Pour réaliser des économies d'énergie, les réseaux de distribution, stations de relevage et stations d'épuration se dotent de plus en plus fréquemment de variateurs de fréquence capables de contrôler la vitesse de rotation des pompes, compresseurs et autres appareils. À condition de respecter certaines règles d'installation, les variateurs assurent un retour rapide sur investissement. Si la technologie de base est désormais bien rodée, ces appareils deviennent de plus en plus communicants. Dans un proche avenir, la tendance est à l'apparition de process intégralement gérés de manière ?intelligente?. Les variateurs sont les organes clés de cette évolution.
EFFICIENCE ÉNERGÉTIQUE
Par , Technoscope
Pour réaliser des économies d'énergie, les réseaux de distribution, stations de relevage et stations d'épuration se dotent de plus en plus fréquemment de variateurs de fréquence capables de contrôler la vitesse de rotation des pompes, compresseurs et autres appareils. À condition de respecter certaines règles d'installation, les variateurs assurent un retour rapide sur investissement. Si la technologie de base est désormais bien rodée, ces appareils deviennent de plus en plus communicants. Dans un proche avenir, la tendance est à l’apparition de process intégralement gérés de manière « intelligente ». Les variateurs sont les organes clés de cette évolution.
« L’énergie représente une part très importante du coût opérationnel des réseaux de distribution d’eau potable et des stations de retraitement des eaux usées. Les économies sont donc plus que jamais à l’ordre du jour » affirme Thierry Crespo, responsable marketing chez Leroy-Somer. Ces installations comprennent en effet de nombreux moteurs électriques entraînant
des pompes (maintien en pression, relevage), des agitateurs ou des aérateurs : l'air comprimé est le poste le plus gourmand en énergie sur une station d'épuration. Or réseaux et stations sont toujours dimensionnés pour pouvoir répondre au besoin maximal : pic de consommation le matin et le soir, populations estivales en été, etc. À cela s'ajoute bien souvent, au moment de la conception d'une station, l'anticipation d'une augmentation de la population utilisatrice dans les années à venir... Résultat, les installations fonctionnent la plupart du temps bien en deçà de leur capacité nominale. Faire varier le régime des moteurs pour l'ajuster à tout moment à la charge réelle peut entraîner de sérieuses économies, d'autant que la consommation d'énergie est proportionnelle au cube de la vitesse de rotation d'un moteur : en divisant celle-ci, donc le débit de la pompe entraînée, par deux, on consomme huit fois moins d'électricité. C'est tout l'intérêt des variateurs de fréquence proposés par des électroniciens ou des automaticiens comme Danfoss aujourd'hui allié à Vacon, ABB, Rockwell Automation, Eaton, Fuji, Gefran, Leroy-Somer, Mitsubishi, Omron, ou Schneider Electric (avec Eurotherm). Malgré le coût d'achat des variateurs et leur propre consommation d'énergie (ils font baisser le rendement de 2 à 4 % à la fréquence de 50 Hz), le retour sur investissement est souvent très rapide : de 14 mois à trois ans selon les configurations. Qui plus est, un variateur permet d'obtenir un certificat d'économie d'énergie IND-UT 102 (loi n° 2005-781 du 13 juillet 2005), donc une aide à l'installation.
Des progrès à faire
Or si les variateurs sont omniprésents dans les industries chimiques, pétrolière ou pharmaceutique, entre autres, il reste beaucoup de progrès à faire dans le domaine de l'eau. Bien des réseaux de distribution utilisent encore des pompes à vitesse fixe et régulent le débit par des vannes. « Les stations d'épuration récentes sont toutes équipées de variateurs, en particulier pour l'aération, mais les installations de plus de dix ans en sont souvent dépourvues : elles ont besoin d'un rétrofit pour faire des économies » ajoute Thierry Crespo, qui prône l'utilisation de variateurs couplés à des moteurs synchrones à aimants permanents, au rendement très élevé sur toute la plage d'utilisation et eux-mêmes éligibles pour un certificat d'économie d'énergie (IND-UT-114). Cette technologie, introduite depuis une quinzaine d'années dans la gamme de Leroy-Somer, apporte encore plus d'économies que le couplage d'un variateur à un classique moteur asynchrone triphasé. Sulzer exploite également des moteurs à aimants permanents, systématiquement couplés à des variateurs. « Même si les rendements IE3 ne sont pas définis pour toutes les vitesses de rotation, les rendements de nos pompes, agitateurs et compresseurs sont du niveau (ou supérieur) à IE3 » précise Michel Leromain, responsable du support technique et du business développement chez Sulzer. Cette société a par exemple récemment équipé la station d'épuration de Laon d'un turbocompresseur d'air HST20 à moteur synchrone et variateur intégré. Les essais réalisés à l'occasion de cette installation ont révélé que le turbocompresseur HST, à débit comparable, améliorait le ratio énergétique de près de 29 % sur le poste aération qui représente jusqu'à 70 % de la consommation de la station d'épuration... Au-delà de l'aspect énergétique, pour Michel Leromain, Sulzer, « En dessous et au-dessus d'un certain pourcentage du débit du point de meilleur rendement – les normes API, parmi les plus restrictives imposent un ± 20 % du débit de point de meilleur rendement –, on ne doit pas faire fonctionner la pompe de façon continue car la perte de rendement s'exprime par des effets “mécaniques” qui vont détruire rapidement les étanchéités, les roulements et au final la pompe complète ».
Les limites des variateurs
Attention, cependant : le variateur n'est pas une solution miracle adaptée à toutes les situations. Idéal pour les installations subissant des pertes de charge, il peut mettre la pompe à la peine lorsqu'il s'agit de franchir une hauteur géométrique (relevage).
Garantir la fiabilité et la disponibilité des équipements en optimisant leur fonctionnement
La Société Lorientaise de Construction Électromécanique (SLCE) conçoit, produit et met en service des groupes de dessalement d'eau de mer. Cette PME de 28 personnes exporte 80 % de sa production, essentiellement en Asie, pour des applications dans la plaisance, la pêche, la marine civile et militaire, les hôtels de bord de mer, les plateformes offshore, les grands sites touristiques, etc.
Si les machines les plus petites traitent 30 litres par heure, les usines à bord des paquebots de croisière peuvent dessaler jusqu’à 1500 m³ d'eau de mer par jour. « Pour rendre douce et potable de l'eau salée, nous utilisons le principe de l'osmose inverse, ce qui implique de pomper de grandes quantités d’eau à traiter sous pression, explique Patrick Riot, Directeur général et co-fondateur de SLCE. Le process s'appuie donc sur des pompes de gavage et des pompes haute pression avec des moteurs de forte puissance, pilotés par des variateurs de vitesse de façon à optimiser le débit et la pression, tout en consommant le moins d'énergie possible pour notre production d’eau douce. »
Certaines installations, comme les bateaux militaires, les paquebots de croisière ou encore les plateformes off-shore, dépendent uniquement d'unités de dessalement pour leur approvisionnement en eau potable. Elles attendent donc de ces équipements une disponibilité et une fiabilité totales.
Pour assurer cette fonction, ils doivent supporter deux contraintes majeures : maintenir une haute pression sur les membranes semi-perméables et assurer une production d’eau pure constante. De plus, leur rendement varie en fonction de la température de l'eau de mer et de son niveau de salinité.
La SLCE a donc pour obligation de garantir la fiabilité et la disponibilité de ses unités de production d'eau potable. Elle doit également assurer un service de maintenance pour un dépannage rapide. En cas de panne, elle a un impératif de réactivité. Par exemple, dans le cas d'un paquebot de 4000 passagers, si l'équipement de dessalage ne fonctionne plus, l'opérateur ne dispose que de 2 ou 3 heures pour intervenir. À ces exigences s’ajoute une contrainte d'efficacité énergétique : les cahiers des charges de la Marine nationale imposent, par exemple, une consommation inférieure à 3 kWh par mètre cube d'eau potable produite. Pour répondre à ces problématiques, la SLCE a choisi d'équiper ses unités de dessalement des nouveaux variateurs de vitesse Altivar Process Schneider Electric.
Altivar Process fournit des informations sur son propre fonctionnement, mais aussi sur celui des équipements qu'il pilote, avec un accès aux données en temps réel depuis un PC, une tablette ou un smartphone. La fonction web server facilite la gestion des pompes et permet un fonctionnement au plus près de leur point d'efficacité optimale, de même que la remontée en temps réel d'indicateurs précis affichés directement sur le terminal graphique du variateur de vitesse (puissance consommée, production, variations).
En cas d'arrêt intempestif, Altivar Process délivre un diagnostic et une solution curative : identification immédiate du variateur à l'arrêt, information sur la nature du problème rencontré, édition de QR codes sur le variateur indiquant les données sur son état et les actions curatives à lancer. De plus, ce variateur de vitesse tient compte des paramètres de salinité et de température de l'eau, et régule en conséquence la haute pression sur les membranes semi-perméables, ce qui optimise le fonctionnement des moteurs. Conséquence : une réduction de 10 à 20 % de l’énergie consommée par rapport à un variateur standard.
Siemens ou Weg proposent des ensembles intégrés moteur + variateur. Les solutions Dyneo® de Leroy Somer consistent ainsi en des couples moteur-variateurs conçus dès le départ pour fonctionner ensemble, et dûment testés en usine. « Nous pouvons ainsi garantir la performance de l'ensemble, alors que les calculs de rendement sont en général faussés quand on choisit un moteur. »
Le PumpDrive de deuxième génération de KSB permet de faire fonctionner jusqu’à six pompes reliées en un système multi-pompes par un câble bus prêt à brancher. L'ensemble assure la mise en marche et l’arrêt des pompes en fonction des besoins, la juste répartition des sollicitations de chaque groupe et la gestion de défauts (pompes ou variateurs).
En qui plus est, les variateurs modifient la forme de l'onde électrique, générant des harmoniques nuisibles sur le neutre. « ERDF est de plus en plus attentif à cette question avec la multiplication des variateurs » rapporte Brice Ladret chez Aerzen. Beaucoup de fabricants intègrent désormais des filtres pour supprimer ces harmoniques. En tant que dispositif électronique, un variateur peut également souffrir de son environnement immédiat. Il n’est guère indiqué, comme cela se fait trop souvent, d’installer dans la salle des machines d’une station d’épuration, où la température, les poussières et éventuellement l'huile en suspension limitent sérieusement sa durée de vie (de 10 à 20 ans dans de bonnes conditions)...
Mais surtout, comme le souligne Brice Ladret chez Aerzen, « on ne peut pas coupler n’importe quel variateur avec n’importe quel moteur : le variateur prend le contrôle de la machine qui doit pouvoir le supporter ». Cela ne pose guère de problème pour les installations neuves car beaucoup de constructeurs de trains d’entraînement, à l'instar d’ABB, Bonfiglioli, Gefran, IP Systèmes, Lenze, Leroy-Somer, Nord Réducteurs, Sew Usocome,
« Accouple un variateur X à un moteur Y », souligne Thierry Crespo. Le seul remplacement de trois pompes par des unités Hydrostal équipées d'ensembles motovariateurs Dyneo® de Leroy-Somer a ainsi entraîné des économies d'énergie de plus de 20 % dans la station d'épuration de Horsens (Danemark), qui s'est engagée à rendre son site énergétiquement neutre.
Chez Weg, les gammes CFW701 et CFW501 sont particulièrement adaptées au pilotage des pompes en intégrant certaines protections spécifiques telles celles contre la marche à vide (désamorçage des pompes). Elles intègrent également certaines fonctions complémentaires comme des boucles PID pour la régulation en débit ou pression, ainsi qu'un automate programmable intégré. « Une autre fonction intégrée dans nos variateurs est la fonction économie d'énergie qui permet de réduire les pertes en fonction des conditions de vitesse et de charge », explique Yves Jamet chez Weg. « Sur les systèmes complets composés d'un moteur asynchrone de la famille W22 IE2 ou IE3 et d'un variateur CFW11 ou CFW700, nous avons la possibilité de mettre en œuvre un système breveté “Optimal Flux” qui permet de minimiser les pertes moteurs asynchrones à basse vitesse et éviter l'utilisation sur les applications à couple constant de moto-ventilation ».
De la même manière, Grundfos propose des ensembles intégrés comprenant régulateurs, moteurs à haut rendement Blueflux®, capteurs, unités de communication, etc. Les moteurs Grundfos Blueflux et les moteurs à entraînements à fréquence variable sont conçus pour s'intégrer l'un dans l'autre. Cette association permet d'augmenter le rendement énergétique tout en assurant fiabilité et précision du contrôle opérationnel.
Assurer une bonne intégration
Comme Grundfos, KSB, Xylem, Wilo ou encore Sulzer proposent tous des systèmes intégrant des systèmes élaborés de variation de fréquence sur leurs propres pompes tout comme Aerzen, Kaeser Compresseurs, Sulzer, Continental Industrie ou Robuschi en matière de compresseurs. Une bonne intégration est alors assurée.
Chez KSB, le nouveau PumpDrive de deuxième génération permet par exemple de faire fonctionner jusqu'à six pompes reliées en un système multi-pompes par un câble bus prêt à brancher. Cet ensemble assure la mise en marche et l'arrêt des pompes en fonction des besoins, la juste répartition des sollicitations de chaque groupe et la gestion de défauts (pompes ou variateurs). PumpDrive est équipé d'une fonction de compensation dynamique des pertes de charge. Cette fonction dite « Régulation pression variable » repose sur la régulation de pression avec adaptation de la valeur de consigne en fonction du débit. Elle consiste à compenser les pertes de charge linéaires entre le groupe motopompe et le point de consommation. Ainsi, en cas de fonctionnement en charge partielle, la pompe délivre uniquement la pression nécessaire pour vaincre les résistances rencontrées jusqu'au point de consommation. Cette fonction assure donc des économies d'énergie supplémentaires lorsqu'une mesure n'est pas possible au point de consommation le plus défavorisé. PumpDrive est compatible avec plusieurs bus de terrain tels que Profibus DP, Modbus RTU, LON, BACnet TCP/IP ainsi que ProfiNet et Ethernet. Un module radio intégré permet, via Bluetooth, d'établir une connexion avec un iPhone® en vue de communiquer avec le système pour procéder à des réglages.
Il peut cependant s'avérer intéressant de « greffer » un variateur différent sur un système existant. Il est en ce cas prudent de faire valider non seulement le choix du variateur – il faut parfois remplacer également le moteur par un modèle un peu plus puissant – mais aussi ses paramètres de fonctionnement. En effet, un variateur peut sans problème fournir n'importe quelle fréquence entre 0 et 50 hertz mais, en dessous d'une certaine vitesse, moteurs et surpresseurs s'échauffent faute de refroidissement adéquat, et peuvent aller jusqu'au collage et la rupture. Les phases de démarrage et d'arrêt doivent également être soigneusement paramétrées. « On n'arrête pas un compresseur de la même manière qu'un surpresseur ni un ventilateur », précise Brice Ladret. Aerzen propose en effet, outre de classiques surpresseurs Roots, des compresseurs à vis à basse pression. Éligibles pour un certificat (IND-UT 120), ces appareils consomment de 15 % à 20 % de moins d'énergie qu'un surpresseur, à débit égal. Des économies qui s'ajoutent à celles procurées par le variateur. Plus chers que les surpresseurs, les compresseurs à vis Delta Hybrid®
(de 110 à 9 000 m³/h) d'Aerzen assurent néanmoins un retour sur investissement dans les deux à trois ans.
Des variateurs communicants.
Quoi qu'il en soit, et moyennant une étude sérieuse avant l'installation, plusieurs fournisseurs proposent aujourd'hui des variateurs adaptés aux exigences de la distribution ou du traitement de l'eau. C'est par exemple le cas de Danfoss avec le VLT Aqua Drive, de Xylem avec Hydrovar ou de Fuji Electric avec le Frenic Aqua. La technologie de base est la même que partout ailleurs mais le logiciel de commande répond aux besoins spécifiques du domaine : rinçage, inversion de flux, etc., le tout avec des interfaces homme-machine désormais très conviviales. Car, ainsi que le rappelle Thierry Crespo, « les variateurs sont des objets communicants, avec ou sans fil ». Ils contrôlent le fonctionnement de l'installation et, grâce à des capteurs, transmettent également des informations vers l'utilisateur. « Nous allons proposer des appareils renseignant les utilisateurs sur le fonctionnement et l'état des moteurs, notamment l'usure des roulements, grâce à des capteurs de température ou de vibrations » explique ainsi Thierry Crespo. Les opérateurs pourront ainsi passer à la maintenance prédictive des installations.
Dans le même esprit, Grundfos propose une gamme de produits « intelligents » baptisés iSOLUTIONS®. Ces ensembles intégrés de pompes, variateurs, moteurs, capteurs, unités de communications, etc. assurent le contrôle de la station (fonctionnement et maintenance préventive), y compris à distance grâce à la solution client/serveur Grundfos Remote Management (GRM). Pour sa part, Rockwell Automation propose des variateurs PowerFlex® (de 0,75 à 6 500 kW). « Nos variateurs peuvent être pilotés (ordres marche/arrêt et consignes de vitesse) par réseau Ethernet et donnent accès à tous leurs paramètres de fonctionnement pour le diagnostic et la consommation énergétique » précise Olivier Vallée, responsable marketing chez Rockwell Automation. Pour mieux gérer le fonctionnement des cinq grosses pompes de transfert de la station de retraitement de Colombes (92), le SIAAP a d'ailleurs fait appel à Rockwell Automation. L'installation de deux variateurs PowerFlex 7000 a entraîné des économies d’énergie mais surtout fait chuter les coûts de maintenance des moteurs, auparavant soumis à rude épreuve par la succession des arrêts-démarrages.
Philippe Chatel, chez Lenze, insiste également sur la facilité de mise en œuvre. « L'interface de programmation et de réglage doit être conviviale, qu'elle passe par un clavier, un logiciel sur PC ou via une application Smartphone, explique-t-il. C'est le point fort de nos variateurs de fréquence, que ce soit nos SMV IP65 ou nos autres gammes de produits, ils sont programmés à vie. En cas de changement de variateur, il suffit de récupérer le module mémoire et de l'enficher dans le nouvel appareil. Pas besoin de PC, de formations ou de compétences particulières. Nous rendons ainsi la technologie accessible au plus grand nombre ».
... à l'usine du futur
L'évolution des usines vers une gestion « intelligente » intégrée est une tendance lourde dans le monde industriel, parfois évoquée sous le terme d'« industrie 4.0 ». « Ce concept d'usine intelligente se traduira dans le domaine de l'eau par l'exploitation automatique des données issues des variateurs pour prendre des décisions sur le fonctionnement des stations ou des réseaux » estime Olivier Vallée, chez Rockwell Automation. Prévision de la demande en fonction d’un historique, repéré.
Réglage des anomalies, signalisation de fuites, gestion de l'énergie : tout cela se fera de manière transparente et automatique grâce aux variateurs et en fonction des données qu'ils transmettent. Ils deviennent ainsi la clé de voûte des process intelligents et efficaces. Christian Sibileau, de Sew Usocome, fournisseur de moteurs et motoréducteurs, y voit lui aussi la principale tendance des années à venir. « Les pompes vont devoir communiquer, recevoir et envoyer des informations sur ce qu'elles font ou sur leur environnement immédiat. Elles seront intégrées dans des ensembles capables eux-mêmes de dialoguer » estime-t-il, en assurant que Sew Usocome est « déjà paré » pour cette évolution.
ABB, qui développe des technologies pour l'Internet des objets, des services et des personnes depuis plus d'une décennie par l'entremise de ses systèmes de commande, solutions de communication, capteurs et logiciels, est également en pointe sur le sujet. L'objectif est d’offrir de nouvelles fonctionnalités, de nouveaux services tout en simplifiant l'exploitation. ABB a ainsi présenté de nouvelles applications sur smartphone qui font gagner du temps, facilitent le dépannage et améliorent le rendement des variateurs grâce aux technologies de l'Internet des objets, des services et des personnes (IoTSP). L'application Drivetune permet aux techniciens de service et installateurs d’établir facilement une connexion avec un variateur grâce à la connectivité sans fil Bluetooth. Avec un simple smartphone, l’installateur est en mesure de mettre en service et de configurer plus rapidement et plus efficacement le rendement d'un variateur, autorisant alors une résolution plus rapide de tout problème initial sans être obligé de mettre le variateur hors ligne. La connexion Bluetooth permet de s’affranchir des problèmes de réseaux 3G, de sécurité interne, de câbles qui traînent... Une fonctionnalité de dépannage simplifié permet de déterminer la ou les cause(s) éventuelle(s) d'une anomalie avec la ou les solution(s) associées à mettre en œuvre.
Drivebase est une autre application qui permet l’enregistrement, la localisation et le suivi d’une base de variateurs installée. Les opérations de maintenance sont connues à l'avance, leur planification s’en trouve simplifiée. Ce suivi permet de maintenir les variateurs au bon moment. En tirant profit des technologies de l'IoTSP, ces applications d’ABB proposent aux clients un accès pratique aux nouvelles données enrichies de leurs variateurs qui visent à améliorer leurs activités et à leur permettre de prendre des décisions optimisées sans les submerger de complexité inutile.
L'Altivar Process de Schneider Electric (voir encadré) est également un variateur développé pour les usines connectées. Il associe optimisation et contrôle des process, connectivité sur tous les supports digitaux, et remontée des informations nécessaires aux exigences de la production et d'une gestion décentralisée. « Tout cela avec une qualité exceptionnelle pour les conditions les plus exigeantes et un cycle de vie d’au moins 10 ans, souligne Edouard Van Den Corput, Responsable offre Variation de Vitesse. L’Altivar Process ce n'est plus un simple constituant d'automatisme, mais un allié de la production grâce à son orientation Services ».
