Pourquoi considérer le boosting électrique pour les fours verriers ?

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Alors que les fours hybrides semblent être une option judicieuse pour les fabricants de verre afin de commencer à réduire les émissions de CO2 et s'éloigner des combustibles fossiles, René Meuleman présente les éléments à prendre en compte lorsque l'on envisage une alimentation électrique et pourquoi la collaboration est une nécessité.

Quelle que soit la manière dont les fours changeront dans un avenir proche, il est clair que les systèmes de contrôle des procédés et de l’alimentation électrique associés devront également s’adapter pour faire fonctionner des systèmes de fusion du verre et de conditionnement plus complexes avec une efficacité maximale. Depuis l’introduction du régulateur PID en 1933, puis les premières alimentations contrôlées par thyristors en 1956 et les premiers systèmes DCS en 1959, aucun développement révolutionnaire n’a fait évoluer la façon dont les fours, les raffineurs et les avant-foyers sont contrôlés.

Bien sûr, les systèmes de contrôle des procédés sont devenus plus puissants, stables et fiables, capables de stocker plus de données et d’exécuter des stratégies de contrôle prédictif de modèles complexes, mais la façon dont ils interagissent avec les opérateurs n’a pas beaucoup changé. Il en va de même pour les contrôleurs de puissance à thyristors qui, même s’ils sont aujourd’hui à commande numérique, sont beaucoup plus précis et équipés de fonctionnalités sophistiquées telles que la commutation automatique des plots du transformateur (LTC) et les stratégies de gestion prédictive des charges (PLM), les méthodes de contrôle de base sont toujours les mêmes.

La conception des fours, en particulier ceux destinés à la fusion du verre, n’a pas beaucoup progressé non plus depuis l’introduction des régénérateurs et de l’oxy-combustible. Mais maintenant, l’industrie doit entrer dans une nouvelle ère de fusion du verre, à commencer par les fabricants de verre conteneur, qui doivent répondre aux demandes des clients et des gouvernements pour réduire considérablement leurs émissions de CO2, souvent dans un délai donné.

De nombreuses options pour réduire l’empreinte carbone de la fabrication du verre sont en cours de recherche et de développement, mais certaines d’entre elles sont déjà disponibles depuis de nombreuses années. La fusion électrique, par exemple, est perçue comme une nouvelle méthode mais c’est une technologie éprouvée qui existe depuis aussi longtemps que les fours régénératifs et la disponibilité de l’énergie électrique. Cependant, la combustion de l’hydrogène a encore besoin de plus d’investigations pour devenir une technologie verte réalisable et il existe des inquiétudes quant à sa disponibilité future et son prix.

Aujourd’hui, il semble que la manière la plus sensée de réduire les émissions de CO2 soit d’augmenter l’utilisation de l’énergie électrique dans la fusion, et de l’associer au gaz naturel (GN) dans une configuration oxy-combustible ; une conception dite de « four hybride ». Cet article se concentrera sur les services autour de ce type de conception, car le gaz naturel pourrait être remplacé par la combustion oxy-hydrogène à un stade ultérieur.

A partir du réseau

En supposant que 80 % de l’énergie d’un four hybride doive provenir de l’énergie électrique, le point le plus important est peut-être que la teneur en énergie électrique devrait passer des 2 MW traditionnels fournis à un système de boosting électrique type aujourd’hui à 12 MW et plus. Il est probable que les systèmes de chauffe d’avant-corps deviendront également électriques et, par conséquent, une unité de four de verre conteneur moyenne devrait avoir une puissance électrique installée de 15 MW ou plus.

La plupart des sites existants ont au moins deux fours en fonctionnement et les sites entièrement nouveaux à four unique semblent être commercialement peu attrayants en raison des frais généraux. Les 30 à 50 MW supplémentaires de puissance électrique qui en résulteraient devraient être installés ou mis à disposition sur les sites existants pour permettre la sortie des énergies fossiles.

Tous les sites n’ont pas cette quantité d’électricité disponible et il peut y avoir des inquiétudes concernant la capacité du réseau local. D’autres considérations sont de savoir s’il existe suffisamment de certificats verts pour couvrir la consommation d’électricité et comment le prix du kWh et les pénalités d’émission peuvent évoluer à l’avenir. Eurotherm by Schneider Electric propose des services d’énergie et de développement durable (ESS) pour aider à répondre à ce type de questions et aider les verriers à prendre les bonnes décisions.

Jusqu’au verre

Dans les fours régénératifs traditionnels avec un boosting électrique supplémentaire, le système de boosting doit déjà être efficace. Mais dans les conceptions de fours hybrides envisagées, il deviendra la principale source d’énergie, ce qui aura un impact majeur sur les OpEx. D’un point de vue de la taille physique, un système de boosting de four traditionnel de 2 MW est relativement facile à gérer. Une version 12MW sera, bien entendu, d’une ampleur beaucoup plus large. Cependant, la taille ne doit pas gêner la flexibilité de positionnement des composants électriques. À cet égard, la stratégie de conception historique d’Eurotherm by Schneider Electric consistant à construire un système électrique totalement exempt d’huile est un grand avantage, en particulier si les puissances nominales augmentent et que les questions de législation et d’assurance deviennent plus strictes.

Au lieu du transformateur traditionnel, imaginez neuf transformateurs à réactance variable remplis d’huile installés à proximité du four, afin de réduire les pertes de bus d’alimentation ou de câble. La solution conçue par Eurotherm utilise des alimentations basées sur des contrôleurs de puissance à thyristors et des transformateurs refroidis par eau, capables d’être positionnées aussi près de leurs électrodes correspondantes que les conditions locales le permettent. La conception sépare également le réseau triphasé entrant en unités d’alimentation monophasées, chaque système monophasé utilisant la technologie de commutation automatique des plots.

single and double phase power control diagrams

Actuellement, Eurotherm travaille avec les principaux fournisseurs de fours pour étudier les meilleures configurations d’électrodes de conduction possibles, car il est important de prendre en compte tous les défis et objectifs des concepteurs d’équipements de fours, y compris l’efficacité de l’énergie électrique et les considérations liées aux CapEx. Du point de vue de l’alimentation électrique, Eurotherm peut assurer le contrôle des systèmes triphasés (triphasé ouvert) mais aussi des systèmes biphasés (utilisant des transformateurs Scott-T) et même monophasés (utilisant du triphasé à sur des transformateurs de conversion monophasés).

À cet égard, en collaboration avec les concepteurs des constructeurs de fours, Eurotherm peut examiner de près les dispositions des câbles ou des jeux de barres. À 12 MW de puissance, les pertes résistives et inductives peuvent causer des problèmes majeurs qui ne peuvent être résolus qu’en intégrant les systèmes d’alimentation dans la conception de la construction du four. Le refroidissement des parois latérales est intégré depuis de nombreuses années dans la charpente métallique du four. Maintenant, une approche similaire est nécessaire pour les lignes électriques et peut-être les transformateurs. Ce n’est pas une tâche facile, mais heureusement, les concepteurs de fours et d’alimentations ont reconnu qu’il existe des chevauchements technologiques qui doivent être évalués pour obtenir la conception de fondoir la plus efficace.

Pouvoir appliquer 12 MW de puissance électrique ou plus à un four augmentera également considérablement le nombre d’électrodes nécessaires. La gestion des profils de température et des courants de convection nécessitera une manière spécifique de gérer la quantité d’énergie électrique fournie à des parties spécifiques du four.

Si la conception de la disposition des différentes électrodes et de la manière dont elles sont tirées les unes contre les autres est une compétence spécifique fournie par les concepteurs de fours, la conception a également un impact sur la résistivité, les courants et les tensions appliqués aux électrodes. Les électrodes de tir placées plus près les unes des autres ont un impact positif sur les pertes résistives et inductives et la disposition du câblage. Mais cela réduit la résistivité entre les électrodes et, par conséquent, augmente la quantité de courant qu’elles doivent supporter pour recevoir la même quantité de puissance, par rapport à si elles étaient positionnées plus loin les unes des autres.

Avec un courant plus élevé, une surface d’électrode accrue est requise. Sinon, cela conduit à une usure accrue de l’électrode. Cela a également un impact sur le diamètre du câble et la conception du transformateur. Cet exemple simple explique comment un seul paramètre de conception du four a un impact sur de nombreuses autres considérations de conception en dehors du four, démontrant comment le fait de réunir toutes les compétences peut conduire à la meilleure conception globale du fondoir. Alternativement, simplifier à l’excès l’alimentation électrique peut diminuer les avantages que le concepteur du four peut être en mesure de fournir.

La pensée traditionnelle, uniquement en termes de systèmes triphasés et de croire que l’énergie est libérée quelque part entre les électrodes, était et est une erreur ! Comme beaucoup de choses, la meilleure solution est souvent un compromis et les opportunités d’amélioration doivent être élaborées via une collaboration sur la conception du four et de l’alimentation électrique.

Une fois la conception décidée, elle aura besoin d’un système de contrôle de processus capable d’aider les opérateurs à gérer les multiples sources d’énergie alimentant le réservoir de fusion. Les modèles de processus qui ont été utilisés au cours de la phase de conception doivent être utilisés pour configurer plusieurs contrôleurs prédictifs de modèle pour gérer l’énergie de combustion et toutes les zones de suralimentation électrique de manière à obtenir la meilleure qualité de verre stable par rapport à la consommation d’énergie. Le partenariat entre CelSian Glass BV et Eurotherm aide les clients à obtenir un contrôle de processus de pointe et une intégration de contrôle avancée, tandis que les compétences combinées en analyse et en apprentissage automatique sont d’une grande valeur pour les développements en cours.

InTouch Situational Awareness Demo Screen

Gérer le réseau

Il existe d’autres défis concernant le passage du gaz naturel à l’électricité. L’un d’eux est le pic de demande de puissance, qui ne s’applique pas au gaz naturel mais à l’électricité, car elle a un impact sur les tarifs du kWh. Il convient de souligner que l’utilisation de la flexibilité du système de boosting électrique pour stabiliser le réseau et obtenir des tarifs plus bas en retour est une technologie éprouvée. Cependant, une fois que la consommation d’énergie électrique augmentera, comme cela se produira dans une conception hybride, l’ajustement de la consommation d’énergie aura un impact sur les tarifs de l’énergie, ainsi que sur la qualité du verre.

Il est donc logique de trouver la plage précise dans laquelle la puissance électrique peut varier, sans impacter la qualité du verre. Ce n’est peut-être pas la priorité la plus élevée pendant la première période d’exploitation d’un nouveau four hybride, mais une fois que les bouteilles sont produites et que la qualité est acceptable, les coûts d’exploitation seront la prochaine discussion. Un logiciel de gestion de l’approvisionnement en énergie est disponible, tel que EcoStruxure Power Monitoring Expert de Schneider Electric, qui est conçu pour aider les installations critiques et énergivores à maximiser la disponibilité et l’efficacité opérationnelle.

Un autre sujet à ne pas sous-estimer est le défi que devra relever le personnel de maintenance en cas de panne d’électricité. Alors qu’un système de boosting ypique de 2 MW peut supporter un fonctionnement à 50 % pendant plusieurs heures en cas de panne d’équipement dans le système, un système de boosting qui doit couvrir 80 % de la capacité de fusion sera beaucoup plus problématique à gérer et aura une impact plus important en cas de perte de puissance. Pour atténuer cela, les conceptions de systèmes de contrôle modulaires avec redondance intégrée, remplacement facile des composants, maintenance prédictive et peut-être même réalité augmentée peuvent améliorer le temps de maintenance et de réparation. Les systèmes Eurotherm disposent de ce type de capacité, y compris un service de pièces de rechange cautionnées sur/hors site dans le cadre d’un contrat de niveau de service pour le remplacement et la réparation rapides des pièces.

Le contrôle de l’alimentation électrique va devenir plus complexe. Par conséquent, il faut reconnaître que la façon dont le système interagit avec l’opérateur doit être simple et facile à gérer. Avec l’augmentation des données provenant du processus, les améliorations de la visualisation telles que les IHM conçues pour améliorer la connaissance de la situation peuvent aider les opérateurs à reconnaître et à agir rapidement sur les paramètres les plus importants. Les opérateurs peuvent également souhaiter conserver leur conception IHM traditionnelle lorsqu’ils ont déjà besoin de comprendre le fonctionnement d’un nouveau type de four. Ce qui est important, c’est que les fournisseurs trouvent la meilleure façon d’utiliser ce qu’ils ont dans leur boîte à outils pour construire la meilleure solution possible pour l’utilisateur.

Conclusion

Le four hybride, le four tout électrique, le four du futur, le fondoir à hydrogène et le fondoir à brûleur immergé peuvent tous ressembler à des conceptions toutes neuves, mais ils ne le sont pas. Tous les mots à la mode en matière d’électricité et de contrôle de procédé dans le texte ci-dessus peuvent également ressembler aux derniers développements, mais ils ne le sont pas. Ce qui est vraiment nouveau, c’est que l’industrie du verre entre dans une nouvelle ère, axée sur la réduction des émissions de carbone à zéro et la réduction des déchets, tout en sécurisant l’avenir des entreprises et en continuant à pouvoir boire des bières fraiches dans des bouteilles en verre.

Tous les concepteurs de fours et sociétés apparentées ont leurs connaissances et leurs capacités de conception spécifiques. Cependant, leurs faiblesses et leurs limites doivent être reconnues et ils doivent tous commencer à s’éloigner de la façon dont les fours ont été conçus au cours des 40 dernières années.

Ce n’est que grâce à une collaboration basée sur la confiance et le respect que l’industrie du verre peut garantir que le verre reste le meilleur matériau d’emballage pour de nombreux produits alimentaires et boissons, tout en ayant le plus faible impact environnemental. Comme toujours, Eurotherm by Schneider Electric collabore déjà et est prêt à fournir la partie alimentation électrique et contrôle de procédé, visant à aider à améliorer le système global « du réseau au verre » dans le cadre de l’installation globale de fabrication de verre.

A propos de l’auteur :

Remerciements particuliers à notre ancien collègue René Meuleman, Global Glass Manager, pour avoir rédigé le contenu original de cet article.

La version complète de cet article est parue dans le numéro de septembre/octobre 2020 de Glass Worldwide aux côtés d’une large sélection croisée d’éditoriaux qui aident dans tous les domaines de la production et du traitement.

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