Pompage des eaux usées : Grundfos propose une approche de la classe eaux usées IE3

Aujourd'hui, les pompes consomment pas moins de 10 % de la production mondiale d'électricité et l'on considère que deux tiers de ces pompes utilisent jusqu'à 60 % d'électricité en trop. Si toutes les entreprises utilisaient des systèmes de pompage à haut rendement énergétique, les économies réalisées au niveau mondial pourraient s'élever à 4 % de la consommation totale en électricité, ce qui représente la consommation d'un milliard de personnes en zone résidentielle. Par conséquent, réduire les dépenses en énergie en développant des moteurs électriques à plus haut rendement est devenu une priorité pour les fabricants, les exploitants comme pour le législateur. La classification IE3 d'une pompe de relevage : impossible à attester Ces dix dernières années, de gros efforts ont été réalisés au niveau mondial, pour harmoniser les différentes normes en vigueur. La Commission électronique internationale (CEI) a collaboré avec, entre autres, des organisations internationales comme la NEMA, le CEMEP, l'IEEE, ce qui a permis d'aboutir à la publication de deux normes majeures : ? la norme CEI 60034-2-1 (Ed. 1.0): Machines électriques tournantes, Partie 2-1 : méthodes normalisées pour la détermination des pertes et du rendement à partir d'essais (à l'exclusion des machines pour véhicules de traction, 2007), décrivant les méthodes utilisées pour déterminer le rendement d'un moteur. ? la norme CEI 60034-30 : Machines électriques tournantes, Partie 30 (Ed.1.0) : classes de rendement pour les moteurs à induction triphasés à cage, mono vitesse (Code IE), définissant les classes d'énergie pour les moteurs à induction. « Il existe deux façons de déterminer le rendement d'un moteur électrique, « explique Mikael Nedergaard, responsable produits monde chez Grundfos Holding A/S. « La première consiste en une méthode directe reposant sur la mesure de la puissance absorbée à partir de la tension et l'intensité fournies, ainsi que sur la mesure de la puissance de sortie à partir de la vitesse de rotation et du couple de serrage. La deuxième est une méthode indirecte qui nécessite la mesure de la puissance absorbée et le calcul des pertes totales par la mesure et la sommation des pertes des différents composants. Cette méthode indirecte peut uniquement être utilisée pour les moteurs triphasés. » Dans sa forme actuelle, la norme de classification CEI 60034-30 pour moteurs à induction triphasés à cage mono-vitesse définit trois niveaux d'efficacité énergétique : ? IE3 : rendement Premium (équivalent au « NEMA Premium ») ? IE2 : haut rendement (équivalent au « NEMA Energy Efficient ») ? IE1 : rendement standard (équivalent à l'ancien CEMEP EFF2) 2014 devrait voir apparaître la nouvelle norme CEI 60034-30-1 définissant le 4ème niveau de rendement, l'IE4, rendement super Premium. Celle-ci remplacera l'actuelle norme CEI 60034-30. « Le niveau de rendement IE2 a été imposé par la directive Écoconception en juin 2011 et à partir de janvier 2015, tous les moteurs affichant une puissance de 7.5 à 375 kW ne pourront pas avoir un rendement inférieur au niveau IE3 ou devront atteindre le niveau IE2 s'ils sont équipés d'un variateur de vitesse, » explique Robert Bork Hansen, spécialiste produit monde chez Grundfos Holding A/S. « Ces exigences s'appliquent aux moteurs à induction triphasés mono vitesse 2, 4 et 6 pôles de moins de 1000 V et sur la base d'un fonctionnement en continu. Les moteurs conçus pour fonctionner entièrement submergés dans un liquide ou les moteurs entièrement intégrés dans un produit où le rendement énergétique du moteur ne peut être testé de façon indépendante du produit n'ont donc pas été inclus, ce qui n'est pas sans répercussion. La question méritant alors d'être posée est la suivante : une pompe dotée d'un moteur intégré conçu pour être noyé dans l'eau, telle qu'une pompe de relevage, peut-elle être décrite comme ayant le rendement demandé par les classifications IE2 ou IE3 ? Étant donné que le moteur ne peut être testé séparément de la pompe, en grande partie parce qu'il n'existe ni connexion normalisée, ni système de refroidissement défini, ni même une méthode d'essai établie, la réponse est obligatoirement « Non ». « En théorie, tester un moteur de pompe de relevage des eaux usées devrait se révéler assez simple, le moteur comprenant un arbre dont on peut tester le couple de serrage et la puissance, » indique Leo Andersen, responsable de programme régional chez Grundfos Holding A/S. « Cependant, ce sont des problèmes comme le refroidissement, la ventilation et la puissance utilisée pour refroidir le moteur qui devraient faire l'objet de procédures d'essai. Il existe deux autres éléments qui peuvent contribuer à analyser les besoins en énergie de l'arbre du moteur, ce sont les pertes par friction des garnitures mécaniques et les pertes par friction du roulement, résultant de l'utilisation de roulements à contact oblique. Les pompes de relevage utilisent en général un système de garniture mécanique double permettant d'empêcher les fuites du liquide pompé vers le moteur. » « Il faut également prendre en compte l'installation, poursuit Leo Andersen. Par exemple, selon qu'il est installé en milieu sec ou en milieu humide, un même moteur présentera des rendements différents. Pour résumer, ce sont toutes les pertes d'un système qui nécessiteraient une méthode d'essai clairement définie, mais pour ce faire, il faudrait mettre en place un équipement capable de reproduire l'installation.» La fiabilité de fonctionnement et un meilleur rendement sont deux notions auxquelles les exploitants sont particulièrement attachés. Une fois la pompe installée, ils ne souhaitent pas y toucher. Mais ils sont prêts à faire des concessions sur le rendement si celle-ci est moins sujette aux pannes. Le rendement est une question qui touche tous les utilisateurs de pompes du secteur des eaux usées. Elle les préoccupe d'autant plus que le moteur de la pompe est plus volumineux. Faire en sorte que toutes ses pompes de relevage des eaux usées présentent le plus haut degré d'efficacité énergétique totale, est l'un des principaux objectifs de Grundfos. ?Si un appel d'offres spécifie que les pompes de relevage doivent répondre aux normes IE3, aucun fabricant ne sera en mesure de fournir ce type de pompe puisqu'aucune norme n'est pas, à ce jour, applicable. La solution de Grundfos : se concentrer sur le rendement total de la pompe Comme il est impossible de déclarer qu'une pompe de relevage comprenant un moteur intégral est conforme à la classification IE2 ou IE3, Grundfos propose une solution qui lui paraît couvrir la question du rendement de la pompe et du moteur. Les pompes de relevage SE1/SEV et SL1/SLV intègrent à présent dans leur corps les composants électriques internes du moteur IE3, c'est à dire le rotor et le stator. « La différence entre un moteur de pompe de relevage et un moteur IE3 conventionnel réside essentiellement dans le choix des roulements, des garnitures mécaniques et l'absence de ventilation comme décrit ci-dessus, » explique Robert Bork Hansen. « En milieu humide, le refroidissement est « généré » par le fluide dans lequel la pompe est submergée. Les rotor et stator des moteurs IE3 Grundfos sont certifiés par des essais type et conformément à la norme sur les moteurs totalement fermés et ventilés. Ces moteurs sont donc en pratique conformes à la classification IE3. Cependant, changer les roulements, ajouter une garniture mécanique à l'arbre et un mode de refroidissement suffit à rendre caduque la conformité avec le classement IE3. » La raison principale pour laquelle aucune norme de rendement concernant les pompes de relevage n'a encore vu le jour est certainement dû au fait que les fabricants, le législateur et les rédacteurs de normes voient les moteurs de pompes de relevage comme une unité distincte et non comme une unité intégrée à la pompe. Ils ont par conséquent des difficultés à définir les pertes par friction du moteur ainsi que son rendement. Les fabricants de pompes qui prétendent que leurs pompes de relevage sont conformes au classement IE3 trompent leurs clients. Si un appel d'offres spécifie que les pompes de relevage doivent répondre aux normes IE3, alors aucun fabricant ne peut fournir ce type de pompe puisqu'il n'existe aucune norme applicable portant sur les définitions de rendement des pompes de relevage avec moteurs intégrés. Employer les composants électriques d'un moteur IE3 et les installer dans une pompe de relevage fournit certaines informations sur le niveau de rendement de l'unité du moteur dans son ensemble. Mais cela ne renseigne pas sur les valeurs spécifiques, les pertes par friction dans une pompe de relevage puisque différentes de celles observées dans une pompe standard. Cela ne renseigne pas non plus sur la partie hydraulique, alors que c'est, bien souvent à ce niveau que les gains les plus importants en matière de rendement pourraient être réalisés. « Pour obtenir le meilleur rendement dans un système de pompage, la pompe sélectionnée doit présenter un BEP (point de rendement maximal) correspondant le mieux possible à son point de consigne, » indique Mikael Nedergaard. « Le BEP dépend des caractéristiques de la pompe, c'est à dire de sa puissance, de son débit et de la hauteur manométrique. Il correspond au point de la courbe de la pompe qui indique le meilleur rendement en fonctionnement. Il faut également se souvenir que le rendement de la pompe sera moins bon si la pompe fonctionne à un régime éloigné de son BEP. » Grundfos considère qu'au lieu de se concentrer exclusivement sur le rendement du moteur, les fabricants, et utilisateurs finaux devraient se tourner vers le rendement total de la pompe défini par la norme ISO 9906 : 2012 « Pompes rotodynamiques - Essais de fonctionnement hydraulique pour la réception », ou la norme NS/HI 11.6.2012 « Performance acceptance test for rotodynamic submersible pumps » (Essais de fonctionnement pour la réception des pompes rotodynamiques submersibles) lorsqu'ils abordent la question des pompes de relevage et des pompes à moteur immergé. Tout aussi important pour le rendement des moteurs de pompe, l'hydraulique est un aspect présentant de bien meilleures possibilités d'amélioration du rendement des pompes. En l'absence d'une norme d'efficacité énergétique appropriée pour la pompe, il paraît inévitable que les fabricants et les fournisseurs mettent en avant la relation avec l'IE3. La situation commence à évoluer, et Europump débat actuellement des propositions faites en vue de la rédaction d'une norme appropriée pour les pompes. L'impulsion en faveur de l'établissement d'une norme convenable ne peut venir exclusivement des fabricants de pompe, elle doit également être donnée par des politiques, et par des organismes de réglementation. « Ces dernières années, une norme énergétique a vu le jour pour les petits circulateurs qui, à l'instar des pompes de relevage et submersibles, possèdent un moteur et un arbre intégré à leur corps ne pouvant être testés séparément, » remarque Mikael Nedergaard. « Europump, l'association professionnelle des fabricants de pompes, et divers fabricants de pompes ont établi une norme appuyée par l'UE. Cette norme fait la distinction entre sept classes d'économie d'énergie. L'indice d'efficacité énergétique (EEI) du circulateur est calculé d'après son profil de charge annuel ; le circulateur est étiqueté ensuite en fonction de son efficacité énergétique. L'introduction de l'étiquetage énergétique permettra à l'utilisateur final de comparer des produits et de préciser le type de pompe le plus approprié pour son installation. » Si cela peut être fait pour les circulateurs, il paraît évident qu'une norme énergétique reconnue sur le plan international peut également voir le jour pour les pompes de relevage. L'industrie de traitement des eaux usées se tournant vers des stations de traitement toujours plus importantes et performantes nécessitant de plus grosses pompes, les coûts liés à l'énergie devraient également augmenter de façon significative. L'industrie de la pompe et les organismes de réglementation devront réagir en conséquence et investir dans un régime d'essais pouvant donner aux utilisateurs finaux l'information dont ils ont besoin. Bryan Orchard Grundfos