Les modifications et mises à niveau isolées ne sont pas d’une grande efficacité en vue de réduire les émissions de gaz à effet de serre de l’industrie. En adoptant les concepts de Industrie 4.0, les fabricants peuvent utiliser de nombreuses techniques pour éliminer les causes d’émission de carbone et de consommation d’énergie excessive. L’ensemble de ces techniques contribue à rendre atteignable l’objectif zéro émission nette. Ankur Tomar, Regional Solutions Marketing Manager chez Farnell, explique pourquoi les matériels tels que des automates programmables, les capteurs, les ordinateurs industriels, et de nombreux autres sous-systèmes doivent être associés pour mettre en place un plan « zéro émission nette » convaincant.
Les émissions mondiales de dioxyde de carbone ont atteint un pic de 36,7 milliards de tonnes en 2019. Poussées par l’expansion économique, les émissions ont été 60% supérieures à ce qu’elles étaient en 1990, et il existe désormais une pression mondiale croissante pour maîtriser ces émissions. L’industrie peut jouer un rôle de premier plan à cet égard, car le dioxyde de carbone produit au cours des processus de fabrication contribue pour une part importante aux émissions mondiales totales. À titre d’exemple, en partie à cause des énormes volumes requis, la production de béton est à elle seule responsable de 8% des émissions annuelles de dioxyde de carbone.
Un certain nombre d’organisations représentant les producteurs industriels se sont engagées à rendre leurs opérations « zéro émission nette » d’ici le milieu du siècle, voire plus tôt. Aux termes de cette doctrine zéro émission nette, l’industrie s’engage à ne produire aucune émission de gaz à effet de serre qui ne soit compensée d’une manière ou d’une autre. En premier lieu, les entreprises peuvent passer à des processus ne produisant pas de gaz à effet de serre. Ou alors, elles peuvent choisir de ne compenser les émissions que dans certaines parties du processus. Cela implique la mise en place de nouvelles méthodes de capture ou d’utilisation du dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre, soit directement, soit par l’achat de crédits carbone auprès d’organismes spécialisés dans la séquestration du carbone.
Consommation d’énergie de la production à l’approvisionnement
Rendre la majorité des industries compatibles zéro émission nette sera difficile, et nécessitera des efforts de chaque maillon de la chaîne d’approvisionnement. Les organisations devront assumer la responsabilité des gaz à effet de serre rejetés dans l’atmosphère à chaque étape de la chaîne, et trouver des moyens de réduire, voire d’éliminer complètement ces émissions. Il existe des opportunités d’économie évidentes, notamment au niveau de la consommation d’énergie, qui est souvent la principale composante des émissions de gaz à effet de serre dans la chaîne d’approvisionnement du secteur de la fabrication. Une certaine consommation d’énergie est inévitable, mais si cette énergie provient de sources renouvelables, il est plus facile d’atteindre l’objectif zéro émission nette.
Bien qu’un thème clé de la production industrielle des dernières années ait été celui de la gestion d’approvisionnement « juste à temps », la prise en compte de l’objectif zéro émission nette peut modifier les calculs de productivité maximale. Si un campus industriel installe un système à grande capacité d’autoproduction basé sur l’éolien ou le solaire, il a le choix d’utiliser intégralement l’énergie qu’il produit, ou d’en vendre une partie au réseau public. Cependant, lors de la vente d’énergie au réseau, un problème clé de la production d’énergie renouvelable est que la production d’énergie est rarement en phase avec la demande. Cela peut conduire à des situations où l’énergie excédentaire ne peut être vendue aux opérateurs de réseaux. Dans ce cas, elle doit être stockée, ou les générateurs doivent être arrêtés temporairement. Par ailleurs, si les processus très énergivores sont accélérés en période d’abondance d’énergie, le fabricant pourra améliorer sa capacité de réduction d’émissions globales de carbone. Mais cela se fera au prix d’une augmentation des encours, qui devront être stockés avant leur utilisation.
Rôles du Cloud et de l’Edge computing
Le fonctionnement des systèmes de commande des processus clés peut être intégré dans une boucle fermée à grande échelle, qui tirera parti de l’énorme puissance de calcul désormais disponible grâce au Cloud et à l’Edge computing (traitement informatique en périphérie). Les serveurs cloud peuvent faire tourner des modèles d’intelligence artificielle (IA) capables d’apprendre à anticiper au mieux les variations énergétiques, et à réagir aux changements météorologiques et environnementaux.
La nécessité de températures élevées dans certains processus très lourds en carbone peut limiter la rapidité de réaction d’un système pour contrer les émissions globales. Cela peut limiter la capacité de réaction aux variations d’approvisionnement énergétique. À tout le moins, le suivi étroit du bouquet énergétique utilisé à tout moment fournit des informations précieuses pour planifier l’utilisation de crédits carbone et de solutions de captage du carbone. Les intégrateurs et les exploitants de systèmes de commande industrielle peuvent mettre en œuvre différentes stratégies pour assurer une transition transparente, des architectures existantes vers une architecture profitant des avantages de l’Edge Computing dans de tels environnements.
Importance de la commande de processus
Il existe de nombreuses autres possibilités d’atteindre plus rapidement le zéro émission nette. La production de ciment en est un bon exemple. La réaction chimique au cœur du processus de fabrication de ciment est responsable de près de la moitié des émissions totales de ce type de production. Bien que l’industrie du ciment ait amélioré son efficacité énergétique au niveau mondial, l’Agence internationale de l’énergie a rapporté en 2021 que les producteurs de certains territoires ne suivaient pas. Les chercheurs qui se sont penchés sur l’origine de cet écart ont conclu que le problème provenait d’un contrôle insuffisant des conditions de réaction pendant la production des principaux composants du ciment. Une commande plus précise des processus permettrait de résoudre le problème et de réduire les émissions de dioxyde de carbone.
Il existe sans aucun doute de nombreuses autres industries où un meilleur contrôle des processus permettrait d’améliorer l’efficacité énergétique globale dans des pourcentages plus ou moins importants. Un contrôle plus strict des processus permet de réduire la chaleur gaspillée et les sous-produits inutiles. Une meilleure prévision des mouvements de matière réduira l’énergie consommée par le transport. L’utilisation de commandes plus efficaces au niveau énergétique s’étend jusqu’aux actionneurs et moteurs individuels. Les moteurs représentent environ 70% de l’énergie totale consommée dans une usine de transformation. Jusqu’à présent, pour la production industrielle, on utilisait surtout des moteurs asynchrones à courant alternatif – relativement inefficaces au plan énergétique – car ils coûtaient moins cher et étaient faciles à entretenir.
Les nouvelles technologies de moteurs offrent à la fois une efficacité électrique bien supérieure et un niveau de contrôle bien plus élevé. Au lieu de laisser tourner un moteur AC pour maintenir un couple élevé disponible, puis de l’engager à la demande grâce à une boîte de vitesses, un moteur synchrone à commande électronique peut être programmé pour ne démarrer qu’en cas de besoin, et fournir exactement le couple et la vitesse dont l’algorithme de commande a besoin. L’utilisation de contrôleurs électroniques et de variateurs de vitesse de fournisseurs comme Eaton ou Maxon, se traduit non seulement par une baisse de consommation électrique, mais aussi par une usure moindre et une diminution de la chaleur produite.
Communication à courte et longue portée
Savoir quand et comment faire fonctionner les machines est un facteur clé pour maximiser l’efficacité énergétique et matérielle. C’est là que les technologies Industrie 4.0 prennent tout leur sens. L’un des points clés de l’architecture Industrie 4.0 est l’utilisation de communications à courte et longue portée, pour permettre aux systèmes de commande locaux de partager des informations. Ces systèmes permettent de garantir que des convoyeurs, par exemple, ne soient actifs que lorsque des produits doivent être déplacés d’un point à un autre, et que les machines puissent s’arrêter lorsqu’elles n’ont pas de pièces à traiter, et inversement, se préparer à démarrer lorsqu’une nouvelle pièce est sur le point d’entrer dans la cellule de production. Les capteurs et les plateformes informatiques largement distribués jouent un rôle clé dans la réception de données provenant de tout l’environnement de production, et aussi dans la prise de décisions, parfois avec l’aide de serveurs distants, sur la base de données reçues en temps réel.
L’utilisation croissante de protocoles sans fil tels que Bluetooth, WiFi et LoRaWAN facilite le déploiement de capteurs là où ils sont le plus utiles, qui viennent enrichir l’instrumentation alimentant les machines existantes et leurs systèmes de pilotage. L’intégration de ces capteurs et de l’assistance Cloud ne nécessite pas de refonte complète des systèmes de commande. Le plus souvent, les automates programmables (PLC) qui pilotent les différentes machines peuvent encore convenir pendant de nombreuses années. Cependant, ils peuvent être épaulés par des ordinateurs industriels, sous forme de modules sur rail DIN, permettant une intégration plus facile au sein des ateliers. Des automates programmables avancés comme ceux fournis par Industrial Shields ou Kunbus permettent de réaliser des mises à niveau plus performantes d’automates existants, si les algorithmes de commande doivent évoluer en sophistication.
Grâce à Ethernet ou à un autre type de connectivité haut-débit, les serveurs Edge sont capables de recevoir les données issues des nombreux automates et systèmes de commande, et d’intégrer ces données dans des modèles avancés assurant une coordination étroite dans toute l’usine, et permettant d’activer et désactiver les différents systèmes à la volée, afin d’éviter tout gaspillage d’énergie.
Capteurs intelligents : des composants essentiels
L’utilisation généralisée de capteurs couplés à des systèmes de surveillance intelligents permet de s’assurer que les machines fonctionnent au maximum de leur productivité, tout en minimisant le gaspillage. Si les systèmes détectent une déviation par rapport aux paramètres de fonctionnement normaux pendant le test et l’inspection, l’équipement responsable peut être mis hors service et contrôlé rapidement. Cela permet d’éviter les rebuts et les reprises qui peuvent impacter négativement les rapports d’émissions, et entraîner des coûts directs pour l’entreprise. Les fabricants peuvent également tirer parti de la maintenance prédictive, non seulement pour s’assurer que les différentes machines et autres systèmes mécaniques fonctionnent à leur productivité maximum, mais aussi pour planifier la maintenance aux périodes correspondant le mieux aux objectifs de réduction des émissions de carbone. Historiquement, la décision de mettre une machine hors ligne était guidée par un modèle de travail traditionnel. Cependant, un programme d’analyse peut désormais très bien déterminer que la meilleure approche consiste à programmer la maintenance lorsque les sources d’énergie bas carbone sont moins disponibles. Les modèles IA basés sur l’expérience peuvent utiliser les nombreux signaux d’entrée issues des systèmes de l’usine, pour déterminer la meilleure marche à suivre.
