Le Lab CRIGEN d’ENGIE vise la performance opérationnelle des actifs énergétiques pour une décarbonation de l’industrie

Par la création d’un jumeau numérique de simulation multiphysique 3D d’un four industriel, connecté en temps réel à la plateforme IoT ThingWorx de PTC, et exploité par une solution de réalité mixte, le Lab CRIGEN d’ENGIE a cherché à optimiser le pilotage d’un actif industriel lors de sa conversion à l’hydrogène. À l’heure de la transition énergétique, les enjeux soulevés par la gestion des actifs industriels sont aussi ceux de l’excellence opérationnelle.

Vers des actifs industriels décarbonés

Pour atteindre la transition zéro carbone, les actifs industriels devront s'adapter aux différentes sources d'énergie, tout en garantissant performance et efficacité. Ces attentes conduisent à un double objectif : concevoir et exploiter des actifs, tels que les chaudières, les brûleurs et les fours, de plus en plus complexes ; rendre les actifs historiques aussi performants que ceux récemment intégrés au parc industriel, tout au long de leur vie. De tels défis peuvent être relevés grâce à des percées technologiques qui effacent les frontières entre les mondes physique et virtuel, de la conception jusqu'aux phases opérationnelles.

Amener à maturité les technologies de demain en visant l’objectif des 100 % de gaz verts et améliorer les performances des unités d’ENGIE grâce aux outils numériques. Deux missions. Deux gageures. Mais nul doute que les défis gagnent à être conjointement pensés. Ainsi, le Lab CRIGEN a su s’entourer de partenaires experts, tels que ANSYS, SYNERGIZ et PTC, pour développer le jumeau numérique d’un four industriel, collecter et exploiter les données issues de cet actif connecté. ThingWorx, la plateforme IoT de PTC, a fièrement épaulé le challenge.

La vocation du Lab CRIGEN d’ENGIE : anticiper et proposer

Basé à Stains depuis 2020, le Lab CRIGEN d’ENGIE consacre une partie de ses missions à anticiper et accompagner les évolutions industrielles de l’énergéticien ENGIE en s'avançant dans la connaissance des technologies de pointe et l’exploitation fine des actifs énergétiques. Spécialisé dans les nouvelles sources d’énergie, dans leurs usages et dans leurs impacts, ce laboratoire mène des projets de recherche autour des ressources énergétiques liées au gaz et met en œuvre des projets novateurs pour stimuler et accélérer la transition énergétique.

Guy-Alexandre GRANDIN, Responsable Adjoint du Lab dédié à la gestion de projets innovants susceptibles d’être déployés à grande échelle commente : « montrer les champs des possibles et expliquer comment faire pour les réaliser font partie des missions du Lab CRIGEN. Ainsi, le Lab CRIGEN apporte des réponses techniques et propose des cas d’usage innovants aux différentes entités du groupe. En pratique, cela suppose de développer des POC (proof of concept), afin d’une part, de monter en compétence sur la maîtrise des dernières technologies du marché et, d’autre part, de se projeter pour anticiper et proposer ».

S’appuyer sur le jumeau numérique d’un four industriel

Partant du principe qu’un four industriel pouvait être un support expérimental de choix pour reproduire numériquement la conversion à l’hydrogène des installations industrielles dont le cœur du procédé est la combustion, le Lab CRIGEN décide d’étudier son comportement physique et dynamique en temps réel par la simulation numérique multiphysique 3D.

Un four, qu’il soit industriel ou non, est un outil utilisé pour élever la température d’un produit en lui transférant de l’énergie. Dans le cas du four industriel utilisé pour le projet, l’énergie est apportée par la combustion d’un mélange gazeux introduit par un brûleur. Selon les usages projetés, des paramètres font varier le procédé : type de paroi du four, volume du caisson, quantité d’énergie à disposition, type du brûleur, etc.

Bien que commune à bien des procédés industriels, la combustion est le lieu de réactions chimiques complexes, qu’il est nécessaire de comprendre pour être précisément contrôlées, notamment à l’heure où sont envisagés des mélanges de gaz constitués de ressources énergétiques variées. Quel autre recours, alors, que la transformation digitale pour accompagner la stratégie industrielle d’un énergéticien comme ENGIE ? Cette convergence entre les objets physiques et les ressources virtuelles illustre parfaitement le développement de l’industrie 4.0.

Du four vers d’autres actifs énergétiques

Si, par le fait d’être connecté, la maîtrise intégrale du fonctionnement complexe d’un four s’avérait possible, alors le principe pourrait être appliqué à bien d’autres dispositifs : l’éolienne, la chaudière biomasse, l’électrolyseur, etc. Ainsi, le four valait ici prétexte. Il était au fond une occasion de concevoir un outil de pilotage d’un procédé complexe, à partir du jumeau numérique d’un actif énergétique connecté en temps réel en vue d’améliorer son efficience opérationnelle.

Dès lors, on serait en capacité :

• d’obtenir des informations précises en temps réel, jusqu’alors inaccessibles, grâce à une approche de capteurs virtuels, sur l’état de santé et les performances d’un actif, en complémentarité avec les autres sources de données ;
• de perfectionner la compréhension des phénomènes physiques tels que les variations de température et de pression, et les concentrations en polluants ;
• de mettre en place de la maintenance prédictive. Les données récupérées permettent de créer des modèles statistiques. De ces derniers viendra une anticipation du fonctionnement de l’actif dans le temps et la détection de signaux faibles alarmants ;
• de programmer des consignes opérationnelles sur le jumeau avant de les appliquer sur l’actif physique, et apprécier ainsi les comportements à venir. 

Un hub de données grâce à la plateforme IoT de PTC, obtenir de l’information exploitable

Les partenaires impliqués ont su mutualiser leurs savoirs et leurs expériences terrain pour mener à bien ce projet. Ainsi, ANSYS a permis la création d’un jumeau numérique de simulation produisant des millions de données en temps réel ; PTC, la gestion de ces données ainsi que la connexion en temps réel avec l’installation industrielle ; et SYNERGIZ, l’exploitation de ces données de manière immersive et ancrée dans le réel par la réalité mixte grâce aux lunettes Microsoft HoloLens.

Le jumeau numérique de simulation CFD (Computational Fluids Dynamics/ Mécanique des fluides numérique) fournit avec une grande précision, et en temps réel, les millions de points reproduisant les phénomènes qui se déroulent au sein d’une installation industrielle ; ces millions de données étant à l’origine de visualisations 3D temps réel de manière interactive et collaborative.

Pour récupérer et centraliser des données de sources variées et de nature diverses, les uniformiser et exploiter pleinement leur potentiel, il était nécessaire de recourir à une plateforme capable de prendre en charge de nombreux protocoles de communication industrielle. La solution ThingWorx a pu répondre aux exigences de connectivité IoT de façon probante. Le cloud hybdride fut privilégié afin de s’assurer un contrôle total du système et une plus grande agilité dans la récupération des données. L’installation et l’utilisation de ThingWorx sur site furent aisées et la plateforme accompagna le souhait du Lab CRIGEN de conserver un contrôle interne. Au vu des enjeux actuels autour des questions énergétiques, les problématiques de souveraineté ne sauraient être secondaires.

Un bilan enthousiasmant

Tout est prêt, la chaîne de valeur fonctionne, le couplage est opérationnel et la collecte des datas via le jumeau numérique en simulation 3D tient ses promesses. Lorsque l’utilisateur sur le terrain se dote des lunettes Microsoft HoloLens, il prend connaissance en temps réel des informations du jumeau numérique. Il faut dire que les conditions du succès étaient réunies. Outre la maturité de la plateforme IoT de PTC, outre l’accompagnement de l’entreprise tout au long du projet, le partenariat entre PTC et ANSYS fut un facilitateur, à l’instar de la collaboration pérenne qui unit SYNERGIZ et Le Lab CRIGEN d’ENGIE sur des projets de visualisation 3D de données complexes CFD.

L’ambition de ce projet réside d’abord dans sa capacité à ancrer une technologie, de montrer la pertinence d’une convergence IT/OT et son gain pour ceux qui œuvrent sur le terrain (opérateurs, mainteneurs, etc.). Un pari réussi !

Les problématiques actuelles autour de l’économie d’énergie apparaissent sous un jour nouveau lorsque l’on se trouve en capacité de maîtriser la consommation de fours industriels qui, par nature, montent à de très hautes températures. Avec un jumeau numérique, on peut :

• chiffrer et historiciser des valeurs clés
• optimiser les rendements
• faire de la maintenance prédictive et prolonger ainsi la durée de vie des actifs industriels
• anticiper le vieillissement de certains matériaux
• sécuriser les machines et les personnes

Et, ce qui vaut pour un four pouvant être décliné à d’autres actifs énergétiques, le Lab CRIGEN d’ENGIE est effectivement au cœur de son rôle : anticiper et proposer. « Nous sommes ici au cœur de notre vocation d’innovation technologique et, dans le contexte actuel, il est précieux de pouvoir tracer les voies d’une consommation énergétique renouvelée grâce à un pilotage affiné des actifs industriels » conclut Guy-Alexandre Grandin.