L’automatisation au service de la production d'écocarburants
La société suisse Synhelion AG produit des carburants de synthèse durables à partir d'énergie solaire. À l'été 2024, sa première installation de démonstration industrielle, Dawn, a été mise en service à Jülich. Automatisée et pilotée par un système de pilotage informatique de Beckhoff, cette installation représente une étape vers la réalisation d'une usine à grande échelle.
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Dans l'installation de démonstration industrielle Dawn, Synhelion utilise le procédé « solulisation de l'énergie solaire » avec de l'énergie solaire thermique concentrée (ESC) pour la production de carburants solaires. L'installation se compose de quatre éléments principaux : les héliostats (miroirs), le récepteur d'une puissance thermique de 600 kW, le réacteur thermochimique et l'unité de stockage d'énergie thermique.
Plus de 200 héliostats concentrent le rayonnement solaire sur le récepteur, c'est-à-dire une chambre de combustion située au sommet de la tour. Dans cette chambre, un fluide caloporteur est chauffé à plus de 1 500 °C de façon continue. La chaleur ainsi produite alimente un réacteur thermochimique qui génère un gaz de synthèse à partir d'une source de carbone certifiée RED (CO₂ + CH₄) et d'eau. Ce gaz est ensuite transformé en carburants par des procédés industriels. « Nous nous concentrons sur le kérosène, le diesel et l'essence afin de fournir au secteur des transports des carburants durables », explique Adrian González, ingénieur en chef de l'automatisation des procédés chez Synhelion. L'avantage de ces carburants réside dans la possibilité de maintenir en service l'infrastructure existante (parcs de stockage, camions-citernes, distributeurs). Au lieu du kérosène habituel, l'un des réservoirs contiendra l'écocarburant, ajouté conformément à la réglementation. « C'est beaucoup plus simple et efficace que de convertir une flotte d'avions à l'hydrogène », conclut Adrian González.
L'énergie excédentaire du récepteur est injectée dans une unité de stockage d'énergie thermique développée par Synhelion et peut être réinjectée dans le procédé à tout moment. « Le réservoir de stockage en céramique de la chaleur de procédé s'étend sur deux niveaux de la tour solaire », explique Adrian González, décrivant les dimensions de l'installation, « et remplit également une fonction essentielle : garantir un fonctionnement continu, indépendamment du rayonnement solaire. » Un système de chauffage électrique, alimenté par exemple par des panneaux photovoltaïques ou des éoliennes, peut également être utilisé à la place des héliostats. « C'est particulièrement pertinent en cas de surproduction d'énergie renouvelable sur le réseau de distribution », précise Iesse Schneider, le programmeur responsable de l'installation, justifiant ainsi la flexibilité de l'approvisionnement énergétique.
Technologie de contrôle sophistiquée
Depuis l'automne 2024, l'usine Synhelion produit du pétrole brut synthétique (syncrude), quasiment identique à son homologue fossile. L'ensemble du processus de fabrication est contrôlé et surveillé par environ 1 000 capteurs et actionneurs interconnectés via EtherCAT, avec TwinCAT comme système de contrôle et un PC industriel ultra-compact C6030. « Malgré le grand nombre de capteurs et de points de données, le temps de cycle de TwinCAT reste largement inférieur à 10 ms, ce qui nous offre une flexibilité plus que suffisante pour les tests et les extensions », explique Adrian González. L'usine de Jülich sert de système de test à l'échelle industrielle pour Synhelion, qui l'utilise pour tester, valider et optimiser le contrôle de processus de divers produits finis, même sur des installations de plus grande envergure. Par conséquent, la technologie de contrôle doit être flexible et facilement extensible. « Grâce au contrôle par PC et à l'évolutivité du matériel, la technologie de contrôle et le niveau d'E/S peuvent être adaptés avec une grande flexibilité aux besoins réels, et des points de mesure supplémentaires peuvent être ajoutés ultérieurement », ajoute Wilm Schadach, directeur de la succursale Beckhoff de Monheim.
600 terminaux déployés
Bien que le procédé n'impose pas de performances extrêmes, le grand nombre de capteurs et d'actionneurs différents a été considéré comme un facteur critique dès le début de la phase de planification. « La gamme complète de terminaux EtherCAT et la flexibilité des topologies offertes par EtherCAT nous ont été d'une aide précieuse pour centraliser les E/S réparties sur quatre niveaux, les intégrer au contrôleur et les représenter dans l'IHM », explique Iesse Schneider. La possibilité d'intégrer directement les capteurs et actionneurs en zones dangereuses (ATEX) à la communication EtherCAT via les terminaux ELX a également constitué un atout majeur. « De nombreux terminaux EtherCAT de la série ELX sont utilisés dans ce projet », ajoute Sebastian Böse, responsable de la gestion des procédés chez Beckhoff. Au total, près de 600 terminaux ont été installés, répartis dans 27 armoires électriques sur six niveaux. Parmi les 37 types de terminaux différents, on trouve divers terminaux EtherCAT avec des interfaces de communication Modbus TCP, Profinet® et HART.
En plus des terminaux EtherCAT pour les signaux de processus provenant des zones dangereuses de la zone 2, les fonctions liées à la sécurité sont mises en œuvre avec les terminaux TwinSAFE EL1918 et EL2912 ainsi qu'avec les terminaux TwinSAFE SC EL3174, EL3214 et ELX3152-0090.
De nombreuses fonctions de sécurité ont également été mises en œuvre à l'aide de TwinSAFE SC et de terminaux TwinSAFE. « Au total, une quarantaine de fonctions, dont certaines certifiées SIL2, ont été implémentées conformément à la norme IEC 61511 », explique Iesse Schneider. EtherCAT et la technologie Safety over EtherCAT (FSoE) jouent un rôle essentiel. Initialement, un terminal TwinSAFE EL1918 avec TwinSAFE Logic faisait office de contrôleur de sécurité. Cependant, l'ensemble des fonctions de sécurité de l'installation ne pouvant être implémenté avec les 512 blocs fonctionnels maximum du terminal, ces derniers, au nombre de plus de 700, ont été répartis sur quatre terminaux EL1918. Ces derniers reçoivent les informations des capteurs et actionneurs via FSoE et communiquent entre eux.
Enregistrement de données sans perte
Parallèlement au contrôle des processus, l'enregistrement des données s'effectue via EtherCAT à différents intervalles. « Cette configuration est aisée pour chaque point de données dans TwinCAT, et les données peuvent être sauvegardées. EtherCAT attribue également un horodatage précis à chaque valeur de processus », explique Sebastian Böse. Des stratégies d'enregistrement intelligentes garantissent que les données ne sont enregistrées que si la valeur du processus change, par exemple. Au total, l'installation compte environ 50 000 points de données, fournis par TwinCAT via un serveur OPC UA. « L'ouverture du contrôle sur PC et d'OPC UA est également un atout », ajoute Adrian González. Cela a permis à Synhelion d'installer un enregistreur de données tiers sur le PC industriel ultra-compact C6030, qui récupère les données sur site. L'avantage est que, même en cas de panne de la connexion de communication, les données sont toujours enregistrées et ne sont pas perdues. « Pour les bancs d'essai, c'est extrêmement important », conclut Adrian González.
Adrian González, Felix Zimmermann et Iesse Schneider (tous de Synhelion) avec Sebastian Böse et Wilm Schadach (tous deux de Beckhoff) devant le récepteur au quatrième niveau de la tour solaire (de droite à gauche).
La large gamme d'options de diagnostic d'EtherCAT a facilité le travail et permis de déceler rapidement les erreurs typiques survenant lors de la mise en service d'installations de grande envergure. Grâce à ces diagnostics complets, Synhelion a pu rapidement éliminer les erreurs de communication et se concentrer sur la configuration des appareils. « EtherCAT est une infrastructure fiable », affirme Wilm Schadach.
Le serveur TwinCAT HMI (TF2000) communique avec le PC industriel via ADS et affiche les informations dans la salle de contrôle sur un poste de travail principal, quatre petits écrans et un grand écran de synthèse. Au besoin, des écrans supplémentaires peuvent être ajoutés pour la visualisation des données. L'interface homme-machine (IHM) TwinCAT constitue une plateforme idéale pour le contrôle complet de l'installation et va bien au-delà des simples solutions IHM. À l'avenir, la bibliothèque de processus facilitera les tâches qui, autrement, devraient être effectuées par un système SCADA distinct.
Réduction des tâches de développement
La mise à l'échelle est facilitée par des technologies telles que MTP et NOA, qui permettent d'intégrer de manière flexible la technologie de contrôle de processus des modules individuels aux structures d'installations existantes. Sebastian Böse indique que « Beckhoff propose déjà une large gamme de blocs fonctionnels IHM et API pour le développement de modules compatibles MTP. De plus, la génération automatique de code réduit considérablement le travail de développement nécessaire.» Pour Adrian González, le MTP représente une perspective très prometteuse pour les projets futurs : « À moyen terme, nous envisageons de devenir une entreprise qui concède des licences pour sa technologie et la met à la disposition d’autres fournisseurs de carburants. Un entrepreneur général peut ainsi intégrer les modules Synhelion à son installation et automatiser son système de contrôle grâce au MTP et à l’analyse de la dynamique des systèmes (NOA), en s’appuyant sur nos schémas P&ID et nos systèmes de contrôle. »
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