Réduction de consommation énérgétique
Jusqu’à 20% de réduction de consommation énergétique grâce à l’ingénierie d’une nouvelle génération de ventilateurs miniers haute performance
Contexte opérationnel
Les ventilateurs miniers jouent un rôle essentiel dans l’apport d’air frais, l’évacuation des contaminants et le maintien de conditions de travail sécuritaires pour les travailleurs sous terre.
Pour les directeurs de mine, les responsables de la ventilation, les gestionnaires de maintenance et les équipes d’opérations, la performance des systèmes de ventilation influence directement la sécurité des travailleurs, les coûts d’exploitation et la productivité des opérations ainsi que la capacité à répondre aux exigences environnementales et réglementaires.
Pourtant, une grande partie des ventilateurs axiaux utilisés actuellement dans l’industrie repose sur des conceptions datant de plusieurs décennies, limitant leur efficacité énergétique, augmentant les coûts d’exploitation et générant des niveaux sonores élevés qui pose des défis en matière de sécurité et de confort des travailleurs en plus de compliquer certaines interventions en milieu souterrain.
Dans un contexte où les exploitants miniers doivent continuellement réduire leurs coûts d’exploitation, améliorer leur efficacité énergétique et soutenir leurs objectifs de décarbonation, les fabricants d’équipements sont appelés à développer des solutions toujours plus performantes et innovantes.
C’est dans ce contexte qu’Optis Engineering a été mandaté afin de développer entièrement une toute nouvelle génération de ventilateurs axiaux haute performance destinée aux environnements miniers souterrains.
Problématique observée
Dans plusieurs exploitations minières, les systèmes de ventilation peuvent représenter jusqu’à 40 % de la consommation énergétique totale du site. Pour les directeurs des opérations et les gestionnaires d’actifs, cette réalité se traduit par une pression constante pour réduire les dépenses énergétiques sans compromettre la sécurité, la performance ou la disponibilité des équipements.
L’amélioration de l’efficacité énergétique des ventilateurs miniers constitue donc un levier important pour réduire les coûts d’exploitation et soutenir les objectifs de décarbonation de l’industrie.
Pour les fabricants et les exploitants miniers, ces limitations se traduisent par plusieurs défis :
- une consommation énergétique importante qui augmente directement les coûts d’exploitation ;
- des dépenses d’électricité difficilement compressibles ;
- des niveaux sonores élevés pouvant affecter le confort et les conditions de travail ;
- des difficultés à atteindre les objectifs de réduction des coûts d’exploitation et de décarbonation ;
- des contraintes d’entretien;
- des risques accrus de défaillance pouvant compromettre la disponibilité des équipements et la fiabilité des actifs miniers critiques ;
- une capacité limitée à répondre aux nouvelles stratégies de ventilation sur demande ;
- une incapacité à répondre aux nouvelles exigences de ventilation.
Pour plusieurs exploitants, ces enjeux représentent non seulement des coûts supplémentaires, mais également des défis opérationnels pouvant affecter la rentabilité globale du site, la disponibilité des équipements, la fiabilité des actifs miniers critiques et augmenter les risques d’interruptions non planifiées.
Objectifs du projet
Ce projet ne consistait pas simplement à concevoir un nouveau ventilateur qui déplace simplement plus d’air, mais à repenser complètement les standards de performance du marché.
L’objectif était de concevoir une gamme complète de ventilateurs axiaux de nouvelle génération capable de dépasser les standards actuels de l’industrie minière en matière d’efficacité énergétique, de performance aéraulique et de fiabilité.
Les cibles de conception visaient notamment une efficacité pouvant atteindre jusqu’à 90 %, une réduction du bruit de l’ordre de 10 % ainsi qu’une vaste plage de puissance allant de 50 à 800 HP. La gamme devait également couvrir différents diamètres, de 42 à 84 pouces, afin de répondre aux diverses réalités opérationnelles des mines souterraines.
Pour atteindre ces objectifs, les équipes d’ingénierie ont mis à profit les plus récentes avancées en aérodynamique, en aéroacoustique et en optimisation structurelle afin de maximiser les performances globales des équipements, tout en contribuant à la réduction des coûts d’exploitation et à l’amélioration de la durabilité des composantes.
Car pour les exploitants miniers, l’optimisation de la ventilation souterraine permet non seulement de réduire la consommation énergétique, mais également d’améliorer la gestion de la ventilation sur demande, de réduire les coûts d’exploitation et d’augmenter la performance globale du réseau de ventilation.
Pour les ingénieurs d’Optis, spécialisés en conception de ventilateurs industriels, chaque amélioration de rendement énergétique devrait être équilibrée avec plusieurs contraintes techniques, notamment la fiabilité mécanique, les performances acoustiques, la durabilité des composantes et les exigences aux systèmes de ventilation de mines modernes.
Le projet devait permettre de :
- améliorer significativement l’efficacité énergétique ;
- réduire les niveaux de bruit générés en opération ;
- offrir une vaste gamme de puissances et de diamètres ;
- assurer une excellente durabilité mécanique ;
- s’adapter aux systèmes de ventilation à vitesse variable ;
- demeurer compétitif sur les coûts de fabrication;
- améliorer la disponibilité des équipements;
- accroître la fiabilité des actifs miniers critiques;
- réduire les interruptions non planifiées associées aux systèmes de ventilation.
L’objectif était donc de concevoir une nouvelle génération de ventilateurs axiaux combinant performance, fiabilité, efficacité énergétique et durabilité permettant d’offrir un rendement pouvant atteindre 85%.
Le développement de la gamme de ventilateurs visait à :
- atteindre des rendements pouvant approcher 85% ;
- réduire le niveau sonore des ventilateurs ;
- améliorer la durabilité mécanique des composantes ;
- optimiser les performances sur une vaste plage d’opération ;
- offrir une gamme complète de ventilateurs de 50 à 850 HP ;
- répondre aux exigences des systèmes modernes de ventilation sur demande ;
- réduire les coûts énergétiques associés à la ventilation minière;
- réduire les besoins de maintenance corrective et soutenir une approche de maintenance prédictive.
Approche d’ingénierie
Optimiser simultanément l’aérodynamique, l’acoustique et la durabilité
Chez Optis Engineering, la conception de ventilateurs industriels repose sur une compréhension approfondie des phénomènes physiques qui influencent la performance réelle des équipements.
Plutôt que d’appliquer une approche basée uniquement sur des règles théoriques, notre équipe a adopté une approche multidisciplinaire permettant d’utiliser une combinaison d’analyses numériques avancées, des simulations CFD (Computational Fluid Dynamics), d’analyses structurelles et d’outils spécialisés développés par Optis afin d’obtenir un équilibre optimal entre rendement, robustesse et coûts d’exploitation en plus d’optimiser simultanément:
- le rendement aérodynamique
- les pertes énergétiques ;
- la performance acoustique ;
- la résistance mécanique ;
- la durée de vie des composantes ;
- la stabilité opérationnelle sur l’ensemble de la plage de fonctionnement.
L’approche d’Optis permet de développer des ventilateurs miniers offrant des performances supérieures tout en réduisant les coûts d’exploitation de façon durable.
Solution développée
Optimisation aérodynamique et acoustique des ventilateurs axiaux
Les ingénieurs d’Optis Engineering ont utilisé des simulations avancées de dynamique des fluides (CFD) afin d’optimiser la géométrie des pales et des aubes.
Cette approche a permis :
- de réduire les pertes aérodynamiques ;
- d’améliorer le rendement énergétique ;
- d’augmenter les performances globales des ventilateurs.
Parallèlement, notre logiciel OptiSound® a été utilisé pour analyser et minimiser la signature acoustique des ventilateurs afin d’optimiser la conception et pour réduire significativement le bruit généré en opération.
Validation structurelle et durabilité
Afin d’assurer la fiabilité à long terme des équipements, des analyses structurelles approfondies ont été réalisées sur l’ensemble des composantes critiques.
Ces travaux ont permis :
- d’identifier les zones soumises à de fortes contraintes ;
- d’améliorer la résistance à la fatigue ;
- d’optimiser la robustesse des pales ;
- de prolonger la durée de vie des équipements.
Des analyses modales ont également été réalisées afin d’identifier les vitesses critiques sur toute la plage d’opération des ventilateurs et d’assurer leur compatibilité avec les stratégies de ventilation à vitesse variable.
Conception modulaire
Afin de répondre aux différentes réalités des sites miniers, plusieurs options de configuration ont été intégrées à la gamme de ventilateurs, notamment des carénages aérodynamiques optimisés permettant de réduire les turbulences et d’améliorer les performances globales du système.
Résultats obtenus
Les prototypes développés dans le cadre du projet ont été fabriqués puis validés sur le terrain afin de confirmer les performances obtenues lors des phases de conception et de simulation.
Les essais ont confirmé des gains significatifs :
Jusqu’à 20 % de réduction potentielle de la consommation énergétique
L’amélioration du rendement des ventilateurs permet aux exploitants miniers de réduire considérablement les coûts associés à la ventilation, l’un des postes énergétiques les plus importants d’une mine.
Pour les directeurs des opérations et les responsables de la performance énergétique, cette amélioration représente un levier concret pour réduire les coûts d’exploitation tout en soutenant les objectifs de décarbonation de l’organisation.
Réduction du bruit de 10 %
L’optimisation aéroacoustique a permis de diminuer significativement le niveau sonore des ventilateurs, contribuant à améliorer le confort des travailleurs et les conditions d’intervention dans les zones où les systèmes de ventilation sont présents.
Une gamme complète de ventilateurs axiaux performants pour les applications minières
La nouvelle série couvre des puissances variant de 50 à 850 HP ainsi que des diamètres de 42 à 84 pouces, permettant de répondre à une grande variété d’applications minières.
Ce qui distingue Optis Engineering
La plupart des projets de conception de ventilateurs industriels se concentrent principalement sur les performances aérodynamiques.
Chez Optis Engineering, nous adoptons une approche intégrée qui tient compte simultanément des performances aérodynamiques, acoustiques, structurelles et opérationnelles.
Chez Optis Engineering, nous combinons :
- l’ingénierie numérique avancée ;
- les simulations CFD ;
- les analyses structurelles ;
- l’expertise en acoustique industrielle ;
- le développement d’outils propriétaires spécialisés.