Le rôle de l'industrie 4.0 dans l'atteinte de zéro émission nette

Ankur Tomar, directeur régional du marketing des solutions chez Farnell

Les émissions mondiales de dioxyde de carbone ont culminé à 36.700 milliards de tonnes en 2019. Alimentées par l'expansion économique, les émissions étaient 60 % plus élevées qu'en 1990 et il y a maintenant une pression croissante pour les contrôler. L'industrie peut jouer un rôle de premier plan à cet égard, puisque le dioxyde de carbone produit au cours des processus de fabrication contribue pour une part importante à toutes les émissions mondiales. A titre d'exemple, en partie grâce à l'énorme volume nécessaire, la production de béton est à elle seule responsable de 8% des émissions annuelles de dioxyde de carbone.

Plusieurs organisations représentant les producteurs industriels se sont engagées à rendre leurs opérations zéro émission d'ici le milieu du siècle, voire plus tôt. En vertu de la doctrine du zéro net, le secteur s'engage à ne produire aucune émission de gaz à effet de serre qui ne soit compensée d'une manière ou d'une autre. Pour commencer, ils peuvent passer à des processus qui ne produisent pas de gaz à effet de serre, ou ils peuvent choisir de compenser les émissions dans certaines parties du processus. Il s'agirait d'appliquer de nouvelles méthodes pour capter ou utiliser le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre directement ou en achetant des crédits carbone auprès d'organismes spécialisés dans la capture du carbone.

Consommation d'énergie : de la production à l'approvisionnement

Les objectifs pour presque tous les secteurs d'atteindre des émissions nettes nulles seront difficiles et nécessiteront l'attention de chaque partie de la chaîne d'approvisionnement. Les organisations devront assumer la responsabilité des gaz à effet de serre que chaque étape de la chaîne provoque et sont rejetés dans l'atmosphère, ainsi que trouver des moyens de réduire ou même d'éliminer complètement les émissions. Il existe des sources d'économies évidentes, notamment dans la consommation d'énergie, qui est souvent la principale composante des émissions de gaz à effet de serre de la chaîne d'approvisionnement de fabrication. Il est inévitable qu'une certaine quantité d'énergie soit consommée, mais si elle peut être convertie en sources renouvelables, le solde tombera plus facilement à zéro.

Bien que ces dernières années, un problème clé dans la production industrielle ait été la gestion de l'approvisionnement JAT (juste à temps), un solde net nul peut modifier le calcul de l'efficacité maximale. Si un champ de fabrication industrielle installe une grande capacité d'autoproduction basée sur l'énergie éolienne ou solaire, il peut choisir d'utiliser toute l'énergie directement ou d'en vendre une partie au réseau public. Cependant, en vendant de l'électricité au réseau, un problème clé avec la production à partir de sources renouvelables est que la production d'électricité est rarement corrélée à la demande. Cela peut conduire à des situations où l'électricité excédentaire ne peut pas être vendue aux opérateurs de réseau et doit être stockée ou les générateurs temporairement arrêtés. Alternativement, si les processus énergivores augmentent pendant le surplus d'énergie, un fabricant peut améliorer sa capacité à réduire les émissions totales de carbone en échange de travaux en cours supplémentaires qui doivent être stockés avant utilisation.

Le rôle du cloud et de l'edge computing

Le fonctionnement des systèmes de contrôle de processus clés peut être intégré dans une boucle de rétroaction à grande échelle qui tire parti des vastes quantités de puissance de calcul désormais disponibles grâce au cloud et au edge computing. Les serveurs cloud peuvent exécuter des modèles d'intelligence artificielle (IA) qui apprennent à planifier au mieux les changements d'alimentation et à réagir aux conditions météorologiques ou à d'autres changements environnementaux.

Le besoin de températures élevées dans certains des processus les plus intensifs en carbone peut limiter la rapidité avec laquelle tout système peut réagir pour faire une différence dans les émissions mondiales. Cela peut limiter la capacité à répondre aux changements de l'alimentation électrique. A minima, un suivi attentif du mix énergétique utilisé à tout moment fournit des informations précieuses pour planifier l'utilisation des crédits carbone et des solutions de captage du carbone. Les intégrateurs et les opérateurs de contrôle industriel peuvent utiliser plusieurs stratégies pour permettre une transition transparente des architectures existantes vers une architecture qui tire pleinement parti de l'informatique de pointe dans ces environnements.

Importance du contrôle de processus dans les applications

Il existe de nombreuses autres opportunités pour progresser plus rapidement vers des émissions nettes nulles. La production de ciment en est un bon exemple. La réaction chimique centrale du processus de fabrication du ciment est responsable d'environ la moitié des émissions totales de la production. Bien que l'industrie mondiale du ciment ait amélioré son efficacité énergétique, l'Agence internationale de l'énergie a signalé en 2021 que les producteurs de certaines régions ne suivaient pas. Les chercheurs qui ont enquêté sur la source de l'écart ont souligné que le problème était un mauvais contrôle des conditions de réaction lors de la production des composants essentiels du ciment. Un contrôle plus précis des processus résoudrait le problème et offrirait des possibilités de réduire les émissions de dioxyde de carbone.

Sans aucun doute, il existe de nombreuses autres industries où un meilleur contrôle des processus améliorera l'efficacité énergétique globale à différentes échelles. Un contrôle de processus plus strict peut réduire la chaleur perdue ou les sous-produits inutiles. Une meilleure prévision des mouvements de matériaux réduira l'énergie consommée dans le transport. L'utilisation de commandes plus efficaces se résume à des actionneurs et des moteurs individuels. Les moteurs représentent environ 70 % de l'énergie totale consommée dans une usine de transformation. Jusqu'à présent, il était courant d'utiliser des moteurs à courant alternatif asynchrones relativement inefficaces dans la production industrielle car ils ont un coût d'investissement inférieur et sont faciles à entretenir.

Les nouvelles technologies de moteur offrent une efficacité électrique beaucoup plus grande en réduisant les problèmes tels que le patinage, ainsi qu'un niveau de contrôle beaucoup plus élevé. Au lieu d'avoir un moteur à courant alternatif tournant pour maintenir un couple élevé en cas de besoin et engagé via une boîte de vitesses, un moteur synchrone à commande électronique peut être programmé pour fonctionner uniquement lorsque cela est nécessaire avec un couple et une vitesse déterminés par l'algorithme. L'utilisation de contrôleurs électroniques et d'entraînements motorisés de fournisseurs tels qu'Eaton et Maxon signifie non seulement moins de consommation d'électricité, mais aussi moins d'usure et moins de chaleur.

communication courte et longue distance

Savoir quand et comment faire fonctionner les machines est essentiel pour maximiser l'efficacité énergétique et matérielle. C'est là que les technologies de l'industrie 4.0 entrent en scène. Un élément clé de l'architecture de l'industrie 4.0 réside dans l'utilisation de communications à courte et longue portée pour permettre aux systèmes de contrôle locaux de partager des informations. Ces systèmes peuvent garantir que les bandes transporteuses ne sont actives que lorsque le produit doit être déplacé d'un endroit à un autre et que les machines-outils peuvent être éteintes lorsque les composants n'ont pas besoin d'être traités ; et inversement (activer lorsqu'un nouveau composant est sur le point d'être livré à votre cellule de production). Les capteurs et les plates-formes informatiques largement distribuées jouent un rôle essentiel dans la réception des données de l'ensemble de l'environnement de production et dans la prise de décisions, parfois avec l'aide de serveurs distants, en fonction de ce qu'ils perçoivent en temps réel.

L'utilisation croissante de protocoles sans fil tels que Bluetooth, WiFi et LoRaWAN facilite le déploiement des capteurs là où ils sont le plus nécessaires, augmentant l'instrumentation des machines-outils existantes et des systèmes qui les gèrent. L'ajout de ces capteurs et de la prise en charge du cloud ne nécessite pas une refonte complète des systèmes de contrôle. Dans de nombreux cas, les contrôleurs logiques programmables (PLC) qui gèrent chaque machine-outil peuvent être utilisés pendant de nombreuses années. Cependant, ils peuvent être complétés par des ordinateurs industriels qui sont mis en œuvre sous forme de modules sur rail DIN pour permettre leur intégration plus facilement dans les environnements d'usine. Les automates avancés, tels que ceux d'Industriales Shields et de Kunbus, peuvent agir comme des mises à niveau plus performantes des automates existants si les algorithmes de contrôle doivent être plus sophistiqués.

À l'aide d'Ethernet et d'une connectivité à large bande passante similaire, les serveurs de périphérie peuvent prendre les entrées des nombreux automates programmables et systèmes de contrôle et les intégrer dans des modèles avancés qui assurent une coordination étroite sur l'ensemble de l'usine, en allumant et en éteignant les systèmes en déplacement, donc en excès de puissance. n'est pas perdu.

Capteurs intelligents : un composant essentiel

L'utilisation généralisée de capteurs associés à des systèmes de surveillance intelligents offre la possibilité de s'assurer que les machines fonctionnent avec une efficacité maximale et minimisent les déchets. Si les systèmes détectent un écart par rapport aux paramètres de fonctionnement normaux lors des tests et des inspections, l'équipe responsable peut être rapidement mise hors service et révisée. Cela évite le besoin de mise au rebut et de reconditionnement qui, autrement, aurait un impact négatif sur les rapports d'émissions et représenterait un coût direct pour l'entreprise. Les fabricants peuvent également tirer parti de la maintenance prédictive non seulement pour s'assurer que les machines-outils et autres systèmes mécaniques fonctionnent au maximum de leur efficacité, mais aussi pour programmer la maintenance à des moments qui correspondent le mieux à des objectifs tels que les émissions de carbone. Traditionnellement, la décision de mettre les machines hors ligne aurait été guidée par les modes de fonctionnement traditionnels. Cependant, un programme d'analyse peut désormais déterminer que la voie la moins coûteuse consiste à planifier la maintenance lorsque les sources d'énergie à faible émission de carbone sont les moins disponibles. Les modèles d'IA basés sur l'expérience peuvent utiliser les nombreuses entrées des systèmes d'usine pour déterminer la meilleure procédure.

intégration

Un seul changement ou mise à jour ne peut pas faire grand-chose pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de l'industrie. En adoptant l'Industrie 4.0, les fabricants peuvent utiliser de nombreuses techniques différentes pour éliminer les sources d'émissions de carbone et de consommation d'énergie excessives, chacune s'ajoutant à un objectif qui rend le fonctionnement net zéro réalisable. Les distributeurs de composants électroniques spécialisés, tels que Farnell, jouent un rôle clé dans la migration d'une entreprise vers l'industrie 4.0.

Les revendeurs qui offrent une assistance technique peuvent tenir compte de l'infrastructure existante et conseiller les entreprises sur la fourniture de matériel tel que des API avancés, des modules de capteurs, des ordinateurs industriels et de nombreux autres sous-systèmes qui doivent être combinés pour créer un plan efficace de zéro émission nette.