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La chasse au gaspi est ouverte

PUBLIÉ LE 1er JUIN 2011
LA RÉDACTION
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Les stations d'épuration sont les premières consommatrices d'énergie des communes, devant les écoles et les hôpitaux : elles représentent en moyenne un cinquième de la consommation d'électricité d'une ville. Et les contraintes de plus en plus sévères sur la qualité des rejets tendent à augmenter les dépenses énergétiques des traitements, notamment avec les procédés membranaires. Actuellement, la majorité des stations utilisent un traitement à boues activées, pour lequel l'aération des bassins est l'une des clés de la qualité du traitement, mais aussi le principal poste de dépense énergétique de la station (entre 40 et 80 % de la consommation totale). Son principe est le suivant : l'apport d'oxygène permet aux bactéries de dégrader la matière organique. En phase aérée, le carbone et l'ammonium sont oxydés ; en phase non aérée, les nitrates sont éliminés. L'apport d'oxygène est assuré, soit par des aérateurs de surface (turbines ou brosses), soit au fond par des systèmes à insufflation d'air (fines bulles, moyennes bulles, turbines immergées). En insufflation, la production d'air est fournie par un surpresseur ou un compresseur. Enfin, le système comprend généralement un agitateur, chargé de maintenir la biomasse en suspension pendant les phases non aérées. Reste à voir comment optimiser ce procédé pour réduire la facture énergétique. 1. BESOINS EN OXYGÈNE : PILOTER LA DEMANDE AU PLUS JUSTE Des progrès récents ont été réalisés dans la gestion automatisée de l'aération, avec le développement de sondes de mesures spécifiques ammonium-nitrates qui permettent de mieux gérer les besoins en oxygène. La première étape pour économiser l'énergie consiste à calculer au plus juste le volume du bassin d'aération. Le dimensionnement est un élément déterminant : plus de 50 % des stations reçoivent moins de la moitié de la charge prise en compte à la construction, sans aucune flexibilité des équipements. La deuxième étape consiste à déterminer la géométrie du bassin et enfin la configuration du système d'aération. Pour ce dernier, les diffuseurs de fines bulles (de 2 à 5 mm) à membranes utilisés aujourd'hui dans la moitié des stations ont une capacité de transfert d'oxygène 1,5 fois supérieure à celle des aérateurs de surface en eau claire, ce qui induit un meilleur rendement énergétique. DES MESURES INDIRECTES La gestion automatisée de l'aération a pour objectif d'adapter constamment le niveau d'aération des bassins aux besoins en oxygène de la biomasse et aux objectifs d'élimination de la pollution carbonée et azotée. Elle s'effectue généralement par horloge (en fonction du temps), en particulier pour les petites stations (inférieures à 5 000 EH). Au-delà, la temporisation est souvent associée au potentiel d'oxydoréduction (sonde redox), couplé parfois à une mesure d'oxygène dissous (sondes à membrane ou plus récemment à principe optique). Le dispositif peut être complété par des sondes de mesure de concentration de boues qui garantissent la quantité suffisante de biomasse pour le traitement, car « c'est la boue du bassin d'aération qui assure le traitement avec les micro-organismes qu'elle contient ; or, même sans rien traiter, cette biomasse consomme de l'oxygène », rappelle Jean-Pierre Molinier, responsable produits chez Hach Lange. Cependant, ces méthodes de mesure indirectes ne sont pas toujours optimisées et conduisent généralement à une suraération et donc à une surconsommation énergétique. Autre inconvénient majeur : elles ne prennent pas en compte la charge. DES SONDES SPÉCIFIQUES Depuis environ cinq ans, le développement de sondes spécifiques permet une mesure directe des concentrations en ions nitrate (NO3-) et ammonium (NH4+) et une maîtrise de la qualité du rejet en temps réel, tout en optimisant les consommations énergétiques. Jean-Pierre Molinier explique : « Ces paramètres sont de plus en plus demandés, en remplacement des mesures de redox. Le redox est un indicateur de fin de traitement (on a fini de nitrifier ou de dénitrifier suivant des seuils définis). Or, pour optimiser les temps de marche et d'arrêt, il est plus complet de connaître en permanence la charge de pollution à traiter dans le bassin, et là encore d'optimiser le temps de fonctionnement des aérateurs pour traiter correctement, sans excès inutile. » Les sondes sont associées à un module qui fournit les consignes de pilotage à l'automate de la station. Le régulateur détermine une consigne de puissance d'aération (nombre de surpresseurs et vitesses moteur respectives ou nombre de brosses et turbines en fonctionnement) en fonction des mesures en temps réel et des concentrations en NO3- et NH4+ spécifiées par l'opérateur. Les mesures sont introduites en continu dans un algorithme contenu dans un automate programmable qui contrôle et gère le fonctionnement de l'aération : arrêt, marche, niveau de puissance. L'aération se fait préférentiellement de manière continue, ce qui réduit le nombre et la fréquence de démarrages des surpresseurs et/ou des équipements de surface (brosses, turbines) et évite une usure prématurée du matériel. UNE OFFRE TRÈS ÉLARGIE Cette régulation a été développée en particulier par Veolia Eau (Amonit), Saur (Ammonair), Degrémont (Greenbass), Hach Lange (WTOS). Selon Veolia Eau, « la faible concentration résiduelle en oxygène permet de réaliser des économies d'énergie en réduisant la puissance d'aération moyenne de 20 % du débit d'air insufflé ou du temps de marche des aérateurs de surface. Le gain énergétique qui en découle est estimé entre 10 et 30 % de l'énergie totale consommée par le système d'aération asservi à une régulation classique redox ». Amonit existe depuis 2006 et compte à ce jour 45 stations installées ou en cours d'installation. Saur a testé son procédé Ammonair en 2010 sur la station de Nîmes dont la consommation est de 8,5 MWh, soit 527 000 euros dont 37 % sont consacrés pour l'aération des bassins biologiques, et annonce une économie de près de 30 % de l'énergie électrique d'aération. La première référence pour Degrémont et son Greenbass est la station d'épuration de Dijon (Côte-d'Or) d'une capacité de 400 000 EH, équipée en 2010 ; elle a réalisé une économie annuelle de 65 000 euros, selon le constructeur. Deux autres sont prévus pour 2012 : Tournus en Saône-et-Loire (10 500 EH) et Camphin-Phalempin dans le Nord (7 500 EH). « Nous avons développé en interne un algorithme spécifique qui est breveté, précise Éric Fievez, responsable efficacité énergétique de Degrémont. Le retour sur investissement est d'environ deux ans. Ce qui permet aux petites stations de s'équiper également. » Pour Hach Lange, la station de Villau, en Allemagne, est équipée du WTOS depuis avril 2010. Les coûts d'énergie ont été réduits de 10 % environ. Par ailleurs, Hach Lange prévoit une baisse de 50 % des rejets de nitrates. « Contrairement aux systèmes des constructeurs (Amonit ou Greenbass) qui sont intégrés aux automates de la station, le WTOS est un module externe qui calcule et envoie les points de consigne à l'automate en place. Son but est donc d'être utilisé avec très peu de modifications sur la station », conclut Jean-Pierre Molinier. 2. PRODUCTION D'AIR : LE POSTE LE PLUS ÉNERGIVORE Dans les bassins d'aération, c'est la partie production d'air qui constitue le poste le plus énergivore. Le choix d'un surpresseur ou d'un compresseur ne doit donc pas être fait à la légère. La technologie utilisée pour produire de l'air est, soit la compression dynamique (machines centrifuges), soit la compression volumétrique, avec différentes techniques rotatives (palettes, anneau liquide, vis, spirales, lobes, roots). « Jusqu'à 7 mètres de hauteur d'eau, l'aérateur roots suffit. Mais au-delà, un turbocompresseur est nécessaire. Les surpresseurs à vis sont des machines plus petites dont le rendement est intéressant », estime Samuel Martin, qui travaille au Centre international de recherche sur l'eau et l'environnement ( Cirsee) de Suez Environnement. Samuel Martin a d'ailleurs mis au point une méthodologie d'optimisation des compresseurs : préconisations de maintenance par rapport à la configuration, choix des machines, consommation d'énergie par mètre cube d'air et kilogramme d'oxygène transféré, etc. « Notre approche intègre une série de recommandations et d'outils de diagnostic ciblant chacune des composantes du système d'aération : machines de production d'air, système de distribution, diffuseurs, contrôle de l'apport d'air. Des valeurs guides de consommation énergétique liées à chacun des postes permettent d'évaluer les performances du système ainsi que leur évolution au cours du temps. » Cette méthodologie est actuellement développée sur les stations d'épuration de Lyonnaise des eaux et d'Agbar. HAUT RENDEMENT Plusieurs fabricants se sont penchés sur le sujet. Cardo Flow Solutions France, par exemple, a mis sur le marché en 2009 un turbocompresseur à aimants permanents qui couvre un débit d'air jusqu'à 16 000 Nm3/h par machine. « Le HST 40 d'ABS permet de consommer 10 % d'énergie en moins par rapport à la précédente génération qui est déjà en service depuis plus de dix ans et qui elle-même était plus économe de 30 % au regard des solutions traditionnelles », affirme Julia Koloveri, responsable communication. Compact, le nouveau turbocompressuer d'ABS comprend un motovariateur 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. PISTONS ROTATIFS Aerzen a sorti de son côté un compresseur à pistons rotatifs (Delta Hybrid) en 2010 qui affiche 10 à 15 % d'économie d'énergie selon le fabricant. Enfin, les groupes ITT et Atlas Copco ont signé en avril 2009 un accord commercial mondial pour proposer des solutions de traitement des eaux usées moins consommatrices d'énergie. Associés, les surpresseurs d'air à haut rendement énergétique d'Atlas Copco et les technologies d'aération et d'agitation d'ITT visent jusqu'à 40 % d'économies d'énergie. « La technologie Roots utilisant des lobes rotatifs représente 90 % du parc installé. Or, cette technologie n'a pas véritablement évolué aux cours des cinquante dernières années et affiche un rendement énergétique maximal de 60 % », explique Patrick Binjamin, chef de marché de la division basse pression d'Atlas Copco, qui a arrêté de commercialiser ses surpresseurs de type Roots. DES GAMMES À VIS En 2006, l'entreprise a lancé sa première gamme de surpresseurs à vis Z, et propose depuis 2010 une nouvelle gamme ZS équipée de moteurs IE2 à haut rendement. Les gains énergétiques par rapport aux surpresseurs à lobes peuvent atteindre 35 %. Ce niveau d'efficacité énergétique est lié à l'élément de compression à vis, mais aussi à la réduction des pertes de transmission, liée au remplacement du système de courroie-poulie par un entraînement direct avec engrenages intégrés ; les pertes de charges à travers le circuit d'air ont aussi été réduites. Autre point fort de la vis : elle fonctionne sans huile et l'air produit est certifié comme contenant « zéro trace d'huile ». Mais il reste difficile de convaincre les clients à payer un prix plus élevé d'environ 20 % à l'achat. « Tant que le critère énergétique ne figure pas dans les appels d'offres, c'est le moins cher qui l'emporte, déplore Patrick Binjamin. Pourtant, le retour sur investissement est inférieur à deux ans et la durée de vie des machines est de vingt ans, donc supérieure aux autres technologies. » Ces solutions impliquent bien un changement dans les mentalités : il faut que les donneurs d'ordres envisagent aussi leurs investissements en termes d'impact énergétique. 3. AGITATEURS : OPTIMISER L'HYDRAULIQUE ET L'EFFICACITÉ DES MOTEURS De nombreuses innovations technologiques permettent d'améliorer la consommation énergétique, que cela concerne les agitateurs ou les moteurs qui les alimentent. « La forme du bassin d'aération devrait être étudiée dès le départ avec le fournisseur de propulseurs, estime Gilles Gournac de la société KSB. Le simple ajout de murs de guidage, de murs prolongateurs peut favoriser de façon significative la vitesse de circulation du flux. Cela permet généralement de réduire la taille moteur des propulseurs. Notre logiciel de sélection Easyselect a été développé pour réaliser ce calcul. » En ce qui concerne le cahier des charges, les vitesses moyennes de circulation exigées devraient être optimisées. Selon Gilles Gournac, « la vitesse de circulation du fluide tout comme le volume d'aération ont une limite optimale au-delà de laquelle la majoration n'entraîne aucun gain de process. Il faudrait bannir les cahiers des charges dans lesquels les valeurs à garantir relèvent de l'utopie et entraînent le surdimensionnement des appareils ». AGITATEUR À AIMANT PERMANENT ITT France a lancé en 2010 un nouvel agitateur à pales rapides, le 4650 LSPM Flygt, doté d'un moteur à aimant permanent à démarrage direct sans variateur de fréquence. Ce nouvel agitateur compact à haut rendement énergétique fait appel à la technologie LSPM, (Line Started Permanent Magnet), pour fournir une efficacité optimale de l'agitateur en termes de poussée et de puissance absorbée. « L'efficacité de ce moteur est sensiblement supérieure à celle des moteurs d'agitateurs à douze pôles. Son moteur hybride offre un rendement élevé grâce à la technologie à aimant permanent synchrone. Plusieurs brevets sont déposés. Suivant l'angle de l'hélice et les autres options de configuration, cet agitateur permet une consommation d'énergie 10 à 20 % plus basse, un rendement du moteur de 15 % plus élevé et une consommation d'électricité de 40 % inférieure par rapport aux agitateurs standard compacts », poursuit Ludivine Decouttere, ingénieur produits chez ITT. Cardo Flow Solutions (récemment acheté par Sulzer) a lancé en novembre 2010 le premier agitateur submersible (XRW 650 d'ABS), avec motovariateur à aimants permanents sans capteur de position. Cette nouvelle technologie 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. Ce qui permet une économie d'énergie absorbée de près de 66 %. Un gain important pour ces machines qui généralement fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, et qui de plus sont éligibles aux certificats d'économie d'énergie », affirme Julia Koloveri, responsable communication de Cardo Flow Solutions France. Ces certificats - loi POPE(1) - peuvent en effet constituer un levier intéressant. Salmson va compléter sa gamme d'agitateurs grandes pales (1,60 à 2,60 m). L'agitateur maxi-megaprop TRE sera équipé en option de moteurs à haut rendement énergétique (IE3) apportant une réduction de la consommation d'énergie d'au moins 10 %. Par ailleurs, depuis quelques années, Landia a mis sur le marché un générateur de courant à 150 tr/min (POP1) qui permet d'obtenir des rendements d'agitation deux à trois fois supérieurs aux agitateurs semi-rapides. « Ils conviennent aux stations d'épuration jusqu'à 10 000 EH où la mise en oeuvre d'agitateurs grandes pales est parfois compliquée ou trop onéreuse. En moyenne, le retour sur investissement est estimé entre deux et trois ans, sachant que ces appareils ont une durée de vie d'environ dix ans », conclut Gatien Caiveau, commercial chez Landia.
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