines par ligne. Nous aurons donc besoin de 100 électrovannes. Nous aurons, de plus de 7 automates ayant un prix unitaire 682 DT. Le coût total est illustré dans l’annexe 17 et qui vaut 30674 DT. Comme cette solution permet d’économiser 51259,39 kWh d’énergie annuellement et pour un coût de 0.237 DT le kWh, le DL selon l’équation 1 est de l’ordre de 2 ans et 6 mois ce qui est inférieur à leur durée de vie. Changement des compresseurs Choix du compresseur Les deux compresseurs qui alimentent les machines de l’usine par l’air comprimé sont des compresseurs équipés de moteurs à vitesse fixe. La production de l’air comprimé ne varie pas donc selon la demande des équipements mais elle reste pratiquement constante quel que soit le nombre de machines mis en marche. Après la minimisation des fuites au maximum, il serait raisonnable de changer les compresseurs existants par d’autres dotés de moteurs à vitesse variable qui feront face à la fluctuation de la demande comme le montre la figure 51. Un des fournisseurs de la société YAZAKI, en l’occurrence, Atlas Copco, présente une technologie brevetée intitulée « VSD » qui promet d’économiser jusqu’à 35% d’énergie présentée plus en détail dans l’annexe 18. Nous avons effectué des échanges avec un responsable technique d’Atlas Copco qui nous ont mentionné qu’il est impératif de changer les équipements auxiliaires, à savoir le réservoir et le sécheur pour qu’ils s’adaptent au nouveau type de production d’air comprimé et pour bénéficier du fonctionnement optimal. Il est, en plus, inutile de redimensionner les compresseurs puisque le réseau de distribution installé est dimensionné pour un compresseur de puissance 75 kW et pour une fréquence de 50 Hz. Figure 51 : Variation de la consommation des compresseurs [Web35] Impact énergétique Comme mentionné dans la fiche technique du compresseur Atlas Copco GA 75 VSD, l’installation de celui-ci permettra d’économiser jusqu’à 35% de l’énergie nécessaire pour alimenter l’ancien compresseur. Nous pouvons donc estimer l’énergie qui pourra être économisée à la suite de cette action comme le montre la figure 52. Figure 52 : Comparaison entre les consommations des deux compresseurs Impact environnemental Puisque 1 kWh d’électricité émet 0.084 kg.CO2, nous pouvons ainsi calculer l’émission de CO2 qui sera réduite à la suite de cette solution comme le montre le tableau 26. Tableau 26 : Réduction de l\’émission de CO2 estimée Energie annuelle économisée (kWh/an) Emission annuelle réduite de CO2 (kg.CO2/an) 194760 16352,28 Analyse financière et impact sur la rentabilité Lors des échanges avec le responsable commercial de Atlas Copco, l’entreprise chiffrera les nouveaux équipements pour une somme de 100.000 DT. Comme cette solution permet d’économiser 194670 kWh annuellement donc pour un coût du kWh égal à 0.237 DT, le DL selon l’équation 1 est presque 2 ans pour un gain 46136 DT/an. Il est à noter que pour ce genre d’équipements un entretien après 4000h de fonctionnement est nécessaire, dans notre cas cet entretien est incarné dans le travail ordinaire du service maintenance. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons effectué un diagnostic du système d’air comprimé et nous avons par la suite proposé des solutions pour l’optimisation de sa consommation énergétique résumées en annexe 19. Cependant, elles ne peuvent aboutir aux résultats attendus qu’en sensibilisant tous les acteurs à l’importance de la gestion de l’énergie. En outre, l’analyse financière et de rentabilité de l’ensemble des propositions prouvent une utilité financière importante à l’entreprise qui s’illustre à travers un DL inférieur à la durée de vie des installations, de plus d’un gain estimable. Chapitre 5 : Diagnostic et amélioration de l’enveloppe du bâtiment Introduction Dans ce chapitre, nous présentons une revue bibliographique par rapport à la thermique des bâtiments, nous faisons ensuite un audit énergétique du bâtiment et nous proposons des solutions permettant d’atteindre le confort thermique. Revue bibliographique Le confort thermique Le confort thermique est défini comme “un état de satisfaction du corps vis-à-vis de l\’environnement thermique” [Web23]. Il est assuré par un équilibre entre l’homme et l’ambiance. Six paramètres sont à l’origine du confort thermique : Le métabolisme, l\’habillement, la température ambiante de l’air, la température moyenne des parois, l’humidité relative de l’air et la vitesse de l’air. Cependant, l’ajustement de quelques paramètres physiques à savoir ; la température, l’humidité et le mouvement de l’air, permet la sensation du confort thermique. La température L’intensité des échanges thermiques dépend amplement de la température de l’habitation. L’échange thermique entre l’individu et son environnement est assuré par le biais de plusieurs mécanismes : Convection avec l’air ambiant, ingestion de la nourriture, etc. L’humidité L’humidité relative de l’air influence d’une façon remarquable la sensation de confort des occupants d’un bâtiment. Le taux d’humidité varie d’une façon inversement proportionnelle en fonction de la température. En effet, si l’humidité de l’air est relativement élevée, l’individu aura besoin de diminuer la température consigne de chauffage et inversement. Un taux d’humidité situé entre 30% et 70% est bien recommandé pour assurer le confort thermique désiré [Web24]. La vitesse de l’air Le ⅗ des pertes de chaleur s’effectue par convection thermique, il en sort donc que, la vitesse de l’air est un paramètre crucial dans le renforcement de la sensation de confort d’un individu. En effet, l’air en mouvement permet d’accélérer les échanges thermiques par convection. Si la température de l’air est relativement supérieure à la température de la peau, la sensation de froid est d’autant plus accentuée que la température de l’air dans le logement est faible ce qui perturbe ainsi le confort des occupants du bâtiment. Le mouvement de l’air est dû principalement aux défauts d’étanchéité de la menuiserie, les systèmes de ventilations utilisés ou encore aux courants d’air. L’efficacité énergétique des bâtiments La notion de l’efficacité énergétique désigne l’état de fonctionnement d’un système pour lequel la consommation d’énergie est minimisée pour un service rendu identique. Elle s’appuie généralement sur l’optimisation des consommations à travers des solutions actives et passives pour une utilisation rationnelle de l’énergie réduisant ainsi l’émission des gaz à effet de serre pour protéger l’environnement. L’efficacité énergétique passive Elle consiste à améliorer les caractéristiques intrinsèques du bâtiment pour optimiser la quantité des énergies qui lui sont fournies. Ces caractéristiques sont prises en compte lors de la construction du bâtiment afin de réduire l’influence des conditions extérieures (déperditions ou apports thermiques). Ces caractéristiques sont principalement : L’orientation du bâtiment : Puisqu’une orientation Nord/Sud du bâtiment offre un meilleur compromis entre apports de chaleur et apports lumineux en toute saison L’isolation thermique : Elle consiste à diminuer les échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur afin d’offrir aux occupants une protection durable vis-à-vis des facteurs climatiques. L’étanchéité : Ayant pour but d\’empêcher tout élément extérieur non désiré d’entrer dans le bâtiment ou de mettre en danger sa construction. La ventilation : Il est nécessaire de renouveler l’air afin d’évacuer la vapeur d’eau, éviter les condensations et les dégradations. L’efficacité énergétique active Grâce aux progrès technologiques réalisés ces dernières années, il est devenu possible de réduire sensiblement les pertes d’énergie par le biais de solutions innovantes qui supervisent, gèrent et optimisent le fonctionnement des systèmes et des équipements dans le dessein d’amoindrir la consommation d’énergie du bâtiment et d’améliorer son efficacité énergétique. Ceci peut être effectué à travers une : Mesure des consommations : Cette technique permet de faire apparaître les surconsommations ou les pertes d’énergie. Un ajustement peut être fait, donc, de la part du consommateur ce qui permet réduire la facture énergétique. Gestion technique des bâtiments (GTB) : Elle consiste à l’application des nouvelles technologies des informations et de communications (NTIC) à un bâtiment tertiaire. Ces technologies désignent les systèmes de gestion de l’énergie permettant de réaliser le confort souhaité par l’adaptation du fonctionnement des équipements de chauffage, éclairage et ventilation aux besoins des occupants du bâtiment. Collecte des données Afin de calculer le bilan énergétique de la société YAZAKI nous avons réalisé une campagne de mesure des différents murs et ouvertures de toutes les orientations puisque nous n’avons pas pu trouver un plan mis à jour du bâtiment. Ces mesures sont détaillées dans l’annexe 20. Quant aux données climatiques du site en question, nous avons eu recours au logiciel RETScreen comme le montre la figure 53. Ce logiciel est présenté en détail dans l’annexe 21. Figure 53 : Données climatique du site par RETScreen La température de chauffage donnée par RETScreen est de 4.8°C et la température de climatisation est de 34.3°C pour la localisation de YAZAKI. Nous avons par ailleurs, eu des renseignements par rapport à la température de confort prédéfinit par le département maintenance qui est de 26°C. Bilan énergétique Déperditions thermiques Les déperditions thermiques représentent les pertes thermiques et donc la puissance thermique qu\’il est nécessaire de mettre en œuvre pour assurer le chauffage ou la climatisation d\’un bâtiment [Web25]. Elles sont dues principalement aux parois, aux ponts thermiques qui sont des discontinuités d’isolation entraînant des pertes de chaleurs, au renouvellement d’air, aux ouvertures et aux locaux continus non chauffés. Déperditions à travers les parois Les déperditions à travers les murs obéissent à la formule 15 [Web26] : D_m= K S (T_1- T_2) ( 15 ) Où K est le coefficient de transmission surfacique exprimé en W/m². °C et dont la méthode de calcul est mentionnée en annexe 22. Le calcul des déperditions thermiques à travers les parois des différentes façades sont illustrés dans le tableau 27 et les calculs effectués pour déterminer la résistance thermique des parois sont détaillés dans l’annexe 23. Tableau 27 : Déperditions à travers les parois de chaque façade en kW Nord-Est 27915,20 Sud-Est 11333,93 Sud-Ouest 27915,20 Nord-Ouest 0,00 Total 67164,32 Le graphe de la figure 54 illustre la part de chaque façade des déperditions. Figure 54 : Pourcentage de déperditions par façade Nous constatons que les façades Nord-Est et Sud-Ouest sont les responsables de la plus grande part des déperditions avec un pourcentage de 34% suivi de la façade Sud-Est alors que la façade Nord-Ouest présente un pourcentage de déperditions nul puisqu’elle est attachée à un local conditionné de la même façon et à la même température. Déperditions à travers les fenêtres Les déperditions à travers les fenêtres obéissent à la formule 16 [Web26] où K est le coefficient de transmission surfacique d’une paroi vitrée calculé comme mentionné en annexe 24. D_f = K S (T_1- T_2) ( 16 ) Le calcul des déperditions à travers les fenêtres a abouti aux résultats du tableau 28. Tableau 28 : Déperditions à travers les fenêtres en kW Déperditions à travers les fenêtres (hiver) 3,159 Déperditions à travers les fenêtres (été) 1,237 Déperditions à travers les portes Les déperditions à travers les portes obéissent à l’équation 17 [Web26] : D_(p )= K S (T_1- T_2) ( 17 ) Où K est le coefficient de transmission globale de la porte. Les déperditions à travers les portes sont regroupées dans le tableau 29. Tableau 29 : Déperditions à travers les portes en kW Déperditions à travers les portes (hiver) 3,418 Déperditions à travers les portes (été) 1,338 Déperditions à travers les ponts thermiques Les ponts thermiques sont définis par des jonctions provoquant des pertes thermiques à cause de la discontinuité de l’isolation [Web27]. Les déperditions à travers les ponts thermiques sont données par l’équation 18 [Web26] : D_pt = k L (T_1- T_2) ( 18 ) Où k est le coefficient de transmission linéique d’un pont calculé comme mentionné dans l’annexe 25. Les déperditions à travers les ponts thermiques sont citées dans le tableau 30. Tableau 30 : Déperditions à travers les ponts thermiques en kW Déperditions à travers les ponts (hiver) 0,062 Déperditions à travers les ponts (été) 0,024 Déperdition à travers le toit Les déperditions à travers le toit obéissent à l’équation 19 [Web25] : D_t = K S (T_1- T_2) ( 19 ) Où K est le coefficient de transmission surfacique en W/m².°C Le calcul des déperditions du toit se fait en tenant compte des épaisseurs des matériaux constituant la toiture et leurs résistances thermiques d\’échange. Le calcul des déperditions à travers le toit a abouti aux résultats cités dans le tableau 31. Tableau 31 : Déperditions à travers le toit en kW Déperditions à travers le toit (hiver) 414,187 Déperditions à travers le toit (été) 162,158 Déperditions par renouvellement d’air Les déperditions par renouvellement d’air sont données par la formule 20 [Web26] : D_(r )= 0.34 Q_v (T_entrant- T_sortant) ( 20 ) Où Qv est le débit de renouvellement d’air qui est de l’ordre de 52 m3/h par personne dans l’aire de production selon la réglementation de YAZAKI Corporation. Les déperditions par renouvellement d’air sont citées dans le tableau 32. Tableau 32 : Déperditions par renouvellement d\’air en kW Déperditions par renouvellement d\’air (hiver) 112,444 Déperditions par renouvellement d\’air (été) 44,023 Il est à mentionner que pour assurer le renouvellement d’air dans les locaux de travail, la ventilation au sein de l’usine s’effectue naturellement par le biais des fenêtres et des orifices de ventilations. Déperditions à travers le sol Les déperditions à travers le sol obéissent à l’équation 21 [Web26] : D_s = k P (T_confort- T_sol) ( 21 ) Où k est le coefficient de déperdition thermique linéique exprimé en W/ m.°C exprimé en annexe 26 et P le périmètre du sol exprimé en mètre. Les déperditions à travers le sol sont citées dans le tableau 33. Tableau 33 : Déperditions à travers le sol en kW Déperditions à travers le sol (hiver) 3,835 Déperditions à travers le sol (été) 1,501 Bilan des déperditions Dans le tableau 34 nous récapitulons les pertes thermiques dans l’aire de production dans les deux saisons estivale et hivernale. Tableau 34 : Bilan des déperditions en kW Déperditions à travers les parois 67,164 Déperditions à travers le toit 576,346 Déperditions à travers le sol 5,337 Déperditions à travers les ponts 0,086 Déperditions à travers les fenêtres 4,395 Déperditions à travers les portes 4,757 Déperditions par renouvellement d\’air 234,702 Total 892,787 La figure 55 résume la part de chaque constituant de l’enveloppe du bâtiment dans les déperditions totales. Figure 55 : Répartition des déperditions (%) Le toit est responsable de 65% des déperditions, ceci influe énormément la sensation de confort à l\’intérieur du bâtiment. Ce taux peut être dû à la mal isolation de la toiture et à la faible résistance thermique des matériaux constituant la toiture. Cependant, ces déperditions peuvent être limitées en effectuant une isolation entre le volume chauffé du bâtiment et l\’extérieur ce qui permet un gain en performance énergétique du bâtiment. Le renouvellement d’air est la cause de 26% des pertes de chaleur dans le bâtiment. Néanmoins, c’est est une arme à double tranchant puisque le renouvellement d’air vicié est indispensable pour des raisons sanitaires ainsi que pour protéger l’enveloppe du bâtiment des moisissures. Les murs sont donc responsables de 8% des déperditions. C’est généralement la cause de la mal isolation, et bien souvent de la fine isolation interne et la faible épaisseur des murs. Les déperditions à travers les surfaces vitrées ne constituent que 0.5% des déperditions. Ceci s’explique par le fait que les surfaces vitrées présentent des proportions minimes par rapport à la surface totale des parois. Les portes sont responsables de 0.53% des déperditions dans bâtiment. Ceci s’explique par le fait que YAZAKI opte pour des portes à haute performance thermique. Le sol présente 0.6% des déperditions. Ces faibles pertes de chaleur s’expliquent par l\’absence d’un espace sous-sol. En effet, les déperditions seront plus importantes s’il y avait un espace non chauffé, sous-sol, vu que la chaleur a tendance à s\’échapper pour réchauffer l’espace froid. Apports thermiques Nous distinguons deux grandes catégories d’apports thermiques : Apports extérieurs : dus au rayonnement solaire. Apports intérieurs : dus au chauffage, à la respiration, au rayonnement humains et aux installations électriques. Apport extérieur par ensoleillement L’apport solaire représente l\’énergie entrante par ensoleillement direct à travers les surfaces du vitrage du bâtiment. Il dépend principalement de l’orientation des surfaces vitrées ainsi que des surfaces de clair des fenêtres. Pour une période bien déterminée, les apports solaires s\’obtiennent en sommant les apports de chaque surface de captage comme le montre l’équation 22 [Web26] : A_s= ∑▒I_s ∑▒Q_sj ( 22 ) L\’aire réceptrice équivalente est calculée comme l’illustre l’équation 23 [Web26] : Q_sj=S F_s σ g ( 23 ) Avec S la surface des vitrages, Fs le facteur d’ombre, σ le facteur de correction pour le rayonnement solaire incident et g le coefficient de transmission global pour le rayonnement solaire. Pour pouvoir calculer cet apport, nous avons eu recours au logiciel RETScreen qui nous permet de déterminer le rayonnement solaire quotidien en hiver ainsi qu’en été en fonction de la localisation du bâtiment en question comme mentionné dans l’annexe 27. Nous récapitulons dans le tableau 35 les données affichées. Tableau 35 : Données de l\’irradiation solaire Irradiation moyenne hivernale (kW/m²) 0,13 Irradiation moyenne estivale (kW/m²) 0,28 Les paramètres de calcul des apports solaires sont illustrés dans l’annexe 28, alors que les résultats de calcul sont mentionnés dans le tableau 36. Tableau 36 : Apports solaires du bâtiment Apports par façade (hiver) (kW) 0,35 0,23 7,53 Apports par façade (été) (kW) 0,77 0,51 16,43 Total des apports solaires (hiver) (kW) 8,12 Total des apports solaires (été) (kW) 17,70 La figure 56 illustre la part de chaque façade en apport solaire. Figure 56 : Répartition des apports solaires (%) Nous constatons que les lanterneaux sont les responsables de la partie majeure d’apports solaire avec un pourcentage de 83%. Ceci est dû à l’importance de la surface qu’occupent les lanterneaux ainsi que leur inclinaison qui fait 0° avec l’horizontale. L’apport médiocre des façades Nord-Est et Sud-Ouest est principalement dû aux surfaces infinitésimales des surfaces vitrées dans chaque façade par rapport à la surface totale de la paroi de chacune. Apports des occupants Puisque l’être humain peut être assimilé à un générateur thermique qui produit de l’énergie grâce à son activité physique et à la combustion lente des aliments, nous distinguons deux types d’apports de chaleur par les occupants [Web36] : Apports par chaleur sensible calculés selon l’équation 24 : Q_s= n C_s ( 24 ) Où n est le nombre d’occupants et Cs la chaleur sensible par occupant. Apports par chaleur latente calculés selon l’équation 25 : Q_L= n C_L ( 25 ) Où n est le nombre d’occupants et CL la chaleur latente par occupant. Pour calculer ces apports, il est impératif de déterminer les puissances thermiques dégagées par occupant. Elles sont citées dans le tableau 37. Tableau 37 : la puissance thermique dégagée par occupant [7] Degré d’activité Lieu Chaleur sensible (W) Chaleur latente (W) Marche à 4,8-5 km/h ; travail léger sur machine / travail intense Usine 110 – 120 185 Pour un nombre de 450 occupants en moyenne, nous obtenons les résultats du tableau 38. Tableau 38 : Apports des occupants Nombre d’occupants Chaleur sensible (kW) Chaleur latente (kW) Apports totaux (W) 450 54 83,25 137,25 Apports des installations électriques C’est le flux de chaleur provenant des appareils électriques et de l’éclairage dont l’énergie consommées se transforme en chaleur générée à l’intérieur du volume chauffé. L’apport des appareils électriques est calculé à partir de la formule 26 [8] : A_el = P_el f_e ( 26 ) Où fe est le facteur de correction qui est égal à 0.9 pour l’usine selon une norme confidentielle du groupe YAZAKI. Puisqu’il est impossible de connaître la puissance consommée par chaque machine au sein de l’usine, nous avons calculé la puissance totale des appareils électriques à travers la consommation énergétique mensuelle des machines de production. Nous avons ainsi obtenu les résultats cités dans le tableau 39. Tableau 39 : Apports électriques des machines Pel (kW) 36 Apports des machines (kW) 32,4 Quant à l’apport de l’éclairage, il obéit à la formule 27 : [8]. Q_el= W F_ul F_sa ( 27 ) Le calcul des apports de l’éclairage a abouti aux résultats du tableau 40. Tableau 40 : Apports de l\’éclairage Nombre de lampes halogénures 84 Puissance d\’une lampe halogénure (kW) 0,430 Nombre de lampes LED 120 Puissance d\’une lampe LED (kW) 0,225 Apports de l’éclairage (kW) 63,120 Où W est la puissance des machines, Ful est le facteur d’utilisation de l’éclairage qui est égal à 0,8 selon une norme confidentielle du groupe YAZAKI et Fsa est le facteur d’allocation spécial de l’éclairage qui est égal à 1 pour les lampes LED et pour les lampes halogénures. Nous récapitulons les apports thermiques des installations électriques dans le tableau 41. Tableau 41 : Apports thermiques du bâtiment Apports solaires (kW) 25,82 Apports des occupants (kW) 137,25 Apports des installations électriques (kW) 95,52 Total des apports (kW) 258,59 Nous constatons que les apports thermiques des occupants sont les plus importantes avec un pourcentage de 53% comme l’illustre la figure 57. Ceci est dû principalement à la nature du travail exécuté au sein de l’aire de production. Les installations électriques sont responsables de 37% des apports ce qui est dû au nombre important de machine qui occupent l’aire de travail suivies des apports solaires avec un pourcentage de 10% que nous pouvons interpréter par le fait que les surfaces vitrées surtout dans les façades Nord-Est et Sud-Ouest sont infinitésimales par rapport à la surface totale des parois. Figure 57 : Répartition des apports thermiques (%) Taux d’utilisation des apports Du fait que les apports thermiques ne sont pas toujours disponibles et vu qu’il est, de temps en temps, impératif de limiter ces apports pour éviter la surchauffe du bâtiment, il est trivial de considérer un taux d’utilisation des apports. Ce taux peut être déduit de l’abaque de l’annexe 29 contenant le taux d\’utilisation des apports en fonction de γ où γ est le rapport des apports et des déperditions. Donc pour un rapport γ égal à 0.3, nous déduisons que le taux d’utilisation des apports dans notre cas est de 0.8. Besoin en chauffage et en climatisation La puissance dont nous aurons besoin pour la climatisation du bâtiment se calcule selon l’équation 28. (P_cli ) ̇ = D + ɳ A ( 28 ) Le besoin en chauffage obéit quant lui à l’équation 29. P ̇_ch=D- ɳ A ( 29 ) Dans le tableau 42 nous récapitulons le calcul que nous avons effectués. Tableau 42 : Calcul des besoins en chauffage et en climatisation Besoin en chauffage (kW) 448,89 Besoin en climatisation (kW) 451,57 Un seul climatiseur fournit une puissance frigorifique de 167.6 kW et vu que nous disposons de 3 climatiseurs, la puissance frigorifique totale du système de climatisation installé serait de l’ordre de 502.8 kW qui est légèrement supérieure au besoin avec une puissance de 51.23 kW calculé comme illustré dans le tableau 43. Nous constatons donc que le système de climatisation est bien dimensionné. Nous nous sommes donc pas contraints à étendre ce système pour qu’il répond au besoin en climatisation de l’usine. Tableau 43 : Récapitulatif du besoin et de la puissance frigorifique installée Besoin frigorifique (kW) Puissance frigorifique installée (kW) 451.57 502.8 Classification technique du bâtiment Pour fixer les spécifications techniques de la performance énergétique des bâtiments, une approche performancielle a été mise en place par l’arrêté du 23 Juillet 2008 [9]. Cette performance est évaluée par les besoins énergétiques annuels liés au confort thermique du bâtiment. Ces besoins sont équivalents aux besoins de chauffage et/ou de climatisation quels que soit les systèmes de refroidissement et de chauffage utilisés. Les besoins énergétiques annuels liés au confort thermique du bâtiment BECTh peuvent être déterminés par l’équation 30. BECTh = (BECh + BERef)/STC ( 30 ) Avec: BECTh : Besoins énergétiques annuels liés au confort thermique d’un bâtiment exprimés en kWh/m².an BECh et BERef: Besoins énergétiques pour le chauffage et la climatisation respectivement exprimés en kWh/an et calculés sur la période d’hiver pour une température intérieure de base Tch = 20°C et Tch = 26°C respectivement. STC : Surface totale conditionnée exprimée en m² et égale à la somme des surfaces des planchers des espaces chauffés et/ou refroidis. Pour calculer les besoins énergétiques pour le chauffage et la climatisation, nous entendrons par « Hiver » la période allant du 1er Novembre au 31 Mars et par « Eté » la période allant 1er Juin au 30 Octobre. Les calculs ont abouti aux résultats du tableau 44. Tableau 44 : Calcul des besoins énergétiques annuels du bâtiment BECh (kWh/an) 667945 BERef (kWh/an) 839917 BECTh (kWh/m².an) 150 Nous constatons donc que notre bâtiment appartient à la 6ème classe de performance thermique selon la classification technique des bâtiments donnée par l’ANME de l’annexe 30 [9] ce qui prouve le potentiel important d’amélioration sur le plan de l’efficacité énergétique. Nous évoquons, dans l’annexe 31 les spécifications techniques du bâtiment en termes de propriétés thermo-physiques de l’enveloppe en fonction de la zone climatique et du taux de baies vitrées des espaces conditionnés ainsi que leur répartition sur les différentes orientations. Amélioration de l’enveloppe du bâtiment Comme nous avons pu le constater dans la figure 55, le toit contribue à environ 65% des déperditions dans le bâtiment suivi du renouvellement d’air avec un pourcentage de 26% alors que les parois sont responsables d’environ 8% des déperditions. Comme le débit de renouvellement d’air est fixé par la norme du groupe YAZAKI, nous agirons principalement sur le toit pour limiter les pertes thermiques du bâtiment. Pour remédier au problème des déperditions importantes par le toit, deux solutions pourront être appliquées ; soit la limitation de sa surface en ajoutant des ouvertures d’éclairage naturel par le biais des lanterneaux, soit son isolation. Maints matériaux isolants qu’ils soient naturels ou synthétiques permettent d’améliorer les performances thermiques de la toiture. Ils sont regroupés en trois grandes catégories [Web28]: Les isolants écologiques : Ce sont des isolants dont la matière première est d’origine naturelle généralement végétale ou en cellulose recyclé qui sont des sources renouvelables et peu abondantes. Les isolants minéraux : Ce sont des isolants issus de roches volcaniques et de sable qui sont des matériaux abondants vierges ou recyclés et sont les plus répandus sur le marché. Les isolants synthétiques : Ce sont des isolants issus de matières non renouvelables selon des procédés pétrochimiques énergivores et sont connus pour leurs fortes émissions de gaz à effet de serre. Pour choisir le matériau d’isolation le plus compatible avec notre bâtiment, nous ferons une comparaison des propriétés technico-thermiques, critères économiques ainsi que l’impact environnemental de l’utilisation de ces matériaux. Propriétés des matériaux isolants Propriétés technico-thermiques La rétention de la chaleur Plusieurs paramètres caractérisent la rétention d’un matériau à la chaleur, à savoir [Web37] : La conductivité thermique λ : Elle est exprimée en W/m.K et elle définit la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur par conduction. Plus elle est faible, plus le matériau est isolant. La résistance thermique R : Elle est exprimée en m².K/W et elle désigne la capacité d’un matériau à résister à la transmission de la chaleur et elle est le rapport entre l’épaisseur du matériau et sa conductivité thermique. Plus elle est élevée, plus la paroi est isolante. La régulation de la chaleur La capacité d’un bâtiment à réguler la chaleur repose sur la limitation des variations de température et la valorisation des apports solaires gratuits. Les paramètres qui entrent en jeu sont : La chaleur spécifique Cp : Elle est exprimée en J/kg.K et elle caractérise l’aptitude d’un matériau à emmagasiner la chaleur par rapport à son poids. La masse volumique ρ : Elle est exprimée en kg/m3. Elle s’agit de la masse d’un matériau par unité de volume. L’inertie thermique : Elle caractérise la capacité d’un matériau à stocker la chaleur ou le froid. Elle dépend principalement de la masse volumique et de la chaleur spécifique. Plus Cp et ρ sont importantes, plus l’inertie thermique du matériau est importante. Le déphasage thermique : Elle caractérise le temps nécessaire pour qu’un front de chaleur traverse une épaisseur donnée d’un matériau et elle dépend principalement de sa masse volumique et de sa chaleur spécifique. Ce déphasage serait important si le bâtiment possède une forte inertie thermique et vice versa. Le comportement hygroscopique Les parois d’un bâtiment sont soumises à des flux de vapeur d’eau à cause de la différence d’humidité et de température entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. La gestion de ce flux de vapeur repose sur deux paramètres : Le coefficient de résistance à la diffusion de la vapeur d’eau μ : Il caractérise l’aptitude d’un matériau à empêcher l’infiltration de la vapeur d’eau. Plus il est élevé, plus le matériau est étanche. L’épaisseur de lame d’air équivalente Sd : Elle caractérise l’opposition d’un matériau à la migration de la vapeur d’eau. Elle est calculée en multipliant le coefficient de résistance à la diffusion de la vapeur d’eau d’un matériau et son épaisseur. Plus elle est élevée, plus le matériau s’oppose à la migration de la vapeur d’eau. Résistance et réaction au feu La résistance au feu : Elle caractérise la capacité d’un matériau à conserver ses propriétés physiques et mécaniques et son aptitude à limiter la propagation du feu La réaction au feu : Elle caractérise le comportement du matériau face au feu. Impact environnemental L’impact environnemental de l’utilisation d’un matériau repose sur maints critères à : L’origine du matériau : Ecologique, minérale ou synthétique. La recyclabilité : Recyclage et valorisation en fin de vie. Le taux d’émission des gaz à effets de serre. Le taux d’énergie grise Critères économiques Le choix du matériau d’isolation ne peut pas être effectué sans prendre en considération son coût y compris sa mise en œuvre et sa maintenance ainsi que sa durabilité. Classification et choix du matériau isolant Dans l’annexe 32, nous avons classifié les isolants les plus répandus sur le marché selon les critères cités précédemment. Nous concluons par conséquent que l’ouate de cellulose et le liège expansé sont les meilleurs isolants qui pourront être utilisés pour la rénovation du bâtiment bien que ces deux isolants n’aient pas les meilleures conductivités thermiques. En termes de chaleur spécifique, l’ouate de cellulose en vrac est classée deuxième après les fibres de bois et suivie du liège expansé en panneaux. Quant au déphasage thermique, le liège expansé est classé premier suivi de l’ouate de cellulose. Ces caractéristiques sont peuvent être considérées les plus importantes puisque nous aurons besoin de matériau à forte inertie thermique. Ces matériaux n’ont pas les meilleures résistances à la diffusion de la vapeur d’eau cependant, nous pouvons négliger ce critère puisque l’aire de production est soumise à une ventilation naturelle régulière ce qui le rend peu humide. De plus, l’ouate de cellulose et le liège expansé sont un peu réactifs au feu. Néanmoins, vu que l’usine ne contient pas des produits inflammables, ceci ne constitue pas un danger. En termes d’énergie grise, l’ouate de cellulose est le plus écologique de tous les matériaux isolants que nous avons comparés. Quant à l’émission des gaz à effets de serre, le liège expansé émet le minimum de CO2 suivi de l’ouate de cellulose. Par rapport au coût, la fourchette de prix de l’ouate de cellulose est beaucoup moins élevée que le liège expansé. De surcroît, l’ouate de cellulose est recyclable, dotée d’une très bonne durabilité et d’une capacité hygrothermique élevée. Donc l’ouate de cellulose est le matériau le plus adéquat permettant de limiter les déperditions à travers les parois. En revanche, ce matériau ne peut pas être appliqué pour l’isolation de la toiture, il n’est applicable que pour les murs de plus qu’il vient d’exister sur le marché tunisien ce qui rend son coût d’installation un peu trop cher. Puisque la laine de roche est le matériau d’isolation le plus répandu sur le marché tunisien, d’autant plus que ses propriétés s’approchent de celles de l’ouate de cellulose, nous opterons pour ce matériau pour effectuer une isolation thermique de la toiture avec un conditionnement en rouleau de l’isolant puisque le conditionnement en vrac ne peut être appliqué que pour les murs. Simulation de la solution Par le biais du logiciel RETScreen, nous avons simulé la solution de l’isolation de la toiture par de la laine de roche pour pouvoir conclure quant à l’amélioration de la performance du toit après le revêtement que nous souhaitons réaliser. La nouvelle caractéristique de la toiture est illustrée dans la figure 58. Figure 58 : Nouvelle caractéristique de la toiture Impact énergétique La consommation énergétique du cas de référence qui est le cas représentant le toit sans isolation est illustré dans la figure 59 que le rapport complet de RETScreen est en annexe 33. Figure 59 : Consommation de combustible pour le cas de référence L’économie réalisée en termes de combustible à la suite de l’isolation de la toiture est illustrée dans la figure 60. Figure 60 : Consommation de combustible pour le cas proposé A la queue de cette action, la consommation d’électricité passe de 90284 kWh/an à 71609 kWh avec un gain de 20,68%. Ce gain en électricité est illustré dans la figure 61. Figure 61 : La consommation d\’électricité avant et après l\’isolation du toit Nous constatons donc que cette solution pourrait nous économiser jusqu’à 20% de la consommation d’électricité pour la climatisation qui est un pourcentage relativement important. Impact environnemental Vu que chaque gain en électricité induit trivialement une réduction d’émission de CO2 et pour 0.084 kg.CO2 réduit pour chaque kWh, nous pouvons alors calculer la réduction totale en CO2 tel qu’illustré dans le tableau 45. Tableau 45 : Réduction annuelle de CO2 grâce à l\’isolation du toit Economie annuelle en énergie (kWh/an) Réduction annuelle de CO2 (kg.CO2/an) 18669 1586,2 Analyse financière et de rentabilité Pour donner suite à cette simulation, nous avons contacté plusieurs installeurs de matériaux d’isolation pour comparer leurs offres après avoir élaboré un cahier des charges de l’isolant que nous souhaitons acquérir et qui est en annexe 34. COMAF a répondu à nos exigences et nous a fourni un devis attaché en annexe 35 qui chiffre cette acquisition à 114327 DT qui est un prix très proche de celui estimé par RETScreen (de l’ordre de 113049 DT). Nous pouvons alors calculer le DL selon l’équation 1 qui est de 25 ans et 1 mois à savoir la moitié de la durée de vie. Conclusion La réalisation du bilan thermique nous a permis de déterminer que le toit est le responsable des déperditions importantes. Bien que l’isolation de la toiture permette de réduire la facture énergétique de la climatisation, la solution demeure inefficace si une conscience sur l’importance de la gestion de l’énergie n’ait pas lieu. CONCLUSION GENERALE Dans le cadre d’une vision de responsabilité sociale des entreprises RSE, et eu égard aux défis des changements climatiques, la gestion de l’énergie dans le secteur industriel présente de plus en plus un vecteur de réussite, de compétitivité et notamment de positionnement sur le marché international. Ce projet de fin d’études effectué au sein de YAZAKI Automotive Products Tunisia s’inscrit dans cette optique et fut une occasion intéressante pour appréhender le domaine de l’efficacité énergétique et s’imprégner de ses concepts. Ce sujet consiste à résoudre un problème de gestion de l’énergie au sein de YAP-T qui a été à l’origine d’une facture énergétique exorbitante jusqu’à présent. Pour remédier à ce problème, nous avons procédé, dans un premier temps, à une observation des systèmes constituants l’aire de production pour en élaborer un état actuel des lieux, une étude et une analyse de la consommation énergétique qui nous ont permis par la suite de distinguer les secteurs de consommation les plus énergivores du site étudié. A la lumière de cette étude, nous avons effectué un diagnostic du système d’éclairage, du système de production d’air comprimé et du système de climatisation pour déterminer les aspects contribuants à sa surconsommation. Le diagnostic effectué à chaque secteur est suivi par des propositions d’amélioration étudiées et analysées énergétiquement, environnementalement et financièrement qui permettront d’optimiser sa consommation énergétique, sur la base des facteurs internationaux. Et nous avons, finalement élaboré un plan d’actions regroupant toutes les améliorations avec les estimations de gains réalisables en annexe 36, 37, 38 et 39. Durant cette expérience, riche et instructive, nous avons rencontrés certaines difficultés qui ont entravé notre travail et ont retardé notre avancement. En effet, les données concernant les luminaires utilisés n’existent plus ce qui a été un obstacle dans l’étude de l’ancienne distribution lumineuse. De plus, le plan du réseau d’air comprimé n’existe pas ce qui nous a contraints à effectués les mesures de toutes les conduites et singularités du réseau de la production jusqu’aux utilisateurs finaux par nos soins. De surcroît, le plan architectural de l’aire de production n’est pas mis à jour ce qui nous a obligé de s’y rendre pour prendre toutes les mesures des parois, des menuiseries selon chaque orientation. Il est à noter encore l’absence d’informations, concernant la consommation du gaz naturel nous n’avons pas pu par conséquent aborder la consommation et l’optimisation de cette ressource. En somme, durant ce stage qui a été un cadre opportun pour suivre de près le fonctionnement d’une telle multinationale et l’articulation entre ses différents départements ainsi que pour concrétiser mon profil d’ingénieur et développer un esprit méthodologique et rigoureux dans la résolution des problèmes. Nous avons également pu s’intégrer rapidement avec les stagiaires et l’équipe de maintenance et améliorer nos compétences communicatives grâce à l’atmosphère conviviale et chaleureuse au sein de l’entreprise. De tels projets sont de fort nécessité en Tunisie vu l’importance du secteur de l’industrie électrique et mécanique (premier secteur en termes de chiffres d’affaires et en termes d’investisseurs directs étrangers IDE), des mesures d’encouragement vers la transition green de ces entreprises aura un impact positif sur le niveau de consommation d’énergie d’une part et sur le degré d’implication de la Tunisie dans les efforts mondiaux concertés vers une économie verte.

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