Bien qu’ils soient présents à presque tous les stades de la longue chaîne du traitement de l'eau, les compresseurs et surpresseurs, qui produisent l'air comprimé nécessaire au bon déroulement des procédés, restent bien souvent invisibles. Ils s’en trouvent fréquemment négligés alors même qu’ils en sont un composant essentiel. Le renchérissement du coût de l’énergie et les nombreux progrès enregistrés ces dernières années en matière de production d’air justifient pourtant largement un réexamen attentif des équipements dans l’optique d’une optimisation des coûts d’exploitation.
Bien que l’efficience énergétique soit devenue, ces dernières années, l’alpha et l’oméga d’un nombre croissant d’exploitants, bon nombre d’ouvrages de traitement de l'eau consomment encore trop d’énergie. Par inconscience, par négligence, par habitude aussi, beaucoup de collectivités se focalisant sur les seules dépenses d’investissement souvent subventionnées, en
négligeant parfois les coûts d’exploitation qui eux ne le sont jamais, et externalisant par là-même une partie des coûts de traitement. Mais bien plus rarement par ignorance. Car en matière de traitement d'eau, les process les plus énergivores sont aujourd'hui clairement identifiés. La fourniture en air comprimé, que ce soit pour des applications liées à la neutralisation en eau potable ou plus encore pour l’aération en eaux usées, figure au nombre des procédés gros consommateurs d’énergie. En station d’épuration, il n’est pas rare de constater que de 60 à 70 % des consommations d’énergie sont imputables au seul poste aération. Une démarche d’optimisation des coûts énergétiques passe donc nécessairement par une remise à plat complète de ce procédé.
D’autant que d’importants gisements existent.
Des économies substantielles peuvent être réalisées en ajustant ou en optimisant les équipements existants, en exploitant plus finement les données liées au déroulement du traitement, en mettant en œuvre des procédés de régulation plus élaborés ou plus encore, en remplaçant des technologies obsolètes par des technologies plus avancées et plus performantes.
Reste que même si les compresseurs et surpresseurs ont fait de gros progrès ces dernières années, la première étape, avant d’opter pour un renouvellement des équipements, consiste bien souvent à travailler sur l’existant pour optimiser tout à la fois les rendements et les consommations énergétiques.
Travailler sur l’existant pour optimiser les rendements et les consommations énergétiques
Tous les exploitants en conviennent : des équipements d’aération adaptés, une régulation efficace constituent toujours le prolongement logique d'un système de production d’air comprimé efficient. Une analyse fine des besoins et de la nature des équipements d’aération exploités – aérateurs fines bulles, de fond ou de surface, etc. – doit entrer dans le champ des investigations menées. Par rapport au rendement et au taux de transfert de l’oxygène d’abord.
En fines bulles, les diffuseurs et les membranes progressent régulièrement.
Chez Bibus, des diffuseurs dotés de tubes ovalisés permettent de réduire de 10 à 15 % les pertes de charge.
Sanitaire, une marque de Xylem qui propose des solutions d’aération par diffusion d’air, travaille depuis longtemps sur la consommation en énergie de ses diffuseurs en modifiant leur géométrie de manière à augmenter la densité au m² dans un même bassin.
Un essai mené de mai 2010 à octobre 2011 dans une station de traitement des eaux usées exploitée par Waterschap Noorderzijlvest à Zuidhorn aux Pays-Bas, a montré que l'installation de diffuseurs à membranes série Gold Sanitaire a permis à la station de réduire sa consommation totale d’énergie de 22 %.
La maintenance a également son importance. Afin de maintenir son réseau de diffuseurs en parfait état de fonctionnement et réduire les surconsommations énergétiques, l’exploitant doit surveiller les dépôts de boues, qui varient fortement d’un process à un autre, et procé-
En aération de surface, la chasse aux économies d’énergie est également ouverte : les équipements comme Sungo de Tech Sub ou Solarbee d’Équipements Scientifiques recourent à l’énergie solaire, voire éolienne.
La régulation progresse également par le biais d’équipements capables de moduler leur fonctionnement en fonction des besoins du traitement. La technologie MOS®, développée par Biotrade, permet par exemple de gérer de façon optimale les phases aérobies et anoxiques. Un variateur de fréquence, associé au MOS®, permet de faire varier la puissance d’aération et de mélange en fonction des besoins du traitement aérobie et anoxique. De son côté, Invent® a développé l’Alphameter®, un dispositif couplé à un aérateur qui permet de mesurer en temps réel les paramètres clés liés au processus biologique et au contrôle de l’aération dont l’efficacité du transfert d’oxygène du système d’aération, le ratio de consommation d’oxygène du processus et la valeur α de la liqueur mixte. Ce dispositif permet d’aborder le contrôle du système d’aération d’un point de vue quantitatif.
Howden a également développé un système de contrôle automatique qui régule le fonctionnement des surpresseurs mais aussi celui du système en aval de ces machines. Le Bio-Active Response System (BARS™) a pour fonction de réduire le travail demandé aux surpresseurs tout en satisfaisant la demande du process biologique afin de diminuer les consommations énergétiques. Il réduit ainsi le débit et la pression d’air demandés aux surpresseurs afin de diminuer le travail qu’ils doivent fournir et donc leurs puissances absorbées. Ce système optimise notamment l’ouverture de toutes les vannes d’entrées d’air aux bassins d’aération et régule aussi automatiquement la demande en oxygène en mesurant les concentrations d’oxygène dissous ou d’ammonium et de nitrate dans les bassins. Gain annoncé : de 10 à 25 % d’énergie suivant les stations et les process biologiques mis en œuvre.
La régulation de la fonction aération peut également être dissociée du fonctionnement de l’aérateur et reposer sur l’analyse en continu de certains paramètres. C’est le principe sur lequel repose le module WTOS (Water Treatment Optimisation Solutions) développé par Hach-Lange et qui est basé sur la mesure en continu de la teneur en ions ammonium et nitrate au cœur du bassin biologique. Mais combien peut-on économiser grâce à WTOS ? Testé par le Centre Technique Assainissement de Lyonnaise des Eaux sur la station d’épuration de Marolles-Saint-Vrain (22 000 EH), il a permis une économie d’énergie du poste aération d’environ 15 % par rapport à une régulation traditionnelle redox/oxygène (Voir EIN n° 360). Un taux d’autant plus intéressant qu’il concerne de 60 à 70 % des dépenses énergétiques d’une station d’épuration…
Implanté sur la station d’épuration de Dijon
Confluences Ingénieurs conseil : Partenaire naturel
Confluences Ingénieurs Conseil accompagne les aménageurs dans leurs projets pour maîtriser l’impact de l’urbanisation sur l’environnement, sur les équilibres naturels et sur la préservation des ressources.
Nous mettons notre expérience pluridisciplinaire au service de projets qui visent une meilleure prise en compte de l’environnement et de l’écologie en ville.
Notre démarche cherche à :
- - préserver les espaces naturels en ville et à les mailler dans une logique fonctionnelle de trames écologiques, support et vecteur de la biodiversité,
- - préserver et renaturer les cours d’eau pour pérenniser le patrimoine hydrographique et hydraulique des territoires et pour asseoir les liaisons naturelles entre les milieux,
- - gérer les eaux pluviales par des techniques douces (noues, fossés, chenaux, étangs et aires inondables) afin de valoriser la ressource, en maîtrisant les effets hydrauliques et les pollutions.
Notre bureau d’études conçoit et réalise les aménagements de gestion des eaux de ruissellement en tant qu’hydrosystèmes qui contribuent à structurer l’espace urbain et organiser son paysage. Ces aménagements sont accessibles au public et améliorent le cadre de vie des habitants. Ils sont également réfléchis en tant que milieux aquatiques écologiquement stables, favorisant la biodiversité en ville.
Confluences Ingénieurs conseil : 12 Av du 27 Août 1944 – 77450 Montry – Tél : 01 64 17 00 17
(400 000 EH), le dispositif Greenbass™ de régulation de l’aération séquencée des boues activées qui ajuste en continu le débit de l’air fourni en fonction des mesures de concentration en nitrate et ammonium développé par Degrémont a également permis de réduire de 10 à 15 % les consommations énergétiques par rapport aux systèmes classiques en générant une économie de 65 k€/an. Intégrable à tous les automates de station, Greenbass™ s’adapte à toutes les tailles de stations d’épuration, existantes ou neuves. Mais il est possible d’aller encore plus loin en renouvelant le parc de compresseurs et surpresseurs pour profiter de technologies plus performantes.
Profiter de technologies plus performantes
Confronté au choix d’un surpresseur ou d’un compresseur pour son approvisionnement en air basse pression (0,5-1 bar), l’exploitant cherchera systématiquement à atteindre trois objectifs : satisfaire ses besoins en air en consommant le moins d’énergie possible, être en mesure de régler en permanence son équipement pour que le rendement corresponde exactement à ses besoins et disposer d’un équipement fiable au meilleur coût.
Il sera donc confronté à plusieurs technologies de surpression parmi lesquelles se trouvent les surpresseurs volumétriques de type roots (pistons rotatifs) ou compresseurs.
Les compresseurs à vis et les surpresseurs dynamiques qui englobent les surpresseurs centrifuges, plus communément appelés turbo.
Mais quelle technologie choisir ?
Tout commence par une analyse rigoureuse des besoins : quantité d’air nécessaire (Nm³/h suivant la norme DIN 1343), plages et niveaux de pression requis, variabilité des débits et des pressions sont les critères essentiels à prendre en compte. Sans pour autant négliger la fiabilité (une station d’épuration privée d’air s’arrête de fonctionner avec toutes les conséquences qui s’ensuivent) et en examinant soigneusement la consommation énergétique d'un compresseur qui représente, sur une durée d'exploitation de huit ans, environ 90 % de son coût global, les 10 % restants se répartissant entre la maintenance et le coût d’achat.
Dans le domaine du traitement des eaux, Aerzen, Atlas Copco, Continental Industrie, Compair, Hibon Howden, Kaeser, Robuschi, Sulzer ou encore Ingersoll Rand proposent une large palette d’équipements de surpression et de compression susceptibles de fournir des volumes d’air, de gaz neutres ou de gaz process exempts d’huile à des pressions variées.
Les Roots, sans doute les plus répandus en stations d’épuration, bénéficient d’un prix attractif et d'une maintenance simplifiée mais onéreuse. Bien que leur fonctionnement repose sur une technologie éprouvée depuis longtemps, ils continuent à progresser, par exemple en compacité. Proposés par Aerzen, Atlas Copco, Robuschi, Busch, Kaeser ou Hibon, ils sont capables de répondre à un large éventail d’applications. Mais ils souffrent d'un rendement énergétique peu élevé, autour de 60 %, pour un taux d'utilisation allant de 60 à 100 %.
Kaeser, qui, pour la basse pression, a gardé la technologie des surpresseurs à lobes, économise l’énergie sur plusieurs fronts grâce, premièrement, au bloc profil Omega à haut rendement énergétique qui permet d’avoir plus de volume d’air par rapport à une puissance donnée. Deuxièmement, tous les surpresseurs sont équipés en standard de moteurs norme IE3 permettant d’économiser 3 % d’énergie par rapport à la norme IE2 (IE3 ne sera obligatoire qu’à partir du mois de janvier 2015). Les nouveaux Omega sont équipés également d'une armoire de commande ou d’un variateur de fréquence et du PC industriel Kaeser Sigma Control 2 qui a fait ses preuves sur les compresseurs d’air à vis Kaeser.
Le Sigma Control 2 surveille et règle tous les paramètres importants pour le fonctionnement fiable et économique du surpresseur en temps réel. Des modes de régulation sont disponibles et cette flexibilité est génératrice de gains énergétiques, notamment quand il y a plusieurs surpresseurs dans une même station. On peut également y adjoindre le Sigma Air Manager, un système de gestion centralisé qui permet d’assurer au plus près la demande en air.
Autre avantage : la compacité des surpresseurs Omega, qui peuvent être mis les uns à côté des autres car leur maintenance s’effectue uniquement par l’avant, économisant la construction d’un nouveau local dans la station. Par ailleurs, le centre de recherche et développement de Kaeser met actuellement au point un nouveau bloc pour encore plus d’économies d’énergie.
D’autres fabricants ont adopté des stratégies différentes.
Avec sa gamme de compresseurs à vis basse pression Delta Hybrid, Aerzen a par exemple choisi de combiner la technique des surpresseurs avec celle des compresseurs à vis. La gamme Delta Hybrid est composée de 8 cylindrées dont les débits volumiques suivant la norme DIN 1343 entre 100 Nm³/h et 9,000 Nm³/h pour des pressions différentielles allant jusqu’à 1,500 mbar en surpression et jusqu’à -700 mbar en dépression. Parmi ses points forts, un rendement énergétique accru (jusqu’à 15 % par comparaison avec le rendement d’un surpresseur traditionnel) et un concept modulaire qui permet de nombreuses combinaisons de cylindrées de compresseurs et de moteurs pour une même taille nominale. Le groupe est également équipé d’une transmission à poulies courroies choisie pour que les performances du compresseur se situent au plus près du besoin de débit du process, le système permettant une adaptation du point de fonctionnement en cas d’évolution du besoin de l’exploitant.
Pour que le kilowatt dépensé soit le plus efficace possible,
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. Robuschi a également présenté Robox Screw®, une nouvelle génération de compresseurs à vis sans huile, basse pression, dont le rendement, supérieur à 85 % permettrait de réaliser environ 30 % d’économie sur les technologies classiques. Autre atout de cette gamme, son module de supervision Sentinel 2 permet, grâce à un affichage des principaux paramètres de fonctionnement, de simplifier l’entretien sans recourir à une vérification continue des techniciens.
Compair avec sa série D et DH, Aerzen avec Delta Screw Generation 5 proposent également des solutions basées sur une gamme de compresseurs à vis spécialement dédiées à l’application traitement des eaux. Elles permettent de satisfaire la plupart des besoins. Car les applications dans le domaine du traitement des eaux usées, sur la base des procédés actuellement utilisés, sont en général limitées à des pressions allant de 800 à 1,300 mbar. Mais les débits peuvent varier sensiblement jusqu’à atteindre plusieurs dizaines de milliers de m³/h. Il faut alors se tourner vers la famille des compresseurs dynamiques, bien placée lorsque de gros débits sont requis.
Atlas Copco a opté de son côté pour une stratégie différente en misant sur la technologie à vis et en lançant sa gamme ZS dont la consommation serait, en moyenne, 30 % inférieure à celles de surpresseurs à lobes (résultat attesté par l’organisme allemand TÜV). La gamme, qui propose des surpressions de 300 à 1,250 millibars, fournit également de l’air certifié zéro trace d’huile selon la norme ISO 8573-1 classe 0 d’une température inférieure de 15 à 20° à celle fournie par la technologie à lobes.
Les compresseurs dynamiques : bien placés lorsque de gros débits sont requis
La soufflante à canal latéral augmente la pression de l’air aspiré par création, dans le canal périphérique torique, d’une succession de vortex causés par la poussée centrifuge des pales de la roue. Durant la rotation de la roue, les pales dirigent l’air en avant et, sous l’effet de la force centrifuge, vers l’extérieur, produisant ainsi un mouvement hélicoïdal. Au cours de ce mouvement de rotation, l’air subit une série de compressions avec pour conséquence une augmentation linéaire de la pression
le long du canal. Ces équipements, proposés par Bibus France, FPZ, Elmo Rietschle ou encore Enerfluid sont donc adaptés à toutes les applications requérant une pression plus importante. Parmi leurs avantages, leur fiabilité de fonctionnement (pas de pièce en frottement donc pas d'usure), leurs niveaux sonores très bas, une qualité d’air parfaite totalement exempt d’huile et une plage de régulation de débit importante tout en conservant une pression constante.
Autre solution, les compresseurs dynamiques type soufflantes centrifuges qui équipent les grosses stations et sont réputées en Amérique. Mais on les trouve aussi en France. Hibon fournit également des soufflantes centrifuges et a équipé récemment le Centre de production d’eau potable de Sainte-Marthe dans le procédé de filtration du plus important des trois centres de traitement d’eau potable de la ville de Marseille et ses environs. Mais lorsque les débits sont conséquents, les surpresseurs centrifuges multi-étagés ou les turbocompresseurs deviennent incontournables. Ils fonctionnent selon un principe différent. Le compresseur, machine volumétrique, possède deux rotors en forme de vis qui créent un taux de compression entre eux. Le turbocompresseur dynamique accélère dynamiquement la vitesse de l'air grâce à une turbine montée sur l’arbre moteur qui génère ainsi la pression attendue.
Les turbocompresseurs nécessitent moins de maintenance et de suivi que les surpresseurs volumétriques. Conçus sans frottements mécaniques (pour ceux à paliers magnétiques) et avec un entraînement direct, les pertes d’étanchéité, de performances, ou même l'usure n’ont pas cours. Leurs rendements figurent également parmi les meilleurs qui existent aujourd'hui.
La nouvelle gamme « HSD » (High Speed Drive) d’Howden est 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 4 tailles de machines avec une ou deux hélices montée(s) directement en bout(s) d’arbre moteur. Ce surpresseur repose sur un moteur à haute vitesse couplé à un variateur de fréquence et revendique ainsi des rendements de compression supérieurs à 85 %. La spécificité de cette gamme réside dans le fait qu’elle n’utilise pas seulement la vitesse de rotation pour moduler le débit d’air généré par le surpresseur mais aussi les ventelles positionnées en aval de l’hélice que Howden utilise depuis longtemps sur sa gamme existante. Chaque surpresseur bénéficie donc de deux paramètres de contrôle.
Avec son HST 20 qui représente la troisième génération de technologie HST, intégralement refroidi à l'air, Sulzer Pumps Wastewater France revendique un rendement global amélioré (30 % d’économie par rapport aux turbo classiques) du fait d'une optimisation globale du turbocompresseur dans son ensemble et non de quelques composants individuels : moteur à aimants permanents à haute vitesse piloté par un variateur de fréquence pour des débits allant de 1 000 à 18 000 m³/h (gamme HST) et des pressions de 300 à 1 250 mbar, nouvelle conception de turbine usinée dans la masse (seule solution permettant de
garantir une haute précision de forme et de rendement tout en ayant accès à des roues que le moulage ne permet pas d’obtenir (à cause des contre-dépouilles) ou encore un joint labyrinthe optimisé. La maintenance standard est limitée à des contrôles réguliers et à un changement occasionnel des filtres à air grâce aux paliers magnétiques qui font flotter l’arbre à 1 mm de tout contact. La nouvelle gamme HST 20 possède également un niveau sonore inférieur à 70 dB max.
Quant aux turbocompresseurs Aerzen Génération 5, ils ont été développés pour des débits volumiques compris entre 1 000 Nm³/h et 13 000 Nm³/h (suivant la norme DIN 1343) et pour des pressions de 200 à 1 500 mbar. Parmi les atouts de cette gamme, une turbine moulée en acier inoxydable haute résistance, un moteur à aimants permanents haute vitesse piloté grâce à un variateur de vitesse, des paliers aérodynamiques, un arbre traversant commun à la turbine et au moteur synchrone, et un système de contrôle évolué. L’emprise au sol ainsi que les niveaux sonores ont été particulièrement travaillés, de même que la mise en service, de type « Plug and Play », a été simplifiée pour plus de rapidité et moins de coûts.
Tout ceci permet d’optimiser l’efficacité énergétique des procédés liés à l’aération. Quelles économies en attendre ? La mise en place de dispositifs de régulation sur le process aération en stations d’épuration tels que ceux décrits plus haut peut conduire à des économies en énergie allant de 5 à 10 %, et jusqu’à 15 % pour le procédé WTOS. Mais en optant pour des matériels plus efficients, il est possible d’y ajouter une économie supplémentaire allant jusqu’à 30 %. La mise en place de soufflantes moins énergivores sur la station d’épuration de Pest-South (400 000 EH, République Tchèque) exploitée par Veolia Eau a par exemple permis de diviser par quasiment deux la consommation d’énergie de la station, qui passant de 8 800 à 4 800 kWh/j.
Sur la station d’épuration de Skanderborg au Danemark, Atlas Copco a fourni un nouveau surpresseur à vis à entraînement à vitesse variable de 55 kW fonctionnant à 0,7 bar en remplacement d’un surpresseur à lobes de 75 kW sur l’une des chaînes d’aération. Les chiffres indiquent une économie d’énergie totale de 31 % avec un retour sur investissement inférieur à 16 mois…
