Digitalisation & agroalimentaire : optimiser un système de cogénération d’énergie

Une féculerie asiatique a optimisé le fonctionnement d’une chaudière permettant d’alimenter des turbines de cogénération, destinées à produire simultanément de l’électricité et de la vapeur à partir d’un même combustible. La digitalisation de cette industrie agroalimentaire, suite à la mise en place de la solution METRON et la création d’un jumeau numérique de l’usine pour optimiser les coûts de l'électricité, a permis une économie de 90 000 $ en un an.

Contexte et problématique de la mission

Une usine d’amidon en Asie

L’usine produit de l’amidon pour l’industrie agroalimentaire : amidon modifié, amidon de sucre, etc. Sa facture énergétique avant digitalisation des procédés industriels était de 10,9 millions de dollars pour des consommations d’électricité de 55 000 MWh / an et de charbon de 50 000 t / an.

Pour sa production d’énergie, la féculerie est équipée de :

  • 1 chaudière à charbon ;
  • 2 turbines (l’une à contre-pression, l’autre à condensation) utilisées pour alimenter l’appareil de production en vapeur, et produire de l’électricité.

La vapeur nécessaire aux lignes de production passe par les turbines, et est également produite par la chaudière. En cas de surplus, la vapeur résiduelle est utilisée à 100 % pour générer de l’électricité. Les besoins en électricité non couverts par les turbo-générateurs sont, quant à eux, directement importés du réseau public.

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Électricité interne et externe

  • 55 GWh d’électricité achetée sur le réseau externe ;
  • 25 GWh d’électricité autoproduite par les turbines de l’usine.

L’enjeu majeur de la digitalisation de l’usine agroalimentaire consistait à identifier les variables ayant le plus fort impact sur la consommation de vapeur, et exploiter au maximum la flexibilité des actifs existants. Avec un paramètre important à prendre en compte : l’électricité produite sur le site correspond à un prix fixe, tandis que l’énergie importée du réseau a un coût variable.

Digitaliser et optimiser : le double défi de METRON

Le projet de digitalisation des procédés de cogénération devait répondre à un double objectif : 

  • digitaliser le management de l’énergie sur le périmètre du site (production et utilités), et suivre les KPI en temps réel pour détecter d’éventuelles dérives ;
  • optimiser le mix énergétique entre autoproduction et consommation externe d’électricité issue du réseau, en vue de réduire le coût total des besoins en énergie.

AVANT METRON : une gestion « manuelle » de l’énergie

Pour définir les règles de pilotage, un suivi mensuel était réalisé dans un fichier Excel. Les KPI analysés portaient essentiellement sur la production, avec un suivi des consommations de vapeur au regard de la production et du volume de charbon utilisé.

La production de vapeur était constante, quels que soient les coûts de production et les coûts de l’électricité importée du réseau. La vapeur excédentaire était alors récupérée dans les turbo-générateurs pour production d’électricité.

 

Digitalisation & agroalimentaire : mise en œuvre de la solution METRON

L’implémentation de la solution METRON a duré moins de 4 mois.

Définition de l’architecture et collecte des données

En inter-opération avec les systèmes existants, de nombreuses données énergétiques et des procédés industriels ont pu être collectées grâce à 2 500 indicateurs. Plus de 600 données par seconde ont alors été transférées directement depuis le serveur OPC de l’usine jusqu’à la plateforme METRON. 2 ans d’historique remontant à l’inauguration de la féculerie ont ainsi été récupérés. 

Plus de 100 variables ayant une influence sur la chaudière et les turbines ont été analysées :

  • température de la chaudière,
  • consommation de charbon,
  • flux de vapeur entre les machines,
  • fréquences et vibrations des turbo-générateurs,
  • flux d’air,
  • coûts de l’électricité sur le réseau, etc.

Jumeau numérique : la structuration des données de l’usine

Les données externes et internes sont rassemblées dans une modélisation numérique. Un mapping numérique de la ligne de production est établi pour cartographier les vecteurs énergétiques, les équipements, etc. dans l’usine.

Couplée à l’expertise humaine et à la base de connaissances de l’ontologie METRON, la digitalisation des équipements et la contextualisation de chaque donnée permet de construire le jumeau numérique de l’usine.

Cette étape permet d’automatiser les premières actions et de comparer les performances des équipements par rapport à des scénarios de référence.

Création de tableaux de bord pour monitorer les usages en temps réel

La solution METRON permet de suivre le fonctionnement de l’usine en temps réel :

  • détermination des KPI pertinents pour chaque équipement ;
  • benchmarking automatisé des usages énergétiques ;
  • comparaison des performances multi-sites ;
  • alerte en cas de dérive ;
  • prise en compte des facteurs influents ;
  • gestion de projet ;
  • reporting automatisé ;
  • visualisation des vecteurs d’énergie et contexte pour établir des modèles cohérents.

Grâce à la modélisation du périmètre, et la prise en compte du contrat de fourniture d’énergie, plusieurs actions d’optimisation ont été mises en place. Une règle a notamment été définie pour minimiser, ou maximiser, la production d’électricité générée en interne.

Optimisations en temps réel et suivi

Dans la deuxième phase du projet, des recommandations en temps réel ont été fournies aux opérateurs présents sur site. Les algorithmes utilisent aujourd’hui les données internes et externes transmises à chaque instant pour déterminer un mix électrique optimal au regard de la production attendue.

Si les prix de l’électricité sont élevés avec une demande de vapeur faible, le logiciel suggère par exemple d’utiliser plus d’électricité produite par les turbines à vapeur, dont le coût fixe est inférieur au coût variable de l’électricité sur le réseau.

Dans tous les cas, il appartient au gestionnaire d’énergie et à l’équipe d’exploitation de décider des ajustements identifiés et d’appliquer, ou non, les suggestions d'optimisation.

 

Les résultats obtenus

Les gains obtenus sur le budget énergie s’élèvent à 90 000 dollars par an. Grâce à l’outil d’aide à la décision mis en place, la féculerie peut désormais optimiser le coût de son mix énergétique en temps réel.

Avec un tel système d’Energy Management digitalisé et centralisé, 4 jours-homme sont économisés chaque mois dans la gestion des ressources en énergie. Désormais, les opérateurs présents sur site peuvent se consacrer à des tâches à plus forte valeur ajoutée.

 

L’importance de la culture énergétique

En matière de gestion de l’énergie, la dimension humaine est essentielle – chacun doit être sensibilisé aux enjeux de la culture énergétique pilotée par la donnée. L’approche de management digital de l’énergie en temps réel permet de transmettre la bonne information, au bon moment, et au bon utilisateur. Grâce à des données claires et pertinentes, l’usine est plus transparente aux yeux de tous, ce qui facilite l'implication des équipes.

 

La vue précise et en temps réel de l’appareil de production énergétique de la féculerie permet au personnel de l’usine d’ajuster le fonctionnement de la chaudière et des turbines selon les objectifs de production fixés et la variabilité du marché de l’énergie. En combinant expertise humaine à des algorithmes de Data Science, la plateforme METRON permet de comparer la consommation à un modèle de référence, et donc d’utiliser tout le potentiel de la cogénération en équilibrant les sources internes et externes à chaque instant.

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