Le choix d'un moteur à haut rendement EFF1 ou mieux, à rendement premium IE3) dans le but de réduire les consommations énergétiques et par conséquent la facture d'électricité ne doit pas conduire les exploitants à négliger le rendement hydraulique de la pompe et son maintien dans le temps qui restent des critères déterminants. L?optimisation du bilan énergétique d'un groupe de pompage passe également par une approche globale qui dépasse largement la pompe pour prendre en compte l'ensemble de son environnement et de son mode d'exploitation.
La réduction des émissions de CO₂ est devenue ces dernières années l’un des défis majeurs dont dépend directement la préservation de notre environnement. Parallèlement, la croissance des besoins ainsi que le durcissement des normes et de la législation pour économiser l’énergie et limiter les émissions de CO₂ se traduisent par une flambée du prix du pétrole et du gaz et un renchérissement du prix de l’électricité. L'optimisation énergétique des ouvrages de gestion de l'eau obéit
Donc désormais à une triple contrainte : environnementale, économique et réglementaire.
Or, avec plus de 70 % de l’énergie électrique consommée dans l'industrie contre seulement 30 % dans le tertiaire, les applications motorisées représentent un gisement d’économies considérable. Les groupes de pompages sont directement concernés puisqu'ils représentent environ 20 % de la consommation énergétique totale des moteurs électriques, contre seulement 14 % pour les ventilateurs, 14 % pour les systèmes de refroidissement, 10 % pour les compresseurs et 32 % pour l’ensemble des autres systèmes.
Conscient de l’importance des enjeux, Europump, qui réunit les associations nationales de constructeurs de pompes appartenant à 18 pays européens, a très tôt engagé des démarches visant à promouvoir les économies d’énergie. Ces actions ont débouché sur la publication de plusieurs guides d’application, d’outils ou de nouvelles normes pour améliorer de manière significative, sur chaque segment de marché visé, l’efficacité énergétique des ouvrages et leurs incidences sur l'environnement pendant l'installation et l'utilisation.
Cette initiative, baptisée Ecopump, a pour objectif d’améliorer la performance énergétique des pompes dès leur conception en y intégrant des moyens de contrôle et l’optimisation globale des systèmes, ce qui pourrait permettre de diminuer d’environ 20 % la consommation moyenne des groupes de pompages. Un chiffre qui ne laisse pas insensible les exploitants, conscients du fait que, dans le domaine de l’eau, le montant de la facture énergétique ne représente que 3 % des investissements mais 30 % des coûts d’exploitation…
Reste que, pour améliorer de façon sensible le bilan énergétique d'un groupe de pompage, il faut mettre en place une approche globale portant sur l'intégralité du système de pompage : la pompe elle-même incluant
son moteur, son hydraulique mais aussi l'ensemble de son environnement constituant le système de pompage proprement dit.
Du côté des fabricants et intégrateurs, de gros efforts ont été consentis pour améliorer le rendement des moteurs, boostés par l'adoption de normes d'efficacité énergétique dont le but est de jeter les bases d'une harmonisation des spécifications, des niveaux d'efficacité et des mesures des moteurs seule à même de déboucher sur des économies d'énergie substantielles.
L'amélioration du rendement des moteurs
La norme internationale CEI 60034 applicable aux machines électriques tournantes pour moteurs triphasés à induction à cage à mono-vitesse, précédemment regroupés sous les classes d’efficacité EFF1-3 distingue trois classes de rendement : EFF1 pour les moteurs à haut rendement, EFF2 pour les moteurs à efficacité améliorée et EFF3 pour les moteurs normaux.
« Une nouvelle norme CEI 60034-30, publiée en octobre 2008, intitulée : “Classes de rendement pour les moteurs à induction triphasés à cage, mono-vitesse” met en place dans le monde, au travers de ses 81 pays membres, 3 classes de rendement : IE3 désignant le rendement premium, IE2 pour le haut rendement et IE1 pour le rendement standard, explique Yves Jamet, Weg France. Une nouvelle classe “Super Premium” IE4 sera envisagée dans le cadre de futures éditions de la norme ».
À compter du 16 juin 2011, tous les moteurs commercialisés ne devront pas présenter un rendement inférieur à IE2 ce qui signifie que les moteurs EFF2 et 3 actuels ne seront plus disponibles. À compter du 1er janvier 2015, seuls les moteurs IE3 sont autorisés pour un fonctionnement en ligne directe, les moteurs IE2 avec variateur de vitesse restant admis pour la plage de puissance de 7,5 - 375 kW.
Mais comment évaluer les gains énergétiques susceptibles d’être réalisés ? Les moteurs IE3 offriraient par rapport aux moteurs de la classe IE2 une amélioration du rendement de l’ordre de 3 à 5 %. Un chiffre qui pourrait paraître modeste s'il ne devait pas être rapproché du fait que la consommation énergétique d’un moteur électrique représente en moyenne 92 % de son coût de possession contre 3 % pour la maintenance et 2 % pour son coût à l’achat. Si l’on s’inscrit dans la durée, les gains peuvent donc être substantiels... Plusieurs fabricants évaluent le retour sur investissement lié au surcoût de l’acquisition d'un moteur IE3 pour un moteur de 15 kW fonctionnant 3000 heures par an à deux ans au maximum. Par ailleurs, le moteur IE3 peut s’avérer une solution intéressante quelle que soit la puissance du moteur concerné. Car plus la puissance du moteur est faible, plus l’écart de rendement entre le moteur IE3 et le moteur standard augmente. De plus, la quantité de petits moteurs installés sur un parc est bien souvent supérieure à celle des gros moteurs. C’est donc bien la puissance installée sur un site qui détermine le gain réalisable en consommation d’énergie.
Les fabricants de pompes ne s’y sont pas trompés : en intégrant le premier moteur à rendement premium IE3, conçu et testé conformément à la norme IEC 60034-30 et en l’associant à des hydrauliques optimisées, la nouvelle gamme ABS EffeX d’ABS revendique le meilleur rendement global disponible actuellement sur le marché en matière de pompes submersibles d’assainissement. Grâce à la combinaison des moteurs EFF1, de son hydraulique haut rendement et de sa nouvelle géométrie, la nouvelle pompe Helix de Wilo France annonce de son côté consommer jusqu’à 15 % de moins qu'une pompe multicellulaire standard. Grundfos avec ses pompes SLV et SL destinées au pompage des eaux usées, Salmson avec Nexis, une nouvelle gamme de pompes multicellulaires pour eaux clai-
res, ne sont pas en reste. « La NEXIS va révolutionner la pompe multicellulaire en regroupant des avantages déterminants : adaptabilité complète aux installations existantes, modularité totale, réduction de 15 % en consommation électrique par rapport aux meilleures pompes du marché et division par 4 du temps de remplacement de la garniture mécanique » explique-t-on chez Salmson.
KSB, ITT France et Weir Minerals proposent également en standard ou en option des moteurs d’énergie. Leroy-Somer propose de son côté un éventail de solutions d'entraînement, que ce soit en technologie asynchrone, avec notamment des moteurs haut rendement selon classe IE3, pouvant être en plus associés à des variateurs de vitesse, ou en technologie synchrone à aimants permanents, avec la gamme de moto-variateurs Dyneo® permettant d'atteindre des niveaux de rendement inégalés, très supérieurs aux minimas de la future classe IE4.
L'actualité prochaine d’ABS va dans ce sens puisque la société prévoit de lancer un agitateur innovant notamment en matière d’économie d'énergie. Les constructeurs de systèmes d'entraînements tels que ABB, Siemens, Schneider Electric, Rockwell, Lenze, SEW Usocome ou Bonfiglioli eux-mêmes ne sont pas en reste à l’image de Weg dont les nouveaux moteurs W22 sont proposés avec des rendements supérieurs aux valeurs minimums requises par les nouvelles classes de rendement IE. Cette gamme W22 se décline à ce jour en IE1, IE2 et IE3. Elle est le fruit de gros investissements en R&D et en moyens de fabrication qui ont permis de nombreuses avancées technologiques. Une faible température de fonctionnement a été obtenue grâce à une optimisation du refroidissement permise par une modélisation des flux d’air. Weg propose également une offre en IE4 au travers de ses deux gammes de moteurs à aimants permanents : WMagnet et WQuattro. Fidèle à la directive européenne 2005/32/CE (EuP), Weg a intégré la démarche de l’éco-conception dans le développement de ces gammes de moteurs.
Reste que disposer d’un moteur à haut rendement ne résout pas tout, loin s’en faut. Le rendement hydraulique de la pompe et son maintien dans le temps restent déterminants.
La gamme W22 de Weg se décline ce jour en IE4, IE2 et IE3. Elle est le fruit de gros investissements en R&D et en moyens de fabrication qui ont permis de nombreuses avancées technologiques. Une faible température de fonctionnement a été obtenue grâce à une optimisation du refroidissement permise par une modélisation des flux d’air.
EFF1 sur l'ensemble de leurs pompes de surface.
Pour aller plus loin dans les économies
Le rendement hydraulique de la pompe et son maintien dans le temps restent déterminants. L'obtention d'un bon rendement et son maintien dans le temps passent d'abord et avant tout par le choix d'un équipement adapté à ses besoins, par une installation et une maintenance correcte de l’équipement et de ses composants dans leur environnement. Une installation surdimensionnée peut coûter cher en termes de performance énergétique. Or, le document de référence (BREF) sur les meilleures techniques disponibles (MTD) sur les systèmes de pompage indique que 75 % des systèmes de pompage sont surdimensionnés, la plupart de plus de 20 %, représentant ainsi la plus grande source de gaspillage d’énergie imputable à un excès de débit qu'il faut réguler par étranglement, à des dérivations.
importantes ou au fonctionnement de pompes inutiles. Les critères de choix d’une pompe sont pourtant bien connus : ils sont liés à la quantité d’eau (ou de boue) à transporter d’un point à un autre, à sa qualité, mais aussi au débit souhaité et à la hauteur à franchir pour déplacer le volume d’eau concerné. Les eaux brutes ou l’eau potable ne posent pas de problème particulier. Il en va autrement pour les eaux usées pour lesquelles le rendement hydraulique ne doit pas seulement être pris en considération. Les risques de colmatage étant le plus grand ennemi du rendement, c’est alors la notion de rendement global qui doit être prise en considération : les gains liés à un rendement élevé seront en effet rapidement effacés par le coût d’un ou de plusieurs colmatages sans même parler de leurs conséquences. Du coup, la nature de l’effluent, la distance d’intervention et la criticité de l’application deviennent les critères de choix prépondérants.
Certains constructeurs comme ITT France ont donc choisi de faire porter l’essentiel de leurs efforts de développement sur l’amélioration du rendement hydraulique et surtout sur le maintien dans le temps de ce rendement. La nouvelle roue N doit ainsi permettre aux exploitants de réaliser une économie d’environ 25 % sur les consommations en énergie par rapport aux hydrauliques traditionnelles. Un gain imputable à la disparition quasi-totale des colmatages partiels, à la constance des rendements et à la réduction des interventions sur les postes de pompage.
Peme-Gourdin, constructeur de pompes centrifuges, intervient sur le marché des pompes industrielles depuis plus de 60 ans. Sa spécialisation sur des gammes de grands débits ou de fortes puissances (à partir de 100 kW jusqu’à 2 mégawatts) lui impose une constante amélioration des rendements hydrauliques de ses machines. « En effet chaque demi-point de rendement gagné peut parfois correspondre à plusieurs dizaines de milliers d’euros d’économie pour l’exploitant, explique Jean-Marc Guibert, Président-Directeur Général de Peme-Gourdin. C’est pour cette raison qu’au-delà de certaines caractéristiques, la capacité industrielle de fabriquer de la machine sur contrat prend tout son sens à la fois techniquement et économiquement ». Son expérience dans le domaine de l’optimisation des tracés hydrauliques associée aux outils informatiques modernes de calcul mathématique permettent à l’entreprise de mener de façon continue ce travail d’optimisation énergétique. Peme-Gourdin ne travaille pas uniquement à améliorer les points de meilleur rendement des tracés hydrauliques de sa bibliothèque mais également à étendre les plages de rendement, à améliorer les NPSH requis et à minimiser les pertes lors des coupures de roue. Dans cet esprit, l’entreprise développe également de nouvelles hydrauliques pour être en mesure de proposer pour un point de fonctionnement donné (débit/pression) la meilleure machine possible, c’est-à-dire sa taille, sa vitesse de rotation, sa plage de fonctionnement et son rendement (coupure de roue au plus proche du diamètre nominal).
La gamme ABS EffeX d’ABS revendique quant à elle un nouveau concept de roue nommé Contrablock Plus. Il s’agit d’une roue à canaux ouverts avec large section de passage permettant la manipulation de solides de grande taille sans risque de blocage. La plaque de fond réglable sans démontage de l’hydraulique a pour mission de compenser les pertes de rendement dues à l’usure. Enfin, une bague de cisaillement dentée située à l’arrière de la roue et une plaque inférieure spiralée permettent un traitement efficace des lingettes. Le passage des solides n’est jamais inférieur à 75 mm, afin de donner un niveau supplémentaire de protection contre les blocages. La nouvelle roue Contrablock Plus démontre qu’une roue semi-ouverte est plus efficace dans la gestion des bouchages que les roues Vortex. Grundfos a quant à elle breveté le Smart Trim permettant de récupérer sur les pompes de relevage l’usure de la roue sans démonter la pompe, d’où un gain de rendement hydraulique mais aussi un gain de temps. Wilo annonce de son côté un gain de 33 % en pression et 15 % en débit grâce à la nouvelle conception de la roue équipant sa pompe Helix, fabriquée avec une technologie laser de haute précision qui limite les espaces vacants. Même démarche pour Vogelsang qui associe désormais des moteurs EFF1 à des lobes à géométrie hélicoïdale qui assurent une augmentation du rendement volumétrique des pompes. Pour répondre aux soucis légitimes des exploitants d’améliorer leurs bilans énergétiques, la plupart des fabricants de pompes ont donc associé l’implantation de moteurs à haut rendement avec des développements visant à améliorer l’hydraulique de leurs pompes. Reste que pour aller encore plus loin et approcher l’optimal, il faut dépasser le cadre du triptyque pompe-moteur-variateur de fréquence stricto sensu et prendre en compte l’ensemble de l’environnement de l’application.
Pour Michel Metzger, chef de produit moteurs, en charge du marketing et de la communication Efficacité énergétique au sein de Siemens Industry Automation and Drive Technologies (I.A.&D.T), « au-delà du moteur haut rendement, l’environnement de la pompe est essentiel. Tout commence par une évaluation précise et complète de l’ensemble de son installation ».
Prendre en compte l’ensemble de l’environnement de la pompe
La première étape permettant d’identifier les axes potentiels d’optimisation d’un système de pompage consiste à établir un inventaire des différents composants de l’installation et à identifier leurs principales caractéristiques. Cet inventaire détaillé doit permettre de recenser tous les organes composant le système en estimant la puissance totale de chaque pompe, la taille et le type, la fonction de ces composants, la
consommation électrique de chacune des pompes, le type du système de régulation, le nombre d’heures de fonctionnement annuel et les problèmes de maintenance spécifiques à chaque pompe. Après avoir constaté que de nombreuses interventions sur les pompes de relevage étaient dues à des problèmes sur les flotteurs, Grundfos propose de nouvelles pompes AUTOadapt munies de capteur de pression et ne nécessitant plus aucun accessoire (flotteurs, coffret), d’où un gain en temps d'installation (on branche la pompe et cela fonctionne) et en fiabilité. L'état des pompes doit également être pris en compte : leur performance et leur efficacité se détériorent au fil du temps du fait de l'apparition de jeux excessifs entre certaines pièces telles que la roue, les bagues d'usure ou les paliers. Les caractéristiques du réseau de canalisation (section des canalisations, présence de vannes, de coudes…), déterminant dans le choix des performances des pompes, doit également faire l'objet d'un examen particulier de même que le système de contrôle et de régulation des pompes. Selon plusieurs études, 30 à 50 % de l'énergie consommée par les systèmes de pompage pourraient être économisés grâce à des changements d’équipements ou des modifications du système de régulation. Seule une évaluation de l’ensemble du système et des besoins de l'installation peut permettre d’identifier les mesures qui seront techniquement faisables et rentables.
Ce type d’études est déjà proposé par des fabricants de pompes comme par exemple Grundfos avec son diagnostic « Pump Audit », KSB avec son « service efficacité systèmes », ou PCM, l'un des premiers fabricants à proposer une vision verticale de la conception de ses produits, des composants jusqu’aux pompes, systèmes de pompage et services. Leader mondial dans le domaine des systèmes d’entraînement, Leroy Somer a mis en place de son côté un réseau de partenaires dédié à l’optimisation énergétique des systèmes d’entraînement. Objectif : identifier au sein des process tous les gisements présentant un fort potentiel d’économie, préconiser des solutions de remplacement et procéder à leur installation et à leur maintenance. Schneider Electric qui développe depuis de nombreuses années une gamme complète de produits dédiés à la variation de vitesse a également globalisé son offre. L’agrégation de solutions produits a permis au groupe de proposer des solutions globales, qui allient l’électrotechnique, les automatismes, le logiciel (supervision et synchronisation multi-sites), les études sans oublier l’ingénierie financière et notamment les contrats de performance énergétique, l’optimisation de l'abonnement. À la clé, une gestion plus rationnelle des process et des économies qui peuvent aller jusqu’à 30 % du montant de la facture énergétique.
Siemens LA&D.T accompagne également les exploitants dans la mise en œuvre de solutions intelligentes et performantes autour du calcul de potentiel d’économie des applications et de l’optimisation énergétique des installations afin de réduire les dépenses énergétiques de manière ciblée et sans contrainte lourde en termes d’investissement. La première étape consiste à évaluer le potentiel énergétique en fournissant une vision de la consommation précise afin d'identifier et d'exploiter les possibilités d’économies disponibles. En créant cette transparence, Siemens LA&D.T permet aux exploitants de se documenter sur les différents flux d’énergie, de réduire l'approvisionnement en énergie, d’optimiser le contrat fournisseur, d’augmenter la disponibilité des installations et d’optimiser les investissements. Au cours de la deuxième étape, les données de consommation acquises sont ventilées par nature. Cette analyse permet de visualiser quand et combien d'énergie est consommée et d’identifier les postes non rentables tant sur le plan technique qu’économique (entraînement électrique). Cette analyse est suivie d'un calcul précis de l'économie potentielle réalisée sur les dépenses énergétiques et permet à Siemens de proposer un concept concret d’optimisation en fonction de la rentabilité et des exigences techniques. Enfin, la dernière étape permet de planifier et de contrôler parfaitement les charges énergétiques (délestage – relestage) pour éviter les pics de consommation onéreux et d’exploiter pleinement les ressources non utilisées.
Bureau Veritas également fait de la maîtrise de l’énergie et des émissions carbone une priorité et propose aux exploitants services et conseils grâce à un pôle de compétences dédiées regroupant l'ensemble des disciplines concernées par les problématiques énergétiques et carbone.
