Soutenance mémoire
Normes des programmes d’efficacité énergétique
Il existe un fort potentiel d’économie d’énergie dans l’industrie manufacturièr française, comme probablement dans l’ensemble de l’Europe. Ce potentiel n’a pas encore été entièrement révélé et exploité. De plus en plus d’industriels sont prêts à passer le cap et sont donc en train de mettre en œuvre des programmes d’amélioration de l’efficacité énergétique. La plupart de ces programmes s’appuient sur des normes nationales ou internationales. Les meilleurs outils disponibles aujourd’hui sont : la norme internationale ISO 50001 “Energy Management Systems” et la norme internationale de la mesure de performance et du protocole de vérification IPMVP (International Performance Measurement and Verification Protocol) ; ces deux normes s’appuient sur la mesure appropriée d’indicateurs clés d’efficacité énergétique.
Norme ISO 50001
La norme ISO 50001 pour les systèmes de gestion de l’énergie, publiée en juin 2011, est le résultat de l’effort de collaboration de 61 pays, y compris les pays du Comité Européen de Normalisation. Cette norme spécifie les exigences pour un système de gestion de l’énergie qui est basé sur le principe d’amélioration continue, Planifier – Faire – Vérifier – Agir. La norme ISO 50001 repose sur un audit énergétique préliminaire qui permet de déterminer les systèmes les plus consommateurs en énergie dans l’usine. Après cela, il faut fixer des objectifs de performance pour ces systèmes et installer des dispositifs de mesure et de surveillance afin de vérifier le respect de ces objectifs de performance.
Norme IPMVP
La norme internationale de la mesure de performance et du protocole de vérification IPMVP a été publiée pour la première fois en 1996 et a évolué depuis. Elle est établie par Efficiency Valuation Organization (EVO), une organisation à but non lucratif “dédiée à la création d’outils de mesure et de vérification pour permettre l’épanouissement de l’efficacité” (sic http: // www. evo-world. org/ ). Ce protocole définit les termes qui doivent être utilisés pour déterminer les objectifs d’économies suite à la mise en œuvre d’un programme d’amélioration de l’efficacité énergétique.
L’IPMVP se concentre sur trois questions principales qui sont : la définition de la performance, la mesure de la performance et la vérification de la performance.
• Définir la performance est une condition préalable. La performance peut être définie au niveau de l’usine ou à un niveau intermédiaire, selon le programme d’amélioration de l’efficacité énergétique. Par exemple, si un système d’air comprimé doit être restauré, alors le protocole peut se concentrer seulement sur le système spécifique d’air comprimé.
• La mesure de performance nécessite l’installation de dispositifs de mesure, chaque fois que nécessaire, qui dépend du protocole de vérification de la performance appliqué.
• La vérification de la performance est la partie la plus délicate du protocole, car il est en soi impossible de mesurer les économies en énergie, seule la consommation d’énergie peut l’être. La mesure de consommation doit être comparée aux prévisions de consommation afin d’estimer la quantité d’énergie économisée. Selon le protocole, ces prévisions de consommation sont calculées en utilisant une consommation de base prise comme référence, et plusieurs facteurs d’ajustement doivent être définis. Les facteurs d’ajustement typiques peuvent être, par exemple, le facteur de charge de production, la température extérieure, etc.
Importance de la mesure dans l’efficacité énergétique
Quel que soit le secteur industriel considéré (alimentation, cimenterie, métallurgie, etc), l’optimisation d’une usine de fabrication est un processus complexe qui nécessite un suivi. On ne peut pas optimiser ce qu’on ne connait pas. Pour identifier et évaluer les économies en énergie, il faut avoir une vision claire de la façon dont l’énergie est utilisée. Comme indiqué dans la norme ISO 50001, la mesure est la première étape pour une quantification de la consommation en énergie. La capacité de mesurer, surveiller et contrôler la consommation à plusieurs endroits clés dans une usine de fabrication est une condition essentielle de tout programme efficace. Toutes les usines de fabrication sont en constante évolution, et ce qui a été optimisé à un moment donné peut ne pas le rester pour une longue période. Une fois de plus, la mesure est la clé pour la durabilité de l’efficacité énergétique. Les programmes d’économie d’énergie, quand leurs effets ne sont pas régulièrement mesurés, se montrent inefficaces à long ou même à court-terme. Généralement, quelques mois est une période de temps suffisamment longue pour, de nouveau, basculer dans une situation non optimale. Par conséquent, la mesure constante des flux d’énergie est une des conditions nécessaires pour des solutions durables. Dans l’industrie, on distingue deux types de consommation énergétique : une consommation liée au processus lui-même et une consommation liée aux systèmes qui fournissent de l’air comprimé, de la vapeur, de l’eau froide, etc. Tandis qu’il est généralement très difficile de modifier la consommation d’énergie liée à un processus de fabrication, notamment à cause de l’impact important sur la production, il est souvent plus facile d’optimiser la consommation des systèmes auxiliaires, pour autant qu’ils soient bien étudiés et bien compris, et donc mieux mesurés. Dans le secteur industriel, chaque programme d’investissement, et en particulier celui destiné à l’amélioration de l’efficacité énergétique, est ou n’est pas mis en œuvre en fonction de son analyse coûts-bénéfices. Malheureusement, la plupart du temps, la mise en œuvre de ce genre de programme, en raison de la phase obligatoire de mesure, est considérée comme inacceptable ou infaisable.
Plusieurs grandeurs doivent être mesurées. Si certains paramètres physiques, tel que la température, sont facilement mesurables avec un coût limité, d’autres le sont plus difficilement, voire parfois ne le sont pas. Pour la mesure de puissance, par exemple, il est nécessaire de couper l’alimentation pour pouvoir installer le capteur. Pour une mesure ilot de production par ilot de production, le nombre d’interruption de production est alors très coûteux. Le même constat peut être fait pour la mesure de débit.
Projet ANR CHIC
Le projet CHIC – CHaîne de mesure Innovante à bas Coût – a été initié par EDF R&D. Il s’inscrit dans le programme Efficacité énergétique et réduction des émissions de CO2 dans les systèmes industriels de l’Agence Nationale de la Recherche (projet CHIC n°ANR-10-EESI-02). Il a pour objectifs de concevoir et expérimenter une chaîne de mesure innovante à faible coût et non-intrusive, permettant de suivre et d’analyser les consommations des fluides énergétiques utilisés sur des sites industriels (électricité, gaz, air comprimé) afin de détecter des dérives de consommation avec une justesse de mesure de l’ordre de 5%. Son budget total s’élève à 2,55 Me.
En plus d’EDF R&D, porteur du projet, six autres partenaires sont impliqués dans ce projet :
− le laboratoire Ampère de l’Ecole Centrale de Lyon,
− le Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour les Systèmes de l’Université de Poitiers,
− le Laboratoire d’Electronique et de Technologies de l’Information du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives,
− le département Signaux et Systèmes Electroniques de Supélec – Gif-sur-Yvette,
− la société SOCOMEC,
− la société Kapteos.
Le projet est réparti en six tâches.
La première tâche Gestion du projet a pour objectif d’assurer le suivi et la qualité des travaux, leur bonne adéquation avec les objectifs du projet et le respect des délais et des coûts. La seconde tâche Voies pour une chaîne de mesure à bas coût: de l’existant aux ruptures a pour objectif de réunir tous les partenaires autour d’un objectif commun : celui de définir les critères de réussite du projet. Elle consiste notamment en la fourniture de livrables sur l’analyse de valeur de la chaîne de mesure, les spécifications économiques, fonctionnelles et techniques d’une chaîne de mesure à bas coût, un état de l’art technologique et enfin l’identification de nouvelles pistes de solutions technologiques. La troisième tâche concerne l’étude de Techniques innovantes de mesure des courants, tensions et puissances. L’objectif est le développement de capteurs de courant, de tension et de puissance, travaillant autour de câbles multiconducteurs non blindés, et ne nécessitant ni démontage, ni interruption de l’alimentation électrique du câble pour leur installation. Cette tâche consiste, entre autres, en la modélisation et la résolution de problèmes inverses afin de déterminer le nombre optimal de capteurs de champs électrique et magnétique, leur positionnement, leur orientation et leur sensibilité et la dynamique de mesure. Cette tâche a donné lieu à la soutenance d’une thèse (Bourkeb, 2014). La quatrième tâche Capteurs logiciels qui est l’objet de ce mémoire de thèse, concerne donc le développement de capteurs qui consistent en une estimation de certaines grandeurs à partir de mesures déjà existantes ou plus facilement accessibles. Elle est divisée en trois sous-tâches : la modélisation des sous-ensembles industriels (four électrique, chaudière, compresseur), la reconstruction des signaux et le développement des capteurs logiciels. La cinquième tâche Test en usine virtuelle a pour objectif de vérifier que les prototypes mis au point dans le cadre du projet permettent d’obtenir des mesures fiables et robustes, à faible coût, conformément aux spécifications établies dans la tâche 2. Elle est divisée en deux sous-tâches : le choix des protocoles expérimentaux et l’intégration des capteurs dans leur environnement de test et le test des capteurs. La sixième et dernière tâche Dissémination des résultats et impacts des nouvelles solutions proposées a pour objectif de diffuser les résultats du projet de façon la plus large possible auprès de la communauté scientifique, des industriels, des professionnels de la mesure, etc. Cela peut être sous forme de publications scientifiques et de participations à des congrès et séminaires à destination des entreprises extérieures. Cette tâche a aussi pour but d’évaluer les résultats du projet à travers une étude d’impact des solutions proposées par rapport au marché de la mesure, et permettra ainsi de savoir si des avancées réelles et significatives en termes de coût de mesure ont été réalisées.
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Table des matières
Introduction générale
1 Contexte général
1.1 Présentation générale
1.2 Normes des programmes d’efficacité énergétique
1.2.1 Norme ISO 50001
1.2.2 Norme IPMVP
1.2.3 Importance de la mesure dans l’efficacité énergétique
1.3 Projet ANR CHIC
1.3.1 Capteur CHIC de puissance électrique
1.3.2 Capteur CHIC de débit
1.4 La mesure
1.5 Dispositifs actuels de mesure de puissance et de débit
1.5.1 Mesure de puissance dans un conducteur triphasé
1.5.2 Mesure de débit
1.6 État de l’art et applications industrielles des capteurs logiciels
1.7 Conclusion
2 Outils d’identification
2.1 Introduction
2.2 Définitions
2.2.1 Modèles boîte blanche, boîte grise, boîte noire
2.2.2 Modèle statique et modèle dynamique
2.2.3 Modèle paramétrique et modèle non-paramétrique
2.2.4 Modèle LTI et modèle LPV
2.2.5 Méthode à erreur d’équation et méthode à erreur de sortie
2.2.6 Identification en boucle ouverte et identification en boucle fermée
2.2.7 Identification hors ligne et identification en ligne
2.3 Algorithmes LSCTRPM et IVCTRPM
2.3.1 Formulation du problème des algorithmes EE à temps continu
2.3.2 Algorithme LSCTRPM
2.3.3 Algorithme IVCTRPM
2.4 Algorithme de Levenberg-Marquardt
2.5 Identification hors-ligne en boucle fermée
2.5.1 Estimation du correcteur
2.5.2 Estimation du modèle du système
2.6 Identification en ligne par algorithmes récursifs
2.6.1 Algorithme LSCTRPM récursif
2.6.2 Algorithme IVCTRPM récursif
2.6.3 Analyse de performance des algorithmes LSCTRPM et IVCTRPM récursifs
2.7 Modélisation non-paramétrique
2.8 Conclusion
3 Mesure de puissance et diagnostic dans un four électrique
3.1 Introduction
3.2 Description de l’installation
3.3 Capteur de puissance
3.4 Détection de défauts
3.4.1 Modèle du correcteur
3.4.2 Modèle du four
3.4.3 Diagnostic d’un défaut
3.5 Modélisation du four en charge
3.5.1 Essais disponibles
3.5.2 Convection et rayonnement
3.5.3 Résultats
3.6 Estimation en ligne
3.7 Conclusion
4 Mesure de débit de gaz consommé par une chaudière
4.1 Introduction
4.2 Présentation de la chaudière et de son instrumentation
4.3 Les vannes étudiées (Serin et Sutter, 2000)
4.3.1 Vanne à boisseau cylindrique
4.3.2 Vanne à papillon
4.3.3 Vanne à soupape
4.4 Caractéristiques de débit
4.5 Protocole expérimental
4.6 Modélisation
4.6.1 Modélisation paramétrique
4.6.2 Modélisation non-paramétrique
4.7 Résultats expérimentaux
4.7.1 Modélisation paramétrique
4.7.2 Modélisation non-paramétrique
4.7.3 Implémentation du capteur logiciel sur une chaudière industrielle
4.8 Stratégie de calage du capteur logiciel de débit
4.9 Conclusion
Conclusion générale
