L?énergie « air comprimé » n?est pas gratuite. L?aération, pour ne prendre que cet exemple, représente jusqu'à 70 % de la consommation énergétique d'une station d'épuration. Pour l'exploitant, toute démarche d'efficience énergétique passe donc en premier lieu par une analyse approfondie de ses consommations en énergie « air comprimé » et par un audit d'équipements souvent trop négligés car peu visibles et situés en amont des process : les compresseurs et surpresseurs.
Les compresseurs et surpresseurs sont aujourd’hui omniprésents dans tous les domaines de l’industrie. Car même si le fait reste peu connu, l’air comprimé est à la base d’une multitude de procédés. Dans le secteur de l’eau, on trouve des compresseurs et surpresseurs dans le domaine de l’aération et de l’oxygénation mais aussi dans de très nombreuses autres applications comme le pompage, le séchage des boues ou encore la désodorisation. On les trouve également dans le domaine de la dépollution des sols et des nappes pour des applications liées à l’aspiration des polluants à travers des puits de pompage, par exemple.
Surpresseurs et compresseurs se distinguent habituellement en fonction des cou-
ples pression/débit qu'ils délivrent. Les surpresseurs génèrent des flux importants dans une gamme de pression relativement faible alors que les compresseurs délivrent une pression supérieure à celle des surpresseurs. Un distinguo à relativiser cependant, les machines actuelles ayant tendance à concentrer les deux technologies pour officier, selon les besoins, en surpression comme en compression. À l'écoute des attentes exprimées par les exploitants, la plupart des fabricants comme Aerzen, Atlas-Copco, Continental Industrie, Hibon, Howden, Kaeser, Robuschi ou Ingersoll Rand proposent une large gamme d'équipements de compression destinés à fournir les volumes d'air (ou de gaz) exempts d'huile à des pressions variées, adaptés au traitement des eaux.
Des équipements qui ont sensiblement évolué ces dernières années dans le sens d'une diminution des nuisances sonores, d'une réduction de la consommation d'énergie, d'une simplification de la maintenance et d'une gestion optimisée des équipements associés. Reste que si ces progrès, réels, concernent l'ensemble des machines aujourd'hui disponibles sur le marché, les technologies se sont également diversifiées, rendant parfois complexe le choix d'un compresseur.
Pour l'exploitant désireux de s'équiper, de renouveler son équipement ou plus simplement d'optimiser le fonctionnement de son parc de compresseurs, tout commence par une analyse approfondie de ses besoins en air comprimé.
Une analyse approfondie de ses besoins en air comprimé
En usine de production d'eau potable (neutralisation) ou en station d'épuration (aération), l'analyse des besoins en air comprimé est essentielle à plus d'un titre. D'abord parce que l'air comprimé joue un rôle essentiel dans l'efficacité des procédés. En épuration par exemple, toute la difficulté consiste à trouver le juste équilibre entre le volume d'apport d'oxygène dans l'effluent et la vitesse de sa consommation par différents mécanismes tels que la respiration des bactéries, les réactions d'oxydation ainsi que l'agitation des bassins pour
maintenir en suspension les flocs de bactéries. Cet équilibre, loin d’être constant, varie en fonction de la charge épuratoire à traiter mais aussi de nombreux autres facteurs : température de l’effluent, de l'air, la profondeur des bassins, les surfaces d’échange entre l'air et l’effluent, les vitesses des flux, les pertes de charge dans les tuyauteries, les diffuseurs, etc.
Ensuite parce que le process aération représente jusqu’à 70 % de la consommation énergétique d’une station d’épuration biologique. L’air comprimé est une énergie qui coûte relativement cher : l’Ademe en estime le prix entre 0,6 et 3 centimes d’euros le Nm³. Toute démarche d’efficience énergétique ou d’amélioration du bilan d’exploitation passe donc nécessairement par une analyse approfondie du procédé aération pour que chaque kilowatt consommé le soit de la façon la plus efficace possible. Cela passe bien évidemment par une surveillance des équipements d’aération tels que les aérateurs, les diffuseurs, ou les agitateurs, mais aussi et surtout par des équipements moins visibles car situés plus en amont : les compresseurs et surpresseurs qui jouent un rôle clé au sein de chaque usine de traitement.
La quantité d’air nécessaire (Nm³/h) permettra de déterminer la capacité nominale du compresseur. Le niveau de la pression requise devra être calculé au plus juste : abaisser la pression de 0,1 bar, en passant de 0,7 à 0,6 bar, permet de réaliser un gain énergétique de 12 % à la compression et même supérieur en considérant les effets sur le réseau, les fuites et les diffuseurs finaux. Enfin, la variabilité des besoins devra conduire à envisager différentes possibilités de régulation (marche/arrêt, TOR, VEV, compresseurs en parallèle, en série, en cascade, etc).
Une fois les besoins moyens mais aussi minimum et maximum estimés, une fois le niveau de qualité de l’air comprimé déterminé, il restera à privilégier un point clé avant de choisir la technologie la plus adaptée au besoin considéré : la fiabilité. En épuration, par exemple, que le process aération s’arrête et c’est l’ensemble de la station qui devient inopérante. La dimension fiabilité, essentielle, s’applique donc à l’alimentation électrique qui doit être protégée par un groupe électrogène comme l’ensemble de la métrologie, de la régulation et bien sûr aussi à la station soufflante. Au-delà des performances techniques des compresseurs et surpresseurs qui conditionnent la qualité de l’aération et du brassage des effluents et qui influent donc directement sur le rendement global de l’installation, il faut donc impérativement prendre en compte les aspects fiabilité et robustesse pour, quelles que soient les techniques mises en œuvre, assurer la continuité de l’exploitation.
Assurer la continuité de l'exploitation quelles que soient les techniques mises en œuvre
L’air comprimé basse pression (0,5-1 bar) peut être généré par des techniques de compression reposant sur des principes différents.
La compression volumétrique repose sur une élévation de la pression obtenue en enfermant une quantité d’air dans un espace confiné avant d’en réduire le volume à l’image de l’effet produit par une pompe à vélo. La variation du débit n’est donc possible qu’en variant la vitesse de rotation du rotor.
Beaucoup de déclinaisons technologiques reposent sur le principe de compression volumétrique : palettes, anneaux liquides, vis, spirales... etc. La plus courante, en traitement des eaux, repose sur la technologie à lobes, aussi appelée « Roots », qui met en œuvre une paire de rotors synchronisés à deux ou trois lobes, tournant à l’intérieur d’un carter de forme ovale et entraînés par un moteur externe.
L’air est
Entraîné par la rotation des lobes vers l’orifice d’échappement sans réduction de son volume. C’est le refoulement de l’air, de la tuyauterie vers le surpresseur, qui provoque l’augmentation de la pression.
La compression dynamique, sur laquelle repose par exemple les machines centrifuges, résulte d'une accélération de l’air à l'aide d'une roue, d'un passage dans un canal relativement étroit puis dans un diffuseur qui va diminuer soudainement mais progressivement la vitesse de l'air. L’énergie cinétique de l’air est alors transformée en pression statique. Les Venturi utilisés pour mesurer le débit utilisent ce principe.
Au fil des années, les technologies Roots ont bénéficié d’avancées successives, plus ou moins importantes. La conception de l’étage est par exemple passée de 2 à 3 lobes, principalement pour réduire le niveau de pulsations sans que cela n’apporte d’amélioration substantielle du rendement énergétique qui n’excède que rarement les 50 %. Or le coût du kWh pneumatique est élevé : de 10 à 20 fois celui du kWh électrique ! Certains exploitants, soucieux d’améliorer le bilan énergétique de leur production d'air comprimé se sont donc tournés vers d’autres technologies jugées plus sobres comme la technologie à vis ou les machines centrifuges. D’où l'apparition sur le marché d'une offre très diversifiée. Malgré tout, les Roots représentent encore 80 % du marché.
Les Roots : 80 % du marché
En volumétrique, les Roots conservent plusieurs avantages : leur prix reste attractif, ils progressent en compacité, en niveau de bruit et sont simples à maintenir. Aerzen avec Delta Blower Generation 5, Atlas Copco qui vient de racheter Houston Service Industries, un fabricant américain de surpresseurs et de pompes à vide basse pression solidement implanté sur les applications eaux usées, Kaeser ou encore Hibon (Groupe Ingersoll Rand) avec Silent Flow Plus, proposent des machines couvrant une large plage de débits sur des niveaux de pression différents. La gamme Tyr, que Busch a présenté récemment, illustre bien les atouts du Roots : la gamme, qui gagne en compacité (- 30 %), comprend six modèles de manière à répondre précisément à chaque application, peut aller jusqu’à 4 380 m³/h, le débit d’air permettant d’augmenter la cadence des machines en aération ou oxygénation. Leur plage de pression relative de fonctionnement s’établit entre - 500 mbar et + 1 000 mbar. La maintenance a également été simplifiée : grâce à leur technologie dite sans contact, les rotors ne nécessitent pas de lubrifiant et ne s’usent pas. La maintenance se limite donc à la vidange de l'huile dans le jeu d’engrenages, au graissage des roulements, au changement des filtres à air, courroies de distribution et filtres à huile.
Aerzen, qui capitalise un savoir-faire important dans la fabrication de surpresseurs à pistons rotatifs mais aussi de compresseurs à vis, a récemment présenté Delta Hybrid, une gamme de surpresseurs à pistons rotatifs fruit d’une synergie des techniques surpresseurs et compresseurs à vis. Parmi les points forts du Delta Hybrid, une efficacité énergétique optimisée : jusqu’à 15 % par rapport à un surpresseur traditionnel et une réduction du coût global de possession qui représente 90 % du coût global de possession d'un compresseur sur une période d’exploitation de 10 ans. La plage de fonctionnement de la gamme, de - 700 mbar à + 1 500 mbar, lui permet de répondre à la plupart des besoins du marché. Autres points forts : sa compacité, son niveau sonore (entre 70 et 81 dB(A), selon la taille) et sa robustesse avec une durée de fonctionnement supérieure à 60 000 heures à une pression différentielle de 1 000 mbar.
Kaeser propose de son côté ses blocs surpresseurs série « Compact » au pro-
Fil Omega, dotés de moteurs électriques à haut rendement IE2 et IE3 montés de série conçus pour économiser de l'énergie autant qu’il est possible de le faire.
Les centrales « Compact » Kaeser peuvent être installées côte à côte pour gagner de la place. Elles sont conçues pour réduire les charges d'exploitation et les frais d’entretien, pour faciliter la mise en service et assurer une grande fiabilité. Ces toutes nouvelles centrales avec commande intégrée et variateur de fréquence ou démarreur étoile-triangle réduisent les dépenses de planification, d’installation et de mise en service. Chaque centrale est fournie avec une documentation certificat CE.
Mais malgré leurs atouts, ces machines souffrent d’un handicap de poids à l'heure où les coûts de l’énergie explosent : un rendement énergétique qui n’excède pas 60 % pour un taux d'utilisation allant de 60 à 100 % selon les process.
D'où le succès d'autres technologies, moins énergivores, qui permettent de soigner les bilans d'exploitation.
Soigner les bilans d’exploitation
Les surpresseurs ZS d’Atlas Copco délivrent un flux d’air continu et fiable, certifié 100 % exempt d’huile certifié par l’organisme allemand TÜV selon la norme ISO 8573-1 classe 0 (2010). La gamme intègre tous les avantages de la technologie à vis et réduit en moyenne de 30 % les coûts énergétiques par rapport à la technologie à lobes. La technologie VSD (vitesse variable) permet de suivre la demande d’air en adaptant automatiquement la vitesse du moteur pour une efficacité énergétique optimale. Le surcoût de ce type de machine, évalué à environ 20 %, est absorbé en deux ans, une durée assez courte au regard de la durée de vie de ces machines.
Delta Screw génération 5, la nouvelle gamme de compresseurs à vis non lubrifiées d’Aerzen, inclue de son côté deux profils différents de rotors (pressions différentielles) permettant d’atteindre un optimum énergétique.
Chez Kaeser, le Profil Sigma doit permettre d’économiser jusqu’à 15 % d’énergie par rapport aux profils de rotors à vis courants sur des machines identiques.
La gamme complète de compresseurs à vis « low pressure » de Robuschi peut fournir des pressions de 2,5 bar en garantissant un débit de 10 500 m³/h. Elle se décline en produits de différentes dimensions, équipés selon les demandes. Le rendement élevé est obtenu, d'une part, par le profil innovant des rotors qui optimise le rapport entre le débit et la pression grâce au rendement maximal.
La réduction du bruit (<70 dB(A)) est obtenue par le fonctionnement constant du compresseur à vis à un régime réduit (6000 t/mn), par le carter intégrant un silencieux et un filtre d’aspiration, par le moteur à transmission par courroie à haut rendement et par le capot d’insonorisation spécial, conçu pour des passages d’air optimisés afin de réduire les pulsations au minimum.
Les compresseurs dynamiques, qui reposent sur une augmentation de la pression.
L’échappement des machines à dynamique cinétique regroupe les compresseurs centrifuges et les turbines. Moins bruyants et d’un rendement plus élevé (80 %), ils peuvent s'imposer dès lors que les exigences en termes de débit d’air approchent les 2 000 m³/h.
Les soufflantes à canal latéral, de conception simple, compactes, sont réputées pour leur bas niveau sonore, leur faible consommation électrique et leur durabilité. Elles sont proposées par des fabricants tels que Compair, Continental Industrie, Elmo Rietschle, Enerfluid, Ingersoll Rand, FPZ, Novair, MPR ou encore Samos pour des applications nécessitant de fortes pressions ou de gros débits ou encore pour des applications nécessitant un air totalement exempt d’huile. Leur fonctionnement est assez simple : le canal latéral et le rotor créent une zone de travail entre l’admission et la sortie. Les pales du rotor, en tournant, aspirent l’air et créent une pression radiale. La force centrifuge presse l’air sur l’extérieur du canal latéral. Un courant circulaire est généré entre le canal et les pales. Du fait de la pression radiale, l'air compressé commence à tourner. Cette rotation comprime l’air et fait monter la pression. En bout de chambre, l’air comprimé est poussé vers la sortie par le rotor. En termes de performances, les soufflantes se situent au coude à coude avec les surpresseurs. Mais au plan technique, leur fonctionnement, beaucoup plus simple, permet de gagner en fiabilité. En dehors des roulements situés à chaque extrémité de l'arbre, il n’y a aucune pièce en frottement et donc pas de phénomènes d’usure. Lorsque l’exploitant met sa soufflante en service, il peut compter sur 30 000 heures de fonctionnement soit 6 ou 7 ans de service en moyenne avant la première opération de maintenance qui se limitera bien souvent au changement des roulements.
Sur le terrain, l’offre est abondante. Ingersoll Rand propose ainsi une soufflante multi-étagée type centrifuge V-Centrif qui constitue une alternative aux surpresseurs, turbocompresseurs et compresseurs pour des débits allant de 5 000 à 15 000 Nm³/h. Proposée systématiquement en vitesse variable, elle constitue une solution compacte et fiable peu exigeante en fondations ou ancrages spéciaux. De son côté FPZ a développé des soufflantes dotées de deux corps de turbines sur le même arbre qui peuvent travailler soit en parallèle (TS) soit en série (TD). Ce nouveau modèle permet, à rendement équivalent, de gagner de 20 à 30 % de puissance énergétique.
Reste les turbocompresseurs, compétitifs lorsqu’une grande quantité d’air comprimé est nécessaire en bassin d’aération par exemple.
Les turbocompresseurs : compétitifs lorsqu’une grande quantité d’air comprimé est nécessaire
Ils sont proposés par Aerzen, Atlas Copco, ABS-Sulzer ou Howden, pour des besoins en air comprimé exempt d’huile allant de 250 kW à 1 MW.
Aerzen vient de présenter à Pollutec un turbocompresseur économe en énergie, « plug and play » pour une mise en service simple et rapide. La gamme intègre un moteur turbo à haute vitesse et performance à aimant permanent, refroidi par air, comprenant un variateur de fréquence avec filtre RFI à efficacité énergétique, entre 94 et 98 % sur sa plage de fonctionnement.
Grâce au variateur intégré, le turbocompresseur est piloté en douceur pour délivrer la juste quantité d’air. Il est doté d’une aube en acier inoxydable moulé, directement montée sur le rotor du moteur, minimisant ainsi l’inertie. Cette aube est composée de pales dont l’arête de 0,3 mm d’épaisseur, aux courbures étudiées, limite la friction de l'air. Ainsi, le turbocompresseur, naturellement ventilé, élimine l’installation de toute autre source externe de refroidissement. Il intègre également des paliers radiaux et axiaux à air, sans contact, fonctionnant sans huile. Leur forme aérodynamique produit, lors de la rotation, un coussin d’air.
Howden lance début 2012 une nouvelle gamme de turbocompresseurs baptisée « HSD » (High Speed Drive), dédiée aux débits allant de 2 000 Nm³/h à plus de 10 000 Nm³/h pour une pression différentielle allant jusqu’à 900 mbar. Cette gamme n'utilise pas seulement la vitesse de rotation pour varier le débit d’air généré par le compresseur mais aussi les ventelles positionnées en aval de l’hélice que Howden utilise depuis longtemps sur sa gamme existante de turbocompresseurs avec boîte de vitesse.
tandis que le rotor, ultra léger, est en sustentation. Ces paliers sont prévus pour plus de 20 000 arrêts/départs, soit une durée de vie moyenne de 10 ans en continu. Compact (en moyenne 2,8 m³), le turbocompresseur produit peu de nuisances sonores (< 80 dBA).
Sulzer Pumps, qui, en acquérant Cardo Flow Solutions, s’est offert la marque ABS, propose le HST 40, un turbo-compresseur à aimants permanents qui vient compléter la gamme existante des turbo-compresseurs HST, qui couvre un débit d’air allant jusqu’à 16 000 Nm³/h par machine.
« Le HST 40 d’ABS bénéficie de développements technologiques significatifs, ce qui lui permet de consommer 10 % d’énergie en moins par rapport à la précédente génération déjà en service depuis plus de 10 ans et qui elle-même était plus économe de 30 % au regard des solutions traditionnelles », affirme Julia Koloveri, responsable communication de Cardo Flow Solutions France.
Combiné à un design compact, le HST 40 procure un rendement plus que satisfaisant. Il comprend un moteur à aimants permanents piloté par variateur de fréquence refroidi par air. Le variateur de fréquence intégré permet un ajustement de la vitesse de rotation du moteur pour maintenir un rendement optimal sur tous les points de fonctionnement, optimisant ainsi la consommation d’énergie. La rotation et le guidage sont assurés par des paliers magnétiques contrôlés électroniquement, ce qui évite tout frottement et garantit l’absence d’usure, rendant inutile toute lubrification.
De son côté, Howden va lancer début d’année 2012 une nouvelle gamme baptisée « HSD » (High Speed Drive), dédiée aux débits allant de 2 000 Nm³/h à plus de 10 000 Nm³/h pour une pression différentielle allant jusqu’à 900 mbar. Elle se compose de quatre tailles de machines avec une ou deux hélices montées directement en bout d’arbre moteur.
Ce surpresseur utilise un moteur à haute vitesse couplé à un variateur de fréquence et atteint ainsi des rendements supérieurs à 85 %. La spécificité de cette gamme réside dans le fait qu’elle n’utilise pas seulement la vitesse de rotation pour faire varier le débit d’air généré par le surpresseur mais aussi les ventelles positionnées en aval de l’hélice (Variable Vane Diffusers) que Howden utilise depuis longtemps sur sa gamme existante de turbocompresseurs avec boîte de vitesse. Ces deux paramètres de contrôle permettent d’obtenir une variation du débit très importante allant jusqu’à 35 % du débit maximum, ce qui limite le nombre de machines à utiliser mais permet aussi de maintenir un rendement optimum, pas seulement à son point de design mais tout le long de la gamme de débit et de pression. Ce type de turbocompresseurs utilise aussi des paliers de type « airfoil » qui, contrairement aux paliers magnétiques, ne nécessitent pas de contrôles sophistiqués ni d’alimentation permanente. Le moteur, quant à lui, est équipé de paliers magnétiques permanents.
Deux sous-familles de turbos coexistent : les turbos à vitesse variable avec un moteur à haute vitesse et les turbos à vitesse constante avec un moteur électrique, une boîte de vitesse et des ventelles de contrôle positionnées à l’aspiration et au refoulement de la roue. Cette technologie existe depuis plus de 40 ans chez Howden et a bénéficié de multiples améliorations de son design au cours du temps. Ses performances vont de 5 000 Nm³/h à 100 000 Nm³/h pour des pressions pouvant aller au-dessus de 1,4 bar. Cette technologie est particulièrement fiable, avec des machines toujours opérationnelles après plus de 25 ans de service. Ces compresseurs offrent aussi un rendement maximum atteignant 87 %. Cette technologie reste donc incontournable pour les grosses installations ou les stations d’épuration en quête d’une facture énergétique minimum et sur le long terme.
