Mesures d'efficacité énergétique éprouvées

Cette section décrit les mesures éprouvées depuis longtemps en matière d'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes d'air comprimé et notamment :

  • Identification et réparation des fuites d'air,
  • Minimisation des chutes de pression,
  • Minimisation de l'utilisation finale d'air comprimé,
  • Faisabilité de récupération de chaleur des compresseurs,
  • Optimisation des équipements de production d'air,
  • Optimisation des équipements de production d'air.

a. Fuites d'air dans les systèmes d'air comprimé

Les fuites d'air peuvent constituer une part importante de l'énergie gaspillée dans un système d'air comprimé et se traduire, dans certaines circonstances, par des pertes de productivité. Dans des installations industrielles types, il n'est pas rare de déceler des fuites d'air représentant entre 20 et 30 pour cent du débit d'un compresseur. Des programmes proactifs de gestion des fuites (détection et réparation) peuvent réduire les fuites à moins de 10 pour cent de la production d'air comprimé d'une usine.

L'expérience a montré maintes fois que la réparation des fuites d'air constituait le plus souvent la priorité essentielle dans l'optimisation de tout système d'air comprimé. En général, vous pourrez constater que vos initiatives verront une période de récupération simple inférieure à 6 mois.

En plus d'être une source de gaspillage d'énergie, les fuites d'air peuvent contribuer à d'autres pertes d'exploitation. Il existe une relation marquée de cause à effet entre le nombre et l'ampleur des fuites d'air et la pression dans l'ensemble du système d'air comprimé. Par exemple, une pression d'air comprimé plus faible va nuire à l'efficacité des outils et équipements pneumatiques en diminuant leur puissance mécanique et en abaissant ainsi la productivité d'un procédé.

Un manqué d'intérêt envers la gestion des fuites d'air peut conduire à l'achat inutile de nouveaux compresseurs d'air, augmentant par là les dépenses d'investissement.

La Figure 26 présente le coût annuel approximatif en électricité (0,10 $/kWh) pour différentes quantités de fuites en se basant sur une exploitation à un, deux ou trois quarts de travail.

Le type de régulation des compresseurs peut avoir un effet marqué sur les résultats d'une initiative de réduction des fuites. Par exemple, une initiative de réduction des fuites visant à diminuer de 10 % la consommation d'air dans un système avec un seul compresseur à régulation par modulation, aboutira à des économies d'énergie de seulement 3 % environ du fait de la marge de réglage effective limitée de la régulation par modulation du compresseur. Une même initiative de réduction appliquée à un système avec compresseur à vitesse variable entraînerait des économies d'énergie de l'ordre de 10 %.

Figure 26 - Coût annuel des fuites d'air comprimé basé sur un coût d'électricité de 0,10 $/kWh (avec la permission de Compressed Air Challenge)
Quantités de fuites 1 quart de travail (2 250 h) 2 quarts de travail (4 250 h) 3 quarts de travail(8 400 h)
Fuite de 1/16 po 200 $ 380 $ 750 $
Fuite de ¼ po 3 210 $ 6 070 $ 11 990 $
Fuite de 3/8 po 7 230 $ 13 650 $ 26 980 $
Fuite de ½ po 12 820 $ 24 210 $ 47 850 $

Estimation des fuites d'air totales

Pour aborder le problème des fuites d'air dans une usine, une première étape souhaitable consiste à effectuer un essai à faible charge pendant un arrêt de production. Cet essai peut s'avérer assez facile s'il existe déjà un débitmètre de précision installé sur le système ou si les compresseurs d'air sont équipés de d'indicateurs de débit. Si ce n'est pas le cas, on pourra effectuer un essai spécial en employant un ou plusieurs des compresseurs d'air de l'usine.

Si les compresseurs de l'usine fonctionnent déjà en mode en charge/à vide (un fournisseur de services en compresseurs peut aider à le déterminer), une estimation des fuites peut être réalisée en mesurant les durées en charge et à vide pendant lesquelles le compresseur alimente les fuites. Par exemple, si un compresseur de 100 HP a un débit nominal de 400 pcm et fonctionne en charge pendant 2 minutes et à vide pendant 3 minutes, on estime la charge de fuites en prenant le temps en charge et en le divisant par le temps total de fonctionnement en charge et à vide, soit dans cet exemple 2/5 = 0,4. Ceci signifie que le compresseur fonctionne en charge pendant 40 % du temps. La charge de fuites sera alors de 40 % de 400 pcm soit 160 pcm. Si un autre compresseur fonctionnait en charge pendant ce temps, sa capacité devrait être ajoutée à cette valeur calculée. En général, la capacité de sortie d'un compresseur fonctionnant aux environs de 100 psi sera près de 4 fois la puissance nominale en HP figurant sur sa plaque signalétique.

On peut aussi réaliser cet essai avec des compresseurs régulés par modulation à l'aide d'un indicateur de pression de précision et d'un chronomètre. Comme cet essai provoque d'importantes variations de pression, il est important de déterminer si des équipements critiques vont être affectés.

Si l'usine peut tourner avec un seul compresseur en marche, on réalisera l'essai de fuites en arrêtant le compresseur et en mesurant le temps nécessaire pour que la pression tombe d'une valeur de 10 psi inférieure à la pression normale du système jusqu'à une valeur de 30 psi plus basse (chute de 20 psi). Cet essai est effectué à une faible valeur afin d'éviter une modulation du compresseur au cours l'expérience.

Pour la deuxième partie de l'essai, on remet le compresseur en marche, puis on mesure les durées nécessaires pour que la pression s'élève et atteigne ces deux mêmes valeurs. On répète l'essai à plusieurs reprises en prenant garde de ne pas dépasser 4 démarrages de moteur par heure. Le facteur de charge du compresseur est déterminé en prenant le temps d'élévation de pression et en le divisant par le temps total (chute plus élévation de pression). Comme dans l'exemple qui précède, la charge de fuites est estimée en multipliant ce facteur par le débit de refoulement du compresseur en pcm. Au cas où un second compresseur a été nécessaire pour atteindre la pression voulue, son débit devra être ajouté au total.

Le coût approximatif d'alimentation de ces fuites sous 100 psi peut être déterminé comme suit :

0,2 × pcm de fuite × heures par an × coût du kWh

Le fait de négliger un débit de fuite de 100 pcm coûtera donc environ 0,2 × 100 × 4 250 × 0,10 $ = 8 500 $ par an, pour un tarif moyen de l'électricité de 10 cents le kWh.

Comment repérer les fuites d'air

Les fuites d'air sont très difficiles à voir ou à entendre dans des environnements comportant un bruit de fond important (par ex. ventilateurs ou machines).

Le meilleur moment pour découvrir les fuites d'air est celui des périodes d'arrêt de l'usine, habituellement pendant la nuit ou durant les fins de semaine. Marchez le long du système de distribution d'air comprimé ou sur son périmètre. Arrêtez-vous de temps à autre et tentez d'écouter les fuites. Recherchez les raccords endommagés ou les tuyaux flexibles fissurés. Prenez des notes et faites un croquis de l'emplacement des fuites. Employez des étiquettes pour repérer les emplacements des fuites à réparer. Répétez le processus périodiquement dans le cadre de votre inspection de routine.

Lorsque l'usine est à l'arrêt, on peut souvent entendre les fuites d'air. S'il existe un bruit de fond, vous devrez probablement vous servir d'un détecteur de fuites à ultrasons. Les détecteurs de fuites à ultrasons sont des appareils portatifs qui détectent la présence de fuites d'air grâce à leurs caractéristiques ultrasoniques. Après avoir détecté l'emplacement d'une fuite d'air, on doit appliquer de l'eau savonneuse sur les endroits suspects. La méthode de l'eau savonneuse est très fiable, mais elle exige beaucoup de temps à mettre en œuvre.

Attention : Utilisez toujours des équipements de protection de l'ouïe et de la vue appropriés et respectez les procédures de sécurité adéquates pour la détection des fuites d'air ou le travail en hauteur.

L'expérience a montré que les fuites d'air se produisent le plus souvent aux joints et aux raccordements. La réparation d'une fuite peut consister à simplement resserrer un collier de serrage ou à remplacer l'équipement défectueux tel que :

  • Coupleurs
  • Raccords
  • Sections de tuyauteries
  • Tuyaux flexibles
  • Joints
  • Drains à siphon
  • Embouts servant à minimiser les fuites d'air
  • Tiges de soupape

Prévention des fuites

Voici quelques conseils facilitant dès le départ la prévention des fuites :

  • Installez les raccords correctement en employant, s'il y a lieu, les produits d'étanchéité voulus.
  • Isolez du système de distribution, au moyen d'un robinet, les équipements non utilisés.
  • Lorsque c'est possible, diminuez la pression d'air dans le système. Une plus basse pression différentielle à l'endroit d'une fuite d'air réduit légèrement le débit de fuite, mais ce n'est pas là un remède pour réparer les fuites d'air.
  • Choisissez des accessoires (tuyaux d'air flexibles, tubulures, raccords rapides) de première qualité provenant de fournisseurs reconnus.

Rappelez-vous qu'après réparation des fuites, si l'on souhaite tirer pleinement parti des économies d'énergie, il est souvent nécessaire de rajuster les régulateurs du compresseur.

b. Diminution de la pression de refoulement du compresseur en minimisant les chutes de pression

La pression de refoulement d'un compresseur influe sur son rendement. Dans de rares occasions, il arrive que la pression de refoulement d'un compresseur a été involontairement réglée à une valeur trop élevée sans raison valable. Un simple réglage des points de consigne du compresseur à des valeurs moins élevées va alors permettre de réaliser des économies d'énergie. On devra dans ce cas procéder avec précaution et par petites étapes, de façon à ne pas nuire aux équipements sensibles de l'installation ou de l'usine.

Toutefois, la plupart du temps, la pression de refoulement d'un compresseur est réglée arbitrairement à un niveau élevé afin de compenser les diverses chutes de pression se manifestant dans le système entre le compresseur et les utilisations finales cruciales. Les chutes de pression sont provoquées par les résistances à l'écoulement à l'intérieur du système de tuyauteries et des ses composantes. Une chute de pression trop radicale peut se traduire par un mauvais rendement du système et une consommation d'énergie excessive du compresseur.

Les coûts monétaires et en électricité de la production d'air comprimés sont directement liés à la pression de refoulement du compresseur. La pression de refoulement d'un compresseur est bien souvent réglée à des valeurs de pression plus élevées que celles normalement nécessaires. Voici une règle empirique pour les systèmes fonctionnant dans la gamme des 100 psi : pour chaque accroissement de 2 psi de la pression de refoulement, il faut compter une augmentation approximative de 1 % de la consommation d'énergie au plein débit de sortie. Ce chapitre traite de la question des chutes de pression et explique comment vous pouvez les éliminer ou les minimiser.

Les endroits les plus critiques des chutes de pression sont : refroidisseurs de sortie, filtres, séparateurs d'eau, sécheurs d'air, tuyauteries et clapets antiretour. Tout endroit opposant une résistance à l'écoulement à l'intérieur d'un système d'air comprimé nécessite des pressions de service plus élevées et, par conséquent, une consommation plus importante d'énergie.

En général, un système d'air comprimé convenablement conçu devrait présenter une perte (ou chute) de pression bien inférieure à 10 pour cent de la pression de refoulement du compresseur, cette perte étant mesurée entre le point de refoulement et celui d'utilisation finale.

Méthodes pour minimiser les chutes de pression

La liste qui suit propose quelques méthodes courantes visant à minimiser les chutes de pression dans un système d'air comprimé :

Il est recommandé de choisir les composants des appareils de traitement d'air tels que refroidisseurs de sortie, séparateurs d'humidité, sécheurs d'air et filtres, présentant la chute de pression pratique la plus faible possible dans les conditions de fonctionnement maximales précisées. Une fois les composants installés, on devra respecter et documenter les procédures d'entretien recommandées du fabricant. Voici d'autres conseils pour la gestion des chutes de pression :

  • Entretenir les appareils de filtration et de séchage d'air afin d'amenuiser les effets de l'humidité, comme par exemple la corrosion des tuyauteries.
  • Concevoir correctement le système de distribution en prévoyant des tuyauteries de diamètre approprié et des configurations en boucle lorsque c'est possible.
  • Réduire la longueur des parcours de l'air à travers le système de distribution.

Dans les cas où l'on peut réduire la pression de refoulement du compresseur, on réalisera des économies d'énergie. Avant de diminuer la pression de refoulement d'un compresseur, il est important de vérifier les spécifications des équipements desservis afin de déterminer quelle est la pression minimale nécessaire au bon fonctionnement des outils et autres appareils à air comprimé.

  • Évaluer les niveaux de pression exigés par les diverses utilisations finales. Minimiser la pression du système d'air comprimé pour l'adapter aux spécifications des utilisations finales.
  • Vérifier si la pression de l'air à l'entrée des outils pneumatiques est suffisante. Il n'est pas rare de mesurer des chutes de pression de l'ordre de 30 à 40 psi entre l'embranchement sur le collecteur de distribution et le point d'utilisation. Cette chute de pression est souvent provoquée par des canalisations sous-dimensionnées ou à des raccords à connexion rapide, des filtres, des régulateurs et des dispositifs de lubrification. Des chutes de pression notables sont également courantes dans les tuyaux souples des utilisations finales. Il arrive régulièrement que l'appareil desservi soit alimenté par un long tuyau souple rétractable ou par une série de tuyaux souples. La différence élevée de pression qui en résulte va avoir des effets négatifs sur la puissance transformable en travail utile et va imposer souvent une augmentation des pressions dans le système principal.
  • Étudier chaque point d'utilisation et déterminer celui qui nécessite la pression la plus élevée. Réduire cette pression à la valeur nécessaire au maintien de la fonctionnalité, puis diminuer ensuite la pression générale du système.
  • Spécifier des régulateurs de pression, dispositifs de graissage, tuyaux souples et accessoires de raccordement présentant la pression différentielle la plus faible possible et les meilleures caractéristiques de rendement. Dimensionner les composantes pour les débits réels et non pour les débits moyens.

La pression différentielle des outils alimentés peut être facilement vérifiée en installant simplement un manomètre d'essai que l'on insère à l'aide de raccords rapides dans l'alimentation d'air à proximité de l'utilisation finale. La comparaison de la pression d'air avec ou sans consommation d'air de l'utilisation finale indiquera la pression différentielle.

  • Pour réduire les pressions différentielles, employer des coupleurs de plus grande dimension. Par exemple, pour un même débit, un raccord à connexion rapide de 3/8 de pouce a une pression différentielle six fois moindre qu'un raccord de 1/4 de pouce.

c. Minimisation des besoins énergétiques des points d'utilisation de l'air comprimé

Voici quelques conseils qui vous aideront à minimiser les besoins énergétiques globaux de votre système d'air comprimé.

  • Remplacer les applications finales inadéquates telles que soufflage libre par des modèles plus performants (buses tourbillonnaires, pulvérisateurs).
  • Installer un contrôleur de débit pour réduire la pression d'air dans l'usine et diminuer la demande artificielle qu'entraînent des pressions plus élevées que nécessaire.
  • Arrêter les équipements consommateurs d'air au moyen de robinets électromagnétiques ou de robinets d'arrêt manuels.
  • Éviter de faire fonctionner des outils pneumatiques à vide, car leur consommation d'air est alors plus élevée qu'en charge.
  • Remplacer les outils en mauvais état, car ils exigent fréquemment une pression plus élevée et consomment davantage d'air comprimé que des outils en bon état.
  • Lubrifier les outils pneumatiques selon les recommandations du fabricant. Maintenir l'air employé par toutes les utilisations finales exempt de condensats afin d'optimiser la durée de vie et le rendement de ces outils.
  • Lorsque cela est possible et réalisable, maintenir groupés les équipements d'utilisation finale de l'air ayant des besoins d'air comprimé semblables en termes de pression et de qualité de l'air.

d. Récupération de la chaleur des compresseurs

Environ 80 pour cent de l'énergie électrique consommée par un compresseur d'air industriel est transformée en chaleur. Dans bon nombre d'installations, un dispositif de récupération de la chaleur correctement conçu parvient à récupérer entre 50 et 90 pour cent de cette énergie thermique pour chauffer des locaux et de l'eau. Pour les systèmes d'air comprimé nouveaux ou en cours d'expansion, les possibilités de récupération de chaleur vont influer sur l'emplacement final du compresseur d'air à l'intérieur de l'installation.

Chauffage de l'air

Les compresseurs rotatifs à vis monoblocs constituent des candidats idéals pour la récupération de chaleur aux fins de chauffage des locaux. En général, l'air ambiant est réchauffé lorsqu'il traverse le refroidisseur de sortie et le refroidisseur d'huile du compresseur. Vu que les compresseurs monoblocs sont sous armoire et en général déjà équipés d'échangeurs de chaleur et de ventilateurs, il ne reste qu'à installer des gaines et des ventilateurs CVCA pour extraire la chaleur. Les gaines peuvent inclure un évent commandé par thermostat. L'évent peut envoyer directement l'air réchauffé vers l'extérieur lors des périodes plus chaudes de l'année. En termes d'efficacité énergétique, il est possible d'extraire environ 50 000 Btu de chaleur par heure pour chaque 100 pcnm d'air d'un compresseur fonctionnant à pleine charge.

Il n'est pas rare de pouvoir réchauffer l'air de 15 à 25 °C au-dessus de la température d'entrée de l'air de refroidissement avec un rendement de récupération de chaleur de l'ordre de 80 à 90 pour cent. Il est important de bien comprendre que pour utiliser cette chaleur récupérée, aucun conduit de ventilation de récupération de chaleur ne doit limiter le débit d'air de refroidissement du compresseur. Au cas où un grand système de gaines est installé, on devra utiliser des ventilateurs d'appoint.

Chauffage de l'eau

À l'aide d'un échangeur de chaleur approprié, il est possible d'extraire la chaleur perdue des refroidisseurs d'huile des compresseurs à pistons ou des compresseurs rotatifs à vis à refroidissement par eau du type monobloc. Certains fabricants proposent ces dispositifs en option. Cette chaleur récupérée peut servir à produire de l'eau chaude exploitable dans divers procédés : chauffage central ou systèmes de chaudières, procédés de nettoyage industriel, opérations de placage, pompes à chaleur, buanderies, ou toute autre application nécessitant de l'eau chaude. Les échangeurs de chaleur permettent également de produire à la fois de l'air chaud et de l'eau chaude, et procurent à l'exploitant la possibilité de faire varier dans une certaine mesure le rapport air chaud/eau chaude. La plupart des compresseurs à refroidissement par eau étant de puissance élevée (> 100 HP), la récupération de chaleur pour le chauffage des locaux peut constituer une option intéressante.

En principe, 50 à 60 pour cent de la chaleur des compresseurs peut être pratiquement récupérée pour des applications de chauffage de l'eau. Il est important de bien comprendre que pour utiliser cette chaleur, aucune stratégie de récupération de la chaleur ne doit limiter le débit d'eau de refroidissement du compresseur, sous peine d'entraîner une surchauffe de celui-ci.

e. Mise en œuvre d'un système plus efficace de régulation des compresseurs

L'analyse décrite dans la section intitulée "Dispositifs de régulation des compresseurs et rendement des systèmes" à la page 3 a montré qu'il est possible de réaliser d'importantes économies d'énergie en faisant fonctionner les compresseurs selon des modes de régulation plus performants. On ne devra tenir compte de ces considérations que pour les systèmes dont les compresseurs existants sont aptes à de tels modes de fonctionnement. Les fournisseurs locaux de services en compresseurs peuvent vous aider à améliorer ou à modifier les dispositifs déjà en place de régulation pour un fonctionnement plus efficace.

En matière de régulation des compresseurs, on devra tenir compte des aspects supplémentaires suivants :

  • Pour un rendement énergétique et opérationnel optimal, les systèmes à compresseurs multiples doivent faire appel à des dispositifs ou modes de régulation plus sophistiqués (plages de pression en cascade, régulation supérieure du réseau ou du système) afin de coordonner le fonctionnement des compresseurs et la fourniture de l'air comprimé au système.
  • Il est essentiel de tenir compte du facteur temps dans la conception ou le réglage du système de régulation d'un compresseur. Les compresseurs prennent un certain temps pour démarrer et atteindre leur vitesse nominale, et cela pourrait exiger une capacité de stockage supplémentaire.
  • Les bandes individuelles des plages de pression en cascade doivent être ajustées de temps à autre.
  • Le compresseur "d'appoint" (unité de compensation) devrait être celui qui est le plus apte à fonctionner avec un bon rendement pour des charges partielles.

Installation d'une capacité de stockage

Les réservoirs peuvent contribuer à un fonctionnement plus efficace des systèmes d'air comprimé et faciliter la stabilisation des pressions dans le système, comme on l'a exposé au paragraphe "Réservoirs et stockage de l'air comprimé" à la page 2.

On devra également tenir compte des aspects suivants :

  • Lorsque cela est réalisable, installer les réservoirs aussi près que possible des compresseurs.
  • Pour la plupart des installations comportant des compresseurs rotatifs à vis à régulation de type en charge/à vide, installer des réservoirs d'air d'une capacité de 10 gallons US par pcm de capacité de compresseurs.
  • Lorsque des réservoirs sont exposés à des températures inférieures au point de congélation, des précautions devront être prises pour éviter le gel dans les purgeurs de condensats. Dans certains cas, on devra installer des réservoirs prévus pour des températures plus basses.
  • Choisir un réservoir de capacité légèrement supérieure à ce qui serait normalement nécessaire. Cela ne fera qu'améliorer la stabilité des pressions du système et assurera une meilleure réponse aux demandes intermittentes.
  • Dans le cas où l'air doit être séché, il est parfois avantageux d'installer deux réservoirs, dont l'un en amont et l'autre en aval du séchage.

f. Optimisation des sécheurs d'air

Les sécheurs d'air peuvent consommer des quantités considérables d'air comprimé ou d'énergie électrique; ils présentent souvent des possibilités de marge de réglage effective limitées comme on l'a exposé au paragraphe " Sécheurs d'air " à la page 3. En améliorant le sécheur d'air déjà en place ou en le remplaçant, il est possible d'obtenir de bons résultats au niveau économique. En ce qui concerne les sécheurs, tenir compte des aspects suivants :

  • À l'achat de nouveaux sécheurs d'air à réfrigération, toujours prendre en compte le mode de régulation cyclique pour de meilleures économies d'énergie.
  • Éviter de sécher l'air jusqu'à une valeur du point de rosée inférieure à celle qui est nécessaire pour une application donnée.
  • Pour tous les types de sécheurs à régénération avec matériau déshydratant, employer des contrôleurs de point de rosée à économie d'énergie.

g. Réduction des purges du systèmes

Les purgeurs de condensats sont des endroits où l'on rencontre souvent des pertes d'air comprimé. Envisager de remplacer les purgeurs programmés ou les purgeurs manuels gardés entrouverts par des purgeurs à dépression. Tenir compte des aspects suivants :

  • Lorsque c'est possible, acheter des purgeurs de condensats munis d'un indicateur à niveau visible, qui fournira une indication visuelle en cas de mauvais fonctionnement du purgeur.
  • Tester régulièrement les purgeurs automatiques pour vérifier leur bon fonctionnement.
  • Les tuyauteries doivent comporter une légère pente descendante à partir des compresseurs.
  • Installer les purgeurs au bas des collecteurs principaux afin de permettre aux condensats de s'accumuler et de s'écouler par gravité.
  • Éviter d'employer des robinets de purge manuels.

Achat d'un compresseur plus performant

Une bonne stratégie de gestion de l'énergie peut consister à acheter un nouveau compresseur plus performant en remplacement d'un ancien équipement. L'ancien compresseur peut souvent être conservé en réserve, procurant ainsi une capacité de secours qui améliore la fiabilité du système. Pour l'achat d'un compresseur, tenir compte des aspects suivants :

  • Acheter les compresseurs offrant le rendement énergétique le plus élevé, notamment ceux équipés de moteurs à haut rendement certifiés Premium.
  • Dans les installations comprenant des compresseurs multiples, faire fonctionner les groupes alimentant les charges de base à leur capacité maximale plutôt qu'à charge partielle.
  • Envisager d'acheter et de faire marcher au moins un compresseur à vitesse variable assurant la fourniture d'air correspondant aux variations de débit dépassant la charge de base.
  • L'achat d'un compresseur à deux étages pourra améliorer le rendement du système s'il est utilisé comme compresseur de base.

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