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Économiser l'énergie : un revêtement isolant en céramique

23/01/2019 - Press release , François-Xavier Branthôme - Read in English
« De nouvelles alternatives pour économiser l'énergie dans un environnement industriel à marges limitées »

Les usines de transformation alimentaire commencent à utiliser un revêtement isolant sur les équipements de cuisson, et peuvent à présent économiser plus de 25% de leurs coûts en gaz naturel. Cette « solution » existe depuis près de 25 ans, ayant été inventée par M. Al Beatty, qui travaillait pour une société appelée « Envirotrol ». À la base, il s'agit d'une peinture latex dont la majeure partie du dioxyde de titane et du carbonate de calcium a été retirée et remplacée par des microbilles creuses en céramique. Les couches compactes de microbilles font obstacle au transfert de chaleur rayonnante, un peu comme les couches d'oxyde des revêtements de fenêtres à émissions faibles font obstacle aux rayons infrarouges. Traditionnellement, cette technologie a souvent été considérée comme de la poudre de perlimpinpin, principalement fondée sur des affirmations exagérées d'une plus grande efficience énergétique.

Mais ce matériau isolant ne dépend pas des mêmes caractéristiques que les matériaux isolants traditionnels fondés sur la masse. Les revêtements CIC (ceramic insulation coating, ou couche isolante en céramique) retiennent un certain pourcentage de la chaleur en limitant ou en bloquant l'essentiel du transfert thermique à base de rayonnements infrarouges. Les matériaux traditionnels fondés sur la masse ralentissent le transfert thermique de résistance par « conduction ». Ces deux formes de matériaux présentent des avantages et des inconvénients. La clé est de s'en servir pour leurs avantages et d'éviter leur utilisation là où prévalent leurs inconvénients.
Lorsqu'un revêtement isolant CIC est appliqué en couches fines (12 mils (*) ou 300 microns x 2 couches) et sèche complètement pendant plusieurs heures, des espaces d'air très minces se forment entre les couches, ce qui ralentit le transfert de chaleur par conduction thermique. Cette valeur a été mesurée à 0.1176 W/mK (Watts par mètre-Kelvin, la mesure de conductivité thermique du système SI (Système international d'unités)) avec un revêtement CIC ACS.

La plupart des applications de CIC avec saturation de vapeur utilisent une couche de 2 mm/80 mils pour une performance optimale autour des températures de 220°F/100°C. À des températures plus élevées, une couche de 2.5 à 3 mm/100-120 mils pourrait être préférable. Mais après un certain point, chaque couche additionnelle de CIC ne contribue plus que de manière incrémentielle à ralentir le transfert thermique. Les matériaux traditionnels diminuent aussi en efficacité avec une augmentation de l'épaisseur. Ainsi, ce n'est pas surprenant si le revêtement CIC fonctionne de la même manière. Par contre, il est surprenant que les calculs de la valeur U (**) semblent assigner une valeur de résistance thermique linéaire basée sur l'épaisseur. Il est aussi intéressant de noter que de nombreux opérateurs ne se préoccupent pas de ce qui arrive lorsque l'on tient compte de la teneur en humidité pour évaluer l'efficience conductive.  
Lorsque ce revêtement est appliqué sur des équipements à saturation de vapeur (tuyaux, valves, réservoirs, etc.), un ensemble de couches denses se forme qui permet de bloquer 25% ou plus du transfert thermique. Le revêtement est également suffisamment résistant pour supporter la stérilisation caustique et le rinçage haute pression que les usines de transformation alimentaire utilisent chaque année pour nettoyer leurs installations. La proposition de valeur consiste à pouvoir maintenant isoler des pièces qui ne pouvaient pas précédemment être isolées de manière efficace.

Le matériau permet également une remise financière sur les dépenses en énergie que les deux fournisseurs californiens Pacific Gas & Electric et SoCal Edison accordent aux usines équipées d'isolation CIC. Ces fournisseurs d'énergie accordent une remise de 1 USD par thermie économisé. Il en résulte une économie d'environ 3 000 USD en moyenne par ligne de conditionnement fonctionnant à une température de 200°F (93.3°C). La période de rentabilisation démarre donc dès que l'équipement est mis en fonctionnement. Même sans la remise sur les coûts d'énergie, le retour sur investissement nécessite seulement 130 jours de fonctionnement environ. 
Ingomar Packing, Los Banos, Californie : Les usines de conditionnement alimentaire en Californie qui utilisent la technologie CIC ACS sont éligibles pour des remises sur les coûts énergétiques de la part des fournisseurs PG&E et SoCal Edison. Cette remise vient s'ajouter aux économies énergétiques déjà réalisées de plus de 25%. Au total, les économies réalisées permettent un retour sur investissement sur une période de 18 mois à trois ans. Des équipements qui ont été isolés ainsi à l'usine de transformation de tomates Ingomar comprennent des lignes à vapeur, des lignes de conditionnement et des cuves de produits. Une isolation CIC ACS peut aussi être teintée pour faciliter le codage couleur des différents types d'équipements.

L'efficacité énergétique de 25% a été déterminée par l'ingénieur spécialiste en consommation d'énergie de Del Monte Foods, M. Bill Riker. M. Riker s'est servi de deux tests séparés pour déterminer une valeur d'efficience. Il a commencé par utiliser un test « en parallèle » avec un revêtement pour tuyaux en acier de 2 x 6"/150 mm. L'efficience a été mesurée en installant un piège à vapeur pour collecter le condensat à l'entrée des deux tuyaux, puis en rajoutant un piège à vapeur à la sortie de chaque tuyau pour collecter le condensat et effectuer une comparaison des volumes après refroidissement par immersion dans l'eau. La comparaison lors du premier test a démontré une différence de volume de 24%. Le second test consistait à réaliser une comparaison « avant et après » des volumes de condensats de la vapeur utilisée pour chauffer le réservoir de la machine jusqu'à une température de 90-100°C/200-212°F. Ce test a démontré une différence de 26% du volume de condensat. Pour des systèmes de chauffage à vapeur efficaces, cela signifie un coût en gaz d'environ 25% pour reconvertir le condensat en vapeur. 
Bill Riker a mis au point une modélisation du coût pour déterminer une période de rentabilisation de l'investissement, les thermies économisés, et une NPV (Net Present Value ou « valeur actuelle nette ») pour les applications à saturation de vapeur. Cette modélisation est disponible sur demande. Les utilisateurs peuvent vérifier les variables et appliquer leurs propres coûts opérationnels pour déterminer leur période de rentabilisation de l'investissement. La modélisation de Riker est focalisée sur la possibilité de générer des mesures réalistes basées sur des valeurs réelles. Il s'agit d'une histoire simple et directe.

« Nous disposons de nouvelles alternatives sans précédent pour économiser l'énergie et stériliser des équipements », a expliqué Richard Stratton, le dirigeant de la société. « De plus, les solutions sont évaluées par des tiers, sous la forme des fournisseurs californiens de gaz. […] Économiquement, cela représente un avantage considérable pour les sociétés qui travaillent dans un environnement commercial à marges bénéficiaires réduites. » Certains des plus grands transformateurs californiens de tomates ont adopté ces solutions d'isolation de leurs équipements : Del Monte, Stanislaus, ConAgra, Morning Star, OLAM, Pacific Coast Producers et d'autres ont isolé leurs installations de stérilisation rotative et leur équipement à saturation de vapeur.
« Un bon exemple d'investissement peut être observé chez la société de transformation de tomates Stanislaus Foods, à Modesto en Californie, qui a isolé plus de 28 appareils de stérilisation rotative JBT avec la technologie CIC ACS pour économiser de l'énergie et protéger les employés. PG&E a également proposé une remise pour leur utilisation de CIC. Les valves à vapeur et les nouveaux appareils de stérilisation rotatives ont également été isolés, sur la base des résultats positifs obtenus. »

Stanislaus Foods Modesto : appareils rotatifs de cuisson et de stérilisation et valves pour les lignes d'approvisionnement en vapeur.

Selon la société  JBT Food Tech, fabricant à l'échelle mondiale d'équipements de stérilisation à rotation pour les boîtes de conserves et les bocaux, une couche isolante de 2,5 mm retient près de 28% de la chaleur utilisée dans le process. En raison des procédures agressives de nettoyage des usines de transformation alimentaire, les matériaux traditionnels échouent simplement en raison de l'absorption d'humidité, ce qui contribue ensuite à l'apparition de moisissures et de corrosion sous les couches isolantes.
Au total, en économisant près de 25% de ses coûts en gaz, Stanislaus Foods a certainement augmenté de 12% sa capacité de production et l'a payée grâce à son économie de 25% sur les coûts du gaz. 
 
Quelques données complémentaires
(*): mil = 1/1000 de pouce, c'est-à-dire environ 0,0254 mm.
(**): Le coefficient de transmission thermique, également appelée valeur U, représente la vitesse de transmission de la chaleur (en watts) à travers 1 m² d'une structure, divisée par la différence de température répartie sur la structure. Ce coefficient est exprimé en watts par mètre carré kelvin, W/m²K. Les éléments bien isolés d'une pièce d'équipement présentent une transmission thermique peu élevée, alors que les éléments mal isolés présentent une transmission thermique élevée.

Source : ACS Advanced Coating Solution
 
 
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