L'énergie et la maintenance représentent à eux seuls 52% du coût global du pompage. Ces deux postes ne sont pas pris en compte dans la plupart des appels d'offres qui se basent trop souvent sur le seul coût d'acquisition. Avec l'augmentation inéluctable du coût de l'énergie, les exploitants ont tout intérêt à modifier cette approche pour prendre en compte le coût global. Les enjeux sont considérables.
En ce début de 21ᵉ siècle, l’homme doit faire face à un défi majeur de son histoire. Le changement climatique déclenché par les activités humaines peut encore être enrayé à condition de réduire de façon drastique les émissions de gaz à effet de serre au cours des prochaines années. Pour réussir, une baisse générale de la consommation énergétique s’impose. Elle constitue un levier important. Des politiques de maîtrise de l’énergie se mettent en place.
Elles vont se traduire par l’application progressive de directives européennes sur la réglementation française et par la modification du cahier des clauses techniques générales (CCTG) applicables aux marchés d’État. Gouvernements, entreprises, collectivités, particuliers, tout le monde sera concerné par cette révolution qui s’annonce. Les économies d’énergie et la protection de l’environnement devront être prises en compte à tous les niveaux de la chaîne de
Le pompage des fluides, qui représente à lui seul près de 20 % de la consommation énergétique mondiale, n’échappera pas à la règle. Plusieurs études montrent que 30 % à 50 % de l’énergie consommée par les pompes peut être économisée en changeant d’équipement ou en modifiant le système de contrôle. Le gisement est donc conséquent. La maîtrise de la consommation énergétique est un acte citoyen qui devrait aussi profiter à l'exploitant en entraînant une baisse des charges.
Pour accompagner les entreprises dans la réduction de la consommation énergétique des groupes entraînés par un moteur électrique, l'Union Européenne a lancé dès 2002 le programme Motor Challenge. Toute une partie de cette étude s'intéresse spécifiquement aux systèmes de pompage. Elle a mis en évidence un certain nombre de leviers sur lesquels on peut jouer pour réduire la facture énergétique.
En parallèle, les associations professionnelles de pompistes sensibilisent leurs adhérents à l’écoconception, aux économies d’énergie et à l'abaissement du coût global du poste pompage. Ainsi, le Comité européen Europump et l’American Hydraulic Institute ont élaboré voici trois ans un guide pour les exploitants de pompes et de systèmes de pompage. Cet ouvrage, aujourd’hui traduit en français, est diffusé par l'Association Française des Pompes et de la Robinetterie (AFPR). Il présente aux entreprises et exploitants de systèmes de pompage les possibilités d’économies d’énergie et les potentiels de réduction des coûts.
Sur ces bases, de nombreux constructeurs de pompes ont travaillé sur le sujet : Caprari, Flygt, Grundfos, KSB, Salmson, Peme Gourdin, Lowara, PCM Pompes, ABS Pompes... affirment tenir compte du coût global du cycle de vie. Ils développent dès à présent des équipements moins gourmands en énergie, plus robustes et plus fiables afin de réduire le coût du cycle de vie de l'équipement. Mais les progrès considérables réalisés ces dernières années ont un coût qui se répercute sur le prix d’acquisition. Pour profiter pleinement de ces avancées, le donneur d’ordre devra intégrer ces nouveaux critères dans son cahier des charges. Il devra raisonner en coût de cycle de vie du poste de pompage dans sa globalité et non plus, comme il avait l’habitude de le faire, en tenant seulement compte du prix d’acquisition de chacun des équipements pris indépendamment les uns des autres. Une révolution dans les mentalités.
Raisonner globalement
La connaissance du coût global d'une fonction implique de prendre en compte tous les composants chargés de la réaliser et de s'intéresser aux charges qu'ils induisent tout au long de leur cycle de vie, de sa conception au démantèlement. Le coût du cycle de vie est donc calculé en additionnant le coût d’achat des divers composants (pompe, électronique de contrôle, capteurs, tuyauterie).
…), les coûts de leur installation, de leur exploitation, de leur maintenance, mais encore les coûts d’arrêt et d’élimination, sans oublier la facture énergétique. Pour évaluer ce coût global, une boîte à outils a été mise au point dans le cadre du programme Motor Challenge. Elle propose également des guides techniques sur les mesures d’économie d’énergie ainsi qu'un plan d'action à mettre en œuvre pour les réaliser.
Le calcul du coût global peut aussi être réalisé sur les installations existantes. Il permet d’appréhender les gisements d’économies susceptibles d’être mis en œuvre pour abaisser le coût de possession. Ainsi, tout ce qui favorise une meilleure disponibilité de l’installation, une réduction des interventions de maintenance, une meilleure utilisation des capacités de la pompe, une moindre consommation énergétique... aura un impact favorable sur la réduction du coût de possession. Une analyse détaillée est quelque peu complexe. Elle requiert des données statistiques solides. Pour les aider dans cette démarche, les exploitants peuvent s’appuyer sur l’expertise du Cetim ou mettre en œuvre des outils informatiques comme le logiciel LCC-Comp développé par KSB.
En attendant cette investigation en profondeur, un certain nombre de mesures peuvent être mises en œuvre. Pour Claude Berthier, responsable du marché municipal chez Flygt : « Le plus important est de veiller au maintien du rendement dans le temps ».
Conserver le rendement dans le temps
Une bâche de pompage d’eaux usées est un environnement hostile au sein duquel il est très difficile de mesurer les performances effectives d’un matériel et encore plus de prévoir sa tenue dans le temps. En l’absence de norme permettant de modéliser une eau usée pour caractériser les appareils sur banc d’essais, toutes les performances des pompes sont caractérisées en eau claire, un environnement très éloigné de leur environnement de travail. Cette notion de rendement de pompage en eaux usées dans le temps est à opposer au rendement en eau claire, précisé sur les courbes de performance des pompes. Ce paramètre évolue en fonction de l’encrassement ou de l’érosion de la pompe. « C’est une notion essentielle qu’il convient de maîtriser pour effectuer une analyse objective des coûts réels d’exploitation sur site » explique-t-on chez Flygt.
Le maintien du rendement dans le temps est à privilégier au choix d'un bon rendement de départ qui va très vite s’altérer par perte des caractéristiques de la pompe. C’est un des points clés de l’optimisation énergétique. Pour maintenir les caractéristiques de départ, il faut à tout prix éviter l’encrassement et le colmatage de la pompe par les fibres. Plusieurs actions permettent de limiter le phénomène par l’intervention périodique d’un opérateur ou la dilacération en amont de la pompe. Landia a développé des pompes immergées, émergées et à arbres verticaux avec comme particularité commune une roue dilacératrice non-stop permettant le pompage et le broyage d’effluents chargés. Chacune de ces pompes peut s’intégrer aussi bien dans un process industriel (agroalimentaire, papetière, métallurgique...
chimique...) qu’en station d’épuration pour le pompage d’effluents très chargés. Cette solution est également retenue par Netzsch qui propose des dilacérateurs nouvelle génération qui seront présentés pour la première fois en France à Pollutec, dilacérateurs destinés à protéger la pompe de toute obstruction ou blocage dû à des particules de forte dimension. PCM Pompes propose également un broyeur dilacérateur placé en amont de la pompe. Cet équipement protège contre la détérioration liée au transit des grosses particules solides et des fibres présentes dans l’effluent.
De même, pour sa gamme de gavopompes (GTA, GCA, GVA, GBB) permettant la reprise des boues d’épuration et de produits très visqueux, PCM a cherché à optimiser toutes les composantes du LCC (Life Cycle Cost). Le contrôle du niveau de boue dans la trémie facilite la mise en œuvre du fonctionnement à débit variable en utilisant les capacités optimales de la pompe, en intégrant les sécurités haute et basse et en asservissant l'injection de chaux. Les Gavos permettent également d’intégrer la lubrification ou le polymère dans le process, ce qui entraîne une réduction des coûts de maintenance.
Une autre solution consiste à choisir une pompe qui prend en compte ce problème. Pour éviter le colmatage, Flygt a travaillé sur l’hydraulique de la roue centrifuge à canaux, sur laquelle il avait observé une diminution de 50 % des caractéristiques suite à un colmatage partiel dans le temps. Ces travaux ont donné naissance à la roue N dont l’hydraulique anti-colmatage a été brevetée. Elle comporte une roue semi-ouverte à aubes curvilignes et un fond de volute à rainure de dégagement pour éviter le colmatage par accrochage des fibres. À noter que cette roue peut équiper les anciennes pompes de Flygt, un kit de réhabilitation étant disponible.
Un autre problème peut apparaître dans les
Le Life Cycle Cost (LCC) : une notion plus complexe qu’il n’y paraît
Depuis plusieurs années, le LCC a permis d'évaluer certaines pompes et de déterminer laquelle serait la plus rentable pour l'utilisateur. Récemment, des avancées ont été enregistrées dans le mode de calcul utilisé, mais dans la plupart des cas, les exploitants continuent d'employer le calcul LCC dans sa forme la plus élémentaire. « Or, explique-t-on chez ABS Pompes, une comparaison rapide utilisable dans le cadre d'une négociation ou d’un appel d'offres ne suffit pas, il faut s’assurer au préalable que ce que l'on mesure est le LCC réel et non simplement un chiffre de référence commode qui ne reflète pas le vrai coût de fonctionnement du matériel ». Pour bénéficier du modèle LCC, les utilisateurs doivent mettre l'accent sur tous les coûts importants, y compris les coûts d'entretien et d'utilisation, les blocages et l’augmentation des coûts d’énergie qui résulte de l'usure (perte de rendement). « Si l'on veut se servir d'une modélisation LCC pour réduire les coûts, on doit également prendre en compte la façon dont on entretient et utilise le matériel, explique Marc Guichaoua d’ABS Pompes. Le bon choix initial n'est qu'une première étape. Choisir un matériel haut rendement mais à usure rapide sans l'entretenir va considérablement augmenter le LCC du matériel. Haut rendement et utilisation jusqu’à la destruction ne vont pas de pair ».
Équipements partiellement colmatés, cela inclut l’érosion du métal suite à la recirculation du fluide à l'intérieur de la pompe. Ce problème, équivalent à une cavitation, entraîne une usure anormale des pièces, avec pour conséquence une maintenance excessive de l’équipement. « Il n'est pas rare de changer trois fois de roue au cours de la vie d’une pompe », explique Patrick Grandmaire de chez Salmson. Et lorsqu’on intègre le coût d’arrêt, les pièces et la main-d’œuvre nécessaires à l'intervention, cela augmente considérablement le coût de propriété de l’équipement. Une des solutions consiste à acquérir une pompe robuste et adaptée aux conditions de service. Par exemple, la pompe Emu de Salmson est revêtue en interne d'un revêtement en céramique anti-abrasion. Plus chère à l’achat qu'un équipement traditionnel, sa durée de vie est plus longue.
De son côté, ABS a mis au point une roue dénommée ContraBlock afin de réduire les coûts de pompage des pompes d’eaux usées. Le système développé par ABS repose sur deux principes :
- - La pompe la plus efficace dans le temps est celle qui présente le moins de risque de se bloquer. Le système ContraBlock permet donc de véhiculer pratiquement tous les corps et particules habituellement contenus dans les eaux usées municipales ou industrielles.
- - S'il y a une baisse de rendement dans le temps liée à l’abrasion, il est indispensable de rattraper le jeu créé par cette abrasion. Pour cela, le système ContraBlock est équipé d'une plaque de fond réglable qui permet de retrouver la courbe initiale de la pompe, ce qui évite d’avoir à utiliser inutilement des kW supplémentaires.
Une pompe bien dimensionnée doit toujours tourner à 50 Hz. Mais ce n’est pas toujours le cas, notamment sur les gros équipements dont 90 à 95 % d’entre eux sont surdimensionnés. La variation de vitesse permet d'optimiser leur fonctionnement et de réduire leur consommation d’énergie.
Optimiser le fonctionnement par variation de vitesse
Une pompe est une machine couple quadratique. Lorsqu’on baisse de 20 % sa vitesse, on réalise 50 % d’économie d’énergie. Pour maintenir une vitesse fixe différente du 50 Hz, un variateur de fréquence s'impose. La variation de vitesse présente d’autres avantages. Elle permet aux pompes d’adapter directement leur point de fonctionnement aux besoins de réseau. La vitesse de rotation varie sans à-coup et assure en permanence la fourniture de puissance nécessaire à l'installation. En phase de démarrage, elle réduit de six à dix fois la pointe de courant au départ. Ceci amène une baisse de la consommation énergétique entraînant une réduction de puissance installée et la moindre sollicitation des transformateurs. Ce démarrage en douceur de la pompe évite aussi les coups de bélier et le vieillissement prématuré des différents composants de la station, avec en toile de fond moins de maintenance.
La Rochelle, qui a équipé les motopompes d’aspiration et refoulement entre puits et châteaux d’eau de vitesse variable, a enregistré une baisse de sa consommation électrique. De plus, grâce à un pilotage en sou-
Grâce à la souplesse des installations et à l’évitement de coups de bélier destructeurs, les interventions de maintenance ont été réduites. Conséquence : un temps de retour d’investissement inférieur à trois ans a été constaté sur ces installations.
Les pompistes ont bien compris l'intérêt de ces équipements. L’Hydrovar de Lowara est le premier variateur de vitesse de pompage directement monté sur la pompe et basé sur microprocesseur. L’Hydrovar fait plus que varier la vitesse de la pompe comme un convertisseur de fréquence normal. Il est en mesure d’ajuster l'utilisation d’une ou de plusieurs pompes aux besoins spécifiques d'une installation en optimisant l’énergie dans un vaste spectre d'applications. Le convertisseur de fréquence intégré permet la régulation automatique de la pression, de la pression différentielle ou du débit. La régulation de pression permet un arrêt immédiat de la pompe en cas de consommation zéro. Le débit de refoulement de la pompe est assuré indirectement par la vitesse de celle-ci et permet une régulation de la pression ou de la pression différentielle en fonction de la consommation suivant la courbe réseau de l’installation. Le système peut être contrôlé par un signal provenant d'une source externe. L’Hydrovar standard n’a besoin que d’un capteur de pression différentiel pour contrôler la pompe le long de la courbe réseau. Le débit est alors calculé par le contrôleur en augmentant la différence de pression en fonction des pertes de charge liées à ce débit. L’Hydrovar sensorless, qui fonctionne sans capteur de pression, permet de voir, au même débit, l’économie d’énergie effectuée avec la même pompe fonctionnant à pleine vitesse. Les économies sont exprimées en kW, et la possibilité de rentrer le coût du kWh permet de déterminer les économies effectuées et d’en afficher le total. L'affichage de ces économies se lit sur la télécommande de programmation.
Avec l'arrivée de PumpDrive, KSB se dote d'une famille de variateurs intelligents permettant la régulation électronique continue de la vitesse des moteurs de pompes centrifuges. Développé en technologie « Plug and Play », il suffit de brancher PumpDrive au moteur pour qu'il soit immédiatement opérationnel, le paramétrage étant réalisé chez le constructeur. Dans sa version standard, l'équipement intègre un régulateur PI, des entrées et sorties analogiques ainsi que des fonctions de protection du moteur.
Avec le lancement d’Altivar 61 en septembre 2005, Schneider Electric présente une offre.
spécifique pour le traitement des fluides. Écoconçu, cet équipement dispose de fonctions d’autodiagnostic, de contrôle de l’énergie consommée et d’automatisme capable de gérer un redémarrage automatique en cas de défaut constaté ou la remise en route des pompes dans le cadre d'une homogénéisation des temps de fonctionnement. Toutes les données acquises par les variateurs peuvent être exploitées par le service de maintenance, transformant le variateur en véritable centrale de mesures. Des alertes peuvent alors être programmées pour agir avant la panne.
Quant aux variateurs de vitesse VLT 8000 Aqua de Danfoss (disponibles de 4 kW à 400 kW), ils permettent de réaliser d’importantes économies d’énergie et de rentabiliser rapidement l'investissement d’un variateur VLT.
Spécialement conçus pour les applications dans le domaine des eaux potables et usées (mode veille pompe pour arrêter le moteur en cas de charges minimales, fonction remplissage pour les réseaux de tuyauterie, touche Menu rapide et afficheur en français pour une mise en service simplifiée, etc.), ils se basent sur un concept très simple, où l'on élude toutes les fonctions inutiles qui pourraient perturber l'utilisateur. Tout ce qui est essentiel est déjà intégré.
Avec son nouveau variateur de vitesse Digidrive SK, une nouvelle gamme de variateurs de vitesse compacte et économique de 0,37 kW à 4 kW, Leroy Somer mise également sur la simplicité. Quel que soit le niveau de fonctions requis, la nouvelle gamme de variateurs alternatifs Digidrive SK, pour l’alimentation de moteurs asynchrones, répond aux besoins de l’utilisateur en lui apportant plus de simplicité.
L’ACS 550 est la toute nouvelle gamme de variateurs « intuitifs et sensoriels » lancée par ABB. Ces variateurs sont conçus pour répondre à un large éventail d’applications, au premier rang desquelles, les pompes. Ils sont disponibles en 0,75 kW à 355 kW et 230 V à 400 V. L’ACS 550 est facile à installer et à utiliser, grâce à une console de commandes conviviale qui guidera l'utilisateur de la mise en service à la maintenance. Cette console, similaire à un téléphone portable, comporte deux touches souples dont la fonction change selon le statut de la console. Un bouton d'aide intégré et une horloge en temps réel aident aux diagnostics des défauts. Ceci permet une mise en service facile, un démarrage rapide, une configuration simple et un diagnostic des défauts efficace.
Maintenance : agir avant la panne
Pour intervenir quand il faut et juste quand il le faut, sans attendre l'immobilisation complète de l’installation, l'exploitant doit pouvoir détecter les dérives de fonctionnement de ses équipements. Ceci implique la prise de mesures et le suivi dans le temps des signaux par une électronique capable de déclencher une alarme en cas de problème. Pour être efficace, l'information doit être suffisamment précise pour pouvoir être exploitée rapidement par l’opérateur chargé de la maintenance. Il faut donc bannir les alarmes globales.
Pour réaliser cette tâche, les constructeurs se servent des signaux collectés sur le moteur et sur le variateur de vitesse (quand il y en a un). On peut aussi placer en complément des détecteurs de niveau ou de débit en amont et en aval de la pompe. Sur ses équipements, Flygt propose de relever via un système de télésurveillance les données produites par les capteurs qui équipent tous ses modèles de moteurs (échauffement des trois enroulements du stator et détection d’eau dans le logement du stator). Il y ajoute, sur les grosses pompes, la température de l’enroulement, l’échauffement des paliers… Ces données sont acquises via un boîtier MAS qui contient une puce électronique mémorisant le numéro de série de la pompe, le nombre d’heures de fonctionnement et, en cas de panne, les signaux acquis neuf minutes avant et une minute après l’alarme, de façon à voir ce qui se passe sur la pompe lors des interventions à distance.
Grâce aux équipements de télégestion
Il est doté d’un serveur Web, connectant point à point avec la pompe à un portail spécifique pour que l'utilisateur puisse consulter les paramètres de la pompe surveillée et recevoir des alarmes par message SMS.
LCC (Europump - HID)
Dédiés aux métiers de l'eau, Lacroix-Sofrel, Pérax, Schneider Electric et Wit offrent un accès transparent aux paramètres des sous-stations de pompage. Un serveur web avec modem intégré assure la communication des équipements avec un serveur central. Il gère les alarmes, stocke localement les données et envoie des notifications par courriel ou SMS en cas de problème.
De nouvelles fonctions apparaissent et permettent un suivi en quasi temps réel des consommations électriques. Ainsi, Lacroix-Sofrel propose une carte EDF permettant la communication avec les compteurs électriques. « Tous les compteurs installés par EDF disposent désormais d’une interface de communication appelée “TéléInformation Client” grâce à laquelle il est possible de lire de nombreuses informations reflétant le fonctionnement de l’installation (index, puissances, intensités,…) », explique Jean-Marie Laurendeau, Chef de Marché chez Lacroix-Sofrel. « Cette carte permet de suivre facilement les consommations en énergie. Les éventuelles dérives sont ainsi très rapidement détectées, alors qu’elles le seraient beaucoup plus difficilement à partir des relevés transmis lors des factures. Il est par exemple possible de positionner les seuils à différents moments de la journée pour vérifier que les niveaux de consommation sont bien ceux attendus. Cette fonction participe donc efficacement à l’optimisation du fonctionnement des pompes grâce à un suivi fiable, précis et permanent de leur consommation. ». Cette nouvelle fonctionnalité intéresse d’autant plus les exploitants soucieux de maîtriser leurs consommations sur leurs installations de pompage que l’installation de cette carte et son paramétrage est simple et rapide.
De son côté, KSB propose PumpExpert, un boîtier de télé-diagnostic et de communication destiné aux pompes centrifuges. Il recueille les données numériques et analogiques de capteurs situés sur la pompe (par exemple : température de palier, vibration, marche à sec, puissance consommée, etc.) en fonction des besoins, les traite et les envoie par le mode de transmission approprié selon les cas (liaison infrarouge, bus de terrain…) à un poste de commande pour effectuer un diagnostic.
Le système peut s’adapter à toute pompe centrifuge, pour laquelle il donne une indication sur le fonctionnement et alerte sur une quinzaine de pannes possibles : palier dégradé, cavitation, marche à sec...
Quant au système CMS (Condition Monitoring System) développé par Lewa, il est adapté à une vaste gamme de pompes doseuses et pompes de process. Il permet d'effectuer des opérations de maintenance et des réparations ciblées. L’objectif du CMS est de détecter le plus tôt possible les problèmes dans le but d’en minimiser les coûts. Le CMS prévient des problèmes potentiels en identifiant les composants incriminés et anticipe sur les baisses de performance. Les pièces ne sont changées que lorsqu’un problème potentiel a été détecté. Les interventions sont réalisées lors des arrêts prévus de l’installation, évitant les pertes liées aux arrêts de production.
Ce système permet de diminuer les quantités de pièces de rechange et identifie les pièces à changer ou à réparer avant l’intervention sur le matériel, ce qui réduit considérablement les temps de maintenance.
Grâce à sa haute sensibilité, les variations de débits de 1 % sont identifiées et renseignées. Les données sont enregistrées en continu et l’évaluation assistée par ordinateur assure un haut degré de sécurité.
Le CMS peut être utilisé en tant qu’appareil séparé ou intégré à un système de contrôle existant.
