« Les économistes modernes ne sont pas récompensés et primés parce qu'ils se préoccupent de l'énergie, et les société modernes ne s'en soucient que lorsque l'offre de toute forme commerciale principale d'énergie semble menacée et que son prix grimpe. » – How the World Really Works, Vaclav Smil
La transformation numérique et les meilleures pratiques de l'industrie 4.0 aident de nombreuses industries à faire face à la crise énergétique actuelle. Nombreux sont les fabricants qui n'auraient pas survécu à l'augmentation du prix de l'électricité et du gaz sans l'automatisation et la gestion de la puissance activée numériquement.
Les industries utilisent dorénavant plus de robots, fabriquent dans le noir et recourent aux détecteurs de présence. De même, les petites usines équipées de la dernière technologie sans fil peuvent gérer à distance les machines et le transport. Enfin, beaucoup d'usines sont maintenant équipées de panneaux solaires, panneaux photovoltaïques, détecteurs de présence et autres technologies qui économisent l'énergie.
La montée de la « fabrication dans le noir »
Par « fabrication dans le noir », on entend une approche de la fabrication où les usines sont entièrement automatisées et n'ont besoin d'aucune présence humaine sur place, en anglais « Lights Out Manufacturing ». L'idée étant qu'une production entièrement automatisée est possible en implémentant des technologies émergentes, comme le cloud, le machine learning, l'intelligence artificielle (IA) et les jumeaux numériques.
La fabrication dans le noir est entièrement automatisée et se passe de toute présence humaine sur site. L'ensemble du processus de production (de la livraison des matières premières à l'usine à la livraison des produits finis) est réalisé par des machines contrôlées automatiquement.
La reconnaissance d'image et le machine learning permettent de réaliser des économies d'électricité et financières en optimisant le contrôle qualité et la production
Les nouvelles technologies d'IA, comme le machine learning et l'informatique en périphérie, aident à détecter les problèmes de qualité et toute perturbation dans la production. Il est prouvé que le traitement d'image à l'aide du machine learning est bien plus efficace et précis que l'inspection humaine traditionnelle. Cela permet également de réduire les temps d'arrêt et les déchets de produits tout en gagnant du temps et en économisant l'énergie.
De plus, en associant les principes d'économie circulaire aux informations générées par les milliards de dispositifs intelligents connectés, on favorise l'innovation et le développement durable, en allongeant la durée de vie des produits et en leur donnant une seconde vie.
Les énergies renouvelables contribuent et modifient les opérations d'économie d'énergie disruptives traditionnelles
Jusqu'à très récemment, les secteurs gros consommateurs d'énergie avaient l'habitude de fonctionner pendant les heures creuses pour bénéficier d'un prix de l'électricité moins cher. Dans cette même optique, nombreuses sont les usines grosses consommatrices d'électricité à opter pour le travail de nuit. Dans certains cas, les fournisseurs d'électricité payaient même ces usines pour qu'elles utilisent le surplus d'électricité qui aurait été perdu.
Avec la crise sanitaire et la crise de l'énergie actuelle, tout ceci a fondamentalement changé. Aujourd'hui, en particulier en Europe, le prix de l'électricité le moins cher peut être à n'importe quelle heure du jour.
L'une des raisons qui expliquent ce phénomène est l'augmentation de la part de l'énergie solaire dans le mix énergétique. Les panneaux solaires ne fonctionnant qu'en journée, l'apport de leur production dans le réseau général fait baisser les prix qui, la nuit, augmentent à nouveau. Cette même situation peut s'inverser dans les endroits où les éoliennes sont nombreuses.
Par conséquent, pour pouvoir continuer à bénéficier d'un prix bas, les usines doivent redoubler d'efficacité et de flexibilité dans leurs opérations.
Utiliser le TSN plutôt que la communication sans fil
La connexion de machines, véhicules, bâtiments et opérations est l'un des piliers de l'industrie 4.0. La surveillance et le contrôle à distance de tous les aspects de la fabrication aident à gagner en efficacité, à prévoir les défaillances, à améliorer la sécurité et à activer la maintenance prédictive.
Cependant, même si l'efficacité et la fiabilité sont accrues, compter sur les nouvelles technologies, telles que les réseaux privés 5G, peut augmenter de manière substantielle la consommation électrique. Quand la technologie sans fil est la seule option, les normes LPWAN telles que LoRaWAN ou Zigbee sont bien plus économes en énergie que les réseaux cellulaires.
Même si aujourd'hui on loue la communication sans fil pour sa rapidité à connecter plusieurs dispositifs, machines et autres actifs de l'usine, en matière de gestion de l'énergie, il s'agit d'utiliser des solutions CC/CC ultra efficaces, en garantissant que les processus sont en mode veille basse consommation autant que possible et en limitant au maximum les communications sans fil.
Actuellement, en raison de l'explosion des nœuds de capteur nécessaires dans l'Internet industriel des objets (IIoT), Ethernet remplace les bus de terrain. Mais l'Ethernet n'est pas sans inconvénient ; il ajoute de la latence et n'est pas déterministe. L'IIoT a besoin d'un système déterministe ; la solution réside donc dans le Time-Sensitive Networking (TSN). Il fournit un chemin à haute priorité pour les données sensibles au temps. Le TSN pourrait empêcher les dommages aux machines avec la communication en temps réel, en évitant les temps d'arrêt et en économisant de l'argent.
De plus, le TSN peut fournir la connexion d'accès à large bande et le transport de paquets garanti avec la faible latence délimitée, la variation du délai d'un faible nombre de paquets et la perte d'un faible nombre de paquets sur un seul câble à paires torsadées. Le TSN crée une technologie de base standardisée dans le cadre de la norme IEEE 802.1 pour les garanties de qualité de service (QoS) et les demandes accrues en Ethernet. Ceci n'affecte que les communications de la couche 2 du modèle OSI et pas l'interface utilisateur.
La fabrication distribuée et l'impression 3D offrent des économies d'énergie supplémentaires et une production plus durable
L'impression 3D dans l'industrie permet de produire beaucoup de structures géométriques tout en simplifiant le processus de conception des produits. Elle est en outre relativement respectueuse de l'environnement. L'impression 3D peut diminuer les délais de livraison et le coût total de production sauf dans la production en gros volumes.
Contrairement à la fabrication traditionnelle, le coût par unité ne dépend pas du volume. L'impression 3D permet également de produire les mêmes pièces avec exactement les mêmes caractéristiques n'importe où dans le monde. On économise ainsi sur les coûts supplémentaires et le recours à l'énergie liés au transport, ce qui rend la production plus durable. En outre, parce que les imprimantes 3D industrielles deviennent accessibles et gagnent en rapidité, et parce que les pièces sont fabriquées à la demande, les besoins en stockage et en stocks ne sont plus aussi critiques.
Selon HP, les cycles de production comptant moins de 100 000 unités de la même pièce peuvent être imprimés en 3D localement sans coûts supplémentaires, ce qui permet de gagner du temps et d'apporter rapidement des modifications. La fabrication de produits est également beaucoup plus durable car les imprimantes 3D utilisent beaucoup moins d'énergie en comparaison avec les processus de moulage par injection traditionnels.
« Le fait que l'industrie 4.0 active, de façon économe, des moyens de fabrication distribuée signifie qu'il est possible de modifier le mode de production et de distribution des produits », explique M. Ramón Pastor, vice-président et directeur général, Impression 3D, HP, dans un entretien avec IoT Times. « On estime que jusqu'à la moitié du combustible (fossile, dans le cas présent) utilisé dans ce monde sert au transport des marchandises du site de production au lieu de consommation. Dans ce sens, en associant l'industrie 4.0, la fabrication numérique et l'impression 3D, on peut changer ce paradigme et aller vers la fabrication distribuée qui, pour faire simple, consiste à produire à la demande, au moment voulu, près du lieu de consommation. »
Au cours du siècle dernier, grâce aux combustibles fossiles, notre monde a connu la croissance industrielle la plus longue de son histoire, alimentée par un accès sans limite à une énergie, certes polluante, mais pas chère. À l'heure actuelle, alors que nous ressentons les effets du changement climatique et faisons face à de nouveaux conflits régionaux, il est primordial de basculer vers des sources d'énergie non polluantes et de réduire notre consommation.
Les industries traditionnelles doivent urgemment adopter les technologies et les meilleures pratiques de l'industrie 4.0 pour faire face à la crise énergétique, pour lutter et survivre.
