À plusieurs stades de la chaîne de l'eau, il faut agiter : préparer des réactifs, homogénéiser, remettre en suspension, éviter la sédimentation? D'où une large gamme d'appareils pour répondre à de nombreux besoins mais aussi une consommation électrique significative. Ce paramètre commence à entrer dans les cahiers des charges. Les constructeurs d'agitateurs modifient leurs moteurs électriques, calculent finement les hélices. Mais pour réaliser des économies d'énergie réelles, il faut hiérarchiser les postes d'économie en pensant à l'implantation des appareils dans les ouvrages.
L’agitation est une étape obligée du cycle de l'eau. Remettre en suspension avant pompage le contenu d'un bassin d’eau pluviale, préparer des réactifs et les mélanger, les homogénéiser pour qu’ils réagissent (eau potable et traitement physico-chimique d’eaux usées), éviter la décantation dans un bas-
sin de boues activées lors de la phase anoxique, propulser le flux de boues activées devant les aérateurs dans les bassins, agiter un digesteur pour la méthanisation... les lieux d’implantation potentielle des agitateurs sont très nombreux. Les fonctions ne sont pas identiques malgré le mot unique qui les désigne “agitation” ; les quantités de fluides à déplacer sont très variables, de quelques mètres-cube à des dizaines de milliers de mètres-cube. Ce qui explique la grande variété de solutions d’assemblages entre moteurs et mobiles d’agitation et de matériels proposés par des fabricants tels Sulzer, Xylem, Grundfos, Landia, SCM Tecnologie, EuropElec, Isma, TMI, Milton Roy, CE2A-Tsurumi France, Mixel, KSB, Wilo ou encore Faivre.
Privilégier une solution cohérente
Concernant la consommation d’énergie de ces appareils, il faut hiérarchiser les gains potentiels. S’agissant d’appareils de petite taille, l’optimisation de la consommation d’énergie tient essentiellement au type de moteur utilisé, généralement standard ; l’enjeu énergétique qui repose sur quelques appareils au sein d'une usine est faible. À l'opposé, les agitateurs à grandes pales et faible vitesse en bassin d’aération (on parle de propulseurs) qui tournent sans discontinuer tout au long de l'année représentent une consommation importante sur laquelle il est possible de jouer. Les gains potentiels d’énergie se situent à deux niveaux : d’une part l’équipement composé d’un moteur, éventuellement d'un réducteur mécanique de vitesse et d'un mobile d’agitation (hélice) et d’autre part l’implantation de cet équipement dans son bassin. Gilles Gournac de KSB est catégorique : « Vouloir gagner quelques pourcents sur le moteur électrique, c’est bien, mais des gains potentiels beaucoup plus importants sont réalisables sur l’implantation des agitateurs dans le bassin, en évitant certains équipements internes au bassin ou en les changeant de place ou de forme. ».
D’autres témoignages montrent que la concertation entre concepteurs d’ouvrages et fournisseurs d’équipements pour ces ouvrages est insuffisante lors des études. Prolonger un mur, déplacer tel ou tel équipement interne, modifier la forme de poteaux... sont des actions parfois lourdes de conséquences pour un bon rendement du procédé et sa consommation d’énergie. « À quelques mètres près, on peut optimiser sensiblement le fonctionnement général, mais il faut collaborer dès le lancement des projets » souligne Gilles Gournac.
L’important est la cohérence de la solution retenue. Ludivine Decouttere, Ingénieur Produits-Solutions chez Xylem Water Solutions France insiste sur « l’importance de trouver un bon compromis dans la définition de la machine par rapport à son contexte d'utilisation (géométrie de bassin, fluide à agiter, fonction à réaliser) et surtout de ne pas sur-dimensionner, d'aller au plus juste du besoin. Les outils de calcul sont là pour cela ». La formule « qui peut le plus, peut le moins » n’est vraiment pas pertinente.
Or l'inertie des habitudes, un “besoin de marge de sécurité” poussent certains concepteurs à préférer une puissance supérieure. « Il existe des habitudes dans ces métiers, une puissance moindre inquiète souvent le client » confirme Jean-François Monin, Ingénieur chez Mixel.
De plus, à l'heure où la diversité des agitateurs augmente, le dimensionnement en watts par mètre cube devient trop rudimentaire. La société Faivre travaille actuellement sur la mise au point d’une méthode de dimensionnement plus rigoureuse pour limiter les puissances installées.
Ludivine Decouttere indique que l'économie d’énergie n’est pas toujours un argument important pour le client, surtout en France avec un prix de l’électricité relativement bas ; l’argument est donc à
moduler selon l'interlocuteur. D’autant que suivant le contrat d’exploitation, la motivation à réaliser des économies d’énergie par un investissement ne sera pas la même dans une régie directe qui pense à long terme et pour un délégataire de service qui n'est pas assuré de reconduire un contrat. « Les contraintes financières concernant l’investissement de long terme et celles d'exploitation avec la recherche d’une rentabilité à court terme ne sont pas vues de la même manière » observe Michel Leromain, Responsable Support technique et Business development chez Sulzer. Mais les pratiques évoluent et les contrats d’exploitation deviennent plus précis et exigeants.
Cela étant, les progrès depuis quelques années sur les agitateurs, notamment les propulseurs (vitesse lente, grandes pales) sont significatifs. Michel Leromain cite le cas d’une rénovation sur la station de
Fresnes-sur-Escaut avec une réduction de 43 % de la puissance absorbée où un seul agitateur XSB remplace deux appareils. Matthieu Lebrun, responsable technique chez Wilo Water Management, indique que « les progrès réalisés sur les agitateurs, tels que les nouveaux design de pales, apportent des retours d’investissement de quelques années et que l’on voit se développer un marché de remplacement en Europe. Mais le remplacement ne se limite pas à un simple changement de l’agitateur par un produit ayant une performance comparable. En effet, une nouvelle étude permet une optimisation de l’installation, avec à la clé un gain en efficacité énergétique et une augmentation de la durée de vie du produit ».
Un retour d’investissement de 3 ans sur une machine avec une durée de vie de 10 ans est appréciable ; que seront les tarifs électriques dans 10 ans ? Wilo Water Management, pour la rénovation de la station d’épuration de Tougas à Saint-Herblain près de Nantes, a installé 50 agitateurs (en quatre tranches), 35 sur les bassins d’aération et 15 sur les bassins anaérobies. En gagnant 1 kW par moteur (de 4 à 3 kW) sur 50 machines tripales qui tournent toute l’année, l’économie est conséquente.
Trois grandes catégories d’agitateurs submersibles
Il existe plusieurs types d’agitateurs qui correspondent à des applications très différentes : agitateurs submergés, à ligne d’arbre avec moteur en tête d’arbre, agitateurs flottants.
Les agitateurs flottants proposés par Europelec, Faivre, Isma, Oloide, Landia ou Équipements Scientifiques (SolarBee) permettent de répondre aux besoins en oxygénation des lagunes ou bassins. Air Products a présenté à Pollutec 2012 un système à l’oxygène pur combiné avec un agitateur flottant, le procédé Halia® Mixer Aeration System qui complète la gamme des équipements d’aération d’Air Products. Utilisé dans les unités de traitement aérobies par boues activées, il constitue tout ou partie de la source d’oxygène et de brassage du bassin. Une turbine, maintenue en flottation sur le bassin de boues activées, génère l’agitation de la biomasse depuis la surface vers le fond du bassin. Dans sa course, la liqueur mixte mise en mouvement entraîne un panache de fines bulles d’oxygène. Ces der-
nières, calibrées par un système d'injection adapté, sont entraînées vers le fond du bassin. Le principe est d’éviter la coalescence des bulles pour leur permettre de suivre la veine liquide afin d’optimiser leur dissolution de façon homogène sur tout le volume. L'efficacité du procédé repose sur la puissance de brassage et le volume de gaz injecté. Ce procédé offre la possibilité de fonctionner sans adjonction de gaz. La turbine toujours en marche garantit un brassage continu même en période d’arrêt de l'aération.
Les agitateurs à arbre trouvent leur application surtout en homogénéisation de fluides. Milton Roy, TMI ou Mixel proposent une large gamme susceptible de convenir à la plupart des besoins.
Axflow a également présenté sa nouvelle gamme d'agitateurs Nettco dédiée à l'industrie. Cette gamme se divise en deux séries : la série S et la série I. La série S correspond à un agitateur sanitaire, tout inox, destiné principalement aux industries pharmaceutiques, cosmétiques et agroalimentaires. La série I est le complément de la gamme permettant de répondre à tous les besoins industriels.
Ils peuvent être utilisés pour toutes les opérations courantes de mélange : dilution, dissolution, mélange, maintien en suspension de particules, dispersion.
Mixel est également spécialisée dans l'étude et la réalisation d’appareils de mélange (agitateurs industriels) standards ou sur mesure. « Nous avons optimisé la forme de nos hélices, le profil des pales en collaboration avec le CNRS de Toulouse. À même puissance nous avons un débit supérieur de 15 % », indique Jean-François Monin, Mixel, qui confirme au passage la faible sensibilité des clients du traitement d’eau aux questions de rendement.
Les motorisations pour ces agitateurs Hydromix vont de 0,37 kW à 30 kW pour des diamètres d’agitateurs de 200 mm à près de 5 m, avec des vitesses de rotation de l'ordre de 200 t/min pour les petits diamètres et 40 t/min pour les plus gros.
Tous les constructeurs d'agitateurs ont optimisé et continuent d’optimiser leurs hélices grâce aux logiciels de mécanique des fluides. Le profil des pales est optimisé, rendu autonettoyant pour ne pas retenir les filasses qui diminuent le rendement. Axflow commercialise ainsi une nouvelle hélice en inox, développée par le fabricant américain Lightnin qui l’a fait breveter. Elle comporte trois pales épaisses et arrondies, dépourvues de tout angle, dont les extrémités comportent une déclivité, alors que les hélices traditionnelles montées sur les agitateurs comportent des pales profilées.
Cette forme induit un caractère autonettoyant. En effet, cette nouvelle hélice ne permet pas aux filasses et aux lingettes de s’enrouler autour des pales. Comme elle ne s’encrasse pas, l’hélice garantit aux agitateurs un fonctionnement sans heurt, ce qui optimise tout naturellement les performances hydrauliques, évitant par ailleurs les vibrations. L’hélice Lightnin autonettoyante présente les mêmes performances hydrauliques que les hélices à pales profilées usuelles. Elle peut
Traitement à cultures fixées, un besoin d’agitation particulier
Le développement des zones urbaines, le besoin de réaliser des installations plus compactes ou d'accroître la capacité d'une station à l'occasion d'une rénovation ouvre la porte à l'utilisation des procédés à cultures fixées sur supports mobiles, les MBBR (moving bed bioreactor). La biomasse sous forme de biofilm est fixée sur des supports de taille centimétrique (0,5 à 5 cm), généralement en plastique. À la différence des boues activées qui risquent de décanter, il faut brasser des supports (bioporteurs) afin de renouveler l'eau devant le biofilm pour une épuration rapide. On profite souvent du brassage réalisé par les bulles d'air. Pourtant Wilo a développé un agitateur spécifique, présenté lors du dernier IFAT-Entsorga en mai dernier. Il s'agit d'un agitateur placé dans un tube équipé d'une hélice d’agitation semi-rapide.
Elle peut donc être montée en lieu et place sur les agitateurs existants. Son installation améliore la disponibilité des agitateurs, réduit la fréquence des arrêts et donc diminue fortement les coûts de maintenance. Son design breveté, proposé en standard en inox, garantit son fonctionnement stable dans les conditions les plus sévères.
L'angle d'orientation des pales est également optimisé selon les vitesses de rotation pour moduler les poussées souhaitées à même motorisation. « Sur notre gamme XSB d'accélérateur de courant, entre les 7 puissances de moteur, les vitesses de rotation de 23 à 134 t/min, les diamètres de pales et le choix 2 ou 3 pales, nous présentons 58 variantes », explique Michel Leromain, Sulzer.
Une variété que l’on retrouve chez les autres fournisseurs. Des logiciels propriétaires permettent, en fonction des performances recherchées (débit, vitesse du flux liquide, volume à déplacer...), de configurer l'appareil le plus adapté. Xylem a présenté à Pollutec 2012 son agitateur 4530 Flygt de 4,3 kW (poussée de 900 à 2200 N) avec une réduction de consommation d’énergie de 50 % obtenue en combinant une hélice tripale de 1,2 m de diamètre et une vitesse moyenne (90 à 150 tr/min). Une gamme qui trouve sa place entre les agitateurs rapides (jusqu’à 1500 tr/min) et les propulseurs (20 à 50 tr/min). En 2011 c’était le 4650 revendiquant une baisse de consommation d'énergie de 10 à 20 %.
Grundfos a pour sa part travaillé sur les profils de ces hélices agitateurs semi-rapides et propose aujourd'hui parmi les meilleurs rapports poussée-puissance mesurés selon la norme ISO 21630. L'amélioration des rapports poussée-puissance (newton/watt) assure elle aussi une consommation énergétique optimisée pour ces équipements très sollicités sur les sites de traitement.
Méthaniseur : un besoin d’agitation qui émerge en France
La valorisation énergétique des lisiers et autres matières fermentescibles se développe en France. Les cuves des digesteurs ont des dimensions parfois imposantes contenant plusieurs milliers de mètres cubes. Ce volume doit être agité pour plusieurs raisons : éviter la sédimentation des bactéries, flocs et matières à digérer et favoriser la remontée des bulles de gaz (méthane, gaz carbonique) qui se dégagent.
La sédimentation concerne des matières plus denses que l'eau qui descendent et d'autres qui flottent et forment parfois des croûtes indésirables en surface. Certains fermenteurs peuvent recevoir des graisses susceptibles de poser des problèmes d'encrassement.
Il faut donc agiter à tous les niveaux, suffisamment rapidement pour favoriser la remontée du gaz, l’homogénéisation pour une bonne digestion mais sans former de mousse. Le fluide dans ces grosses cuves est généralement très chargé et son comportement n’est plus celui d’un fluide newtonien ; on constate des comportements thixotropes : la viscosité diminue fortement sous agitation rapide. Si l’agitation n’est pas bien répartie, la viscosité s’élèvera progressivement dans les zones mortes entraînant un mauvais fonctionnement global du digesteur (problème d'homogénéité thermique) et une moindre capacité à évacuer la chaleur, ce qui est dangereux pour les agitateurs immergés.
Plusieurs solutions sont utilisées pour ces digesteurs. Mixel propose les Digimix à ligne d'arbre portant des pales à différentes hauteurs pour brasser tout le volume. La société livre actuellement trois digesteurs de 6000 m³ à Lille Marquette. L’arbre d'agitation mesure près de 20 m avec, à différentes hauteurs, des pales agitateur d'un diamètre de 3,8 à 4,8 m. Le profil du bord d’attaque est spécifique pour ne pas accrocher des filasses. La puissance d’agitation volumique est faible, mais il est essentiel de calculer celle-ci au plus juste de l’efficacité sans surdimensionnement.
D'autres types d’agitation sont possibles, avec des appareils immergés. Ils devront être ATEX et pouvoir travailler à des températures différentes selon la fermentation pratiquée, de l'ordre de 35 °C (mésophile) ou de 55 °C (thermophile). Les trois catégories d'agitateurs (rapide, semi-rapide et lent) sont utilisables selon la taille des digesteurs.
Xylem est en cours de certification ATEX pour ses agitateurs à grandes pales lentes, les autres types ayant déjà des versions adaptées à la méthanisation. Ce milieu est particulier vis-à-vis de l'abrasion. Il faut également adapter les accessoires de fixation et positionnement des agitateurs. KSB a présenté récemment son hélice spécifique en fonte revêtue pour l'Amaprop 1000. Gilles Gournac de KSB souligne la nette efficacité énergétique de ce type d’agitateur lent comparé aux mélangeurs à vitesse rapide dans cet usage. À efficacité équivalente, le mélangeur rapide est trois fois plus énergivore qu’un agitateur à vitesse lente. Un chiffrage basé sur les mesures réalisées sur la station de Babelin en Allemagne.
Wilo Water Management a présenté à Pollutec son Uniprop TR 120 (diamètre 1,20 m avec réducteur épicycloïdal un ou deux étages) muni d’un revêtement Ceram sur les bords d'attaque (cf. photo) spécifiquement pour les digesteurs.
Traitement des eaux. Par ailleurs, Grundfos dispose également de techniciens capables de mesurer les vitesses sur site en trois dimensions utilisant les techniques de mesure de vitesse par Doppler permettant ainsi de corréler les informations obtenues sur site avec celles des modèles numériques utilisées pour définir le meilleur couple entre agitation et aération.
Mais les lois de l'hydraulique sont les mêmes pour tous. Si l'on parle de puissance, il faut garder à l’esprit qu’elle est proportionnelle au cube de la vitesse de rotation et à la puissance cinq du diamètre d’hélice (à nombre de pales identique).
Passer à une hélice tripale permet de réduire le diamètre donc l'encombrement et d’être moins sensible aux efforts en bout de pale en cas de vitesse différentielle de part et d’autre de l’agitateur.
Plusieurs types de moteurs utilisés
Avec la directive ErP Energy related Products (2009/125/CE), les moteurs de tous les constructeurs évoluent, même s’ils ne sont pas tous concernés par les classements IE de la norme CEI 60034-30 (moteurs à induction triphasés à cage basse tension). Plusieurs types de moteurs sont utilisés : les traditionnels moteurs à cage, les moteurs à aimants permanents avec variateur de fréquence, les moteurs à reluctance variable et un type particulier, développé par Xylem, le LSPM Line Started Permanent Magnet, hybride de moteur asynchrone (pour le démarrage) et à aimant permanent (pour le régime nominal).
Sulzer applique depuis 2009 sa politique générale EffeX d’efficacité. Elle se décline chez ABS avec des moteurs IE3 pour les vitesses rapides et, pour les vitesses lentes (gamme XSB avec réducteur de vitesse), des motovariateurs à aimant permanent (variateur de fréquence pour démarrer) pour les vitesses intermédiaires et des puissances de 3 à 10 kW (gamme XRW d’agitateurs submersibles).
KSB conserve pour les submersibles le moteur asynchrone (à cage) mais optimise son design pour accroître sensiblement le rendement : précision géométrique, jeu rotor-stator que l’on retrouve sur les propulseurs Amaprop et les agitateurs Amamix et Amaline.
Le moteur WQuattro de Weg est de la classe de rendement « Super Premium » IE4 selon la future norme CEI 60034-30 édition 2. Proposé dans une plage de puissance comprise entre 0,37 et 7,5 kW, ce moteur a la particularité d’avoir un rotor hybride qui combine une cage d’écureuil avec des aimants permanents. Il n’y a ni perte, ni dissipation de chaleur dans le rotor.
Les réducteurs mécaniques utilisés sont de type épicycloïdal à un ou deux étages, à engrenage hélicoïdal selon les puissances. Un composant important vis-à-vis de la durée de vie de l’équipement mais dont les performances sont déjà très élevées.
À l'occasion de Pollutec 2012, Weg a présenté, en complément de sa gamme de moteurs à aimants permanents WQuattro et WMagnet, sa dernière génération de moteurs de classe IE4 « Super Premium » W22. Il s'agit de moteurs asynchrones disponibles en
2, 4 et 6 pôles dans les puissances comprises entre 3 et 355 kW. La conception du W22 réduit les pertes de 20 à 40 % par rapport à celles de moteurs conventionnels. À ce jour, le W22 a les niveaux de rendement parmi les plus élevés au monde pour un moteur asynchrone.
Leroy-Somer propose également des motorisations économes en énergie spécifiquement conçues pour l’agitation. Composée d’un motoréducteur Compabloc 3000-LSRPM associé à un variateur de vitesse Unidrive SP, la dernière-née des solutions Dyneo® a été conçue pour répondre au besoin d’économie des constructeurs et utilisateurs d’agitateurs et permet de réduire significativement la facture énergétique globale de l’application. Compabloc 3000 est un réducteur à engrenages hélicoïdaux et sortie axiale dont la fiabilité des composants a été éprouvée. Il se dote désormais d’un système de bride spécialement conçu pour résister au moment fléchissant et aux efforts axiaux particulièrement élevés exercés par les agitateurs. Cette bride de sortie en fonte est équipée de deux roulements spécialement dimensionnés pour offrir une résistance maximale aux efforts générés dans ce type d’applications.
Cette nouvelle version bénéficie également de finitions spécifiques pour une bonne adaptation aux environnements du secteur de l’eau : étanchéité renforcée, traitement anticorrosion, visserie et plaque inox. Sa modularité lui permet de répondre à la plupart des contraintes d’implantations grâce à une large variété de fixations, de montages et de possibilités d’entraînement.
Unidrive SP est un variateur universel conçu pour piloter les axes les plus exigeants. Doté d’un algorithme de contrôle surpuissant, il garantit, en boucle ouverte ou fermée, les performances maximales pour le pilotage des moteurs synchrones à aimants. Unidrive SP dispose d’une entrée codeur universelle et propose de multiples solutions de communication. Compabloc 3000 Dyneo® constitue donc une alternative avantageuse aux systèmes d’entraînement électromécaniques traditionnels. Il est proposé en 5 tailles de Cb31 à 35, avec des moments de sortie de 210 à 3150 Nm et des puissances de 4,8 à 80 kW.
