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Efficience énergétique : une démarche rentable sur le long terme

29 juillet 2011 Paru dans le N°343 à la page 49 ( mots)
Rédigé par : Christophe BOUCHET

Dans le secteur de l'eau, la facture énergétique représente, en moyenne, 3 % des investissements mais 30 % des coûts d'exploitation. Difficile, dans ce contexte, de ne pas réussir à rentabiliser une démarche visant à économiser l'énergie, même si cela nécessite souvent au départ un investissement un peu plus élevé. Pour y parvenir de façon certaine, il faut appréhender l'équation énergétique dans son ensemble et passer à la moulinette, sans a priori, l'ensemble des composants des process. Nombreux sont les outils et les avancées techniques qui permettent aujourd'hui de réaliser d'importantes économies tout en diminuant l'empreinte environnementale des ouvrages.

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Cela fait déjà quelques années que l’efficacité globale des procédés dans le domaine de l'eau, comme d’ailleurs dans d'autres secteurs industriels, est au centre de toutes les attentions. L'objectif est limpide : réduire les coûts en passant en revue, étape par étape, l'ensemble des procédés pour en optimiser le fonctionnement tout en rationalisant

[Photo : Sur la station de Campo Dell’Oro à Ajaccio, un traitement des boues basé sur les ultrasons permet de réduire les volumes d’environ 10 % tout en produisant 15 % de biogaz en plus.]

les processus de production. Cette démarche, globale, même si elle est encore bien loin d’être systématique, commence à se généraliser et à porter ses fruits. Dans le domaine de l’eau potable, des eaux usées, et plus encore des eaux industrielles, plus aucun process de gestion de l’eau n’est géré aujourd’hui comme il y a seulement 5 ans. La généralisation de ces démarches a permis de réaliser des gains parfois très importants en termes de conduite, de productivité, de maintenance ou de sécurité, tout en contribuant à focaliser les attentions sur un gisement d’économies crucial : l’énergie. Un constat qui s’est imposé d’autant plus rapidement que deux phénomènes nouveaux sont apparus concomitamment : une augmentation globale et durable des coûts de l’énergie et la nécessité, favorisée par le Grenelle de l’environnement, de réduire l’empreinte environnementale des ouvrages. Ce changement de paradigme a profondément modifié l’approche des concepteurs et constructeurs des ouvrages de gestion de l’eau qui ont porté une attention accrue aux technologies « vertes », sobres en énergie, à faible empreinte environnementale, en développant des offres globales destinées à promouvoir une exploitation économique des ouvrages.

Des offres globales destinées à promouvoir une exploitation économique des ouvrages

Ce qui se conçoit bien s’exploite économiquement : c’est de ce constat qu’est née dès 2009 la démarche EcoSave® développée par Vinci Environnement dans le but de proposer, de la construction à l’exploitation, un mode de conception des stations d’épuration qui soit compatible avec une exploitation optimisée et une empreinte environnementale réduite. EcoSave® comporte un volet conception qui repose sur une analyse du cycle de vie et permet de sélectionner les procédés et les équipements les plus compatibles avec une exploitation simple et une empreinte environnementale réduite. En phase d’exploitation, EcoSave® permet de suivre en continu neuf impacts environnementaux de l’ouvrage dont l’un concerne la consommation d’énergie primaire. Un compteur environnemental, reflet de ses neuf impacts, mesure l’empreinte environnementale de la step en temps réel. Pour parfaire sa démarche, Vinci Environnement s’est associé avec Endress+Hauser et Actemium pour développer et implanter ses propres modèles de régulation des procédés et optimiser ainsi l’exploitation. La démarche a été mise en œuvre pour la première fois sur la station de Campo Dell’Oro à Ajaccio où elle a permis de sélectionner les filières les plus adaptées, des procédés de régulations optimisés et un juste équilibre entre

[Encart : Vers des stations d’épuration autosuffisantes en énergie ? Optimiser les performances, réduire les consommations, atteindre l’autosuffisance énergétique, revendre l’énergie produite et tout ceci dans le respect des réglementations environnementales, rêve ou réalité ? L’offre Green Cubes de Suez Environnement ambitionne d’exploiter le potentiel énergétique des stations d’épuration et des réseaux d’eaux usées tout en réduisant leur empreinte environnementale. Car les eaux usées constituent des sources d’énergies potentielles à valoriser : l’énergie thermique (récupération de calories), l’énergie hydraulique, et l’énergie issue de la valorisation de la biomasse. Pour Suez Environnement, Green Cubes préfigure une évolution majeure du métier de l’assainissement vers des solutions de valorisation énergétique et de valorisation de la biomasse. La station d’épuration d’As Samra (Jordanie), qui dessert la région d’Amman, incarne cette nouvelle génération de step. Des turbines hydrauliques installées en amont et en aval, ainsi que des moteurs alimentés par le biogaz permettent de produire 95 % de l’électricité nécessaire au traitement. En Hongrie, sur la station d’épuration de Budapest, Veolia Eau, via sa filiale Veolia Viz, est parvenu à l’autosuffisance en énergie en associant boues et déchets pour produire un biogaz qui suffit aux besoins de la station.]
[Photo : Ultrafil’ combine l’épuration biologique par boues activées à une clarification par membrane d’ultrafiltration. La séparation par membrane permet de travailler à des concentrations de la biomasse épuratrice plus ou moins élevées, ce qui offre l’avantage de pouvoir optimiser les transferts d’oxygène au sein de la biologie.]
[Photo : FactoryTalk Historian Site Edition (SE) qui intègre le logiciel FactoryTalk VantagePoint de Rockwell Automation permet de suivre les performances énergétiques d’un procédé en surveillant les indicateurs de performance clés, des rapports et des tableaux de bord.]

empreinte environnementale, dépenses énergétiques et rationalisation de l'exploitation. Le procédé compact d’épuration R3F® précédé d'une décantation primaire a par exemple été sélectionné pour sa capacité à réduire de moitié la quantité de matières solides dans l'eau, diminuant de 25 % l'apport d’oxygène nécessaire à l'épuration. Le choix d’un traitement des boues basé sur les ultrasons a permis de réduire les volumes d’environ 10 % tout en produisant 15 % de biogaz en plus. Gain estimé : environ 40 000 euros/an. L'instrumentation de mesure et d’analyse, pour l’essentiel du matériel Endress+Hauser, est directement reliée en temps réel à la commande de process. Chaque variable, chaque paramètre est ainsi directement pris en compte dans la conduite de process de manière à l'adapter en continu de façon optimale.

Veolia Eau et Suez Environnement ont également développé des offres basées sur une approche environnementale globale qui consiste à protéger la biodiversité, réduire les gaz à effet de serre et préserver les ressources naturelles. Edelway rassemble par exemple l'ensemble des solutions de Suez Environnement à même d’améliorer les performances environnementales dans les domaines de l'eau et des déchets. Parmi les différentes technologies présentes au sein d’Edelway, le procédé Degrés Bleus® (voir EIN n° 341) met en œuvre un système de récupération d’énergie thermique à partir du réseau d’assainissement. Aquaviva, la future station du bassin cannois, vitrine du groupe Suez Environnement en matière d’empreinte environnementale.

[Encart : Visibilité, contrôle, traitement des données en temps réel : trois préalables à toute démarche d’économie d’énergie GE Intelligent Platforms conçoit et commercialise des solutions logicielles, matérielles et propose des services et conseils en automatisation et produits embarqués qui couvrent un vaste champ d'applications depuis les systèmes d'usinage dans d'importantes applications aérospatiales jusqu'aux systèmes de commande de procédés dans les stations d’épuration. Car GE Intelligent Platforms, qui a longtemps centré ses activités sur le monde de l'industrie, s'intéresse de près au secteur de l'eau, domaine dans lequel elle détient d'importantes parts de marché, notamment aux États-Unis, en Grande-Bretagne et dans les pays du Golfe. « L’eau a été définie comme un marché prioritaire, indique Bernard Cubizolles, Global Market Development Manager chez GE Intelligent Platforms. Les pressions liées à l'évolution de la réglementation et des coûts de l'énergie amènent les exploitants d'ouvrages, qu'ils soient industriels ou collectivités locales, en délégation de service public ou en régie, à réduire leurs consommations sur l'ensemble des ouvrages dont ils ont la charge. Ils ont besoin pour ceci d'outils performants et fiables qui leur permettent d’optimiser leurs process en améliorant leur productivité. » Proficy® for Sustainability Metrics constitue un point d'entrée permettant la mesure et l’analyse de la consommation d'eau et d’énergie au niveau d'un site, d'une zone, d'un procédé et même d’un équipement. Cette application logicielle permet de collecter les données provenant de systèmes hétérogènes puis de les exploiter en les analysant pour modifier ou ajuster le fonctionnement d’un process ou d'un équipement. « Jusqu’à présent, l’évaluation des consommations en eau et en énergie était fréquemment basée sur les factures des fournisseurs et correspondait le plus souvent à la consommation globale d'un site donné » explique Bernard Cubizolles. « De plus, la plupart des applications logicielles existantes offraient des informations et des analyses indépendantes des données contextuelles qui sont pourtant les seules à pouvoir donner des indications précises sur les facteurs qui interagissent réellement sur les consommations. En permettant une mesure précise, en fournissant des rapports détaillés sur chaque équipement ou procédé consommant de l'eau ou de l’énergie, Proficy for Sustainability Metrics permet de suivre le fonctionnement des process en continu et de réagir en temps réel à une consommation anormale avec, en plus, la fourniture d'un historique détaillé permettant de conduire une analyse sur le long terme pour réduire les consommations. » La solution Proficy for Sustainability Metrics repose sur les standards éprouvés de la plateforme logicielle Proficy de GE : Proficy Historian, Proficy Pulse ainsi que les pilotes d’entrée-sortie Industrial Gateway Server. Elle inclut des objets de visualisation pouvant être utilisés dans l'environnement Pulse, ainsi que dans Proficy iFIX. Cette architecture permet à Proficy Sustainability Metrics de s'intégrer facilement aux outils de supervision existants ou encore d’être déployée en parallèle. « Cette solution basée sur des produits standards et dotée d'un ensemble d’objets réutilisables permet aux exploitants de créer un espace de travail dédié à la mesure et au reporting correspondant exactement aux réalités physiques de leurs process » souligne Bernard Cubizolles. « L’analyse de ces données, associée au réglage des équipements et des process, a permis à plusieurs clients de GE de réduire rapidement leurs consommations en eau ou en énergie de 10 à 20 %. » GE Intelligent Platforms a récemment présenté la dernière version du portail d'information en temps réel Proficy® Portal, une solution Web destinée à visualiser et analyser à distance les indicateurs de performance d’un process. Proficy® Portal permet ainsi de créer des pages Web interactives dans un environnement librement configurable permettant aux exploitants de visualiser, établir des rapports et analyser des données facilement et de façon interactive dans un environnement sûr et ce à partir de pratiquement n'importe quel endroit.]
[Photo : Les moteurs de la nouvelle gamme WQuattro de Weg, assurent un rendement élevé et dépassent les exigences du prochain classement énergétique super-premium IE4 sur toute leur plage de puissance.]

Weg mentale, concentre aussi plusieurs technologies qui permettent d’arriver à un bilan carbone neutre et à des dépenses en énergie réduites.

La filière de traitement repose ainsi sur l'Ultrafor®, procédé qui combine l'épuration biologique par boues activées à une clarification par membrane d’ultrafiltration.

La séparation par membrane permet de travailler à des concentrations de la biomasse épuratrice plus ou moins élevées, ce qui offre l’avantage de pouvoir optimiser les transferts d’oxygène au sein de la biologie.

La mise en place de 4 000 m² de panneaux photovoltaïques qui feront de la station l'une des principales fermes solaires du département et l'utilisation de pompes à chaleur utilisant les calories des eaux usées pour chauffer les bâtiments permettront de gagner 4 T eq.C/an.

L’étude, réalisée par Burgeap, montre que l’exploitation et la construction d’Aquaviva correspondent à une émission de gaz à effet de serre de 263 T eq.C/an, ce qui représente une diminution des émissions de 90 % par rapport à l’actuelle station.

Mais les majors de l'eau ne sont pas les seuls à avoir développé des offres globales destinées à diminuer l’empreinte environnementale des ouvrages de gestion de l'eau en améliorant leur efficience énergétique.

Depuis peu, des outils spécifiques issus du monde de l'industrie leur sont proposés qui permettent de mieux gérer l’énergie grâce à un traitement plus efficace de l’information. Ces outils, qui relèvent de l’Asset Management, reposent sur des systèmes d’informations devenus prépondérants.

Des systèmes d’informations devenus prépondérants

Spécialisé dans les logiciels, matériels, services et conseils en automatisation et produits embarqués, GE Intelligent Platforms propose par exemple une nouvelle solution logicielle baptisée Proficy® for Sustainability Metrics qui repose sur les logiciels leaders de la plateforme logicielle Proficy de GE : Proficy Historian, Proficy Pulse ainsi que les pilotes d’entrée-sortie Industrial Gateway Server.

Cette architecture permet à Proficy Sustainability Metrics de s’intégrer facilement aux systèmes de supervision existants ou encore d’être déployé en parallèle en optimisant les investissements existants dans la collecte ou l’automatisation des données.

[Encart : Économiser de 10 à 25 % d’énergie sur le process aération Le process d’aération compte pour près de 60 % de la facture énergétique d'une station d’épuration. Il est donc essentiel d’optimiser l’ensemble de ce process en utilisant des compresseurs performants, en les contrôlant d'une manière adaptée, mais aussi en optimisant la régulation du système en aval des compresseurs et ce jusqu’aux bassins d'aération. Pour ce qui est des compresseurs, la famille des machines dynamiques avec ses Turbos (centrifuge mono-étagé) reste une des technologies les plus performantes car elle peut atteindre par exemple jusqu’à 87 % de rendement avec un Turbo Compresseur Howden, soit l'un des meilleurs rendements possibles. Pour bénéficier pleinement de cet avantage énergétique, il est nécessaire de faire fonctionner le compresseur dans sa plage de fonctionnement optimum. Cette plage de fonctionnement est trop réduite si on contrôle le Turbo seulement par sa vitesse de rotation, d’où l'avantage de le contrôler avec des aubes de régulation à l'aspiration et au refoulement de l’hélice afin d’élargir au maximum la gamme de débit et de pression où les rendements sont les meilleurs. Pour les Turbos Howden, cette plage de fonctionnement optimum est située typiquement entre 60 et 80 % du débit maximum de la machine. « Nous contrôlons donc l’ensemble des Turbos en “Parallèle” afin qu’ils restent le plus souvent dans cette plage de fonctionnement » explique-t-on chez Howden. Pour ce qui est du système en aval des compresseurs, Howden installe des Turbo-Compresseurs dans les stations d’épuration depuis les années 50 et a donc accumulé au fil du temps une expertise importante en optimisant l'ensemble du système d’aération. C'est grâce à cette expérience que Howden a développé un système de contrôle automatique qui gère non seulement la régulation des compresseurs mais aussi la régulation du système en aval des compresseurs. Le Bio-Active Response System (BARS™) a donc pour but de réduire le débit et la pression d’air demandés aux compresseurs afin de réduire 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’ammonium et de nitrate dans les bassins. Ceci permet à l'exploitant d’économiser de 10 à 25 % d’énergie suivant les stations et les process biologiques utilisés mais aussi de n’avoir qu’un seul fournisseur responsable pour tout le process d’aération.]
[Photo : Vue d’un motovariateur synchrone à aimants permanents Dyneo® - série LSRPM de Leroy Somer.]
[Publicité : Vogelsang]
[Photo : Atlas Copco s’attache à substituer aux surpresseurs traditionnels à lobes de type “Roots” sa technologie à vis sur laquelle repose sa gamme de surpresseurs ZS. Enjeu : une économie d’énergie voisine de 30 % pour un surcoût à l'investissement évalué à 20 %.]
[Encart : Augmenter la production de biogaz sans investissement Les modules BioCrack développés par Vogelsang provoquent par désintégration électronique, la réduction et la découpe de particules et autres filasses contenues dans les liquides des unités de méthanisation ou dans les stations d’épuration. Il en résulte une augmentation de production de biogaz de 18 % utilisable dans toutes les unités de méthanisation. Le principe de fonctionnement de ces modules est le suivant : une électrode à haute tension équipe chaque module BioCrack. Le champ électrique interne au module crée des forces électrocinétiques qui déstabilisent la membrane cellulaire des substrats qui passent au travers. Cette membrane devient donc poreuse et la majorité de son contenu est libéré. Ceci augmente donc la présence et la disponibilité de substances nutritives pour les bactéries.]

mesure détaillée et la production de rapports relatifs aux procédés et aux équipements qui consomment les ressources, Proficy for Sustainability Metrics permet de réagir en temps réel à une consommation inhabituelle et fournit un historique détaillé permettant de conduire une analyse et de mener les efforts nécessaires aux améliorations » explique Bernard Cubizolles, Global Market Development Manager chez GE Intelligent Platforms.

Les capacités natives du logiciel Proficy à collecter, à faire remonter des données provenant de systèmes hétérogènes, à organiser, analyser et conduire des processus d’analyse incluant des volumes importants de données en temps réel permettent aux exploitants de réaliser de substantielles économies d’énergie tout en fiabilisant leurs procédés. La station d’épuration de Formellino en Italie a ainsi pu, grâce à cet outil, diminuer de 28 % en quelques mois à peine ses consommations en énergie tout en améliorant la qualité des eaux traitées et rejetées. Les stations d’épuration ne sont pas les seuls ouvrages concernés. Les usines de production d’eau potable et surtout les réseaux de distribution sont désormais l’objet de toutes les attentions. Suez Environnement et GE viennent ainsi de signer un accord de coopération technologique et commerciale pour déployer de nouvelles solutions dédiées à la gestion des flux et des réseaux d'eau, parmi lesquelles des technologies liées à la gestion des flux à distance et en temps réel ou la gestion des pics de consommation d’énergie sur les réseaux.

Même approche pour Schneider Electric qui propose depuis plusieurs années des solutions globales alliant électrotechnique, automatismes, logiciels, études et ingénierie financière (contrats de performance énergétique, optimisation d’abonnement) avec la volonté d’appréhender l’équation énergétique dans son ensemble, sans isoler l’énergie des procédés. Car pour Pascal Bonnefoi, Directeur Solutions OPEX pour le marché de l'Eau, « Si l'on veut être efficace en matière d’efficacité énergétique, il ne faut pas lésiner sur la technologie et les innovations ».

[Encart : De nouvelles gammes de compresseurs à vis lubrifiées À travers sa marque CompAir, le Groupe Gardner Denver continue d'innover avec le lancement récent de ses nouvelles gammes de compresseurs à vis lubrifiées (7 à 132 kW) permettant, quelle que soit l'application, de réaliser de substantielles économies d’énergie (jusqu’à 30 %) tout en assurant une efficacité maximale grâce à la technologie de la vitesse variable. Associés aux nouveaux contrôleurs DELCOS LITE et DELCOS XL (à écran tactile) développés par CompAir – véritables outils de gestion de compresseurs (quelle qu’en soit la marque) – permettant d’optimiser en temps réel la production d'air comprimé en fonction du besoin instantané, les nouveaux compresseurs à vitesse variable CompAir offrent des rendements énergétiques élevés et des coûts d’exploitation les plus faibles.]
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[Photo : Delta Hybrid, d’Aerzen, bénéficie d’une synergie des techniques surpresseur et compresseur offrant les avantages des deux technologies. Ce compresseur à haut rendement est garanti par un PV individuel de performance, 100 % des machines Aerzen passant au banc d’essai.]

Il faut travailler sur l’ensemble des process. Les gains ne reposent pas uniquement sur la partie électrique mais aussi sur la partie process, ce qui se traduit nécessairement par un élargissement de nos métiers et donc de notre offre. L’objectif affiché est de permettre aux exploitants de réduire jusqu’à 30 % le montant de leur facture énergétique. Jugeant que les gisements d’économies les plus importants se trouvaient sur le créneau de la distribution de l’eau potable, Schneider Electric a créé tout récemment une alliance industrielle mondiale baptisée SWAN (Smart Water Networks) (Voir EIN n° 342), dont le but est d’assurer le développement de réseaux d'eau dits “intelligents”. Pour proposer aux exploitants une gestion optimisée de leurs infrastructures, les membres du SWAN vont promouvoir un traitement optimisé des données recueillies dans le but de rationaliser et d’accroître l'efficacité des réseaux de distribution d’eau. Objectif : tirer parti de toutes les ressources qu’offrent aujourd’hui l'instrumentation, la télégestion, la supervision pour tirer le meilleur parti possible des données collectées et optimiser ainsi la gestion et l’exploitation du potentiel des infrastructures.

Rockwell Automation propose de son côté son progiciel FactoryTalk Historian Site Edition (SE) qui intègre le logiciel FactoryTalk VantagePoint, lequel permet aux exploitants de suivre les performances énergétiques d'un procédé en surveillant les indicateurs de performance clés, des rapports et des tableaux de bord. Objectif : suivre les objectifs de production et de la performance. L’outil permet de convertir les données de production en informations décisionnelles qui vont permettre de prendre, à tous les échelons du site, des décisions basées sur une vision exhaustive du site de production. Rockwell Automation a également développé un outil en ligne gratuit qui fournit aux exploitants une analyse complète de la manière dont ils gèrent actuellement leurs ressources énergétiques : eau, air, gaz, électricité et vapeur. Cet outil, baptisé Energy Evaluator, leur permet d’évaluer leurs performances par rapport à celles de sites comparables ou de normes. Après une évaluation en ligne d’une vingtaine de minutes, Energy Evaluator génère en temps réel un rapport définissant les bases d’une gestion efficace et concurrentielle des ressources énergétiques de l’installation. Ces résultats permettent d’identifier et de procéder à des changements stratégiques à tous les niveaux d’un site et de fixer des objectifs d’amélioration au niveau de chaque site et globalement.

Ces outils qui relèvent de l’Asset Management, c’est-à-dire de la gestion d’actifs (en l'occurrence d'infrastructures), ont tous un point commun : ils fournissent aux exploitants des indicateurs en quasi-temps réel qui leur permettent de suivre et de mesurer l'efficience énergétique d'un équipement, d'un process, d’une zone, voire même pour certains d’entre eux, de plusieurs sites. À ce titre, ils constituent des outils d’amélioration de la performance indispensables.

[Photo : Les électrodes spécifiques NH₄D sc d’Hach-Lange, ISE-max 40 de Endress+Hauser ou Varion® Plus 700 IQ de WTW confèrent aux exploitants une meilleure maîtrise du traitement biologique en adaptant l’aération à l’évolution de la concentration en NH₄. Gain prévisible pour une station de taille moyenne (10 000 EH) : de 15 à 20 % de baisse sur le poste énergétique de l’aération avec un retour sur investissement voisin de 2 ans.]
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[Encart : De nouvelles exigences européennes en matière d’efficacité pour les moteurs basse tension Juin 2014 est une date-clé pour l’efficacité énergétique des moteurs basse tension (BT) en Europe. Plusieurs constructeurs, dont ABB, intègrent les exigences européennes (UE) relatives aux niveaux d’efficacité énergétique minimum pour les moteurs BT. En effet, ces nouvelles exigences sont en accord avec leurs préoccupations visant à fournir à leurs clients des moteurs haute efficacité pour le marché NEMA (National Electrical Manufacturers Association) aux États-Unis et le marché CEI (Commission électrotechnique internationale) pour le reste du monde. L’industrie représente environ 42 % de la consommation mondiale d’électricité et deux tiers de cette électricité est utilisée pour alimenter les moteurs électriques. Par conséquent, toute directive visant à améliorer l'efficacité énergétique des moteurs aura un impact significatif sur l'utilisation de l'énergie et permettra de réduire les émissions de carbone. Ces exigences entrent en vigueur le 16 juin 2011 par le biais de la directive CE 640/2009. Généralement appelées EU MEPS (Minimum Energy Performance Standard), elles s'appliquent aux moteurs à deux, quatre et six pôles entre 0,75 et 375 kW pour les fréquences de courant alternatif (CA) de 50 et 60 Hz. Tous les moteurs concernés par les exigences EU MEPS et introduits sur le marché après le 16 juin doivent respecter un niveau standard minimum de l’efficacité internationale de 2 (IE2). Certains moteurs, tels que les moteurs pour atmosphère explosible, sont actuellement exclus de ces exigences. Toutefois, ABB anticipe la mise en conformité de ces types de moteurs à la norme CE 60034-30 en appliquant déjà les marquages IE. La seconde étape des exigences MEPS entrera en vigueur en janvier 2015. Les exigences minimales pour les moteurs avec des puissances de sortie supérieures à 7,5 kW devront atteindre des niveaux d’efficacité IE3 ou IE2 s’ils sont équipés d'un variateur de vitesse (VSD). La troisième étape, qui prendra effet dès janvier 2017, étendra l'exigence à des niveaux d’efficacité IE3 ou IE2 avec variateur de vitesse pour inclure des moteurs avec une puissance de sortie minimale de 0,75 kW. « ABB ne proposera plus, ne vendra plus et ne fournira plus de produits marqués CE IE1 sur les marchés mondiaux à partir du 16 juin 2011 », a indiqué Ulrich Spiesshofer, responsable de la division Discrete Automation and Motion d’ABB. « ABB garantit le respect des directives quelles que soient les circonstances ». Bien que les exigences MEPS ne couvrent que le marché européen, d'autres pays tels que l’Australie, la Chine, le Brésil et le Canada ont déjà mis en œuvre des schémas similaires d'efficacité énergétique. Aux États-Unis, l'exigence NEMA Premium (équivalente à l’efficacité IE3) est appliquée depuis fin 2010. ABB peut désormais proposer une gamme complète de moteurs Baldor certifiés NEMA Premium conformes à ces réglementations.]

Mais l'efficience énergétique commande également de s'intéresser de près aux nombreuses avancées enregistrées ces derniers mois dans les domaines de l’électrotechnique, de la mesure ou de l’analyse par exemple, qui permettent de réaliser des gains substantiels.

Électrotechnique : des gains substantiels sur un poste essentiel

Tous les procédés de traitement de l’eau ne consomment pas la même quantité d’énergie. Les réseaux sont des infrastructures particulièrement gourmandes. En cause, les pompes et groupes de pompage qui parsèment les 850 000 km de réseaux d’eau potable et les 250 000 km de réseaux d’assainissement. Ces équipements sont à eux seuls responsables de plus d’un quart de la consommation électrique dans l'industrie ! Pourtant d'importants progrès ont été effectués ces dernières années qui justifient que les performances de chaque équipement actuellement en service soient réévaluées à la lumière des nouvelles performances affichées par les fabricants de moteurs et systèmes d’entraînement.

L'apparition des moteurs hauts rendements, boostée par les règlements, normes et directives européennes (NEMA, EPAct, NRCan, CEMEP, COPANT, AS/NZS, etc.), ouvre de nouvelles perspectives. Leroy-Somer propose par exemple des moteurs fermés et protégés de classe IE2 en 2 et 4 pôles jusqu'à 375 kW : les séries LSES/FLSES, protection IP 55 et PLSES, protection IP 23.

Pour aller plus loin dans les économies d’énergie, Leroy-Somer propose également de nombreuses solutions d’entraînement : 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 motovariateurs Dyneo®. Maintenant éligibles aux certificats d’économies d’énergie, ces derniers permettent d’atteindre des niveaux de rendement inégalés.

La Division Drive Technologies de Siemens propose désormais des moteurs IEC répondant aux niveaux de rendement IE2 et IE3, dans le domaine d’application du règlement CE 640/2009 de 750 watts à 375 kW. Le niveau de rendement minimum IE2 est obligatoire depuis le 16 juin 2011 dans l’ensemble de l'espace économique européen. Conformément à ce règlement européen, Siemens ne propose désormais plus que des moteurs asynchrones triphasés conformes aux classes de rendement haute efficacité (IE2) ou efficacité premium (IE3). Les moteurs IE3 sont de dimension particulièrement compacte, une caractéristique rendue possible par les progrès de la technologie du rotor. Les moteurs IE3 étant proposés avec la même hauteur d’axe que les moteurs IE2, l'interface mécanique avec le système entraîné reste inchangée. L'amélioration du niveau de rendement n’impliquant pas nécessairement un changement de carcasse, l'utilisateur n’est pas dans l'obligation de modifier la construction mécanique de la machine, ce qui réduit les coûts d’intégration.

[Photo : La technologie Grundfos Blueflux® doit permettre d’économiser jusqu’à 60 % de la consommation énergétique des pompes.]
[Publicité : Atlas Copco]

coûts d’ingénierie de l’installation.

Siemens propose les moteurs IEC dans deux gammes, usage général (Basic Line) et usage intensif (Severe Duty). Les moteurs pour usage général, avec une carcasse en aluminium, des hauteurs d’axe de 80 à 160 et une puissance de 550 W à 22 kW, sont principalement montés sur des pompes, des ventilateurs ou des compresseurs. Les modèles pour usage intensif, dotés d’une carcasse en fonte grise, sont particulièrement robustes et recommandés pour les conditions difficiles. Ils développent des puissances de 2,2 à 375 kW pour des hauteurs d’axe de 100 à 315.

Chez Weg, les moteurs de la nouvelle gamme WQuattro, de conception hybride pour assurer un rendement élevé, dépassent les exigences du prochain classement énergétique super-premium IE4 sur toute leur plage de puissance. Le WQuattro peut être utilisé avec des variateurs, offrant une plage de vitesse prolongée avec un couple constant. La commande par variateur offre en outre l’avantage clé d’un fonctionnement à moteurs multiples, c’est-à-dire que plusieurs moteurs peuvent fonctionner de manière synchronisée, alimentés par le même variateur. Cette gamme permet l’interchangeabilité avec les installations existantes : elle utilise la même taille de carcasse et la même puissance que les moteurs à induction standards, facilitant ainsi un montage de remplacement sur des applications déjà en place.

[Photo : Intégrant un moteur à rendement premium IE3 et disposant d’hydrauliques optimisées, la gamme de pompes submersibles XFP de Cardo Flow Solutions répond aux exigences de traitement des eaux usées, en réduisant la consommation d’énergie et l’impact environnemental.]

De leur côté, les fabricants de pompes se sont adaptés aux exigences de la directive EuP entrée en vigueur en juin 2011 et proposent tous des moteurs hauts rendements. Cardo Flow Solutions avec sa gamme de pompes XFP dotées de moteurs à rendement premium IE3 et disposant d’hydrauliques optimisées, KSB qui a présenté au Salon ISH 2011 en mars dernier sa gamme de pompes submersibles pour eaux usées Amarex/KRT équipées de nouveaux moteurs de la classe de rendement IE3 ou encore Grundfos avec sa solution Blueflux® basée soit sur un moteur à haut rendement IE3, soit sur un moteur IE2 doté d’un entraînement à fréquence variable intégré ou externe. Gains affichés : entre 3 et 4 % ce qui n’est pas négligeable puisque l’énergie représente entre 80 et 90 % des coûts globaux du cycle de vie d’un système de pompage classique. En adoptant une technologie de moteur à haut rendement, il est donc possible d’économiser jusqu’à 40 % de ces coûts tout en réduisant considérablement l’impact environnemental du système. Si la technologie de moteurs à haut rendement est un peu plus chère à l’achat, sa période d’amortissement est généralement inférieure à deux ans par exemple pour un moteur IE3 de 15 kW fonctionnant 3000 heures par an. Après, les économies d’énergie et d’argent sont assurées.

[Photo : Les solutions haute performance énergétique Grundfos, conformes aux exigences 2015 et 2017 sont identifiables avec la dénomination BlueFlux®.]

ITT France a choisi de faire porter l’essentiel de ses efforts sur l’amélioration du rendement hydraulique qui, selon Claude Berthier, Manager Solutions Clients à la direction commerciale d’ITT France, « recèle des gisements d’économies potentielles largement plus importants que ceux liés aux moteurs hauts rendements ». La nouvelle roue N, présentée en 2008, avait déjà permis de réaliser une économie d’environ 25 % sur les consommations en énergie par rapport aux hydrauliques traditionnelles (Voir EIN n° 328). Depuis le début de l’année 2011, de nouveaux gains ont été rendus possibles grâce à l’implantation de “l’Adaptive-N”, un dispositif qui confère à la roue la capacité de s’adapter aux conditions de fonctionnement de la pompe, sur les pompes d’une puissance de 1 à 7,4 kW. « Aujourd’hui, dans le domaine des eaux usées, l’Adaptive-N peut permettre aux exploitants d’économiser entre 20 et 25 % de la consommation en électricité d’une pompe, sans même parler des gains obtenus en termes de maintenance » affirme Claude Berthier. « Une hydraulique traditionnelle colmatée ne va pas forcément bloquer la pompe, mais son rendement diminué va provoquer un allongement de son temps de fonctionnement et donc une sur-

[Publicité : CompAir]
[Encart : Dotée d'une hydraulique optimisée, la gamme de pompes verticales multicellulaires en acier inoxydable e-SV™ Lowara d'ITT favorise les économies d’énergie et réduit notablement les coûts du cycle de vie.]

Consommation importante d’énergie.

En choisissant une hydraulique adaptée pour conserver un bon rendement dans le temps, l’exploitant s’évitera des colmatages partiels ou complets générateurs d’interventions longues, coûteuses, fortement consommatrices en énergie ».

Dans le domaine des eaux claires, ITT France a récemment enrichi son offre lançant sa nouvelle gamme de pompes multicellulaires verticales de la gamme e-SV™ Lowara. « Cette nouvelle gamme se caractérise par deux points forts, explique Damien Galzin, Chef de marché eaux claires chez ITT France : un rendement hydraulique supérieur de 15 à 20 % qui permet d’utiliser des moteurs moins puissants et donc moins gourmands en énergie, et une meilleure constance des rendements dans le temps grâce au développement d'un anneau d’usure en technopolymère PPS ». Un système de contrôle breveté mesurant en continu les vibrations permet de détecter d’éventuelles anomalies et d’initier des opérations de maintenance préventive. Mais c’est bien la tenue des rendements dans la durée qui fait le succès de cette gamme. « Afficher de bons rendements sur du matériel neuf en sortie d’usine est une chose, les conserver dans le temps en est une autre, souligne Damien Galzin. Nous avons pu constater, par exemple sur des pompes de forages confrontées à des eaux à forte teneur en manganèse et en fer, que cette génération de pompes se comportait parfaitement dans le temps notamment grâce à son anneau d’usure ».

Les économies d’énergie qui en résultent peuvent être augmentées en associant la pompe à un variateur de fréquence. Car en ajustant les performances de la pompe aux différents besoins, la variation de vitesse peut également générer d’importantes économies d’énergie. « C’est le premier et le plus connu de ces avantages, indique Manuel Ramos, Chef de marché variation de vitesse chez ITT France. Il peut permettre d’économiser selon les cas de 5 à 30 % des consommations électriques d’un groupe de pompage. Mais ce n’est pas le seul : des fonctions logicielles permettent par exemple de détecter un colmatage et d’initier un déclenchement de séquences de nettoyage qui vont permettre d’expulser les matières qui gênent le pompage et d’éviter toute chute de rendement et donc de pertes en énergie ». Le variateur de fréquence l’Hydrovar® d’ITT est proposé aujourd’hui en système modulaire flexible et ne requiert pas d’automate de pilotage supplémentaire. Sa modularité en fait une solution économique pour les applications les plus simples. « En se rapprochant au plus près du besoin de l’exploitant, on réduit les investissements sur l’installation, souligne Manuel Ramos. Il n’y a plus besoin de coffret de commande ou de circuits additionnels et coûteux et sa polyvalence autorise pratiquement n’importe quelle configuration, jusqu’à 8 pompes ». Attention cependant à bien étudier les caractéristiques de chaque installation et notamment la configuration du réseau, l’hydraulique et les caractéristiques des pompes. Mal conçue, une variation de vitesse peut s’avérer inefficace, voire entraîner une surconsommation d’énergie. « Reste qu’en additionnant différentes solutions telles qu’une hydraulique optimisée, un moteur à haut rendement et une variation de vitesse bien étudiée, on peut économiser jusqu’à 30 à 40 % d’énergie, souligne Claude Berthier. Ces chiffres ont été validés sur le terrain ».

D’autres équipements bénéficient de ces avancées : Salmson, filiale du groupe Wilo, a ainsi présenté lors du dernier salon Pollutec des agitateurs submersibles à vitesse lente, équipés de 2 à 3 grandes pales haut rendement. Leurs moteurs IE3 asynchrones permettent de plus de réduire la consommation d’énergie d’au moins 10 %. Des gains de l’ordre du kW ne sont pas rares dans ce cas de figure, ce qui n'est pas négligeable pour des appareils fonctionnant 24 h sur 24 tous les jours de l’année.

Cardo Flow Solutions vient de lancer de son côté le premier agitateur submersible XRW, au monde, avec moto-variateur à aimants permanents sans capteur de position. Cette nouvelle technologie reposant sur un moteur à aimants permanents à vitesse variable favorise un cycle de vie économique optimal, avec des opérations de maintenance minimisées ainsi qu’une fiabilité sur le long terme. Une amélioration du rendement moteur de l’ordre de 25 % a été observée tout en ayant un cosinus phi égal à 1. Ce qui permet une économie d’énergie absorbée de près de 66 %. Un gain important pour ces machines qui généralement fonctionnent 24 h/24 et 7 j/7, et qui de plus sont éligibles aux certificats d’économie d’énergie.

La variation de fréquence progresse également. La gamme de variateurs de fréquence VLT AQUA Drive de Danfoss Drives se caractérise par un rendement élevé de 98 %. Elle est économe en énergie car toutes les fonctions principales sont intégrées dans le boîtier.

Fort de son expérience et de son expertise notamment dans l’industrie de l’Eau, Vacon France lance prochainement sur le marché son nouveau variateur Vacon 100 Motor Mountable qui se monte sur, ou au plus près du moteur, même dans un environnement difficile, et permet de générer des gains substantiels en termes de coût d’installation (minimum de longueur de câbles, pas d’intégration en armoire, etc.). Vacon met également à la disposition de ses clients son progiciel Energy Savings Calculator et leur permet de quantifier les économies d’énergie d’une solution vitesse variable en comparaison des solutions de régulation mécanique traditionnelle sur les applications pompes et ventilateurs. « Les utilisateurs de Energy Savings Calculator n’ont plus qu’à rentrer les données relatives à leur application, puis le logi-

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Danfoss

[Photo : La gamme de variateurs de fréquence VLT AQUA Drive de Danfoss Drives se caractérise par un rendement élevé de 98 %. Elle est économe en énergie car toutes les fonctions principales sont intégrées dans le boîtier.]

Elle se charge de simuler les gains générés et la durée de retour sur investissement » explique Bruno Yannic, Directeur Technique de Vacon France.

Le variateur de fréquence SINAMICS G120P de Siemens est également dédié aux entraînements pour pompes, ventilateurs et compresseurs. Économique, à faible consommation d'énergie et facile d'utilisation, il offre des fonctions permettant d’exploiter pleinement le rendement énergétique sur l'ensemble de la chaîne de régulation : pertes minimales de puissance apparente grâce à une technologie efficace, adaptation automatique du courant moteur aux conditions de charge actuelles avec le mode ECO, hibernation (mode veille) en fonction des valeurs de consigne, commutation automatique alimentation directe par le réseau à la vitesse nominale.

La surpression, dont l’énergie représente environ 90 % du coût global de possession sur une période de 10 ans d’exploitation, connaît aussi d’importants développements. Busch présente par exemple sa nouvelle gamme de Roots Tyr qui comprend six modèles avec des tailles et des puissances différentes de manière à répondre précisément à chaque application. Quels que soient les modèles et leur taille, tous les surpresseurs peuvent être utilisés jusqu’à 1 000 mbar en surpression avec pour point fort une compacité jusqu'à 30 % plus importante. Pouvant aller jusqu’à 4 380 m³/h, leur débit d’air permet d’augmenter la cadence des machines en aération ou oxygénation. Leur plage de pression relative de fonctionnement s’établit entre – 500 mbar et + 1 000 mbar. Ainsi, pour une taille plus compacte, le Tyr offre un rendement plus élevé en termes de débit et de pression. C'est ainsi que dans le cadre de l’aération d’un bassin d’eaux usées, 2 Roots Tyr sont venus remplacer 3 Roots « classiques » pour atteindre le même point de fonctionnement, voire supérieur.

Atlas Copco s’attache de son côté à substituer aux surpresseurs traditionnels à lobes de type « Roots » sa technologie à vis sur laquelle repose sa nouvelle gamme de surpresseurs ZS (voir EIN n° 337). Enjeu : une économie d’énergie voisine de 30 % pour un surcoût à l’investissement évalué à 20 %. Patrick Binjamin, Chef de marché de la division basse pression chez Atlas Copco, évalue à moins de 2 ans en moyenne le temps de retour sur investissement : « un temps très court, eu égard à la durée de vie de ces machines ».

Chez Aerzen, Delta Hybrid est présentée comme une gamme de compresseurs à pistons rotatifs bénéficiant d’une synergie des techniques surpresseurs et compresseurs à vis et offrant les avantages des deux technologies dans la production de pression ou de vide. « Elle représente à ce jour la meilleure combinaison possible entre coûts d’investissement, de fonctionnement et étendue des possibilités » estime Brice Ladret, Président d’Aerzen France. De plus, sa conception a donné lieu au dépôt de 7 brevets, ce qui signifie que nous disposons d’une machine unique, dotée des meilleurs atouts dont les performances ont été testées dans nos ateliers pendant 4 ans sur différentes applications, selon les conditions les plus drastiques ». La combinaison des technologies du surpresseur à pistons rotatifs et du compresseur à vis non lubrifiées permet de réelles améliorations énergétiques garanties par un certificat d’essai fourni avec 100 % des machines. Les gains avoisinent 15 voire 20 % en fonction des utilisations en comparaison avec les surpresseurs traditionnels. Le turbo-compresseur, très répandu depuis longtemps sur le marché du traitement de l’eau américain et asiatique, tend à se généraliser sur le marché européen. « Il s'adapte particulièrement bien à des utilisations à pression constante avec des variations importantes de débit et constitue une source d’avantages pour les intégrateurs comme pour les exploitants » explique Brice Ladret. Le turbocompresseur Aerzen permet d’optimiser l’investissement, de réduire les coûts d’installation.

Vacon

[Photo : Vacon France lance prochainement sur le marché son nouveau variateur Vacon 100 Motor Mountable qui se monte sur, ou au plus près du moteur, même dans un environnement difficile, et permet de générer des gains substantiels en termes de coût d’installation (minimum de longueur de câbles, pas d’intégration en armoire, etc.).]
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[Encart : Les installations de traitement des effluents par voie anaérobie produisent de l’énergie à partir des eaux usées tout en assurant leur traitement. Paques produit ainsi de l’énergie pour Unilever à partir des effluents riches en graisses de son usine de crème glacée. Les rejets de la production de glace sont ainsi valorisés en énergie durable. Ce biodigesteur de Paques, qui fournira 40 % des besoins en énergie pour cette usine, est actuellement en construction aux Pays-Bas.]
[Photo : Paques]

La réduction des machines, de réduire l’encombrement au sol, de réduire les budgets maintenance et toujours un rendement optimal générant des économies d’énergie pour longtemps ».

Cardo Flow Solutions France présente le HST 40, un turbo-compresseur à aimants permanents, qui vient compléter la gamme existante de turbo-compresseurs ABS, qui couvre dorénavant un débit d’air jusqu’à 16 000 Nm³/h par machine.

« Le HST 40 d’ABS bénéficie de développements technologiques significatifs, ce qui lui permet de consommer 10 % d’énergie en moins par rapport à la précédente génération qui est déjà en service depuis plus de 10 ans et qui elle-même était plus économe de 30 % au regard des solutions traditionnelles », affirme Julia Koloveri, Responsable Marketing et Communication de Cardo Flow Solutions France.

Combiné à un design compact, le HST 40 procure un rendement plus que satisfaisant. Il comprend un moto-variateur électrique haute fréquence refroidi par air. Le variateur de fréquence intégré permet un ajustement de la vitesse de rotation du moteur pour maintenir un rendement optimal sur tous les points de fonctionnement, optimisant ainsi la consommation d’énergie. La rotation et le guidage sont assurés par des paliers magnétiques contrôlés électroniquement, ce qui évite tout frottement et garantit l’absence d’usure, en rendant inutile toute lubrification.

Au-delà de l’électrotechnique, les progrès enregistrés ces dernières années dans le domaine de la mesure et de l’analyse permettent de réaliser d’importantes économies grâce à une meilleure maîtrise des traitements biologiques.

La mesure et l’analyse pour une meilleure maîtrise des traitements biologiques

L’aération représente entre 50 et 60 % de l’énergie consommée en station d’épuration. Outre une évaluation très précise du rendement des équipements assurant l’aération (compresseurs, soufflantes, etc.), une régulation précise du process peut également s’avérer très avantageuse. Car aujourd’hui encore, beaucoup de petites ou moyennes installations ne disposent d’aucun processus de régulation et d’aucune flexibilité pour adapter leur fonctionnement à la charge effectivement reçue, avec, pour conséquence, une surconsommation d’énergie mais aussi de réactifs. Pourtant, des outils existent comme par exemple les électrodes spécifiques NH₄D sc d’Hach-Lange, ISE-max CAS40D de Endress+Hauser, Varion® Plus 700 IQ de WTW ou ISA de Bionef qui confèrent aux exploitants une meilleure maîtrise du traitement biologique en adaptant l’aération à l’évolution de la concentration en NH₄. Gain prévisible pour une station de taille moyenne (10 000 EH) : de 15 à 20 % de baisse sur le poste énergétique de l’aération avec un retour sur investissement voisin de 2 ans.

Ces sondes suscitent un réel intérêt de la part des exploitants soucieux d’évoluer vers une meilleure maîtrise de leurs process de traitement. Leur coût et leur simplicité d’utilisation les mettent directement en concurrence avec les analyseurs proposés par Seres Environnement avec Cristal, Datalink avec l’Ammonit 200 ou encore Macherey Nagel, Swan, Mesureo ou Proanatec.

D’où le développement par Hach-Lange de WTOS (Water Treatment Optimisation Solutions), un automate de régulation encore plus simple d’utilisation susceptible de réagir en continu aux variations de la composition de l’effluent pour calculer et définir en permanence les points de consigne du process pour une régulation optimisée de l’installation. Adapté à la mesure des orthophosphates pour la régulation de l’injection de chlorure ferrique en station d’épuration, WTOS a permis une économie voisine de 20 à 30 % de réactif sur la station d’épuration d’Evry exploitée par Lyonnaise des Eaux. D’autres applications WTOS devraient suivre prochainement permettant de réguler d’autres réactifs ou polymères.

De son côté, Seres Environnement, en partenariat avec la S.E.M. (Société des Eaux de Marseille) et l’Université de Provence (Laboratoire Chimie Environnement), est en phase d’industrialisation d’un analyseur Aluminium/Fer permettant le contrôle automatisé des teneurs en coagulants résiduels pendant l’étape de coagulation/floculation ou en sortie d’usine afin de s’assurer d’une qualité optimale de l’eau distribuée. Cette analyse en continu permet une régulation fine des teneurs en floculants ajoutés, l’optimisation du traitement de potabilisation et donc aussi une sécurisation accrue pour l’usager de la qualité de l’eau potable.

Pour réguler les besoins en oxygène en temps réel, Degrémont a lancé de son côté le produit Greenbass™, qui régule l’aération en fonction des mesures de concentration en nitrate et ammonium. Sur la station de Dijon (400 000 EH), Degrémont a choisi pour le moment d’équiper sa technologie Greenbass™ avec la sonde VARION Plus 700 de WTW. Implanté sur les 4 lignes d’aération de la station d’épuration, Greenbass™ permet d’économiser chaque année 15 % des consommations d’énergie en exploitation, soit 65 000 €/an. Le dispositif sera également implanté sur d’autres stations d’épuration comme Tournus (10 000 EH) livrable en 2012, Pau, St Michel-Chef-Chef etc.

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