Étude de cas : L’Institut Quantique de l’Université de Sherbrooke passe à la production d’azote liquide sur site
L’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke soutient plus de 11 laboratoires de recherche du Département de physique qui consomment ensemble environ 50 000 litres d’hélium liquide par année. Cet hélium est récupéré et liquéfié pour être réutilisé, un processus nécessitant d’importants volumes d’azote liquide (LN₂) pour le prérefroidissement. Face aux coûts croissants et aux interruptions de livraison, l’Institut a choisi de produire son azote liquide sur site. Avec l’appui d’Ingenio et de F-DGSi, il s’est doté d’un système capable de produire près de 500 litres par jour, assurant ainsi son autonomie d’approvisionnement et une meilleure continuité de ses activités de recherche.
Aperçu du projet — Modernisation de l’infrastructure LN₂
| Paramètres | Details |
|---|---|
| Établissement | Institut quantique — Université de Sherbrooke, Département de physique |
| Infrastructure de recherche | Recyclage et liquéfaction de l’hélium pour plus de 11 laboratoires |
| Consommation de LN₂ (2025) | Environ 90 000 L/an |
| Approvisionnement en LN₂ (2025) | Azote liquide livré |
| Solution mise en œuvre | Production de LN₂ sur site |
| Système | Générateur d’azote liquide F-DGSi — 480 L/jour |
| Retombées | Autonomie en LN₂ • Retour sur investissement à environ 5 ans • Réduction des contraintes logistiques, des risques opérationnels et des coûts • Gains environnementaux |
Cet aperçu résume les principaux éléments de l’installation. Les sections suivantes présentent plus en détail les défis opérationnels à l’origine du projet, la solution mise en œuvre et les résultats obtenus.
- Quand l’azote liquide devient un enjeu d’infrastructure
- Les défis de l’approvisionnement en azote liquide
- Évaluer la transition vers la production d’azote liquide sur site
- La solution retenue : production et distribution d’azote liquide sur site
- Mise en service et intégration opérationnelle
- Résultats : autonomie, économies et avantages environnementaux
- Point de vue de l’Institut quantique
- La production de gaz sur site : une stratégie d’infrastructure à long terme
1. Quand l’azote liquide devient un enjeu d’infrastructure
Dans de nombreux établissements de recherche, l’azote liquide (LN₂) est souvent considéré comme un simple consommable de laboratoire. En pratique, son rôle s’est élargi; des applications comme la spectrométrie de masse, la cryoconservation, la recherche sur les matériaux avancés et la physique expérimentale ont entraîné une croissance soutenue de la consommation de LN₂, faisant de la fiabilité de l’approvisionnement une exigence opérationnelle essentielle.
De nombreux laboratoires dépendent de livraisons externes pour leur approvisionnement en azote liquide. Bien que simple en apparence, ce modèle les expose à des interruptions et à des coûts variables. Au prix du produit s’ajoutent le transport, la location des réservoirs et les pertes par évaporation, ainsi que des contraintes de stockage et de manipulation.
De plus en plus, l’azote liquide passe du statut de consommable courant à celui de ressource essentielle à la continuité des activités. L’expérience de l’Institut quantique illustre comment ces enjeux peuvent amener un établissement à revoir sa stratégie d’approvisionnement en LN₂.
2. Les défis de l’approvisionnement en azote liquide
À l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke, l’azote liquide joue un rôle essentiel dans le fonctionnement de l’infrastructure de recyclage et de liquéfaction de l’hélium du département. Le Département de physique consomme environ 50 000 litres d’hélium liquide par année, répartis entre plus de 11 laboratoires de recherche. Pour préserver cette ressource précieuse, le gaz utilisé dans les expériences est récupéré, comprimé et liquéfié de nouveau en vue de sa réutilisation, grâce à un système de récupération de l’hélium, conçu par l’Institut. Sans récupération, les coûts d’hélium reviendraient à environ 1 750 000$ par année (l’hélium se détaillant à environ 35$/L en 2026).
Logistique des livraisons et dépendance envers l’externe
Historiquement, ces besoins en LN₂ étaient comblés par des livraisons d’azote liquide, nécessitant une organisation régulière des approvisionnements et du stockage cryogénique sur place. Bien qu’efficace en principe, ce modèle posait plusieurs défis opérationnels. La dépendance envers les livraisons externes exposait l’établissement à d’éventuelles interruptions d’approvisionnement, particulièrement pendant les congés ou les périodes de forte demande. Par exemple, au cours de la période de Noël 2025, des livraisons non effectuées ont entraîné un arrêt temporaire des activités, obligeant à reporter ou à annuler plusieurs expériences.
Variabilité des coûts et contraintes opérationnelles
Comme la récupération de l’hélium prend une place critique dans les activités de recherche du département, assurer un approvisionnement stable, prévisible et économique en LN₂ est également devenu une priorité en matière d’infrastructure. Le coût de l’azote liquide, les frais de transport et de location des réservoirs ont augmenté au fil du temps. Depuis 2016, le prix de l’azote liquide au litre est passé d’environ 0,35 $ à près de 1,14 $ en 2025.
Ces contraintes ont finalement amené l’établissement à déterminer si le recours à l’azote liquide livré demeurait la solution la plus appropriée pour soutenir ses activités de recyclage de l’hélium et de recherche.
3. Évaluer la transition vers la production d’azote liquide sur site
Devant la hausse des coûts de LN₂ livré, et les contraintes opérationnelles croissantes liées aux livraisons, il est judicieux d’effectuer une évaluation structurée d’autres stratégies d’approvisionnement. L’institut a abordé cette démarche comme un exercice de planification des infrastructures de laboratoire, en évaluant si la production d’azote liquide sur site pouvait offrir une plus grande autonomie opérationnelle, des coûts plus prévisibles et une meilleure fiabilité à long terme.
I. Évaluation de la consommation de LN₂ des laboratoires
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La première étape consistait à établir le profil des besoins en LN₂ de l’établissement, notamment la consommation moyenne et de pointe nécessaire à la liquéfaction de l’hélium, ainsi que la répartition des autres usages de l’azote entre les laboratoires raccordés. L’expansion future des activités de recherche et la croissance prévue des besoins cryogéniques ont également été prises en compte afin de s’assurer que le système proposé demeurerait adapté à long terme.
II. Contraintes liées aux infrastructures de l’établissement
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L’étude de faisabilité portait également sur les contraintes techniques et spatiales associées à l’installation d’équipements de production sur site. Les principaux éléments examinés comprenaient l’espace disponible dans la salle mécanique, la capacité de l’alimentation électrique, les besoins en ventilation et l’intégration aux infrastructures existantes. La gestion du bruit et la capacité portante des structures ont également été évaluées afin d’assurer une intégration sécuritaire sans perturber les activités de recherche.
III. Comparaison économique : LN₂ livré et production sur site
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Enfin, l’institut a comparé les coûts à long terme de l’azote liquide livré à ceux de la production sur site. L’analyse portait sur le coût total de possession du système de production et ses besoins d’entretien sur une période de 10 ans versus le prix d’achat de l’azote, la logistique et le coût des livraisons, les frais de location des réservoirs et les pertes par évaporation.
Au terme de cette démarche structurée, l’institut a conclu que la production d’azote liquide sur site pouvait constituer une approche plus fiable et durable pour soutenir son infrastructure de recyclage de l’hélium et ses activités de recherche.
4. La solution retenue : production et distribution d’azote liquide sur site
À la suite de l’étude de faisabilité, l’Institut quantique a choisi un système de production d’azote liquide d’une capacité nominale de 480 L/jour. La configuration retenue combine la production d’azote gazeux, sa liquéfaction et son stockage, tout en s’intégrant à l’infrastructure existante de recyclage de l’hélium.
Le système a été conçu par F-DGSi, fabricant spécialisé depuis plus de vingt ans dans les systèmes de production de gaz de laboratoire et d’azote liquide. Ses générateurs répondent aux besoins des laboratoires d’analyse, de recherche et des installations industrielles, notamment pour alimenter l’instrumentation de chromatographie et de spectrométrie de masse.
Le système de production d’azote liquide F-DGSi intégré aux infrastructures de l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke.
Les principaux composants
Le système regroupe plusieurs composants qui assurent ensemble la production, la liquéfaction et le stockage de l’azote, tout en permettant une surveillance continue des performances du système.
Système de production de LN₂ — Institut quantique, Université de Sherbrooke
| Composants | Détails |
|---|---|
| Compresseur d’air existant | Fournit de l’air comprimé de classe de qualité 2-2-1, avec un réservoir de 200 L |
| Générateur d’azote – TORNADO ULTRA 3110 | Technologie PSA produisant 20,4 m³/h de N₂ à une pureté de 99 % |
| Homogénéisation et stockage du gaz | Deux réservoirs tampons de 200 L, filtres, régulateur de pression et clapet antiretour |
| Liquéfaction cryogénique | Deux têtes cryogéniques CH160 avec quatre compresseurs d’hélium F70L, utilisant le procédé Gifford–McMahon |
| Réservoir de stockage de LN₂ | Réservoir cryogénique à double paroi de 1 000 L, couplé à 3 réservoirs supplémentaires de 1500 L chacun. |
| Système de commande | Écran tactile permettant de surveiller la production de LN₂, la pression, le niveau du réservoir et la concentration en oxygène, avec alarmes de sécurité et accès à distance |
Installées au-dessus du réservoir de stockage d’azote liquide (LN₂), ces unités transforment l’azote gazeux en azote liquide selon le cycle de Gifford-McMahon.
Ce premier réservoir est utilisé pour recueillir l’azote liquide produit avant de le distribuer vers d’autres réservoirs supplémentaires reliés au système de liquéfaction de l’hélium.
Stockage et distribution de l’azote liquide et gazeux
Le système F-DGSi produit l’azote liquide dans un réservoir cryogénique principal de 1 000 litres. Le LN₂ est ensuite transféré vers trois réservoirs secondaires de 1 500 litres chacun, portant la capacité totale de stockage installée à 5 500 litres.
À partir de ces réservoirs, un réseau de conduites isolées, intégré aux murs du bâtiment, distribue l’azote liquide vers les équipements de recherche.
- Environ 80 % du LN₂ est destiné au prérefroidissement du système de liquéfaction de l’hélium, situé à l’étage supérieur.
- Les 20 % restants alimentent d’autres laboratoires nécessitant de l’azote liquide pour leurs activités.
Les trois réservoirs secondaires assurent une réserve d’azote liquide pour le système de liquéfaction de l’hélium et autres usages scientifiques.
L’infrastructure valorise également une partie de l’azote gazeux issu de l’évaporation naturelle de l’azote liquide et présent dans la partie supérieure des réservoirs cryogéniques. Ce gaz est récupéré et acheminé par un réseau de conduites vers d’autres instruments nécessitant une alimentation en azote gazeux de haute pureté, conformément à leurs exigences de qualité et de pression.
Cette architecture permet ainsi de répondre à plusieurs besoins scientifiques à partir d’une même installation de production, tout en optimisant l’utilisation de l’azote disponible.
5. Mise en service et intégration opérationnelle
Avant l’installation, les réseaux de services nécessaires doivent être préparés. Une fois le système installé, le projet entre dans la phase de mise en service, qui comprend le démarrage du système et la formation du personnel afin d’en assurer le fonctionnement fiable.
Coordination de l’installation
Pendant la fabrication et l’expédition de l’équipement, la salle destinée au système de production de LN₂ doit être préparée. Cette préparation comprend la vérification des services requis, notamment l’air comprimé, l’alimentation électrique et l’alimentation en eau, ainsi que le maintien d’une température ambiante entre 7 et 25 °C.
À l’Institut quantique, ces préparatifs ont été coordonnés par le personnel de l’Université. Un projet de cette nature peut également être réalisé selon une formule clé en main, dans laquelle la préparation des infrastructures et l’intégration du système sont prises en charge par le fournisseur. Une fois le site prêt et les équipements livrés, l’installation est planifiée de manière à limiter les perturbations des activités de recherche en cours.
Mise en service et essais du système
Après l’installation, la mise en service permet de vérifier le bon fonctionnement du système. L’unité de production de LN₂, déjà testée chez le fabricant, est conçue pour fonctionner en continu et de façon automatique, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
Après le démarrage, environ 36 heures sont nécessaires pour atteindre des conditions de fonctionnement stables. Le système produit ensuite environ 20 L/h d’azote liquide, soit 480 L/jour, avec une pureté de 99 % (la pureté obtenue dépend du générateur choisi). Lorsque le réservoir de stockage de 1000 L est plein, le système passe automatiquement en mode veille jusqu’à ce qu’un nouveau besoin en LN₂ se présente.
Des réservoirs supplémentaires peuvent être raccordés pour accroître la capacité totale de stockage. À l’Institut quantique, trois réservoirs auxiliaires de 1500 L servent à stocker le surplus provenant du réservoir principal.
Formation du personnel
Une fois la mise en service terminée, le personnel reçoit une formation portant sur le fonctionnement du système, l’utilisation de l’interface de commande, les procédures de sécurité et l’entretien préventif de base.
Une fois le système opérationnel, un soutien technique local demeure disponible. Les services d’entretien et de réparation sont assurés par l’équipe de service d’Ingenio, contribuant à la fiabilité à long terme de l’installation.
6. Résultats : autonomie, économies et avantages environnementaux
La production d’azote liquide sur site a permis à l’Institut quantique de renforcer son autonomie d’approvisionnement, de mieux maîtriser ses coûts et de réduire son impact environnemental.
Autonomie et stabilité accrues de l’approvisionnement
En remplaçant les livraisons externes par une production continue et automatisée, l’Institut a considérablement réduit les risques d’interruption liés aux fournisseurs et les contraintes logistiques qui viennent avec.
Le système assure désormais un approvisionnement adapté aux besoins de l’infrastructure de recyclage de l’hélium et des laboratoires qui en dépendent, tout en offrant une capacité supplémentaire pour accompagner leur développement.
Maîtrise des coûts à long terme
Avant l’installation, l’institut consacrait environ 100 000 $ par année à l’achat d’azote liquide, dont le prix au litre avait plus que triplé entre 2016 et 2025, sans compter la hausse des frais de transport.
La production sur site remplace une grande partie de ces dépenses par des coûts d’exploitation principalement liés à l’électricité et à l’entretien du système. Avec un retour sur investissement initialement estimé à cinq ans, l’institut prévoit donc des économies cumulées d’au moins 500 000 $ sur dix ans, tout en bénéficiant d’une meilleure prévisibilité budgétaire.
Avantages environnementaux
La production sur site élimine les livraisons régulières de LN₂ et donc les émissions liées à son transport. Le procédé de production d’azote lui-même ne génère aucune émission directe, il ne rejette que de l’oxygène comme sous-produit. L’empreinte carbone liée à la production sur site dépend désormais principalement de la consommation électrique du système.
Principaux résultats
| Indicateurs | Résultats |
|---|---|
| Capacité de production de LN₂ | 480 L/jour (jusqu’à 175 000 L/an), près du double de la consommation actuelle (90 000 L/an) |
| Autonomie d’approvisionnement | Élimination de la dépendance envers les livraisons externes |
| Retour sur investissement | Estimé à environ 5 ans |
| Prévisibilité des coûts | Dépenses principalement liés à l’électricité et à l’entretien. |
| Économies projetées sur 10 ans | Estimé à au moins 500 000 $ |
| Impact environnemental | Réduction des émissions liées au transport |
7. Point de vue de l’Institut quantique
« Un approvisionnement fiable en azote liquide est essentiel pour maintenir nos activités de recyclage de l’hélium et soutenir la recherche dans plusieurs laboratoires. Le passage à la production de LN₂ sur site a considérablement amélioré la stabilité de notre approvisionnement tout en réduisant à long terme les coûts monétaires et environnementaux. »
François Lizée, Stephane Pelletier, Bobby Rivard
Responsables des infrastructures de recherche
Institut Quantique – Université de Sherbrooke
8. La production de gaz sur site : une stratégie d’infrastructure à long terme
L’approvisionnement en gaz est devenu un élément essentiel des infrastructures de recherche, tant pour les procédés cryogéniques que pour l’instrumentation analytique. Un accès fiable à l’azote, à l’hydrogène et à l’air zéro contribue à la performance et à la continuité des activités, des systèmes de recyclage de l’hélium aux plateformes analytiques de LC-MS et de GC-MS.
L’expérience de l’Institut quantique illustre les avantages de la production sur site : autonomie d’approvisionnement, réduction des contraintes logistiques et meilleure prévisibilité des coûts. Cette approche s’applique également à d’autres gaz de laboratoire et à de nombreux secteurs scientifiques, médicaux et industriels.
Chez Ingenio, la production de gaz de laboratoire s’inscrit dans une approche globale de la conception et de l’aménagement des infrastructures de laboratoire, qui va au-delà de l’installation d’équipements. Le choix et le dimensionnement des systèmes doivent tenir compte des besoins de l’instrumentation, des installations existantes et de l’évolution des activités de recherche pour assurer leur fiabilité à long terme.
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