Enquête : comment optimiser la consommation d’énergie dans les salles propres ?

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Les salles propres et environnements maîtrisés apparentés sont utilisés par de nombreux secteurs d’activité où une atmosphère contrôlée est nécessaire. De par les exigences et les équipements associés (ventilateurs, pompes, filtres, etc.), la consommation d’énergie est loin d’être négligeable. Comment répondre à l’approche industrielle d’optimisation énergétique ?

De nombreux secteurs de l’économie doivent lutter contre la contamination physique ou microbienne dans leur processus de fabrication comme ceux de l’informatique (salles de serveurs), de la micro-électronique (pistes conductrices des microprocesseurs en nm), de l’industrie pharmaceutique ou médicale (environnement stérile), de l’agro-alimentaire (opérations de découpe et/ou d’emballage) ou de l’aérospatial (micro-mécanique, nano-technologies, etc.). Cette faible contamination est obtenue en isolant de l’atmosphère ambiante dans des locaux appropriés certaines étapes de production ou certaines opérations.
Les “salles propres”, comme elles sont appelées, font l’objet d’une classification en fonction du nombre de particules en suspension. La norme à plusieurs volets ISO 14644-n définit cette classification (voir tableau simplifié). Elle précise aussi certaines exigences, comme les méthodes d’essai, la conception, l’exploitation ou l’efficacité énergétique (14644-16). La norme ISO 14698-n s’applique au domaine médical ou pharmaceutique avec la maîtrise de la bio-contamination à laquelle s’ajoutent les BPF européennes (Bonnes pratiques de fabrication).

  • Paramètres des consommations

Les paramètres qui influent sur la consommation d’énergie sont les critères principaux de conception ou de fonctionnement d’une salle propre. En dehors de la concentration de particules en suspension, on trouve la température, le taux d’humidité et la pression (salle en surpression ou en dépression). Les équipements utilisés pour répondre à ces contraintes comme les filtres, les ventilateurs, le contrôle de température et d’hygrométrie et les pompes vont principalement dépendre de facteurs comme les dimensions, la classe visée, les équipements de contrôle des paramètres environnementaux et le type d’exploitation (2 x 8 h ou 3 x 8 h ; présence de personnels ou de robots). Les équipements de production ou de service connexes, comme dans un hôpital par exemple, vont aussi influencer la consommation d’énergie par le dégagement de chaleur, la contamination par les matériaux utilisés… D’où parfois des situations complexes. Cela confine même parfois au gigantisme. Sur le site de Sony à Kumamoto (Japon), où sont produits chaque jour plus de 4 millions de capteurs pour équipements numériques, une salle propre de classe 1000/ISO 6 et une autre avec des mini-environnements de classe 1/ISO 3 avec les équipements annexes, occupent les 7 étages de l’immeuble ! La société allemande OHB System AG, spécialisée dans la construction de satellites possède plusieurs sites avec des salles propres. À Brème, l’assemblage des satellites Galileo se fait dans une salle de 1 600 m2 dont 1 200 m2 de classe ISO 8, avec une hauteur de 10 m. Près de Munich, un complexe de R&D comporte deux salles propres, une de classe ISO 8 (300 m2 et 7 m de hauteur) et une de classe 5 (flux laminaire, 150 m2 et 4,5 m de hauteur utile), régulées en température et humidité.

Des recommandations existent pour maîtriser les consommations d’énergie. La norme ISO 50001 qui permet de cadrer le système de management de l’énergie (SMÉ) est bien sûr à prendre en compte. En Angleterre, le BSI a introduit en 2013 le «Code de bonne pratique de management de l’énergie des salles blanches», BS 8568, utilisable pour la conception et l’exploitation en identifiant concrètement une stratégie. En France, l’association Aspec (Association pour la prévention et l’étude de la contamination) a édité fin 2016 un guide Performance énergétique en ambiances propres (1), en partenariat avec l’Ademe et EDF. Ces deux derniers acteurs ont d’ailleurs commandité une nouvelle étude au Ceren sur la consommation énergétique des salles propres : leur profil énergétique et leur gisement d’économies d’énergie vont être estimés dans l’industrie et le tertiaire.

  • Premier paramètre : la filtration

Un datacenter de 500 m2 mobilisant une capacité totale de 1,13 MW utilise 430 kW pour la filtration et le refroidissement. Pour la fabrication de semi-conducteurs, le maintien des paramètres environnementaux peut représenter jusqu’à 60 % de la consommation d’énergie. Les consommations sont très variables : de l’usine de fabrication de circuits intégrés ou de microprocesseurs de la taille d’un immeuble au bloc opératoire, les valeurs (exprimées généralement en kW/m2) peuvent varier de plusieurs ordres de magnitude. Selon les sources, les consommations sont estimées entre 0,5 (ISO 8) et 1 kW/m2 (ISO 5) ou peuvent monter à plus de 2,4 kW/m2 pour la classe 4/5 dans les secteurs électroniques ou mécaniques. Si le critère final est la consommation d’énergie, son optimisation repose sur la mesure de la consommation des différents composants, d’où l’importance d’avoir installés des capteurs (voir Énergie Plus n° 582).

Les pistes à explorer pour une réduction de la consommation sont nombreuses et couvrent les paramètres principaux : l’air doit être purifié, chauffé (ou refroidi), humidifié (ou séché), régulé en pression et éventuellement décontaminé (microbes, virus, etc.). Le taux de renouvellement horaire (brassage) de cet air va dépendre de nombreux facteurs dont le volume de la salle, la pression, l’extraction éventuelle de chaleur… Si le degré de décontamination le plus élevé n’est pas nécessaire dans tout le volume, des mini-environnements sous forme de sorbonnes permettent d’avoir une zone spécifique répondant aux critères de contamination les plus sévères.
Le paramètre principal, la filtration, met en jeu les filtres de type HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter jusqu’à 0,3 μm) ou ULPA (Ultra Low Penetration Air Filter), ainsi que les ventilateurs (axial, centrifuge ou roue libre) et les conduits ou gaines. Filtres et conduits entraînent des pertes de charge augmentant la consommation des moteurs...

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Lire la suite dans Energie Plus 602 du 15 mars 2018
 

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