L'OZONE
2e PARTIE*
Yves FAES
COMPAGNIE GENERALE DES EAUX
4. Aspect économique de l'ozonation.
Une installation n'est jamais considérée uniquement sous le seul critère d'ordre technique : il importe évidemment de savoir ce que coûte une installation de production réalisée pour assurer un degré très élevé de sécurité de fonctionnement, de maintenance aisée, d'automatisation et de souplesse de réglage, qui est indispensable pour un fonctionnement quasi automatique.
Le calcul du prix de revient d'une installation de production d'ozone, exprimé en francs par kilogramme d'ozone produit, dépend essentiellement de quatre caractéristiques :
- — la capacité de production d’ozone en kilogrammes d'ozone produits par heure ;
- — la concentration en ozone de l'air qui s'exprime en gramme d'ozone par m³ d'air ; cette concentration détermine la capacité des équipements de production d'air (surpresseur), des dessiccateurs et des canalisations d’air ;
- — la consommation spécifique d’énergie électrique qui s'exprime en Wh par gramme d’ozone produit ;
- — pour les applications de l'ozone au traitement des eaux, la hauteur d'eau dans les tours de contact qui fixe évidemment la surpression de l'air dans les canalisations et les équipements, et par conséquent, leur dimensionnement.
D'autre part, pour un ensemble de caractéristiques données, le prix de revient dépend de la technique utilisée pour l'alimentation électrique des ozoneurs :
a) Un ozoneur moyenne fréquence (600 Hz environ) avec son alimentation par onduleur, le groupe frigorifique pour assurer son refroidissement occupent une surface au sol qui est beaucoup plus réduite que celle occupée par trois ozoneurs 50 Hz et leur alimentation en énergie électrique, d’où une économie sur le génie civil.
b) Nous sommes au début des ozoneurs à onduleurs alors que la technique des ozoneurs 50 Hz, qui est très largement diffusée maintenant, bénéficie pleinement de l'effet de série.
D'autre part, l'industrie livre actuellement tous les semi-conducteurs utilisés dans l’onduleur à des prix qui s’abaissent d'année en année alors que le prix des alimentations électriques classiques en 50 Hz augmente plutôt progressivement.
c) La consommation d'énergie électrique spécifique totale de toute la chaîne comprenant la compression, la dessiccation, la production d’ozone, la dissolution et tous les appareillages auxiliaires peut être estimée en moyenne sur une année à 25 Wh par gramme d’ozone produit pour la technique 50 Hz.
Cette consommation est légèrement plus élevée pour la technique 600 Hz en raison essentiellement de la consommation du groupe frigorifique qui est nécessaire au refroidissement de l’ozoneur et dont l'utilisation dépend de la température de l'eau. Pour les eaux de rivière qui arrivent en été à une température maximale de 23 °C, la consommation d’énergie supplémentaire de ce groupe frigorifique élève la consommation d’énergie spécifique totale de la technique 600 Hz à 28 Wh par gramme d’ozone en moyenne dans l’année.
Mais on peut concevoir qu'il existe certaines eaux dont la température ne dépasse pas 10 à 12 °C pendant toute l’année et dans ce cas, le groupe frigorifique disparaît, ce qui ramène la consomma-
* La première partie de cet article est parue dans le n° 58, octobre 1981. Spécial stérilisation : chlore, brome, ozone, U.V.
tion d’énergie spécifique pour la technique 600 Hz à 25 Wh par gramme d’ozone pratiquement.
Des comparaisons faites pour des caractéristiques identiques de grosses installations, il ressort que la technique 600 Hz est plus économique, même avec l'eau à 23 °C, puisque le supplément de consommations énergétiques qu’elle entraîne reste inférieur au gain d'investissement.
Cette analyse montre que le prix de revient d'une installation de production peut varier d’une manière importante et qu'une étude économique spécifique serait donc à faire pour chaque application.
Les chiffres indiqués ne sont donc que des ordres de grandeur des coûts pour des installations complètes satisfaisant au critère technique spécifié ci-dessus : c’est-à-dire pour des appareillages assurant un degré très élevé de sécurité de fonctionnement, de maintenance aisée, d’automatisation et de souplesse de réglage à l'aide de systèmes développés de télémesures, téléréglage, télécommande et télésignalisation.
Il paraît intéressant d’étudier d'une part, une station complète d'ozonation de l'eau et d’autre part, les seuls équipements de compression, conditionnement de l'air et production d'ozone qui sont susceptibles d’être utilisés pour d'autres applications que l'eau.
Le prix de revient global d’une station d’ozone pour le traitement de l'eau comprenant d'une part, les coûts de génie civil, les coûts des équipements de compression, dessiccation, production d'ozone, d'eau glacée, diffusion, recyclage, sécurité, mesures et contrôles, et d'autre part, les coûts énergétiques et les dépenses d’entretien, peut être évalué à 37 francs par kilogramme d’ozone produit pour la technologie moyenne fréquence, sur une base de production égale à 50 % de la capacité installée.
Ce prix de revient global d'une station d'ozonation d'une capacité de 100 kg d'ozone est inférieur à celui d'une station de même capacité mais réalisée en technologie traditionnelle : l’écart, dans ce cas, peut être évalué à 6 % environ.
Pour un taux de traitement moyen annuel de 2,5 grammes par m³ d'eau, le prix de revient total correspondant est de 0,09 franc par m³ d'eau.
Le prix de revient global comprenant le coût des investissements, le coût énergétique et les dépenses d’entretien peut être estimé, pour les équipements de compression, dessiccation, production d’ozone, sécurité, mesures et contrôle à 23 francs par kilogramme d’ozone produit sur la base d'une production moyenne égale à 50 % de la capacité installée.
Le prix de revient par kilogramme d’ozone dépendra évidemment de son niveau de production par rapport à la capacité installée.
V. AUGMENTATION DE LA PRODUCTION D’OZONE PAR L'EMPLOI DE L'OXYGÈNE PUR OU DE L’AIR ENRICHI EN OXYGÈNE
Deux paramètres qui caractérisent le fonctionnement de la cellule ozoneur et permettent de définir complètement l’état de la cellule sont la consommation spécifique en watt-heure pour la production d'un gramme d’ozone et la concentration de l'ozone en gramme par m³ de gaz dans les conditions normales.
La consommation spécifique est fonction principalement de la concentration de l’oxygène dans le gaz à l'entrée de la cellule, de la concentration de l’ozone dans le gaz à la sortie ainsi que de la pression du gaz et à un degré moindre, de la température de l'eau de refroidissement de la cellule et de son niveau de production : la consommation spécifique diminue aux faibles concentrations d'ozone et aux fortes concentrations d'oxygène.
C’est ainsi que la consommation spécifique de l'ozoneur en 50 Hz croît en valeur moyenne de :
— 13 à 18,5 Wh—g pour l’air et pour une concentration d’ozone variant de 10 à 20 g/m³,
— 10 à 14 Wh—g avec de l'air enrichi à 60 % et pour une concentration d’ozone variant de 15 à 30 g/m³ de gaz,
— 8 à 11 Wh—g avec de l'air enrichi à 90 % et pour une concentration d'ozone variant de 20 à 35 g/m³.
Quant à la production maximale de la cellule, elle augmente à peu près linéairement avec la concentration de l’oxygène dans le gaz jusqu'à 190 % environ avec l’oxygène pur, à débit de gaz constant.
Le choix de la concentration de l’oxygène dans le gaz à l’entrée de la cellule doit être déterminé par un calcul économique prenant en compte d'une part, la capacité de production de l’installation et d'autre part, la modulation des besoins en ozone ; la plage qui semble être généralement choisie est de 50 à 90 % d’oxygène en volume.
Avec l'emploi de l’oxygène en circuit fermé, il convient de tenir compte des pertes en oxygène qui se produisent notamment dans les cuves de contact, par dissolution dans l'eau. La solubilité de l’oxygène dans l'eau peut être déterminée à l'aide d’abaques en fonction de la température de l'eau et de la concentration de l’oxygène dans le gaz au-dessus des cuves de contact. Il faut également tenir compte du principe de diffusion de l’ozone dans l'eau qui est adopté et dont dépend la solubilité de l'oxygène.
La dissolution d'une quantité d'oxygène dans l'eau s'accompagne d'un dégazage d'azote qui diminuera d'autant la concentration en oxygène dans le gaz en sortie des cuves.
Le fonctionnement en circuit fermé du procédé peut être schématisé par la Figure 13.
Dans le gaz sortant des cuves, la composition se trouve modifiée par rapport à la composition du gaz entrant.
Pour restaurer la composition du gaz en oxygène, il faudra par conséquent purger la quantité d’azote dégazée et faire un apport en oxygène.
Ces besoins en oxygène qu'implique le fonctionnement du procédé en circuit fermé peuvent être compris entre 10 et 30 % du volume du gaz, selon la température de l'eau et la concentration de l'oxygène dans le gaz.
L'utilisation d'un gaz enrichi en oxygène nécessite un équipement plus complexe que celui utilisant de l'air puisqu’il faut notamment fournir les besoins en oxygène à l'entrée des ozoneurs, enrichir l'oxygène à la sortie des cuves, contrôler et réguler la concentration d'oxygène à la valeur économique qui est fixée, en dépit des pertes.
L'évolution du coût global du procédé va dépendre d'une part, de la concentration de l'oxygène dans le gaz, concentration qui détermine la capacité maximale de production, et d’autre part, de la modulation des besoins en oxygène qui déterminent à la fois la consommation d'énergie électrique pour la production d’ozone et la consommation d'oxygène ; quant aux charges d’entretien des équipements, elles seront fonction à la fois de la capacité installée et de la modulation des besoins en ozone.
Plusieurs autres facteurs ont une incidence sur le prix de revient de l'installation qui est difficile à définir quantitativement : le premier est la précision du réglage des concentrations d'oxygène et d'ozone, qui réagit sur les consommations d’énergie électrique et d'oxygène, et le second facteur la fiabilité et la disponibilité des équipements de la chaîne de production qui réagit sur l'entretien.
Le prix de revient global d'une chaîne de production d'ozone comprenant les équipements de compression, dessiccation, production d'ozone, diffusion, recyclage, mesures et contrôles et d’autre part, les coûts énergétiques et les dépenses d'entretien, peut être estimé à 25 F/kg, sur la base d'une production moyenne égale à 50 % de la capacité installée et avec une concentration d'oxygène de 60 % en volume.
La détermination du prix de revient a été faite dans les conditions les plus avantageuses, qui consistent à n’utiliser de l'air enrichi que pendant les périodes de l'année où les besoins en ozone dépassent la capacité disponible avec de l'air.
Ce prix de revient augmenterait avec la concentration en oxygène.
VI. CONCLUSIONS
Les travaux entrepris depuis plus de dix ans pour améliorer l'utilisation des générateurs d’ozone ont permis de doubler leur production unitaire par l'emploi de l’oxygène pur et de tripler cette production en passant de l'alimentation 50 Hz à l'alimentation moyenne fréquence.
Grâce à ces nouvelles technologies, l'encombrement des équipements de production d'ozone et le coût du génie civil ont pu être réduits dans des rapports importants comparativement à la technique traditionnelle.
L'engagement financier pour les grosses capacités de production est aussi moins élevé pour les deux nouvelles technologies.
Quant à la consommation d’énergie électrique, elle est légèrement supérieure pour la technologie moyenne fréquence par rapport aux technologies avec alimentation 50 Hz : l'écart provient essentiellement de la consommation spécifique moyenne du groupe frigorifique alimentant le circuit de refroidissement de l'ozoneur moyenne fréquence, consommation qui dépend de la répartition de la température de l'eau du réseau au cours de l’année. Pour la technologie employant l’oxygène pur ou l'air enrichi en oxygène, il convient également de tenir compte des apports d’oxygène nécessaires au fonctionnement de la chaîne de production.
En service permanent et alimentés en AIR, les ozoneurs nécessitent un entretien périodique tous les six mois environ. Il convient d'y ajouter l’entretien des machines tournantes, des vannes, l’étalonnage des appareils de mesure, les interventions en vue du dépannage des équipements divers de production et de contrôle, et enfin le nettoyage des locaux. On peut estimer le rapport du coût d’entretien aux dépenses totales d’exploitation à :
- — 35 % pour la technologie traditionnelle,
— 25 % pour la technologie moyenne fréquence, du fait de la réduction du nombre des équipements,
— 25 % pour la technologie à AIR enrichi en oxygène, en raison surtout de la réduction des volumes d'azote qui diminue la fréquence de nettoyage des ozoneurs, mais il convient de tenir compte de l'entretien du dispositif supplémentaire utilisé pour le recyclage du gaz.
Le risque de perforation du diélectrique est en effet fortement diminué pour la nouvelle technologie moyenne fréquence : d'une part, le niveau de tension appliqué est réduit de plus de 30 % à la production maximale et d'autre part, du fait de la réduction du nombre total de tubes qui statistiquement doit conduire à une réduction de la probabilité de défaut par claquage.
Une étude détaillée du bilan global portant sur l'investissement d'une part et sur les dépenses annuelles en énergie électrique et en entretien d'autre part, fait apparaître que pour la nouvelle technologie traditionnelle : un gain de près de 10 % a pu être estimé dans un cas d'application.
D'autre part, il semble que la nouvelle technologie utilisant l'air enrichi d'oxygène ne soit pas plus économique que la technologie moyenne fréquence pour des capacités importantes.
Les convertisseurs à thyristors, qui sont des appareils statiques, sont maintenant d'un fonctionnement très sûr, confirmé dans les nombreux domaines d'utilisation de la traction, métallurgie et sidérurgie depuis de nombreuses années et où les conditions d'emploi sont particulièrement sévères.
L'utilisation de la moyenne fréquence présente enfin un niveau de performances élevé sur le plan de la précision et de la souplesse du réglage qui reste très simple, comme peuvent le confirmer les résultats d'exploitation de l'installation de Neuilly-sur-Marne, et sûrement plus simple que le réglage de l'installation en technologie AIR enrichi en oxygène.
Si l'on est parvenu à améliorer l'utilisation des générateurs d'ozone par l'augmentation de la fréquence, il semble que des progrès importants restent encore à faire dans la connaissance plus approfondie des phénomènes physico-chimiques qui se déroulent dans l'effluveur. Une meilleure connaissance de ces phénomènes serait très fructueuse puisqu'elle réduirait la consommation spécifique en énergie électrique qui est actuellement identique très sensiblement pour toutes les technologies au niveau de l'effluveur ; il en résulterait un développement accru des applications de l'ozone. L'utilisation en particulier d'un générateur d'impulsions de courant amorties et à une fréquence maximale compatible avec les caractéristiques des thyristors, serait susceptible d'améliorer sensiblement le rendement de l'effluveur.
BIBLIOGRAPHIE
M. CHAPART. — Amélioration du rendement des générateurs d'ozone, Journées Européennes sur les applications de l'ozone au traitement des eaux, Nice, 25-26 janvier 1979, p. 54-75.
R. CHAPSAL. — Technologie des générateurs d’ozone Trailigaz in « L'ozonation des Eaux », manuel pratique. — W. J. MASSCHELEIN éd., — Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 26-28 (Coll. Comité Européen de l'Association Internationale de l'Ozone).
P. CHAPSAL. — Nouvelle génération d’ozoneurs de très grande capacité. Communication présentée au 5° Congrès Mondial de l'Ozone, Wasser Berlin 81, 31 mars-3 avril 1981.
F. DAMEZ. — Neuilly-sur-Marne/Noisy-le-Grand one of the largest and most advanced plant in the world for drinking water treatment by ozone in : Proc. Forum on Disinfection with Ozone, Chicago, June 2-4, 1976, E. G. FOCHTMAN, R. G. RICE & M. E. BROWNING (eds.), 306-311. International Ozone Institute, Syracuse (1977).
F. DAMEZ, J. VIGOURET. — Les problèmes de sécurité dans les installations d’ozonation, La Technique de l'Eau et de l'Assainissement, n° 401, mai 1980, p. 7-19, (Communication présentée au IV° Congrès Mondial de l'Ozone, Houston, 26-29 novembre 1979.)
F. DAMEZ. — Détermination de l'ozone dans les lieux de travail et dans l'air ambiant, in : « L'ozonation des Eaux, manuel pratique », W. J. MASSCHELEIN éd., Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 135-136 (Coll. Comité Européen de l'Association Internationale de l'Ozone).
F. DAMEZ. — Sécurités pour la prévention des incidents sur les équipements, in : « L'ozonation des Eaux », manuel pratique, W. J. MASSCHELEIN éd., Paris, Technique et Documentation, p. 119-121 (Coll. Comité Européen de l'Association Internationale de l'Ozone).
D. G. DERRICK, J. R. PERRICH. — Guide to ozone equipment selection, Pollution Engineering, November 1979, p. 42-44.
C. FABJAN. — Electro chemical method for production and analytical determination of ozone. Communication présentée au 3° Congrès International de l'Ozone, Paris, 4-6 mai 1977.
Y. FAES. — Ozoneurs : leur théorie et application des techniques nouvelles à semi-conducteurs à leur alimentation, Revue Générale de l'Électricité, 84, n° 1, janvier 1975, p. 13-23.
Y. FAES. — Commande des processus industriels par calculateurs. Paris, Masson, 1980 (208 p.).
R. GERVAL. — Spécifications et contrôle des performances d'un générateur d’ozone in : « L'ozonation des Eaux », manuel pratique, W. J. MASSCHELEIN éd., Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 22-25.
M. GOLDMAN, M. LECUILLER. — Activation de l’oxygène dans la décharge électrique in : « L’ozonation des Eaux », manuel pratique, W. J. MASSCHELEIN éd., Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 39 (Coll. Comité Européen de l'Association Internationale de l'Ozone).
J. HIGGINS. — Air preparation for ozone production, Communication présentée au Symposium « Ozone Technology », Los Angeles, 23-25 mai 1978.
K. V. HONN, G. N. GLEZMAN, W. CHAVIN. — A high capacity ozone generator for use in aquaculture and water processing. Marine Biology, 34, n° 3, 1976, p. 211-216.
P. IMRIS. — Generation of ozone by sectionalized D.C corona discharge utilizing bipolar electrodes. Communication présentée au 3° Congrès International de l'Ozone, Paris, 4-6 mai 1977.
P. IMRIS. — Ozone generator, Communication présentée au 4° Congrès Mondial de l’Ozone, Houston, 26-29 novembre 1979.
J. KATZ éd. — Ozone and chlorine dioxide technology for disinfection of drinking water, Park Ridge, Noyes Data Corporation, 1980. (Pollution Technology Review n° 67.)
M.J. KLEIN, R.L. BRABETS, L.C. KINNEY. — Generation of ozone in : Proc. First International Symposium on Ozone for Water and Wastewater Treatment, Washington, Dec. 2-5, 1973, R.G. RICE & M.E. BROWNING (eds.) 1-9. International Ozone Institute, Cleveland (1975).
H. KRUITHOFF. — Ozonisierung und Ozonmessung in der Trinkwasseraufbereitung, Wasser, Luft und Betrieb, 18, n° 4, avril 1974, p. 218-219.
G.E. KURZMANN. — Methoden der Ozonerzeugung. Wasser Berlin 77, Internationales Symposium Ozon und Wasser, p. 99-105.
O. LEITZKE, G. GREINER. — Ozon aus Sauerstoff, technische und wirtschaftliche Vorteile. Journées Européennes sur les applications de l’ozone au traitement des eaux, Nice, 25-26 janvier 1979, p. 76-102.
R. LOWNDES, R.K.W. PALMER. — A major advance in ozone generation technology. Journées Européennes sur les applications de l’ozone au traitement des eaux, Nice, 25-26 janvier 1979, p. 41-53.
M. MARETS. — Efficiency of traditional ozonisers. Communication présentée au Symposium « Ozone Technology », Los Angeles, 23-25 mai 1978.
W.J. MASSCHELEIN. — L’utilisation d’un gaz de processus enrichi en oxygène in : « L’ozonation des Eaux », manuel pratique. W.J. MASSCHELEIN éd. Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 13-16 (Coll. Comité Européen de l’Association Internationale de l’Ozone).
W.J. MASSCHELEIN. — Perspectives de l’ozonation de l’eau au départ d’air enrichi en oxygène. Techniques et Sciences Municipales, 71, n° 8-9, août-septembre 1976, p. 385-399.
W.J. MASSCHELEIN. — L’optimalisation de la capacité de production d’ozone dans le traitement des eaux. Techniques et Sciences Municipales, 72, n° 5, mai 1977, p. 177-194.
W.J. MASSCHELEIN. — Aspects thermodynamiques de la formation de l’ozone et les produits secondaires de la décharge électrique in : « L’ozonation des Eaux », manuel pratique. W.J. MASSCHELEIN éd. Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 10-12 (Coll. Comité Européen de l’Association Internationale de l’Ozone).
W.J. MASSCHELEIN. — Aspects pratiques du recyclage des gaz effluents dans des systèmes de génération in : « L’ozonation des Eaux », manuel pratique. W.J. MASSCHELEIN éd. Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 17-19 (Coll. Comité Européen de l’Association Internationale de l’Ozone).
W.J. MASSCHELEIN. — Méthodes alternatives de synthèse de l’ozone in : « L’ozonation des Eaux », manuel pratique. W.J. MASSCHELEIN éd. Paris, Technique et Documentation, 1980, p. 20-21 (Coll. Comité Européen de l’Association Internationale de l’Ozone).
A. MENTH. — Pulsed ozonators with higher efficiency. Communication présentée au 5° Congrès Mondial de l’Ozone, Wasser Berlin 81, 31 mars-3 avril 1981.
R.M. MILLOT. — Étude des conditions optimales de production d’ozone par décharge électrique dans un nouveau type d’ozoneur. 130 p. (Thèse 3° cycle ; Elect., Pau, 1981).
K. ORGLER. — Réalités techniques et économiques pour la production d’ozone supérieure à 1 t h⁻¹. Communication présentée au 5° Congrès Mondial de l’Ozone, Wasser Berlin 81, 31 mars-3 avril 1981. — Ozone generating potential of long-column plasma arc torch. Ozonews, vol. 4, n° 2, February 1977, p. 1.
M. PARÉ, C. COSTE. — Coût d’exploitation de l’ozone et bilan énergétique. Journées Européennes sur les applications de l’ozone au traitement des eaux, Nice, 25-26 janvier 1979, p. 5-40.
G. PIETSCH, C. HEUSER, W. REICHELT. — Bases and technical possibilities for ozone production. Communication présentée au 5° Congrès Mondial de l’Ozone, Wasser Berlin 81, 31 mars-3 avril 1981.
W. REICHELT, K. SCHWARZ. — Economical production of ozone. Communication présentée au 4° Congrès Mondial de l’Ozone, Houston, 26-29 novembre 1979.
W. REICHELT, K. SCHWARZ, E. FEUERSTACKE. — Zum derzeitigen Stand der Ozontechnik. Brunnenbau, Bau von Wasserwerken, Rohrleitungsbau, 31, n° 4, 1980, p. 151-155.
H.M. ROSEN. — Integrated ozonation systems, in : Proc. First International Symposium on Ozone for Water and Wastewater Treatment, Washington, Dec. 2-5, 1973, R.G. RICE & M.E. BROWNING (eds.), 843-851. International Ozone Institute, Cleveland (1975).
F. RUB. — Vielseitige Möglichkeiten der Behandlung von Wasser und Luft mit Ozon. Wasser, Luft und Betrieb, 19, n° 4, avril 1975, p. 147-151.
T.C. SOTTEK. — Regulation of ozone generating devices, in : Proc. First International Symposium on Ozone for Water and Wastewater Treatment, Washington, Dec. 2-5, 1973, R.G. RICE & M.E. BROWNING (eds.) 813-829. International Ozone Institute, Cleveland (1975).
N. TABATA. — High power density ozoniser. Communication présentée au 3° Congrès International de l’Ozone, Paris, 4-6 mai 1977.
G. UHLIG. — Production d’ozone à partir de l’oxygène. Communication présentée au Congrès sur les Procédés d’oxydation appliqués au traitement de l’eau potable, Karlsruhe, 11-13 septembre 1978, p. 372-389.
