IOT et industrie : Impact sur l'énergie grâce à la fabrication intelligente

Sommaire

CESMII, le Smart Manufacturing Institute, se concentre sur la fabrication intelligente pour réussir dans nos mandats de stimulation de l'innovation et d'améliorer l'utilisation de l'énergie. Mais comment l'énergie est-elle utilisée aujourd'hui? Combien est gaspillé? À quoi cela ressemble-t-il dans le monde? Et le plus important, que fait le CESMII pour aider?

Impact sur l'énergie grâce à la fabrication intelligente

Contexte: l'énergie dans la fabrication

CESMII est le Smart Manufacturing Institute, financé par le Département américain de l'énergie pour soutenir l'énergie propre, la fabrication intelligente et l'innovation. Un institut axé sur la fabrication intelligente assurera le succès de nos mandats visant à stimuler l'innovation et à améliorer l'utilisation de l'énergie. Mais comment l'énergie est-elle utilisée aujourd'hui? Combien est gaspillé? À quoi cela ressemble-t-il dans le monde? Et le plus important, que fait le CESMII pour aider? Telles sont les questions auxquelles répond ce livre blanc.

Considérer l'énergie est un ingrédient de chaque produit

L'énergie est au cœur de toutes les fabrications, des produits et des processus. Il est nécessaire d'obtenir des matières premières, de convertir les matières premières en produits finis par le biais de processus de fabrication, de transporter et de stocker des matériaux et des produits et de livrer les produits finis au client. En fait, l'énergie, si l'on considère l'ensemble de l'écosystème, peut être un ingrédient très important dans la production de pratiquement tous les produits. CESMII propose une vidéo avec un conférencier de General Mills, expliquant la composante énergétique de leurs produits (note 1).

NIST – l'Institut national des normes et de la technologie, a élaboré une norme. L'illustration suivante de la norme ASTM E3012-16, exprime la transformation d'un processus de fabrication en fonction de l'énergie, des matériaux et des informations. L'amélioration de l'efficacité et la réduction des déchets dans la fabrication réduisent également l'utilisation d'énergie et de matériaux. (note 2)

L'utilisation de l'énergie

Selon une publication du laboratoire Lawrence Livermore en 2018, environ 23% de l'énergie produite est utilisée à des fins industrielles. Sur ce total, 49,0% sont destinés aux services énergétiques réels, tandis que 51% sont gaspillés. Dans le domaine des transports (en partie axé sur la chaîne d'approvisionnement), 79,1% de l'énergie est gaspillée. (note 3)
Alors que les États-Unis et l'Europe ont largement plafonné leur consommation d'énergie, voire baissé ces dernières années, les pays du deuxième et du tiers monde consomment de plus en plus d'énergie à mesure qu'ils produisent plus de produits et améliorent leur niveau de vie. La région Asie-Pacifique est en passe de consommer plus d'énergie que le reste des continents réunis. (note 4) La consommation d'énergie industrielle des États-Unis varie considérablement selon l'industrie et est largement consommée dans la production de matières premières; produits chimiques en vrac (29%), raffinage (18%), mines (11%), construction (7%), papier (6%), fer – acier – aluminium (6%), etc. (note 5)

Avec autant d'énergie utilisée dans la production de matières premières et de produits finis, à l'échelle mondiale, il est clair que les améliorations des équipements et des systèmes utilisés dans l'automatisation peuvent avoir un impact significatif sur la consommation d'énergie. Les processus de fabrication reposent sur une gamme complexe de systèmes d'automatisation industrielle manuels et automatisés. Ces systèmes ont un impact sur la productivité, la précision et les performances du processus de fabrication, ce qui a également un impact sur la consommation d'énergie.

Une analyse de l'impact économique menée par PNNL et CESMII décrit la consommation d'énergie dans les principaux secteurs verticaux de l'industrie – pâte et papier, fer et acier, produits chimiques, raffinage du pétrole, agro-alimentaire. Plus important encore, il met en évidence les gains d'amélioration immédiats dans ces (et d'autres) secteurs verticaux de l'industrie grâce aux technologies de fabrication intelligente telles que la détection, le contrôle, la modélisation prédictive, le diagnostic, la surveillance, etc. Le gain d'amélioration varie d'aussi peu que 5% à autant que 30%. (note 6)
L'effort du CESMII pour avoir un impact sur la consommation d'énergie et la productivité énergétique:

CESMII – Les objectifs et les paramètres du Smart Manufacturing Institute incluent un accent important sur l'amélioration de la consommation d'énergie et de la productivité énergétique grâce à la fabrication intelligente. Ces objectifs comprennent le doublement des gains de productivité énergétique dans le secteur de la fabrication aux États-Unis en 10 ans et une amélioration de 15% de l'efficacité énergétique dans les bancs d'essai industriels les plus performants en 5 ans. La mise en œuvre de la fabrication intelligente peut entraîner des économies d'énergie grâce à un meilleur contrôle des processus, une réduction des rebuts, une réduction des temps d'arrêt et une augmentation des performances et de la productivité.

CESMII atteint ces objectifs grâce à un certain nombre d'initiatives:

Formation et développement de la main-d'œuvre pour offrir une compréhension de la fabrication intelligente

Permettre l'échange d'informations via la mise en réseau de groupes de pairs

Cofinancer la recherche pour résoudre les défis de l'industrie qui entraîneront d'importantes économies d'énergie

Fournir une technologie permettant le déploiement de solutions à grande échelle

Des projets de recherche qui permettent des économies d'énergie

Afin de démontrer l'impact de la fabrication intelligente sur la consommation d'énergie et la productivité énergétique, CESMII a lancé un portefeuille de projets en 2019 qui concernent plusieurs secteurs verticaux à forte intensité énergétique, notamment l'acier, la chimie, le ciment, l'alimentation et l'aérospatiale.

Ces projets sont listés ci-dessous:

Honeywell et ses partenaires développeront des technologies de modélisation des données, d'apprentissage automatique et d'analyse centrée sur les données afin d'améliorer la qualité et la productivité des flux de fabrication additive aérospatiale.

ThinkIQ créera une nouvelle technologie de modélisation et d'analyse des données pour déduire la consommation d'énergie et optimiser la consommation d'énergie dans les installations de General Mills sans utiliser de capteurs ou de compteurs coûteux.

Texas A&M développera des outils de modélisation Smart Manufacturing (SM) pour prédire et optimiser les performances des unités de séparation d'air cryogénique à Praxair, ce qui entraînera une amélioration de la consommation d'énergie.

UCONN travaillera avec UTRC et J&J pour développer des solutions SM basées sur l'ingénierie des systèmes afin de permettre une amélioration de l'efficacité énergétique dans l'usinage de précision et la fabrication hybride de métaux / alliages.

ArcelorMittal et ses partenaires développeront la détection et la modélisation prédictive pour améliorer la qualité des brames d'acier et la productivité du processus de coulée continue afin de réduire l'intensité énergétique globale.

L'Université de Louisville intégrera des systèmes modernes de surveillance, de simulation et de contrôle de processus qui optimiseront la consommation d'énergie dans le processus de fabrication du ciment à Argos en abaissant la température du four.

Virginia Tech et ses partenaires développeront une surveillance et des contrôles de processus automatisés pour améliorer l'efficacité énergétique dans un processus de fabrication de freins à forte intensité thermique dans les installations d'Honeywell

Impact potentiel de projets spécifiques:

ArcelorMittal (Acier): Une petite économie de 0,2% de rendement (grâce à la réduction des défauts) équivaut à une économie annuelle de 90 millions de dollars pour l'ensemble de l'industrie sidérurgique américaine (plus une énorme économie d'énergie de 2,68 PJ par an équivalant à environ 22 millions de gallons) d'économies de gaz, suffisamment pour alimenter environ 70 000 foyers américains typiques pendant un an). Pour l’industrie sidérurgique, les outils de maintenance prédictive à eux seuls pourraient permettre d’économiser au moins 2 millions de dollars par toron de coulée par an (il existe des centaines de torons aux États-Unis) "

Honeywell (Metal Additive Manufacturing): 5% d'économies d'énergie peuvent être dérivées de l'amélioration du rendement, de la réduction du transport et des économies d'énergie par rapport aux procédés traditionnels de moulage et de forgeage. Les rendements actuels du traitement des métaux AM sont au mieux de 90%. Le développement réussi des capteurs, de la surveillance et de l'analyse des données aidera à améliorer le rendement à 95% en réduisant la consommation d'énergie globale de 5%.

ThinkIQ / General Mills: Permettre à General Mills d'atteindre son objectif de réduction de 2% (gaz et électricité) dans chacune des 2 installations.

Université de Louisville / Argos: La réduction des températures de fonctionnement typiques à elle seule réduira la consommation d'énergie de 20%. Une meilleure prédiction de l'état de la matière première grâce à des modèles de matériaux calibrés permettra également une réduction des temps de séjour au four entraînant une réduction similaire de 20% de la consommation d'énergie par tonne de ciment.

Texas A & M / Linde: Pour une grande entreprise (Praxair / Linde), une augmentation de 1% de l'efficacité opérationnelle peut entraîner des économies allant jusqu'à 10 millions de dollars / an.

UCONN / J & J / UTC: une réduction de 25% de la consommation d'énergie, des coûts d'exploitation et des temps d'arrêt se traduirait par environ 55 millions de dollars d'économies annuelles sur la base de fabrication de J&J. Une réduction de 50% de la consommation d'énergie de fabrication dans les installations de fabrication UTC non optimisées.

Virginia Tech / Honeywell: 20% d'économies d'énergie pour la fabrication de freins en composite carbone-carbone dans une seule installation aérospatiale économise 294 TW par an. 15% de réduction de la consommation d'énergie grâce à la surveillance et au contrôle automatisés des processus chez Honeywell.

Le CESMII lancera également les projets suivants fin 2020, traitant directement et indirectement de l'énergie.

Projets 2020:

L'Université Auburn et Rayonier Advanced Materials développeront un capteur souple et un contrôle prédictif pour l'utilisation d'agent anti-mousse, le débit d'eau de lavage et la qualité de la pâte dans la fabrication du papier à l'aide de l'analyse statistique des modèles et de l'apprentissage automatique.

Honeywell, Virginia Tech, Bodycote et Seco-Warwick développeront de nouvelles méthodes de capteurs, de surveillance et d'analyse des données et les appliqueront à trois processus thermiques pertinents sur le plan industriel.

Rutgers, l'Université d'État du New Jersey et Janssen Pharmaceuticals développeront des modèles de processus avancés, des capteurs et une architecture d'intégration de données qui seront démontrés sur la granulation humide, le séchage et le broyage dans les processus de fabrication pharmaceutique.

UTRC, Purdue University et le Connecticut Center for Advanced Technology Inc. développeront un cadre de simulation et de test pour déterminer la faisabilité de l'utilisation des ultrasons pour atténuer les défauts de taches blanches sales dans les pièces de turbine forgées IN 718 dans le processus de refusion à l'arc sous vide.

L'Université de Virginie-Occidentale, l'Université de Buffalo et l'Indiana Technology and Manufacturing Companies (ITAMCO) développeront et testeront une modélisation hybride pour des processus de meulage écoénergétiques pour la fabrication d'engrenages en collaboration avec les partenaires industriels.

Atteindre vos objectifs de réduction d'énergie

Il est clair que l’amélioration des technologies et des techniques de fabrication entraînera d’importantes économies d’énergie. Tels ont toujours été les objectifs de l'IOT, de l'IIOT, de l'industrie 4.0 et de la fabrication intelligente. Cependant, pour atteindre et maximiser ces gains, le marché doit se concentrer sur un large éventail d'initiatives, notamment l'éducation et le développement de la main-d'œuvre, le réseautage avec des groupes de pairs, l'exploitation des résultats de la recherche avancée et la sélection des technologies appropriées pour accélérer le déploiement des solutions. C'est là qu'intervient le CESMII – The Smart Manufacturing Institute. L'adhésion au CESMII devrait être votre première étape pour permettre à votre organisation d'atteindre les objectifs de la fabrication intelligente et tous les avantages qui y sont associés.

Références

L'énergie est un ingrédient – Exemple de présentation vidéo de General Mills

Norme NIST pour la capture de toutes les variables ayant un impact sur un processus de fabrication

Répartition de l'énergie aux États-Unis

Consommation d'énergie par continent

Consommation d'énergie par l'industrie

Jim Davis – UCLA – Livre blanc sur les économies d'énergie

A propos de l'auteur

Roy Kok, directeur marketing de CESMII, a plus de 30 ans d'expérience dans l'automatisation industrielle allant à la fois du matériel et des logiciels. Ses domaines d'expertise comprennent l'acquisition de données, les API, l'IHM / SCADA, les historiens et les solutions d'analyse dans toutes les industries verticales. Il a travaillé avec la principale société d'études de marché pour l'industrie et a occupé des postes d'évangéliste pour les principales sociétés de produits et organisations de normalisation. Au cours des dernières années, Roy a occupé des postes de marketing qui lui ont permis d'avoir une visibilité sur tous les fournisseurs de produits et les marchés verticaux. Il apportera une perspective extrêmement large des besoins de l'industrie et positionnera CESMII comme la solution claire pour améliorer la compétitivité de la fabrication aux États-Unis.Haresh Malkani, directeur de la technologie au CESMII, apporte plus de 29 ans d'expérience dans un environnement de RD&E industriel couvrant le développement et le déploiement de technologies de fabrication intelligente, y compris la détection, l'automatisation, le contrôle, la modélisation, la simulation et l'analyse pour des applications dans des opérations de fabrication continues, hybrides et discrètes. Haresh arrive au CESMII après une carrière réussie chez Alcoa / Arconic. Il était plus récemment directeur, Technologies de fabrication et d'automatisation numériques. Dans ce rôle, Haresh était responsable du développement de la stratégie de fabrication intelligente et du déploiement de solutions qui ont généré une productivité de plus de 40 millions de dollars par an. Son expertise en modélisation, simulation, détection avancée, automatisation, analyse et visualisation a été la clé du développement de la stratégie technique, de l'architecture et de l'approche. Haresh a une histoire réussie de projets de développement de contrôle basé sur des modèles pour plusieurs opérations unitaires chez Alcoa.

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