Efficacité Énergétique dans les Entrepôts Réfrigérés

La majeure partie de la chaîne d'approvisionnement alimentaire dépend essentiellement des méthodes de stockage. Les entreprises doivent maintenir les aliments au frais et conserver leur qualité lors du transport des produits d'un endroit à un autre. Selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), l'industrie alimentaire est responsable d'environ 22% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et de près de 30% de la consommation énergétique mondiale. Les entrepôts frigorifiques, qui dépendent fortement des sources d'énergie fossile, contribuent de manière significative au changement climatique.

Stockage Réfrigéré et Consommation Énergétique

Les installations de stockage réfrigéré, qui dépendent fortement des sources d'énergie fossile, contribuent de manière significative au changement climatique. Au cours des 25 dernières années, diverses études sur la performance énergétique ont conclu que l'exploitation d'un entrepôt frigorifique industriel de grande taille (environ 100 000 m³) nécessite environ 30 kWh par mètre cube par an (30 kWh/m³/an).

Cependant, la recherche intitulée « Performance énergétique des installations de stockage frigorifique industriel » fournit une référence plus précise. Elle intègre des données issues de l'analyse de plusieurs entrepôts frigorifiques modernes utilisant une gamme variée de stratégies d'économie d'énergie. La nouvelle courbe de performance de meilleure pratique suppose un niveau de consommation énergétique dans les grandes installations représentant environ 15 % à 30 % de la valeur généralement acceptée il y a deux décennies. De plus, les installations peuvent utiliser la Consommation Énergétique Spécifique (SEC), calculée en kWh/m³/an, comme référence pour mesurer la performance du système et comparer le scénario énergétique opérationnel.

Selon la Cold Chain Federation du Royaume-Uni, un entrepôt frigorifique moderne et bien entretenu de 100 000 m³ devrait avoir une consommation énergétique spécifique (SEC) de 10 kWh/m³/an pour le système de réfrigération, tandis que pour un entrepôt de 500 000 m³, la SEC pourrait être inférieure à 5 kWh/m³/an.

Presque chaque étape de la chaîne du froid — des refroidisseurs à air forcé après récolte, aux camions réfrigérés et conteneurs d'expédition, en passant par le stockage industriel réfrigéré — nécessite d'énormes quantités d'énergie pour empêcher les aliments de se gâter. Lorsque ces besoins énergétiques sont satisfaits par des énergies fossiles, l'empreinte des émissions de la chaîne du froid augmente rapidement. En 2018, la réfrigération représentait près de 5% des besoins énergétiques mondiaux, rendant ces technologies responsables à elles seules de 2,5 % des émissions totales cette année-là. De plus, lorsque la demande en combustibles fossiles augmente, les prix des produits ou des marchandises qu'ils stockent augmentent également.

Pourquoi le Stockage Réfrigéré Utilise-t-il autant d'Électricité ?

Pour les dépenses de refroidissement, l'entrepôt réfrigéré typique utilise environ 270 kWh d'électricité par mètre carré.

La forte consommation d'énergie dans les entrepôts réfrigérés peut s'expliquer par des principes thermodynamiques. La chaleur se déplace naturellement des points chauds vers les points froids en raison du mécanisme de diffusion. Si un réfrigérateur est éteint, sa température finira par atteindre l'équilibre avec la température extérieure, ce qui signifie que la température intérieure augmente pour correspondre à la température externe.

Pour éliminer l'air chaud de l'intérieur et maintenir des températures basses à l'intérieur, la technologie de réfrigération nécessite de l'énergie et de la pression. Ce processus implique un flux constant d'énergie électrique pour maintenir un déséquilibre thermique, ce qui est essentiel pour garder les produits stockés au frais. Cette consommation continue d'énergie est la principale raison des coûts élevés d'électricité associés aux industries alimentaires et de réfrigération.

Les systèmes principaux qui impactent l'efficacité énergétique des entrepôts réfrigérés sont les unités de réfrigération, les systèmes de pompage et l'éclairage. Chacun de ces systèmes joue un rôle crucial dans le maintien de la température requise et contribue ainsi de manière significative à la consommation énergétique globale.

Systèmes Réfrigérés

Systèmes de Contrôle

Les systèmes de contrôle en réfrigération varient en complexité, allant de petits contrôleurs logiques programmables à des contrôleurs de systèmes complets. Ces systèmes jouent un rôle crucial dans l'optimisation des différents aspects du cycle de réfrigération et la gestion de divers paramètres pour améliorer l'efficacité énergétique de l'ensemble du système. Une approche consiste à utiliser des contrôleurs logiques programmables localisés, qui ajustent en continu les composants individuels du système de réfrigération pour maximiser l'efficacité.

Alternativement, un système de contrôle centralisé peut être installé pour optimiser l'utilisation de l'énergie à une échelle plus large, améliorant l'efficacité de tout le système. Le contrôle de supervision améliore encore la surveillance en fournissant une gestion complète du système de réfrigération. Dans certains cas, la mise en œuvre du contrôle de pression de tête flottante, qui ajuste la température de condensation en fonction de la température ambiante, peut réduire considérablement la charge du compresseur, offrant une période de retour sur investissement typique d'un an et demi.

De même, l'utilisation du contrôle de pression d'aspiration flottante pour optimiser les points de consigne de pression d’aspiration en fonction des besoins de refroidissement contribue à des améliorations continues de l'efficacité énergétique. D'autres stratégies incluent l'optimisation des points de consigne de température des congélateurs pour augmenter les températures dans les espaces réfrigérés tout en assurant la sécurité des produits et l'incorporation de variateurs de fréquence (VFD) pour les moteurs fonctionnant à des régimes variables ou constants, améliorant l'efficacité globale du système. Ces méthodes contribuent collectivement aux économies d'énergie et favorisent des pratiques de réfrigération durables, avec des périodes de retour sur investissement potentielles aussi courtes que deux ans pour certaines solutions.

Efficacité des Compresseurs

Dans les installations de stockage frigorifique, les compresseurs sont des consommateurs d'énergie notoires, surpassant les autres composants en termes de consommation. Cependant, l'optimisation des performances des compresseurs peut apporter des améliorations significatives à l'efficacité énergétique de la réfrigération. Une approche consiste à réduire le point de consigne de la pression de tête et à maximiser le point de consigne de la pression d’aspiration dans des conditions réalisables. Cet ajustement réduit efficacement le rapport de compression ou la levée, entraînant une diminution de la consommation d'énergie. Une période de retour sur investissement peut être comprise entre un et cinq ans.

De plus, le séquençage de l'opération des compresseurs pour aligner la charge de réfrigération de l'installation sur les différentes conditions de fonctionnement est crucial. L'utilisation d'un ou plusieurs compresseurs à pleine charge et l'incorporation d'un compresseur avec une performance efficace en charge partielle en tant qu'unité d'ajustement peut réduire considérablement la consommation d'énergie.

Une autre stratégie efficace consiste à installer des compresseurs de capacités variées et à utiliser des commandes programmées pour maximiser l'efficacité du séquençage. Dans les systèmes multi-compresseurs, l'utilisation d'un compresseur à piston avec déchargement des cylindres comme unité d'ajustement s'avère avantageuse, car les compresseurs à piston peuvent correspondre de manière étroite aux charges variables par rapport aux compresseurs à vis dépourvus de variateurs de fréquence (VFD). La conversion des compresseurs frigorifiques à piston existants à une stratégie de déchargement des cylindres améliore encore l'efficacité énergétique. De plus, l'ajout de VFD aux compresseurs à vis existants fonctionnant régulièrement en charge partielle, ou en tant qu'unités d'ajustement dans les systèmes multi-compresseurs, peut améliorer l'efficacité. Pour les installations avec des espaces séparés de congélation et de refroidissement, la mise en œuvre d'un cycle de réfrigération en deux étapes, bien que comportant des coûts initiaux plus élevés, s'avère bénéfique. Ce système offre un refroidissement pour deux gammes de températures différentes, améliorant considérablement l'efficacité énergétique de l'ensemble du processus de réfrigération.

Efficacité des Évaporateurs

Les évaporateurs dans les systèmes de réfrigération industrielle sont connus pour leur nature énergivore, mais il existe plusieurs mesures d'efficacité énergétique éprouvées pour optimiser leurs performances. Une méthode efficace consiste à ajuster finement le point de consigne de la pression de succion flottante pour optimiser l'efficacité du compresseur, garantissant ainsi des économies d'énergie. Le nettoyage régulier de la bobine de l'évaporateur améliore l'efficacité du transfert de chaleur et offre une période de retour sur investissement de plusieurs semaines. L'installation de commandes pour passer les ventilateurs d'évaporateur à vitesse constante à un cycle marche/arrêt réduit le temps de fonctionnement des ventilateurs, contribuant ainsi à la conservation de l'énergie.

Une autre approche précieuse est l'installation de variateurs de fréquence (VFD) sur les ventilateurs d'évaporateur dans les espaces réfrigérés avec des charges variables, permettant une optimisation continue de la vitesse du ventilateur en fonction des besoins de réfrigération dynamiques et entraînant une période de retour sur investissement de un à quatre ans. De plus, l'optimisation du réglage de la vitesse minimale pour les ventilateurs d'évaporateur à l'aide du contrôle VFD améliore encore l'efficacité. La réduction de la fréquence et de la durée des cycles de dégivrage programmés au minimum nécessaire garantit un dégivrage adéquat tout en minimisant la consommation d'énergie, en particulier pendant les périodes de températures ambiantes plus basses. Le remplacement des systèmes de dégivrage programmés par des commandes de capteurs pour les évaporateurs réduit la chaleur ajoutée à l'espace de stockage frigorifique, avec une période de retour sur investissement de deux à quatre ans. Le réaménagement avec des évaporateurs haute efficacité qui extraient la chaleur des espaces réfrigérés en utilisant une énergie de ventilateur minimale améliore l'efficacité énergétique globale du système de réfrigération. Opter pour des évaporateurs qui dégivrent à l'eau ou au gaz chaud au lieu de la résistance électrique permet de conserver de l'énergie.

Lorsque les ventilateurs d'évaporateur ont une puissance fractionnée, l'installation d'évaporateurs avec des moteurs commutés électroniquement (EC) s'avère bénéfique. De plus, le remplacement des moteurs de ventilateurs d'évaporateur à pôle ombré existants par des moteurs EC réduit considérablement la consommation d'énergie jusqu'à 65%, avec une période de retour sur investissement typique de un à trois ans. Ces mesures améliorent collectivement l'efficacité énergétique et contribuent à des pratiques de réfrigération industrielle durables.

Systèmes de Condenseur

Les systèmes de condenseur jouent un rôle important dans la consommation d'énergie du stockage frigorifique, et plusieurs stratégies peuvent être mises en œuvre pour améliorer leur efficacité. La programmation des systèmes de contrôle pour optimiser le point de consigne de la pression de tête flottante est une étape cruciale pour minimiser l'utilisation de l'énergie. De plus, l'ajustement du réglage de la vitesse minimale pour les ventilateurs de condenseur et la réduction du point de consigne de la pression de condensation fixe au niveau le plus sûr contribuent aux efforts de conservation de l'énergie. Le nettoyage régulier des surfaces du condenseur améliore l'efficacité du transfert de chaleur, offrant généralement une période de retour sur investissement de un mois à un an.

Le détartrage des tubes de condenseurs refroidis à l'eau améliore le débit d'eau et l'efficacité du transfert de chaleur, optimisant encore les performances. La modernisation des ventilateurs de condenseur avec des variateurs de fréquence (VFD) et la mise en œuvre des commandes associées peuvent optimiser efficacement la vitesse des ventilateurs de condenseur, avec une période de retour sur investissement de un à deux ans. L'installation de commandes marche/arrêt pour les ventilateurs de condenseur à vitesse unique ou de commandes haut/bas/arrêt pour les ventilateurs de condenseur à deux vitesses aide à une opération efficace. L'installation d'un condenseur évaporatif se révèle avantageuse pour améliorer l'efficacité. Une autre option est de considérer l'installation d'un condenseur surdimensionné, ce qui réduit la pression de tête et améliore l'efficacité du compresseur. De plus, la récupération de chaleur du condenseur pour son utilisation dans le système de chauffage glycol maximise encore l'utilisation de l'énergie, créant ainsi une approche complète de l'efficacité énergétique dans les installations de stockage frigorifique.

Systèmes de Pompage

Dans les systèmes de réfrigération, un pompage inefficace et les pertes de chaleur ou de friction dans les tuyaux peuvent entraîner une consommation d'énergie inutile. Pour y remédier, l'intégration de variateurs de fréquence (VFD) dans les pompes à réfrigérant pour des applications nécessitant des débits de fluide variables s'avère très bénéfique. Les VFD permettent aux pompes d'ajuster leur vitesse en fonction des besoins du système, optimisant ainsi la consommation d'énergie et garantissant un fonctionnement efficace. De plus, l'amélioration de l'isolation des tuyaux de réfrigérant permet de minimiser le gain de chaleur du réfrigérant, réduisant ainsi le gaspillage d'énergie. Ces mesures contribuent collectivement à la conservation de l'énergie et favorisent l'efficacité globale des systèmes de réfrigération.

Systèmes d'Éclairage

La mise en œuvre de systèmes d'éclairage à haute efficacité réduit non seulement la consommation d'énergie, mais aussi la chaleur générée, diminuant ainsi la charge sur les systèmes de réfrigération. Une étape efficace consiste à passer à la technologie d'éclairage LED, qui a gagné en popularité dans les installations de stockage frigorifique en raison de son efficacité énergétique inégalée, de ses performances excellentes à basse température et de sa production minimale de chaleur pendant le fonctionnement.

Les LED sont particulièrement avantageuses dans les environnements de congélation et les conditions extrêmement froides où l'éclairage s'allume et s'éteint fréquemment, grâce à leur capacité supérieure de redémarrage à basse température. Une autre option économe en énergie consiste à remplacer les éclairages à décharge à haute intensité par des fluorescents linéaires de type T5 et T8, offrant jusqu'à 50% d'efficacité énergétique supplémentaire et une émission de chaleur nettement inférieure dans les entrepôts . Pour conserver davantage d'énergie, des capteurs de présence peuvent être installés dans les zones utilisées de manière intermittente, réduisant ainsi la consommation d'énergie de l'éclairage jusqu'à 75%.

Le contrôle de l'éclairage par allée, guidé par des capteurs de présence, permet de regrouper efficacement les marchandises en fonction de leur date de stockage et de récupération, minimisant ainsi l'activité et le temps de fonctionnement des lampes. Assurer une couverture optimale des capteurs de présence et des capteurs photoélectriques existants améliore leur efficacité. L'utilisation de capteurs photoélectriques pour éteindre l'éclairage intérieur dans les zones bien éclairées naturellement et l'ajustement de l'éclairage contrôlé par minuterie pour minimiser les heures de fonctionnement contribuent davantage aux économies d'énergie et favorisent des pratiques d'éclairage durables dans les installations de stockage frigorifique.

Conclusion

Optimiser l'efficacité énergétique dans les entrepôts frigorifiques réduit non seulement les coûts, mais aussi l'impact environnemental. Mettre en œuvre des stratégies telles que des systèmes de contrôle avancés, une gestion efficace des compresseurs et des évaporateurs, et un éclairage à haute efficacité peut entraîner des économies d'énergie significatives et des périodes de retour sur investissement rapides. En adoptant ces mesures, les entreprises peuvent améliorer la durabilité de leurs opérations.

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