Dans les usines d'eau potable et d'assainissement, la mode est aux économies d'énergies. Plusieurs outils et méthodes sont proposés aux exploitants pour diminuer leur facture : remplacement par des équipements moins énergivores, mise en oeuvre d'une régulation prédictive, optimisation de la conception des appareils, etc. En outre, de plus en plus de fournisseurs lancent des services d'expertise en optimisation énergétique via des audits ou des logiciels de supervision. Un marché se met en place. L'un des premiers axes pour réduire la consommation d'énergie est de remplacer l'existant par un équipement dont la technologie permet un gain énergétique. C'est le cas, au niveau de l'aération, avec les surpresseurs, comme nous l'évoquions déjà dans le dernier numéro (Hydroplus n° 190, p. 58). C'est ainsi qu'Atlas Copco a signé un contrat avec la station d'épuration de Cergy-Pontoise pour l'équiper de cinq turbocompresseurs ZB, avec une mise en service prévue pour 2012. Pour des stations de plus faible capacité, Atlas Copco a également développé des nouveaux surpresseurs à vis basse pression. « Moins coûteux, avec un excellent rendement, ces équipements sont adaptés pour des débits de 400 à 5 000 m3/h, alors que les turbo s'appliquent davantage aux débits supérieurs », commente Patrick Binjamin, responsable Basse Pression chez Atlas Copco. La durée de vie des appareils est supérieure à vingt ans et « le retour sur investissement serait de trois ans seulement », garantit Patrick Binjamin. Du côté des agitateurs, les postes les plus énergivores dans une station d'épuration (encadré page p. 41), la tendance est également à l'optimisation du rendement des appareils. C'est ainsi que Salmson vient d'élargir sa gamme en déployant un diamètre de 2,6 mètres sur les produits Megaprop TR326 et Maxiprop TR226. Ces deux agitateurs répondent à la norme ISO 21630 d'août 2007 qui porte sur le rapport entre poussée et consommation d'énergie. « Avant, le client choisissait un agitateur sur la base de trois critères : le prix, la densité d'énergie - correspondant au nombre de watts consommés divisé par le volume du bassin - et le nombre de pompages qui traduit les performances hydrauliques, mais sans prendre en compte la consommation énergétique », résume Matthieu Lebrun, responsable technique du cycle de l'eau chez Salmson. Avec la nouvelle norme, on parle désormais de rendement énergétique à la place de la densité, qui correspond au rapport de la poussée divisée par la puissance électrique absorbée aux bornes. Cette valeur offre aux clients un critère de comparaison plus représentatif. « Les exploitants sont de plus en plus sensibles aux économies d'énergie, mais la majorité ne connaissent pas encore l'existence de la norme. Il est de notre intérêt de les sensibiliser sur le sujet car nos produits garantissent un rendement supérieur de 10 % par rapport à nos concurrents », affirme Matthieu Lebrun. UNE NOUVELLE CLASSIFICATION Une autre évolution importante au sujet du rendement concerne directement les moteurs des équipements. Une nouvelle classification vient d'être adoptée au niveau européen, plus exigeante que le classement actuel défini par le Cemep (encadré page 40). Certains fabricants anticipent déjà l'entrée en vigueur de cette norme prévue en France pour juin 2011. KSB a ainsi généralisé l'utilisation de moteurs EFF1 à l'ensemble de ses pompes. Des moteurs encore moins gourmands, baptisés « moteurs superéconomiques », seraient même en cours de tests. Ils équivaudraient à la classe haut rendement américaine SuperPremium. De son côté, ABS vient de sortir la première gamme de pompes submersibles équipées de moteurs à haut rendement IE3. La gamme ABS EffeX répond ainsi à la demande des collectivités et des exploitants qui cherchent à réduire la facture énergétique et l'empreinte environnementale. De plus, sa conception et sa robustesse ont été travaillées pour réduire les blocages ainsi que les coûts d'exploitation (lire la présentation de cette gamme p. 44). En parallèle des équipements à haut rendement, les variateurs de vitesse peuvent participer à la baisse de la consommation énergétique d'un site. À savoir que plus la puissance du moteur de l'équipement est grande, plus l'adjonction d'un variateur de vitesse est rentable. Pour les installations anciennes, lorsque les moteurs ont été surdimensionnés notamment, l'utilisation d'un variateur peut diviser par quatre la consommation énergétique d'un moteur. Mais leur mise en place n'est pas toujours judicieuse et dépend de différents paramètres. « Si les pertes de charge sont grandes par rapport à la hauteur géométrique de la canalisation, l'installation d'un variateur de vitesse devient intéressante », considère Thomas Fauvel, chef de marché eau et industrie chez Grundfos. LES VARIATEURS DE VITESSE EN QUESTION En outre, plus le nombre d'arrêts et démarrages est grand, plus la mécanique est soumise à rude épreuve. Dans ce cas, l'installation d'un variateur permet à la fois le réduire le nombre d'arrêts et de soulager l'équipement. « L'inconvénient est le risque de courants parasites sur les lignes électriques et de courants induits dans certains roulements conduisant à une réduction de leur durée de vie, poursuit Thomas Fauvel. Il faut aussi veiller régulièrement à forcer la pompe à fonctionner à 100 % pour nettoyer l'installation et décrasser la pompe ».Aujourd'hui, seulement 10 % des moteurs, tous secteurs confondus, sont couplés à un variateur. Le gisement d'économie est donc colossal. En plus du rendement, la conception des équipements joue sur la consommation énergétique. Sur l'hélice d'un agitateur, par exemple, il est prouvé que son diamètre a plus d'influence sur la puissance à l'arbre que la vitesse de rotation. Salmson a travaillé récemment sur le design de ses agitateurs EMU TR 226 et TR 326 en revoyant la construction de l'hélice. Comparée avec un choix d'investissement minimal (3,64 W/m3), la différence de consommation énergétique avec ces nouveaux agitateurs Salmson (1,7 W/m3) atteindrait 30 000 euros si l'on considère une station avec quatre bassins d'un volume de 2 950 m3, sur la base d'un prix de l'énergie de 0,15 euro/kWh (durée annuelle de fonctionnement de 8 760 heures). De son côté, KSB propose depuis longtemps un rognage des roues sur ses pompes industrielles monoétagées. Cette intervention consiste à réduire le diamètre extérieur de la roue pour que les caractéristiques hydrauliques de la pompe correspondent exactement à celles requises par l'installation. « Le rognage des roues peut engendrer des économies d'énergie à hauteur de 10 % sur un équipement », garantit Michel Oddoux, responsable communication de KSB. Outre la conception optimisée sur ses modèles standard, KSB Allemagne a décidé de lancer un nouveau service, baptisé Service efficacité système ou encore « L'homme à la valise » (voir p. 40). Prévu en France à court terme, ce service est réalisé sur demande du client ou sur proposition de KSB. Il consiste à étudier la consommation des pompes et des installations d'un parc existant sur la base de relevés et de comparaisons à partir de valeurs de référence KSB, « même sur des pompes installées par d'autres fabricants », ajoute Michel Oddoux. En Allemagne, ce service est proposé gratuitement. Des interventions pour l'amélioration des équipements sont ensuite vendues, facturées de façon étalée par rapport aux gains de retour sur investissement. « Une façon d'inciter nos clients à la démarche en les assurant des économies réalisables », conclut-il. LA MODE DU SERVICE D'EXPERTISE Autre service également gratuit et proposé cette fois par le fournisseur de logiciels de supervision Areal. En mai 2009, la société lançait un nouveau composant spécifique pour les systèmes de pompage : le pack EMC (pour Energy Monitoring and Control). Ce module peut être intégré dans l'outil de supervision Topkapi existant ou neuf. « En 2004, nous avions déjà lancé un composant similaire, mais uniquement applicable au bâtiment. Depuis, nous avons optimisé l'outil en facilitant son utilisation, pour l'étendre à d'autres systèmes énergivores comme les stations de pompage », résume Arnaud Judes, responsable communication chez Areal. Le Pack EMC permet à partir de données brutes de base de vérifier si une station nouvellement installée a bien été dimensionnée et si ses caractéristiques sont conformes aux performances annoncées par les constructeurs. Sur une station déjà en place, il vérifie si le paramétrage des données est optimisé, en se focalisant sur trois données universelles. L'énergie unitaire exprimée en kWh/m3/m est utilisée pour comparer les installations entre elles. L'énergie volumique absorbée réelle (exprimée en kWh/m3) et le volume spécifique pompé (exprimé en m3/kWh) permettent eux d'avoir un accès direct au coût de l'énergie active pour chaque mètre cube d'eau pompé. Recalculé en permanence, ces indicateurs surveillent les dérives de fonctionnement par rapport à l'état optimal, calculé à partir des données brutes de base (compteur de consommation électrique, débit, pression), et de comparer les équipements entre eux. Aucun paramétrage de mise en oeuvre n'est nécessaire, ces indicateurs ne dépendant que du rendement de la pompe, du système de transmission et des caractéristiques du moteur. « Le problème avec les stations de pompage est qu'elles sont le plus souvent surdimensionnées sous prétexte de sécuriser le fonctionnement. Avec notre outil, la collectivité pourra vérifier si le coût énergétique total facturé ne peut être revu à la baisse », annonce Arnaud Judes. LA RÉGULATION PRÉDICTIVE Alain Bondoux, directeur distribution et services de Leroy Somer, appuie ces solutions développées par les superviseurs : « C'est une approche complémentaire. Nous travaillons sur la consommation directe de la pompe à partir de relevés techniques. Les surperviseurs, eux, suivent la consommation en continu ». Comme Areal, Leroy Somer a en effet lancé cette année un service d'expertise en optimisation énergétique qui est pour sa part centré sur les systèmes d'entraînement. En partenariat avec leurs centres de services labellisés ou parfois même directement avec les installateurs, la société propose un suivi des performances grâce à l'utilisation d'appareils de maintenance prédictive (contrôle thermographique, analyse vibratoire, vérification par lignage laser...). Après l'audit, le client se voit proposer des solutions d'optimisation telles que les variateurs de fréquence ou les moteurs à aimant. « Les économies envisageables sont de l'ordre de 40 % au niveau des pompes, un peu moins pour les compresseurs sauf s'ils sont centrifuges », garantit Alain Bondoux. En plus des variateurs de vitesse et du suivi des consommations électriques via la supervision, la société Rockwell Automation préconise la régulation prédictive des équipements. « Aujourd'hui, l'ère de la régulation unique par le proportionnel intégral dérivé (PID), qui correspond à une régulation classique, est révolue », annonce Olivier Vallée, responsable du marché process chez Rockwell Automation. Selon lui, la régulation classique sur des appareils de mesure comme le pH est depuis toujours mal adaptée et l'exploitant est obligé d'optimiser le traitement, donc de surconsommer, pour garantir un haut niveau qualité. Sa société propose donc des automates plus performants qui intègrent désormais les fonctions de régulation prédictive et garantissent ainsi un fonctionnement optimal de ces boucles complexes. Rockwell Automation travaille en partenariat avec l'instrumentier Endress+Hauser depuis deux ans pour rapprocher les mesures de qualité avec la gestion du traitement. « Lorsque le pH varie, le PID classique est instable et pilote les vannes en permanence, ce qui a pour conséquence d'user plus rapidement les équipements et de consommer beaucoup d'énergie, détaille Olivier Vallée. Grâce à la régulation prédictive intégrée dans les automates, le PID devient plus intelligent. » Mais il reconnaît que Rockwell Automation n'a rien inventé. « Nous avons intégré dans nos automates les fonctions des systèmes numériques de contrôle commande, mais avec le strict nécessaire, contrairement aux autres fournisseurs qui proposent des systèmes plus complets, mais plus chers. » Depuis longtemps, les traiteurs d'eau mettent en oeuvre leurs propres démarches d'audit suivies d'actions correctives, mais Guillaume Arama, délégué au développement durable chez Veolia Eau, reconnaît qu'il leur est impossible de se fixer des objectifs à long terme. « En tant que délégataire de service public, nous représentons une force de proposition au niveau technique, mais la plupart des décisions restent dans le cadre politique », rappelle-t-il. Au niveau de la régulation, Veolia Eau propose par exemple l'outil Amonit pour minimiser l'aération des bassins de boues activées. COMMUNIQUER POUR MIEUX SENSIBILISER « Une de nos premières applications d'Amonit sur la station d'épuration de L'Isle-Jourdain (Gers) en 2007 a permis d'économiser 20 % sur l'aération et 10 % sur la consommation d'électricité totale de la station », se réjouit Guillaume Arama. Cet outil s'inscrit dans une logique plus générale d'optimisation des règles d'exploitation sur les aspects énergétiques. « Aujourd'hui, plus de 70 % des projets de recherche menés par Veolia Environnement intègrent une finalité énergétique et gaz à effet de serre (GES) », commente François Vince, expert énergie et GES chez Veolia Environnement Recherche & Innovation. « Sur les usines de production d'eau potable, après avoir optimisé en priorité le pompage et l'ozonation, nous ciblons maintenant les autres postes consommateurs d'énergie. Car c'est par une série de petites actions que l'on réussira à économiser », ajoute Guillaume Arama. Au niveau des filtres des stations d'eau potable, par exemple, Veolia Eau a réussi à diminuer de moitié la quantité d'eau perdue lors du rétrolavage, et par conséquent réduit de 1 % la consommation électrique pour produire de l'eau. Autre exemple qui concerne les procédés d'osmose inverse : « Il y a dix ans, nos procédés consommaient 8 à 9 kWh d'électricité par mètre cube d'eau de mer dessalée. Aujourd'hui, ce chiffre est divisé par trois, et nous espérons encore le diviser par deux d'ici cinq à dix ans », annonce François Vince. INVESTIR POUR ÉCONOMISER Tous ces investissements visant à économiser l'énergie ont évidemment un coût. Dans le domaine des pompes, Grundfos reconnaît qu'opter pour du matériel équipé de moteur à haut rendement EFF1 peut parfois représenter un investissement supplémentaire. Pour cette raison, la société communique beaucoup autour des systèmes plus respectueux de l'environnement, au travers notamment du programme européen EcoPump sous l'initiative de l'association de constructeurs européens de pompes Europump. « Aujourd'hui, seuls les circulateurs de chauffage vendus en très grand nombre dans le monde, ont le label énergie qui garantie un bon rendement énergétique. Au travers d'Europump, nous poussons à l'application de ce label à tous les systèmes de pompage. Même si, au départ, le coût est plus élevé, le client a tout à y gagner », soutient Thomas Fauvel. Selon ce dernier, le choix ne se fait plus qu'en fonction du critère économique. « Paradoxalement, même si le discours autour de l'environnement et des économies d'énergie est tenu par les grosses stations, c'est souvent dans les petites communes que sont appliqués ces types de solutions. Les temps de décision plus courts et le facteur de prise de risque moins important par rapport à la nouveauté des matériels facilitent la mise en place de ces équipements .» Deux logiciels - WinCaps et WebCaps - sont d'ailleurs mis à disposition par Grundfos aux donneurs d'ordre pour les aider dès le stade de l'appel d'offres. « Si l'on a les données techniques des concurrents, on peut aider à la prise de décision en prenant en compte toutes les caractéristiques de la station et les éléments du coût global. Ces logiciels veulent être des outils transparents », résume Thomas Fauvel, chef de marchés industries et eaux de Grundfos. Il donne l'exemple suivant : sur une canalisation de 150 mètres de long, de 3 mètres d'élévation, avec un débit de 20 m3/h, si le diamètre de la canalisation choisi est de 65 mm, la consommation estimée de la pompe sera de 2 700 kW/h, contre 5 240 kW/h pour un diamètre de 55 mm. « Il n'est donc pas toujours judicieux de faire des économies sur le diamètre de la canalisation. Cela, les gens des bureaux d'études le savent bien, mais c'est toujours mieux si l'on a un outil pour le mettre en évidence », conclut Thomas Fauvel.