Système d'air comprimé à vitesse variable

La plupart des compresseurs à vitesse variable permettent d'extraire, via l'affichage, les pourcentages du temps de fonctionnement correspondant aux différents taux de charge. Grâce à ces pourcentages, aux nombres d'heures de fonctionnement et aux puissances absorbées correspondantes (ces puissances à différents taux de charge sont à demander au constructeur ou à déterminer selon les fiches techniques CAGI américaines), la consommation annuelle totale peut-être déterminée.

Attention: même si les estimations sont plus précises que dans le GA (analyse préliminaire), ce sont encore des valeurs estimées, basées sur des valeurs indicatives valables dans les conditions standards.

Système d'air comprimé à vitesse fixe

La plupart des compresseurs d'air ont des compteurs d'heures de fonctionnement et d'heures en charge. La différence est le temps de marche à vide. Si les heures de fonctionnement ne sont pas relevées régulièrement, un nombre d'heures et une date peuvent parfois être trouvés dans le carnet d'entretien ou l'autocollant d'entretien. Si ces informations ne sont pas disponibles, il est possible d'estimer les heures de fonctionnement annuelles grâce à l'année d'installation ou de construction du compresseur. La consommation peut être estimée en multipliant les heures de fonctionnement en charge par la puissance absorbé en charge plus les heures de fonctionnement en marche à vide fois la puissance absorbée dans ce mode. Les puissances absorbées sont parfois disponibles sur les fiches techniques. Sinon, on approximera la puissance absorbée en charge à 100% de la puissance nominale et en marche à vide à 25%.

Si aucune de ces informations n'est disponible, la consommation annuelle peut être très grossièrement estimée en multipliant la puissance nominale par 2000 heures de fonctionnement.

La consommation électrique du système est mesurée grâce à un wattmètre pendant une période significative (exemple : 1 semaine). Une estimation annuelle est alors obtenue par extrapolation. Cette mesure est à combiner avec les analyses décrites plus bas. La procédure d'aide aux mesurages électriques peut être consultée pour cette variante. Attention, dans le cadre de mesurages avec un ampèremetre (mesure du courant seul sans la tension) le cos phi doit être pris en compte (surtout pour les compresseurs à vitesse fixe). Des ordres de grandeurs typiques sont 0.86 en puissance nominale et 0.44 en marche à vide.

Dans certains cas, un compteur électrique permet de connaître la consommation annuelle réelle.

On notera aussi que certains fournisseurs proposent d'équiper la centrale avec un système qui permet de caractériser le système actuel (dont le consommation) et de déterminer le gain qu'apporterait, avec un profil de besoin d'air identique, une solution optimisée.

Une fois la distribution et l'utilisation de l'air comprimé bien spécifiées et optimisées, il s'agit de vérifier si les compresseurs sont correctement dimensionnés en puissance et en pression.

Pression: Un compresseur avec une pression de consigne effective bien plus basse que la pression nominale aura une efficacité réduite. Il est difficile de calculer le gain obtenu par un compresseur correctement dimensionné en pression. Cette information est à demander au fournisseur. Attention, lors d'un redimensionnement, les puissances maximales futures doivent être prises en compte (à discuter avec le personnel sur place).
Please note that when resizing, future maximum power requirements must be taken into account (to be discussed with on-site staff).

Débit classé: Si le compresseur est surdimensionné en débit, l'efficacité sera prétéritée tant pour des compresseurs fonctionnant en charge/à vide, que pour des compresseurs à vitesse variable. Les gains théoriques peuvent être calculés grâce aux données techniques de la puissance du compresseur en fonction du taux de charge. En dessous de 40–50% de taux de charge, l'efficacité d'un compresseur à vitesse variable se détériore significativement (voir figure 1).

Figure 1: Comparaison des puissances spécifiques de compresseurs à vitesse variable (la médiane en noir) et en marche/arrêt (la médiane en bleu) en fonction du taux de charge. Sources de données : fiche CAGIS de 2017 des compresseurs Atlas Copco et Kaeser avec une pression nominale entre 7.6 bar et 8.1 bar et entre 8.3 bar et 8.9 bar, soit 22 compresseurs à vitesse variable et 29 en marche/arrêt (en traits fins, toutes les courbes individuelles). En rouge les différences entre les deux médianes, donc les potentiels d'économie.

Conseils:

• Comme la plupart des compresseurs sont redondants, il est possible d'optimiser le système économiquement en ne remplaçant qu'un seul compresseur par un compresseur à vitesse variable. Celui-ci fonctionnera alors la majorité du temps. L'ancien compresseur à vitesse fixe ne s'enclenche qu'une heure par semaine ou lors d'un dysfonctionnement du nouveau compresseur.
• Si un compresseur à vis est surdimensionné et n'est que rarement en puissance, la durée de vie risque de diminuer car le compresseur tourne souvent à froid. Un plus petit compresseur à vis ou un compresseur à piston serait plus adéquat.
• Un système d'air comprimé avec des compresseurs à vitesse variable a aussi besoin d'un stock.

Il existe plusieurs moyens d'augmenter la performance des compresseurs. Pour avoir une estimation plus précise des gains, la détermination de la performance actuelle du système est un premier pas.

Un bon système d'air comprimé à vis à 7 bar nécessite environ 0.1 kWh d'énergie électrique par m³ d'air comprimé (rendement isothermique de 60 %).

Les points suivants décrivent les différentes possibilités d'optimisation.

Note: Oil-free compressors are less efficient than oil-lubr/icated compressors, which can be equipped with a filter.

Méthode:

• Mesurage de la puissance électrique absorbée pour chaque compresseur
• Mesurage concomitant du débit total produit. Le débit total peut soit être connu grace à un débitmètre (qui doit être ajouté), soit via l'enregistrement déjà inclus dans le système. Dans le dernier cas, le compteur peut-être relevé régulièrement à la main.

Ces deux grandeurs permettent de calculer la puissance spécifique du ou des compresseurs, qui pourra être comparée aux valeurs de la fiche technique (dégradation) et aux valeurs des BAT (best available technique).

Attention: lors de la comparaison, il faut prendre en compte le fait que les valeurs des fiches techniques sont mesurée dans des conditions standard. Ces valeurs doivent être corrigées en fonction de la température d'aspiration et de la pression. La puissance spécifique peut-être calculée au niveau du compresseur ou au niveau de toute la production incluant le séchage et les purges.

Le remplacement d'un compresseur marche/à vide par un nouveau compresseur à vitesse variable permet 3 gains principaux:

• Un gain d'efficacité lors de taux de charges partiels (notamment en dessous de 80%) comme montré avec la différence des puissances spécifiques dans la fig. 1. Ce gain est dû à la diminution voir à l'élimination de période en marche à vide qui consomment de l'énergie mais ne produisent rien.
• Gain dû à une plage de pression réduite: en marche à vide, la plage de pression (delta p) est relativement élevée pour éviter des marches/arrêts trop fréquents. Or, une pression augmentée signifie une puissance spécifiques diminuée, donc une efficacité réduite. Un compresseur à vitesse variable n'a plus vraiment de plage de pression (ou une plage plus petite) mais une pression de consigne qui est assurée en continu (voir figure 2).
• Gain technologique dû à des composants plus performants : un nouveau compresseur aura généralement une puissance spécifique plus faible qu'un ancien (à vérifier avec les données techniques et éventuellement par mesurage).

Figure 2: Puissance absorbée dans les différentes phases de fonctionnement d'un compresseur sans variateur. En vert, la surconsommation associée à la pression variable et en rouge la consommation des marches à vide avant arrêt.

Méthode de calcul des gains

1) Définir un profil annuels des débits

Dans le cas idéal, les débits ont été mesurés sur une année avec une résolution fine (quelques minutes) ce qui permet d'avoir un profil réel. Malheureusement, ces données ne sont généralement pas disponibles. Dans ce cas, une campagne de mesurage du débit durant une période représentative peut être organisée. Les résultats peuvent alors être extrapolés sur une année. Dans le cas où une mesure (souvent intrusive) du débit n'est pas possible ou trop compliquée, le profil du débit peut-être estimé en ne mesurant que la puissance électrique du compresseur en fonction du temps (sur une période significative avec un pas de temps d'une minute environ). Le débit peut alors être estimé grâce à la puissance spécifique fournie par la fiche technique (à adapter aux conditions du système en prenant en compte la température de l'air aspiré et les pressions de consigne). Le débit devra ensuite être lissé (effet du stock d'air comprimé). Dans ce dernier cas, les estimations n'intègrent pas la différence entre la puissance spécifique issue de la fiche technique et la valeur réelle. Une semaine de mesure est souvent suffisant.

Attention: si des optimisations du réseau ou des consommateurs sont prévues simultanément, le profil doit être adapté (idéalement ces optimisations sont implémentées).

Figure 3: Profil de débit classé

2) Grâce au profil des débits annuel mesuré ou estimé, la consommation électrique du nouveau compresseur peut-être estimée des valeurs de puissances spécifiques (adaptées aux conditions de fonctionnement) en fonction du taux de charge (généralement à demander au fournisseur, les fiches américaines CAGIS donnent aussi déjà une bonne estimation). La consommation ainsi calculée peut ensuite être comparée à la consommation actuelle (par exemple mesurée au wattmètre).

Un compresseur surdimensionné n'est pas efficace (voir section 4.1). Suivant les conditions, le remplacement par un compresseur adapté peut-être rentable.

Méthode de calcul

Les gains sont estimés comme à la section 4.2.2. Lors d'un remplacement, il vaut généralement la peine d'installer un compresseur à vitesse variable (si l'ancien n'était pas déjà sur variateur).

Dans les situations dans lesquelles le système comprend plusieurs compresseurs pouvant fonctionner simultanément, l'optimisation de la cascade est parfois possible avec des économies significatives et à peu de coûts. En règle générale, le fournisseur du compresseur s'occupe de cette régulation. Les modes de fonctionnement efficaces suivants sont à vérifier/atteindre:

• Le/les compresseurs à vitesse variable génère(nt) la partie fluctuante du débit (le débit de bande est produit par un/des compresseur(s) sans variateur). Cette condition est vérifiée si le taux de charge du/des compresseur(s) sans variateur est élevé.
• Les enclenchements/déclenchement assurent des taux de charge optimaux : pour les compresseurs en charge/à vide en dessus de 80/90 %, pour les compresseurs à vitesse variable entre 50% et 90%.
• Les compresseurs les plus efficients fonctionnent en priorité.
• La pression de sortie est optimale.

Méthode de calcul des gains

1. Mesurer de manière simultanée la consommation électrique de chaque compresseur sur une période représentative.
2. Déduire le taux de charge de chaque compresseur en fonction de la tranche de débit.
3. Grâce aux puissances spécifiques des différents compresseurs et des taux de charge, un débit peut être estimé. En sommant ces valeurs, un débit total peut être obtenu. Idéalement le débit total est mesuré par un débitmètre.
4. Sur cette base, dressez alors une une monotone inverse ou un histogramme des débits.
5. Pour chaque tranche de débit, une nouvelle séquence d'enclenchement optimisée assurera la production nécessaire
6. La nouvelle consommation peut alors être estimée par tranche de débit grâce aux puissances spécifiques et au débit de chaque compresseur.
7. La somme de ces consommations peut alors être comparée à la consommation initiale pour établir le gain potentiel.

Remarques: Des systèmes de gestion modernes optimisent automatiquement les séquences d'enclenchement selon le type et l'efficacité des compresseurs.

La puissance de compression est dépendante de la température d'aspiration. La diminution de la masse volumique de l'air avec l'augmentation de la température engendre une augmentation de la consommation spécifique.

Méthode de calcul

L'augmentation moyenne de la consommation spécifique d'un compresseur en fonction de la température est de 0.34 %/°C. Optimisations:

• Meilleure ventilation des locaux
• Aspiration de l'air extérieur (généralement)

Un ventilateur peut être utile (notamment si l'arrivé d'air frais passe par une longue conduite). La propreté de l'air aspiré ne doit pas être négligée.

Dans la plupart des cas, il est intéressant d'installer des compteurs d'électricité à demeure (smart metering). Ceci permet la surveillance du bon fonctionnement des installations, de déterminer les coûts pour l'air comprimé et de quantifier l'effet des mesures d'économies implémentées.