Le renchérissement du coût de l'énergie devrait les placer au centre des préoccupations des exploitants, notamment en stations d'épuration. Mais aujourd'hui encore, les compresseurs et surpresseurs qui produisent l'air comprimé nécessaire au bon déroulement des procédés, restent trop souvent négligés. Pourtant, par rapport aux machines des générations précédentes, les nouveaux compresseurs d'air se montrent plus économes en énergie. Moteurs électriques à haut rendement, chaînes cinématiques simplifiées et nouvelles architectures de compression diminuent tout à la fois les coûts liés à la consommation, à l'exploitation et à la maintenance.
Par , Technoscope
Le renchérissement du coût de l’énergie devrait les placer au centre des préoccupations des exploitants, notamment en stations d’épuration. Mais aujourd’hui encore, les compresseurs et surpresseurs qui produisent l’air comprimé nécessaire au bon déroulement des procédés restent trop souvent négligés. Pourtant, par rapport aux machines des générations précédentes, les nouveaux compresseurs d’air se montrent plus économes en énergie. Moteurs électriques à haut rendement, chaînes cinématiques simplifiées et nouvelles architectures de compression diminuent tout à la fois les coûts liés à la consommation, à l’exploitation et à la maintenance.
Les besoins en air comprimé sont satisfaits par une large gamme d’équipements dont les caractéristiques varient notablement : surpresseurs, compresseurs, turbocompresseurs, qu’est-ce qui les différencie ?
Les constructeurs n’utilisent pas tous le même langage et font parfois appel à plu-
En air comprimé, l'offre repose sur plusieurs techniques différentes qui ne doivent pas être opposées. L'efficacité énergétique optimale est bien souvent le fruit d'une combinaison réfléchie de différentes technologies et de leurs performances respectives.
Il existe plusieurs dénominations susceptibles de brouiller les cartes. De façon générique, un compresseur est un dispositif qui accroît la pression d’un fluide, généralement gazeux. Ce terme est employé pour une augmentation de pression au-delà d’un bar (1 kg/cm³).
Sur les chantiers du BTP, les navires, les plateformes offshore, etc., les compresseurs sont souvent entraînés par des moteurs thermiques à pistons ou à turbines. Pour le traitement de l'eau, notamment en station d’épuration, ils sont majoritairement entraînés par des moteurs électriques.
Un surpresseur relève la pression d’un fluide lorsque celle-ci devient insuffisante dans un réseau de distribution. Ces équipements sont utilisés, par exemple, dans les immeubles de grande hauteur (IGH) pour augmenter la pression utile de l’eau dans les étages supérieurs. Cette dénomination est aussi utilisée pour désigner des “Roots”, machines à pistons rotatifs capables de générer de forts volumes d’air sous de faibles pressions.
Le turbocompresseur repose sur un schéma différent : c’est un compresseur entraîné par une turbine (gaz chauds d’un moteur à pistons, réacteur d’avion, turbine à gaz…).
Par extension, certains constructeurs nomment “turbocompresseur” un ensemble de compression dont l'admission s’effectue au centre d’une roue à aubes dont le profil courbe va comprimer un gaz dans une volute. C’est par exemple le cas du Turbo5 d’Aerzen qui se caractérise par une forte vitesse de rotation (65 000 tr/min). Cette machine délivre de 800 à 13 200 m³/h pour des pressions de 200 à 1 200 mbar.
Également très présente en stations d’épuration, la soufflante, terme venu du secteur aéronautique, est généralement située devant le compresseur. Son flux participe à la poussée d’un réacteur d’avion. Par extension, un ventilateur ultra-puissant pourrait être qualifié de “soufflante”.
Quel que soit le type d’équipement choisi, le renchérissement des coûts de l’énergie place les compresseurs et surpresseurs au centre des préoccupations, notamment de celles des exploitants de stations d’épuration, alors que la génération d’air comprimé, indispensable au bon déroulement des procédés, reste trop souvent négligée. Pourtant, les constructeurs de compresseurs sont unanimes : sur une période de dix années d’exploitation, l’investissement de départ ne représente que 5 % des coûts tout comme la maintenance des machines alors que 90 % du budget est directement associé à la facture énergétique !
Le choix d’un investissement initial ou celui du reconditionnement d’une installation d’air comprimé doit donc faire l’objet d’études très approfondies en fonction des conditions propres à chaque exploitation. Dans tous les cas, le poste aération représentant 70 % des dépenses énergétiques d'une station d’épuration, la décision sera donc stratégique.
Une décision stratégique
Si les conditions d’exploitation varient, les besoins, eux, s’expriment souvent de la même façon. « D'une façon générale, dans le secteur de l'eau et tout particulièrement au sein des bassins d’oxygénation des stations d’épuration, on cherche à créer un maximum de bullage afin d’aérer les effluents. En sortie de compresseur, il s’agit de générer d’importants volumes d’air sous de faibles pressions, de quelques centaines de millibar à un bar au maximum en fonction de la hauteur d’eau », explique Pierre Berthail, responsable de l’administration des ventes chez Kaeser Compresseurs. Quelle machine ou quel type d'équipement choisir sachant que plusieurs compresseurs peuvent être associés ? L'offre est portée par plusieurs constructeurs souvent implantés depuis longtemps sur le marché dont les principaux sont Atlas-Copco, Aerzen, Bauer, Robuschi, Continental Industrie, Kaeser, Sulzer.
C’est pour cette raison que certains ingénieurs, cherchant à simplifier les ensembles moteur/compresseur, ont conçu des duos couplés sur un arbre commun avec pour objectif de s’affranchir d’engrenages ou de poulies et courroies, facteurs d’avaries potentielles lors des transmissions de puissance.
Vient ensuite le type de compresseur avec deux familles qui se distinguent pour générer l’air basse pression (BP) : les compresseurs à lobes (ou pistons rotatifs) et, plus récemment, les compresseurs à vis. Intermédiaire entre ces deux concepts, Aerzen intercale le rotor « Delta Hybrid », un profil de lobes (trois plus trois) de type « Roots » qui sont vrillés.
Ingersoll Rand ou encore Compair. Elle repose sur plusieurs techniques et, par conséquent, plusieurs conceptions différentes qui ne doivent pas être opposées. L’efficacité énergétique optimale est bien souvent le fruit d’une combinaison réfléchie de différentes technologies et de leurs performances respectives. Associer différentes technologies peut donc s’avérer fructueux.
Chaque unité de compression d’air associe un moteur électrique à un compresseur. D’une manière générale, la performance de l’ensemble est directement tributaire de chaque composant, donc de celle du moteur plus celle du compresseur. Bonne nouvelle : les technologies des moteurs électriques ont nettement progressé ces dernières années avec l’apparition puis la généralisation des moteurs à haut rendement de classe IE2 ou IE3. L’utilisation de moto-variateurs synchrones à aimants permanents permet de classer un moteur dans cette catégorie « haut rendement énergétique » avec moins de dégagement de chaleur, donc moins d’altérations de puissance.
Autre point important : la liaison entre le moteur et le compresseur qui est aussi facteur d’éventuelles pertes mécaniques.
En fonction des applications, en station d’épuration, les machines traditionnellement utilisées sont avant tout des « Roots » à compression isochore (volume constant), comprenant deux rotors parallèles imbriqués au sein d’un même carter, ayant, suivant les modèles, deux ou trois lobes par rotor.
Cette première famille de compresseurs regroupe des ensembles à entraînement direct (moteur sur l’arbre) ou à entraînement par courroies. Dans ce cas, le moteur électrique est le plus souvent installé sur le côté ou sous le compresseur.
Seules ou en batteries, de manière à s’assurer une plage de régulation plus large et en fonction des quantités d’air à pourvoir, ces machines, dont les vitesses de rotation s’échelonnent de 1 800 tr/min à 5 000 tr/min, assurent des pressions jusqu’à 1 100 mbar environ.
Kaeser dénomme ses machines « surpresseurs à pistons rotatifs ». Ce sont des « Roots » (bloc Omega) à trois lobes. Ils se déclinent en différents modèles : séries BB à HB avec des puissances de 2,2 kW jusqu’à 250 kW pour des débits de 0,59 à 160 m³/min. Traditionnellement, Aerzen propose aussi, notamment pour les stations d’épuration, des surpresseurs trilobés (Roots) à deux rotors capables de délivrer de 30 m³/h à 15 000 m³/h.
Pour un bassin de cinq mètres de hauteur d’eau, 500 mbar suffisent. Cependant, pour contrer les pertes de charge des tuyauteries et diffuseurs, les caractéristiques d’une installation sont systématiquement dimensionnées.
Sur des temps de fonctionnement assez courts, les « Roots » restent des machines assez performantes. Mais aujourd’hui, de plus en plus d’exploitants de stations d’épuration optent pour des compresseurs à vis basse pression dont le rendement est jugé supérieur.
L’essor des compresseurs à vis
Cette technologie, plus sophistiquée que celle des « Roots », fait appel à deux vis à profil spécifique imbriquées l’une dans l’autre et tournant à grande vitesse, sachant que
Ingersoll Rand
les jeux entre vis n’excédent pas quelques dixièmes de microns. Naturellement, les composants mécaniques et notamment les roulements sont « haut de gamme ». Ces compresseurs affichent de meilleurs rendements, à puissance égale par rapport aux « Roots », mais sont plus chers à l’achat. Le surcoût de cette technologie, évalué à 20 %, serait absorbé en deux ans, une durée relativement faible au regard de la durée de vie de ces équipements.
« Les gains énergétiques affichent entre 15 % et 20 % d’économie comparativement aux compresseurs à lobes dans une plage de puissance comprise entre 15 kW et 250 kW », souligne François Delmotte, spécialiste du secteur chez Aerzen. « Ces machines qui tournent entre 12 000 et 13 000 tr/min, sont plus onéreuses à l’achat, mais plus économes en énergie avec moins d’exigences de maintenance dans la mesure où leurs roulements, par exemple, sont prévus pour fonctionner 40 000 heures sans intervention », poursuit-il.
La gamme de nouveaux compresseurs à vis basse pression Delta Hybrid d’Aerzen est composée de 8 cylindrées dont les débits volumiques sont compris entre 110 et 9 000 m³/h pour des pressions différentielles allant jusqu’à 1 500 mbar.
Avec la gamme de surpresseurs à vis ZS, Atlas Copco dispose d’une offre complète de pressions comprises entre 300 et 1 200 mbar et de débits compris entre 100 et 9 100 m³/h. Confiant dans les performances de sa gamme ZS, Atlas Copco a fait réaliser un test comparatif avec un surpresseur tri-lobes par l’organisme allemand TÜV, conformément à la norme internationale ISO 1217. Les essais ont démontré qu’à
0,5 bar, le ZS consomme 23,8 % de moins qu'un surpresseur tri-lobes. À 0,9 bar, l'économie d’électricité atteint 39,7 %.
Pour les applications basse pression, Kaeser a lancé cette année des machines à vis silencieuses, efficaces et économes qui revendiquent 35 % d’économies d’énergie par rapport aux machines à pistons rotatifs. Les surpresseurs à vis EBS sont équipés d’un système de refroidissement interne qui rend superflu la pompe à huile et le refroidisseur d’huile, gros consommateurs d’énergie. Le système d’étanchéité reste efficace sur le long terme sans nécessiter de pompe à vide. L'absence d’accessoires et de système de graissage par circulation d’huile renforce la longévité et la fiabilité des machines. L'air de refroidissement est aspiré à l’extérieur de la carrosserie pour plus d'efficacité et un refroidissement optimal. Il en résulte un rendement accru et un plus grand débit massique utile à puissance égale. La commande intégrée Sigma Control 2 propose par ailleurs de nombreuses fonctions de surveillance et facilite la connexion de la machine aux réseaux de communication. Ces unités à vis délivrent de l’air jusqu’à 1100 mbar, aux débits requis au besoin contre une colonne d'eau de dix mètres avec une très bonne efficience énergétique.
Rendement, compacité, simplicité de maintenance et flexibilité caractérisent également le Robox energy LP de Robuschi, compresseur à vis sans huile. Machine de dernière génération, elle est entraînée par un moteur à aimants permanents avec variateur de fréquence intégré directement accouplé sur l’arbre, ce qui permet d’éviter les pertes de puissance occasionnées par une transmission poulies-courroies.
Ce groupe, capable de fonctionner à faible vitesse, peut atteindre une pression de 1000 mbar pour des débits compris entre 200 et 4000 m³/h. Parmi ses autres atouts, une intégration facile aux structures existantes, ce qui le rend bien adapté au marché de remplacement.
Les turbocompresseurs pour des plages de débits importantes
Le fonctionnement des compresseurs et
Les turbocompresseurs dynamiques qui équipent les grosses stations lesquelles nécessitent des volumes importants reposent sur un principe différent.
Ces machines accélèrent dynamiquement la vitesse de l'air grâce à une turbine fréquemment montée sur l'arbre moteur qui génère ainsi la pression attendue.
Les turbocompresseurs Aerzen Génération 5 couvrent une plage de débits volumiques importants compris entre 800 et 13 200 m³/h (suivant la norme DIN 1343) et pour des pressions de 200 à 1 200 mbar. Ils sont dotés d’un moteur à aimants permanents piloté par un variateur de vitesse, de paliers aérodynamiques, d'un arbre traversant commun à la turbine et au moteur synchrone et d’un système de contrôle avancé.
L'absence de contact entre les pièces en rotation du fait des paliers aérodynamiques réduit la maintenance au remplacement des filtres à air.
Chez Sulzer, les compresseurs centrifuges de la gamme HST 2500 et HST 6000 sont équipés d'un moteur asynchrone triphasé. Les HST 9500, 40 et 20 sont dotés d'un motovariateur synchrone à aimants permanents dont l’arbre est maintenu par un système de paliers magnétiques garantissant aucun contact (même à l'arrêt et au démarrage). Adaptées aux process nécessitant des débits ou pressions d’air variables, ces machines servent à aérer des bassins dont la hauteur d’eau peut aller jusqu’à 12 mètres. Point important : elles sont éligibles aux certificats d’économie d’énergie. Les paliers magnétiques permettent à ces turbocompresseurs de fonctionner de façon sûre avec des jeux contrôlés et optimisés.
De son côté, Continental Industrie développe une gamme complète de surpresseurs centrifuges multi-étages à rendement élevé susceptible de délivrer de 100 à 50 000 m³/h d’air sec et propre sans pulsation pour des pressions atteignant 1,2 bar. De conception simple donc sûre, ces machines répondent à un souci de fiabilité à toute épreuve renforcé par l’absence de pièces mécaniques et de pièces d’usure en contact.
Quelles économies attendre lors du remplacement d'un parc existant par des machines de nouvelle génération ? Difficile de formuler des règles tant les paramètres à prendre en compte sont nombreux et variables. Mais l’expérience montre, à classes de catégories équivalentes, que le gain est rarement inférieur à 15 % et n’excède quasiment jamais les 50 % avec un retour sur investissement souvent situé entre 16 et 48 mois.
