Surpresseurs et compresseurs : réduire la facture énergétique

12 juillet 2018 Paru dans le N°413 à la page 67 ( mots)

Rédigé par : Emilie TRAN PHONG

L’aération des bassins de traitement biologique des eaux usées représente plus de la moitié de l’énergie consommée par une station d’épuration. Peut-on faire des économies en changeant de surpresseurs ou compresseurs d’air ? Est-il possible d’optimiser le rendement des équipements dont on dispose déjà ? Quels gains peut-on espérer ? Eléments de réponse...

L’Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture (Irstea) a récemment étudié la consommation énergétique des stations d’épuration. Si le traitement par boues activées, le plus couramment utilisé en France, est apparu comme le procédé le moins énergivore, les stations qui l’utilisent consomment en moyenne 3,2 kWh par kilogramme de demande biologique en oxygène (DBO₅ éliminé. Plus de la moitié de cette électricité, parfois jusqu’à 70 ou 80 %, est affectée à la production d’air comprimé pour l’aération des bassins de traitement. S’il n’est pas envisageable de priver d’oxygène les bactéries chargées de digérer les polluants, les chercheurs ont montré qu’il était possible de réduire de 5 à 20 % ce poste de consommation d’énergie. Comment ? En remplaçant par exemple les vieux surpresseurs et compresseurs d’air par des modèles plus récents, ou fonctionnant différemment.

Surpresseurs à pistons rotatifs (aussi appelés trilobes) de la gamme Delta Blower, fabriqués par Aerzen.

À l’origine, l’aération des bassins était le plus souvent assurée par des surpresseurs à lobes (également appelés roots) ou des soufflantes à canal latéral. Ces appareils “poussent” l’air au fond de la cuve, le forçant à lutter contre la colonne d’eau pour remonter vers la surface. Mais les fabricants – de Aerzen à Sulzer, en passant par Atlas Copco, Bauer, MPR Industries, Continental Industries, FPZ Blower, Gardner Denver ou Kaeser - ont développé d’autres technologies qui se sont révélées, selon les cas, plus efficaces ou simplement plus adaptées. Il s’agit notamment des compresseurs à vis ou à becs qui, avant de pousser l’air sous la colonne d’eau, le compriment en réduisant la chambre dans laquelle il passe.

MPR Industries a également développé des machines à palettes sèches en alternative aux compresseurs à vis et à becs. « Bien que plus onéreux à l’achat (CAPEX), ils s’avèrent plus économes et moins énergivores dans le temps (OPEX), dans la mesure où ils conservent leurs performances tout au long de leur cycle de vie en raison de leur design qui repose sur un rattrapage automatique du jeu des lamelles », explique Charlie Herblin, Responsable Avant-projets chez MPR Industries.

Le surpresseur trilobe Tyr, de la marque Busch, est performant pour des pressions inférieures à 500 ou 600 mbar.

On peut aussi citer les turbocompresseurs, dont les moteurs à haute vitesse permettent de traiter de gros débits avec moins d’énergie. Mais, ces appareils présentant sans surprise un surcoût important, comment savoir si un investissement de ce type sera intéressant ? Et comment choisir le bon ? « Il n’y a malheureusement ni vérité établie, ni solution universelle, le choix doit se faire au cas par cas », répondent, unanimes, tous les fabricants.

Surpresseur type roots de la gamme ZL, fabriqué par Atlas Copco.

C’est pour cette raison que les compressoristes étudient au cas par cas, voire adaptent leurs machines (performances, design de l’installation existante pour installation en lieu et place d’un matériel existant) hors des standards habituels. « C’est le cas chez MPR Industries qui adapte la majorité de ses machines, afin de trouver le meilleur compromis (prix/encombrement/performances/durée de vie) en fonction des cahiers de charges et des budgets sur des débits allant de 5 à 6.000 m³/h en machine à palettes mono étage », comme le souligne Charlie Herblin.

Entre 600 et 1.000 mbar, un choix au cas par cas

Le choix dépend de nombreux paramètres et d’abord de la hauteur d’eau dans le bassin. Plus elle est importante, plus il faudra fournir de pression pour forcer le passage vers la surface. Ainsi, pour 1 mètre d’eau, une pression de 100 mbar suffit, tandis qu’il faut 1 bar pour s’opposer au poids d’une colonne de 10 m d’eau.

Lorsque les besoins sont inférieurs à 600 mbar, les surpresseurs roots et les soufflantes, surtout s’ils sont équipés de moteurs IE3 ou IE4, restent souvent plus intéressants car le gain énergétique potentiellement lié aux autres technologies n’est pas suffisamment important pour justifier un remplacement anticipé. Au-delà de 1 bar, ils doivent laisser la place à des compresseurs à vis ou à becs.

L’association du variateur et du moteur à aimants permanents du compresseur à vis Robox de Gardner Denver permet de proposer des niveaux d’efficacité élevés, même à basse vitesse de rotation. Dans l’ensemble, ces caractéristiques permettent une efficacité du moteur supérieure à la classe de rendement IE4.

« Ce changement de technologie est dû à l’incapacité des surpresseurs à travailler au-delà de 1 bar en raison d’un design inadapté, explique Charlie Herblin chez MPR Industries. Aux alentours de 850/900 mbar, les fuites internes dans un surpresseur deviennent équivalentes au débit aspiré, il en résulte un débit nul en sortie machine, un échauffement pouvant conduire à une casse machine si les éléments de sécurité ne sont pas adaptés et à une consommation d’énergie maximum, d’où le passage à une technologie plus adéquate : vis, bec, ou palettes ».

Entre 600 mbar et 1 bar, le choix s’avère plus compliqué. Il dépend également des besoins du bassin de traitement : quel débit d’air faut-il pour répondre à la demande biologique en oxygène ? combien d’heures la machine sera-t-elle utilisée par jour ? Plus il y a d’air à produire, plus les économies potentiellement réalisables seront importantes. Ainsi, « bien qu’ils soient 40 à 50 % plus chers à l’achat, nos compresseurs à vis Delta Hybrid permettent d’économiser 15 à 30 % d’énergie par rapport à des surpresseurs à lobes, précise Brice Ladret, président de Aerzen France. Sur une grosse machine consommant plusieurs centaines de kWh, cela fait une grande différence. En revanche, si la station n’a besoin que d’un petit débit d’air, inutile d’investir dans un compresseur à vis plus onéreux pour gagner quelques kWh ». De même, l’investissement sera plus rapidement rentabilisé si l’appareil est utilisé douze heures par jour que s’il ne tourne que ponctuellement.

Les surpresseurs à vis EBS de Kaeser Compresseurs développent des performances conformes à la norme ISO 1217 grâce au bloc surpresseur au Profil Sigma, aux composants optimisés pour une meilleure circulation de l’air, à une transmission plus efficiente et au moteur à haut rendement.

Les pompes à becs de la gamme Mink, chez Busch, promettent également 20 % d’économies d’énergie par rapport à des surpresseurs roots. Même chose avec les surpresseurs à vis de la gamme ZS, chez Atlas Copco, dont « les performances énergétiques sont améliorées par la présence d’un entraînement direct, en lieu et place du système poulie/courroie classique », comme le précise Emmanuel De Baerdemaeker, chef de produits basse pression chez Atlas Copco.

Turbo-compresseurs : pour de gros débits

Autre solution : les turbo-compresseurs ou turbo-suppresseurs, dont les moteurs à haute vitesse offrent le meilleur rendement du marché sur de gros débits. Leur prix est beaucoup plus élevé, du fait d’une technologie plus complexe, mais ils peuvent apporter un gain d’énergie supplémentaire, de 10 % en moyenne par rapport aux compresseurs à vis. Karine Bannier, responsable ingénierie Grands Comptes chez Sulzer, le confirme : « Pour nos turbocompresseurs HST, qui couvrent des débits allant de 1.000 à 16.000 Nm³/h, et des pressions allant de 900 à 1.250 mbar, le coût d’investissement élevé s’explique par les technologies mises en œuvre dans nos machines : un moteur à haute vitesse synchrone ou à aimants permanents pour garantir des rendements élevés, un pilotage par variateur de fréquence intégré, des paliers magnétiques avec un système de contrôle actif des paramètres de sécurité. Aux importantes économies d’énergie, il faut ajouter des économies de maintenance non négligeables ». Les paliers magnétiques, qui maintiennent en lévitation le rotor, permettent un fonctionnement sans pièce en contact (pas d’usure), sans lubrification, ni vibration, limitant les opérations de maintenance…

Le compresseur à vis basse pression de la gamme Delta Hybrid d’Aerzen permet d’économiser de 15 à 30 % d’énergie par rapport à des surpresseurs à lobes.

« L’investissement est d’autant plus rentable s’il est envisagé dès la conception de l’usine, ajoute Karine Bannier. Unité compacte et générant peu de bruit (max 80 dB), l’installation des turbocompresseurs nécessite en effet moins de génie civil (plusieurs machines dans une même salle ; sans embase béton), ou d’isolation phonique ». Une attention particulière est à apporter aux conditions d’installation (air ambiant, poussières et gaz corrosifs, protection contre les intempéries) en raison de l’électronique embarquée qui assure le contrôle du turbocompresseur et son auto-protection en permanence.

Optimiser sa consommation grâce à la vitesse ?

Quelle que soit la technologie choisie, un autre élément peut permettre de réaliser encore de 20 à 30 % d’économies d’énergie : l’ajout d’un variateur de vitesse. Tous les fabricants de compresseurs proposent cette option. Elle peut avoir un intérêt dès lors qu’il y a des variations sensibles dans les quantités de charges polluantes à traiter, donc dans les débits d’air à produire pour l’aération des bassins, ce qui est le cas dans 90 % des stations d’épuration. En effet, dans les stations d’épuration, la charge à traiter est souvent plus importante en journée que la nuit. Elle peut aussi être plus importante en périodes de vacances près des sites touristiques. Le variateur permet alors d’adapter la vitesse de rotation de la machine, en fonction de la DBO mesurée dans les bassins. Ainsi, les compresseurs et surpresseurs équipés de ces variateurs ne surproduisent pas d’air comprimé.

Le turbocompresseur Aerzen associe différentes technologies de pointe : turbine moulée en acier inoxydable haute résistance au profil aérodynamique, moteur à aimants permanents haute vitesse piloté grâce à un variateur de vitesse, paliers aérodynamiques, arbre traversant commun à la turbine et au moteur synchrone, le tout opéré à l’aide d’un système de contrôle évolué.

Sur certains modèles, le variateur de vitesse est directement intégré à l’appareil. Cela ne pose pas de problème sur un turbocompresseur, puisque ce dernier est systématiquement installé dans un local à part, loin de l’air process chaud et poussiéreux qui entoure les bassins. Mais il est plus souvent proposé à part, de manière à pouvoir être placé dans la pièce dédiée à l’électronique. En outre, « quand le moteur et le variateur sont séparés, ils peuvent être remplacés indépendamment en cas de défaillance, ce qui coûte moins cher », indique Joël Benard, directeur commercial & marketing chez Busch France. Et d’ajouter que la technologie ne fait pas tout : « Nous proposons des surpresseurs à lobes et des pompes à becs performants, avec des moteurs IE3 et de bons variateurs de vitesse. Mais les économies d’énergie ne seront optimales que si ces appareils sont bien dimensionnés par rapport aux besoins et utilisés intelligemment. Parfois, il ne suffit pas de changer un modèle pour un autre. C’est pourquoi, quand des clients nous interrogent, nous allons sur leur site, voir comment fonctionne l’installation, avant de leur proposer une réponse adaptée ».

Gardner Denver a fait le choix privilégier les compresseurs à vis équipés de moteur à aimants permanents. L’association du variateur et du moteur à aimants permanents du compresseur à vis Robox permet de proposer des niveaux d’efficacité élevés même à basse vitesse de rotation. Dans l’ensemble, ces caractéristiques permettent une efficacité du moteur supérieure à la classe de rendement IE4.

Acheter ou louer ?

En cas de changement d’équipement, ne pas oublier d’intégrer dans ses calculs les surcoûts liés à l’installation. Faute de standards bien établis, les entrées et sorties d’air ne sont pas toujours positionnées de la même façon d’une marque à l’autre, si bien qu’il est parfois nécessaire d’adapter la configuration du système pour passer de l’une à l’autre. Le surcoût n’est pas forcément rédhibitoire, mais il ajoute à l’investissement. Chez un même fabricant, ce problème est cependant moins prégnant. Ainsi, chez Aerzen, cela fait longtemps que tous les compresseurs et surpresseurs ont le même format, ce qui permet de les substituer aisément entre eux.

Un variateur de vitesse est systématiquement intégré aux turbosurpresseurs à paliers magnétiques de Atlas Copco, ce qui permet de faire entre 20 et 30 % d’économies d’énergie de plus que s’il n’y en avait pas.

Que l’on décide de travailler ou pas avec le même fabricant, il n’est pas nécessaire de renouveler tous les appareils d’un coup autour d’un bassin. La plupart des exploitants préfèrent en effet planifier leurs investissements et remplacer les appareils un à un, en commençant par ceux dont le potentiel d’économies d’énergie est le plus important.

Le turbo-compresseur HST 20, le plus vendu de la gamme HST de Sulzer, permet de traiter efficacement 6.000 Nm3/h jusqu’à 900 mbar. Son cousin, le HST 40, permet quant à lui de traiter des débits supérieurs à 10.000 Nm3/h.

En cette période ou les budgets sont très contraints, de nombreux services optent pour la location qui permet également de tester avant d’acheter. Logiquement, tous les fabricants de surpresseurs et compresseurs d’air proposent leur service de location. Non seulement, cela permet aux clients hésitants, de valider un choix technologique avant de faire évoluer plus progressivement leurs installations, mais cela peut aussi être utile en cas de pics de fonctionnement importants, lors d’un afflux touristique saisonnier par exemple.

Il existe aussi des solutions mobiles de secours. En cas de casse, le service Atlas Copco Rental, allié à un service après-vente très présent, peut ainsi fournir un nouveau surpresseur en moins de 24 heures. De son côté, Sulzer s’apprête à déployer un parc locatif d’appareils en containers. « Ces derniers, déjà proposés en Grande Bretagne, vont être développés sur toute l’Europe, annonce Karine Bannier. Contenant un compresseur et tous les accessoires nécessaires à son fonctionnement, ces “kits” sont prêts à être utilisés, même sur des sites qui ne disposent pas encore de local ou qui n’ont pas encore délogé la machine à remplacer ».

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