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Étude de cas

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La maison aux algues : une façade d'algues productrices d'énergie

La technologie de commande à distance de Rockwell Automation associe la technologie de construction à des bioréacteurs innovants.

Défi

  • Associer la technique innovante de culture des algues aux technologies de construction modernes

Solutions

Résultats

  • L'automate CompactLogix offre une intégration transparente entre le logiciel de programmation, les automates et les modules d'E/S.
  • Accélération de la durée initialement prévue pour le développement et réduction des coûts associés à la mise en service et au fonctionnement
  • Procédé de programmation simplifié doté de l'architecture symbolique du système de commande
  • Vision réaliste de tous les procédés obtenue grâce aux fonctions graphiques simples d'utilisation de FactoryTalk View, surveillance du système et analyse des procédés aisées
  • Le logiciel permet également à l'utilisateur de réagir rapidement si des alertes et des alarmes d'erreur surviennent

Contexte

Le premier bâtiment doté d'une biofaçade a été construit en 2013 par Internationale Bauausstellung (IBA) à Hambourg (Allemagne). Des micro-algues sont cultivées sur la façade du bâtiment afin de produire de la biomasse et de la chaleur grâce à la photosynthèse et à l'énergie solaire. L'un des défis les plus importants de ce projet consistait à intégrer le procédé de culture des micro-algues aux techniques de construction modernes. Rockwell Automation a fourni les éléments de commande afin de regrouper les différentes technologies en un seul système, tout en assurant un fonctionnement automatique tout au long de l'année.

Installée à Hambourg, IBA s'est fixé un objectif : façonner l'avenir des villes du XXIe siècle. Dans le cadre de cette démarche, elle a conçu plusieurs projets visant à répondre de façon innovante et durable aux questions actuelles sur le développement urbain. En 2013, elle a présenté le BIQ, nom donné par IBA à cette maison autonome sur le plan énergétique située dans le quartier de Wilhelmsburg, à Hambourg. Le bâtiment est doté de la première biofaçade au monde, sur laquelle des micro-algues sont cultivées dans des réservoirs en plaques en verre afin de produire de la biomasse et de la chaleur grâce à l'énergie solaire et à la photosynthèse. La chaleur produite est ensuite dirigée vers des échangeurs pour chauffer le bâtiment. Les algues sont récoltées régulièrement et utilisées en tant que matières premières pour la production de biogaz. Les éléments de la façade écologique confèrent un aspect original au bâtiment et justifient son surnom de « maison aux algues ».

La maison aux algues est un bâtiment passif de forme cubique, qui comprend quinze appartements répartis sur quatre étages. Elle a été conçue par le bureau d'architectes Splitterwerk, installé à Graz en Autriche, dont le projet a remporté le concours d'architecture organisé par IBA. Le système de la façade a été élaboré conjointement par SSC Strategic Science Consult GmbH, Arup Deutschland GmbH et Colt International GmbH. Ils ont utilisé les produits et les solutions d'automatisation de Rockwell Automation, qui se sont parfaitement intégrés à la technologie de mesure et de procédé de notre partenaire Strategic Alliance Endress+Hauser.

Défi

Cœur du système énergétique, la biofaçade couvre une surface de 200 m². Elle est constituée de réservoirs en verre d'une capacité d'environ 24 litres, et mesurant 2,6 mètres de haut sur 70 cm de large pour environ 2 cm de profondeur. Les réservoirs sont remplis d'une solution de culture enrichie en sels nutritifs offrant un support optimal pour la croissance des micro-algues. L'air comprimé garantit un mouvement constant des algues et le CO2 alimente en permanence le réacteur, afin de stimuler leur croissance. Le CO2 provient d'une chaudière à gaz. La lumière du soleil qui n'a pas été utilisée par les algues permet également de réchauffer le liquide de réacteur. Comme dans un système à énergie solaire, cette chaleur est dirigée vers une unité énergétique afin de chauffer le bâtiment.

Le Dr. Martin Kerner, directeur général de SSC Strategic Science Consult GmbH, déclare : « Le plus gros défi de ce projet inédit était d'associer ce procédé innovant de culture des algues aux techniques de construction modernes. C'était la seule façon d'assurer le fonctionnement de la façade en micro-algues, notamment la production de chaleur et de biomasse, tout en garantissant l'insonorisation et la résistance à la lumière du bâtiment. Nous y sommes parvenus avec cette maison aux algues, une véritable première mondiale. »

olution

La technologie d'automatisation constitue une partie importante de l'ensemble du système. Elle lui permet de fonctionner automatiquement tout au long de l'année. Un automate Allen-Bradley CompactLogix™ de Rockwell Automation forme le cœur du système d'automatisation. Il assure une intégration transparente entre le logiciel de programmation, les automates et les modules d'E/S , ce qui a permis de réduire la durée prévue initialement pour le développement, ainsi que les coûts liés à la mise en service et au fonctionnement.

Parmi les autres dispositifs connectés à l'automate CompactLogix figurent les systèmes technologiques du bâtiment, tels que les échangeurs de chaleur, ainsi que les dispositifs de coupe des algues et les unités de conversion qui transforment la biomasse en biogaz. L'API commande également toutes les pompes utilisées pour orienter les modules du bioréacteur vers le soleil. Les E/S décentralisées sont connectées à l'automate via EtherNet/IP, et fournissent des commandes décentralisées à tous les étages du bâtiment. Il en résulte une mise en réseau robuste en temps réel et une commande discrète à grande vitesse. Contrairement aux réseaux qui modifient en permanence leur conception pour répondre aux demandes des applications industrielles, EtherNet/IP assure une stabilité et une uniformité élevées sur l'ensemble du système, ce qui améliore ses capacités en temps réel.

L'ensemble du système est exploité par un spécialiste de SSC Strategic Science Consult GmbH, à l'aide du logiciel de visualisation Rockwell Software FactoryTalk® View. Les fonctions graphiques simples d'utilisation présentent à l'utilisateur une vue réaliste de tous les procédés, qui facilite la surveillance du système et l'analyse des procédés. Le logiciel permet également à l'utilisateur de réagir rapidement si des alertes et des alarmes d'erreur surviennent. Si besoin, l'utilisateur peut également intervenir directement dans les procédés, en modifiant les paramètres de commande prédéfinis via le logiciel de visualisation. Par conséquent, FactoryTalk View constitue un élément essentiel permettant le fonctionnement sans erreur des bioréacteurs.

Plusieurs dispositifs de mesure de Endress+Hauser, tels que des débitmètres et des instruments d'analyse, sont connectés à l'automate Allen-Bradley. Ils contrôlent les niveaux de remplissage des modules de bioréacteur, ainsi que le taux de pH, d'oxygène et de nitrate dans le milieu de culture. Un photomètre de procédé est utilisé pour déterminer la date de la récolte des algues, afin que le retrait de la biomasse puisse également être contrôlé automatiquement.

Le système a été conçu au départ comme un prototype, mais Rockwell Automation le prépare pour une mise en œuvre mondiale par l'ajout de quatre langages de programmation. Selon l'expérience des techniciens locaux, le système peut être programmé à l'aide d'un diagramme logique à relais, d'un texte structuré, d'un plan de fonction ou d'un graphe de fonctionnement séquentiel. En outre, l'architecture symbolique du système de commande simplifie le procédé de programmation.

Pour la toute première fois, la maison aux algues a permis de tester un système décentralisé, fournissant de la chaleur et de l'électricité à un bâtiment, tout en produisant une énergie issue de la biomasse de haute qualité. Elle a également permis de réduire la production du CO2, qui est un gaz à effet de serre. La société SCC GmbH compile les données relatives à la production et aux performances, dans le cadre d'un projet de contrôle de deux ans, tandis que l'université HafenCity, située à Hambourg, recueille les informations de ce projet concernant l'acceptation des nouvelles technologies.

« L'objectif de cette analyse et de cette évaluation précises de données doit nous aider à mettre en œuvre cette technologie dans des systèmes plus importants à l'avenir, et à identifier d'autres méthodes de construction écologiques à haute efficacité énergétique », explique le Dr. Kerner de SSC Strategic Science Consult GmbH.

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