Des solutions pour une agitation économe en énergie

L’agitation est une étape essentielle dans de nombreuses applications, du traitement des eaux usées aux procédés industriels. Elle permet de remettre en suspension les particules d’un bassin d’eaux pluviales avant de le vidanger, de mélanger des réactifs, d’homogénéiser un mélange, d’éviter la décantation, de mettre en mouvement des boues activées, etc.

Selon les applications, la nature et les quantités de fluides à déplacer, les besoins sont multiples d’où la très grande variété d’agitateurs proposés sur le marché par les fabricants comme Xylem, Sulzer, Grundfos, KSB, Wilo-Emu, Axflow, Atlantique Industrie, Isma, Ozeau, Milton Roy, TMI, Mixel, Faivre ou encore Aquago.

Les produits vont du mixeur grande vitesse de rotation et petites hélices aux agitateurs grandes pales tournant à faible vitesse en passant par les agitateurs à arbre.

Les améliorations permanentes réalisées par les fabricants sur les profils de pales et le rendement des moteurs fait qu’aujourd’hui il est possible de réduire la consommation électrique de ces équipements de manière substantielle.

Des produits de plus en plus performants

Même si les agitateurs comptent pour une faible part de la consommation électrique d’une station d’épuration, leur nombre et leur utilisation en continu rend de plus en plus intéressantes économiquement les avancées réalisées par les constructeurs, avec des rendements de 30 à 50 % supérieurs aux machines classiques.

Les retours sur investissement sont plus rapides, rarement au-delà de 2 à 3 ans, ce qui est appréciable pour des appareils dont la durée de vie moyenne est de 10 à 15 ans. « Les acteurs sont de plus en plus convaincus de la nécessité d’adopter des solutions économes en énergie mais l’aspect financier reste le plus important, déplore Ludivine Decouttere, ingénieur produits-Solutions chez Xylem. Sur un marché parvenu à maturité, centré plus spécialement sur le renouvellement et la réhabilitation, le coût à l’achat prime encore souvent sur le coût d’exploitation ».

Une attitude fréquente dans le cadre des délégations de service public que confirme Michel Leromain, responsable support technique et business développement chez Sulzer. « La durée résiduelle des contrats excède rarement 5 ans ce qui encourage les raisonnements de court terme. Un allongement substantiel de ces contrats inciterait à privilégier des équipements plus chers à l’achat mais bénéfiques énergétiquement sur le long terme. Il n’y a qu’à voir au Royaume Uni où les contrats courent sur 99 ans. Les politiques en termes d’équipements sont très différentes !".

Les grands agitateurs submersibles offrent les plus grands rendements énergétiques

Les agitateurs les moins gourmands en énergie sont les agitateurs à grandes pales qui tournent lentement.

Plus grandes sont les pales et plus elles tournent lentement, meilleur est le rendement. Trois pales au lieu de deux permettent de réduire la dimension des pales pour une poussée équivalente et d’être moins sensible aux efforts en bout de pales en cas de vitesse différente de part et d’autre de l’agitateur.

La norme ISO 21 630, publiée en 2007, définit le rapport de la poussée sur la puissance absorbée, exprimé en Newton par kiloWatt, et permet de comparer l’efficacité énergétique des agitateurs de même gamme. Plus ce rapport est grand, plus la consommation énergétique est optimisée. Les agitateurs à grandes pâles offrent aujourd’hui des coefficients de performance pouvant atteindre 3000 N/kW.

L’agitateur grandes pâles est idéal pour le brassage dans les bassins d’anoxie et d’anaérobie, les digesteurs et pour propulser les effluents dans les bassins d’aération.

La plupart des constructeurs proposent des gammes étendues d’agitateurs avec hydraulique des pales optimisée et moteurs à haut rendement, avec ou sans variateur de fréquence pour ajuster la vitesse de rotation aux besoins.

AxFlow commercialise une hélice autonettoyante, développée par le fabricant américain Lightnin, pour contrer le problème croissant des filasses qui s’accumulent autour des hélices, entraînant des balourds et des vibrations et, en conséquence, réduisant l’efficacité des agitateurs et augmentant les coûts de maintenance. Contrairement aux pales profilées, cette hélice comporte trois pales arrondies et plates dont les extrémités forment une forte déclivité.

Elle offre les mêmes performances hydrauliques que les autres et peut se monter sur n’importe quel agitateur grâce à une adaptation possible des montages en fonction de l’arbre du client.

KSB propose de son côté sa gamme Amaprop équipée d’une hélice monobloc à deux pales, de diamètre compris entre 1 000 et 2 500 mm, qui tourne de 24 à 208 t/mn. Le moyeu métallique de l’hélice est enveloppé dans une résine époxy chargée de fibre de verre qui reprend efficacement les efforts .

Les moteurs submersibles, d’une puissance allant de 1,25 à 20 kW, conjugués à une hélice totalement optimisée pour assurer le meilleur rendement, développent jusqu’à environ 5 000 N de poussée.

Cet agitateur existe aussi en version anti-déflagration ATEX et peut être installé sur un support en béton cellulaire, baptisé Amaroc, qui reprend l’ensemble des contraintes sans risque de casse.

La nouvelle gamme d’agitateurs (SMD et SMG) et d’accélérateur de courant (SFG) de Grundfos offre également un rendement amélioré grâce à une optimisation hydraulique et des composants moteur IE3.

Elle intègre des fonctionnalités avancées qui prolongent leur durée de vie et minimise la maintenance. En particulier, ces appareils sont protégés de fuites éventuelles par une double étanchéité à l’entrée de câble et la présence d’un capteur d’eau dans l’huile.

Visant des applications en traitement de l’eau mais également en agriculture et dans l’industrie, la gamme se décline en acier inoxydable ou en polyuréthane de diamètre 160 à 2 660 mm et des vitesses de 25 à 1 500 t/mn avec des poussées de 360 à 6570 N. Elle convient à des températures jusqu’à 40 °C, un pH de 4 à 10, une densité maximum de 1 060 kg/m3 et une viscosité dynamique de 500 mPa.s. Grundfos propose également des solutions de surveillance à distance et des entraînements à fréquence variable pour accroître l’efficacité des traitements.

De plus en plus d’appareils sont équipés de moteurs à aimants permanents, une technologie adoptée par Sulzer dès 2010 avec ses agitateurs submersibles de la gamme XRW pour des vitesses intermédiaires et des puissances de 3 à 10 kW.

Une étude comparative, réalisée en 2015 et mise en avant par le constructeur, montre que pour des hélices et des poussées équivalentes, le XRW permet une économie de 1 270 € annuel pour un fonctionnement 24h/24 par rapport au RW 6533 de Sulzer et de plus de 2000 € par rapport à un appareil comparable du marché. « L’intérêt de ce moteur est que son rendement se maintient quelle que soit la puissance délivrée, explique Michel Leromain. Nos agitateurs conservent ainsi un rendement supérieur à 91 % avec le variateur de fréquence (93 % sans le variateur)".

Ce moteur n’est cependant économiquement intéressant que pour les agitateurs qui tournent lentement. Le gain de rendement que l’on pourrait obtenir sur les agitateurs rapides est trop faible par rapport au surcoût d’investissement nécessaire.

Son principal inconvénient néanmoins est que l’exploitant ne peut pas réaliser lui-même sa maintenance, à moins d’être équipé en outils amagnétiques et de disposer d’un local adapté ». Cette offre est complétée par les grands agitateurs de la série XSB, avec moteur asynchrone IE3 de 1 à 7,5 kW et des pales de 900 à 2 750 mm de diamètre et de flux maximum de 22320 m3/h. La prochaine étape d’amélioration des moteurs asynchrones passera pour cet industriel par le coulage des rotors en cuivre.

Sulzer est en mesure de proposer des solutions inédites, adaptées aux besoins de ses clients. Le fabricant a actuellement en projet , pour un digesteur au Maghreb, le remplacement des 3 draft tubes d’origine de 45 kW par 3 grandes pales de 4 m de diamètre qui tournent à 12 tours/mn pour une consommation de 2 kW. Cela représente un gain important sur la consommation électrique et la durée de vie du matériel mais surtout sur le rendement du procédé car les grandes pâles assurent une meilleure homogénéité du mélange et, par conséquent, de la production de biogaz.

Xylem propose pour sa part ses agitateurs Flygt dont le dernier modèle, le 4320, commercialisé depuis un an, a été présenté officiellement à Pollutec 2016. Le Flygt 4320 existe en version deux ou trois pales avec une gamme de diamètres allant de 1,4 (min 600 N/kW) à 2,5 mètres (min 1500 N/kW), au profil “banane” offrant de hautes performances hydrauliques et une propriété d’auto-nettoyage. Le fabricant affiche une réduction de 50 % de la consommation électrique par rapport aux agitateurs classiques. Il est adapté à la création de courants de circulation horizontaux, comme dans les bassins d’aération ou les grands bassins annulaires d’anaérobie ou d’anoxie.

L’innovation la plus importante sur ce nouvel agitateur concerne son moteur asynchrone à aimants permanents, dont le rendement est meilleur que les moteurs classiques et équivalent IE4, et l’intégration d’un variateur de vitesse dans le bloc moteur. « L’intégration du variateur dans le moteur est une caractéristique unique sur le marché, souligne Ludivine Decouttere chez Xylem. Cela simplifie la mise en place de l’agitateur, et supprime les systèmes de chauffage ou de refroidissement nécessaires pour assurer une température constante dans les armoires électriques ». Le variateur permet d’ajuster la poussée aux variations de débit ou aux fluctuations saisonnières (eaux usées, boues activées, cuves de stockage, digesteurs, oxygénation des eaux de surface) et de réduire ainsi la consommation d’énergie.

Il se pilote manuellement ou à distance par une communication Modbus et s’accompagne d’une commande de démarrage et arrêt progressifs qui augmente la stabilité du système. Il est aussi possible d’intégrer un programme dans son automatisme qui définit les vitesses optimales correspondant à chaque étape de fonctionnement du bassin. « Xylem travaille actuellement pour développer l’intelligence autonome de ses agitateurs, de façon similaire au premier système de pompage avec intelligence intégrée que nous avons présenté à Pollutec 2016 ».

Les autres fabricants comme Sulzer, KSB ou Grundfos ont opté pour l’installation du variateur à l’extérieur du bassin. « Le variateur externe présente le très gros avantage de supprimer le risque d’infiltration d’eau dans cette partie électronique sensible en cas de problème sur l’agitateur,affirme Michel Leromain chez Sulzer. Nous avons des agitateurs qui tournent depuis 2011 en Alsace avec un variateur étanche IP67 sur la passerelle et cela fonctionne très bien ».

Xylem rappelle néanmoins que ces craintes avaient déjà été soulevées alors qu’apparaissaient les premiers moteurs électriques submersibles.

Des moteurs Premium pour les agitateurs rapides

Certaines applications requièrent des turbulences ou du cisaillement pour maintenir des particules en suspension ou homogénéiser un mélange. C’est le cas de certains procédés dans les step, les bassins de stockage de graisses ou de matières de vidange, ou bien pour des applications industrielles qui nécessitent de surcroît des options pour effluents chauds ou corrosifs.

C’est là l’affaire des agitateurs rapides ou semi-rapides, compacts avec moteur à démarrage direct, équipés d’hélices courtes qui tournent vite en bout d’arbre ou bien en version immergée. Le rendement des agitateurs compacts et rapides est de 300 à 400 N/kW et celui des semi-rapides aux alentours de 700 N/kW. Xylem, Sulzer, KSB, Grundfos ou Milton Roy utilisent des moteurs asynchrones optimisés qui correspondent au moins à la classe IE3, selon la norme CEI 600034-30 pour les moteurs d’une puissance nominale de 7,5 à 375 kW.

Dans les unités de traitement des eaux usées, les agitateurs rapides submersibles sont utilisés dans les postes de tête pour éviter les dépôts dans les bâches de pompages afin d’assurer un bon écoulement des fluides, dans les zones de contact des bassins biologiques afin que les effluents entrant se mélangent rapidement avec ceux du bassin.

Aujourd’hui ces agitateurs rapides sont également utilisés dans les zones d’anoxie et d’anaérobie d’une très grande majorité des usines alors qu’un agitateur à grandes pâles serait beaucoup plus économique lorsque la dimension du bassin permet son installation. En effet, le brassage, destiné à éviter la sédimentation, ne nécessite que quelques W/m3.

Ils sont également utilisés pour les bassins d’aération lorsque la taille des bassins est insuffisante pour y installer des grandes pâles. « Nous déconseillons néanmoins les petits agitateurs rapides pour les digesteurs car les effluents ne sont pas homogènes, avec la présence de morceaux et la formation de croûtes ou de mousse qui peuvent endommager les appareils, précise Michel Leromain. Il est préférable d’installer dans ce cas plusieurs niveaux de pales avec une grande hélice submergée et une petite hélice près de la surface pour casser la croûte et la faire couler avant d’être reprise par la grande pâle et dispersée dans le bassin. Dans les très gros digesteurs on peut conseiller un agitateur vertical supplémentaire pour casser la mousse dans la zone de la sortie du gaz ».

KSB propose le modèle submersible Amamix adapté à une grande variété d’applications. Les diamètres de l’hélice vont de 225 à 630 mm, les vitesses de 475 à 1 400 t/mn, avec des puissances de 1,25 à 10 kW. Son étanchéité est assurée par deux garnitures mécaniques en carbure de silicium et un joint à lèvres. Trois capteurs thermiques et une sonde d’humidité permettent de surveiller l’état du moteur.

Isma commercialise des agitateurs d’une toute autre conception, les Turbostar réalisés par la société Fuchs. Ils fonctionnent sur le principe de la vis hélicoïdale, avec un arbre à prise directe sur le moteur, sans paliers réducteurs, et une maintenance réduite à un jeu de roulement toutes les 25 000 heures.

Le Turbostar permet un brassage horizontal efficace avec une poussée axiale de 150 N/kW. Il est monté sur flotteurs, sur voile de bassin, sur passerelle ou sur pont brosse et assure la circulation horizontale de l’eau usée. Il est composé d’un moteur refroidi par air en position de montage B 35, d’un accouplement, d’un tube d’aération en acier inoxydable étiré et d’une hélice en forme de vis sans fin. Le tube d’aération est en prise directe au moteur.

L’ensemble est protégé par deux demi-coques en fibre de verre. Le principe de fonctionnement de l’appareil évite tout phénomène de batillage, de formation de vagues et d’aérosols.

La gamme s’étend de 1.5 à 11,0 kW. La version immergée de l’agitateur, le Turbostar Sub, est utilisée en bassin d’eau pluviale, en bassin tampon, dans les épaississeurs fonctionnant de façon intermittente, dans les silos à boues pour obtenir une homogénéisation optimale. La gamme s’étend de 1,5 à 5,5 kW.

Brassage par mouvement inversé

Une autre technologie, encore peu répandue en France avec 200 machines installées depuis 10 ans, est fabriquée par Inversions Technik et commercialisée par Ozeau, DMD Environnement et ACTE.

Cet agitateur fait l’économie de l’hélice qui est remplacée par un oloïde, une forme géométrique asymétrique correspondant à l’enveloppe convexe de deux cercles orthogonaux passant chacun par le centre de l’autre.

Cet oloïde tourne en décrivant un mouvement rythmique et pulsatoire qui fait remonter les matières des profondeurs (de 3 à 6 m selon les appareils) et les renvoie parallèlement à la surface (de 30 à 300 m selon les modèles et la nature des effluents) à l’intérieur d’un cône de 30°. Il permet un brassage doux des matières, sans hachage ni déstructuration des flocs, tout en étant plus efficace que les agitateurs traditionnels. L’Irstea avait testé l’Oloïde 400 et reconnu son efficacité.

Aujourd’hui Ozeau commercialise l’Oloïde 600. Plus volumineux, il offre un débit de 1 400 m3/h pour une puissance absorbée inférieure à 500 W avec une portée de courant horizontal induit de 300 m et une profondeur optimale de 2 à 4 m. Le brassage d’un bassin plus profond, jusqu’à 10 m, peut être obtenu en ajoutant un autre oloïde en fond de bassin.

Ce dernier modèle bénéficie également de multiples améliorations par rapport au prototype, notamment une amélioration de la boîte de transmission (moins de perte de puissance sur les engrenages, meilleure durabilité, moins d’entretien, plus léger) et l’amélioration du système de flotteurs.

Chaque type d’oloïde (200, 400, 600) se décline en plusieurs produits adaptés à la nature des effluents, de l’eau claire aux boues activées en passant par l’eau salée. Ils peuvent se monter sur flotteur ou être fixés en immersion dans le bassin. À la fois peu encombrants et facilement déplaçables, leur très faible consommation d’énergie permet une alimentation par panneaux photovoltaïques dans les endroits reculés.

Le critère de choix primordial : le bassin et le process

Hors de question cependant de choisir un agitateur pour ses seules qualités propres. Les caractéristiques de l’appareil et son positionnement dépendent de la taille et de la forme du bassin ainsi que des caractéristiques des liquides, de l’action à réaliser et des autres équipements et aménagements susceptibles de modifier l’hydraulique de l’ensemble.

La position des entrées et les sorties d’effluents ont aussi leur importance car les sédiments denses, par exemple, ne sortiront pas avec la même facilité du bassin si les sorties sont situées en bas ou en haut. « Le nombre d’agitateurs nécessaires dépend lui du rapport entre la longueur du bassin et sa largeur, souligne Michel Leromain chez Sulzer. Si ce rapport est supérieur à 2,5, il faut deux agitateurs. Ensuite, la taille de ces agitateurs dépend des contraintes hydrauliques entre la position de la machine et la surface. Un niveau d’eau insuffisant entre les deux risques de créer un vortex de surface qui endommagera gravement la machine ».

L’implantation dans le bassin est primordiale car si elle n’est pas correcte, l’agitateur subit des contraintes anormales qui entraînent des avaries et des contre-performances.

Positionné très près d’un virage par exemple, il engendrera des perturbations des vitesses d’écoulement dommageables aux agitateurs. « Chaque changement brusque de direction crée un tourbillon, explique Michel Leromain. Pour un écoulement de 0,3 à 0,5 m/s, le décollement de la veine fluide sera faible pour un angle de 15° mais créera un tourbillon pour un angle de 30° ». Même sans création de vortex, une mauvaise position de l’agitateur ne permettra pas d’obtenir l’effet escompté.

« Une erreur classique dans un procédé biologique équipé de fines bulles est une implantation qui ne permet pas au flux de passer le mur de bulles et induit un flux de retour qui endommage l’appareil et met le process en péril, indique Ludivine Lecoutterre chez Xylem.C’est pourquoi nous proposons une solution plus qu’un produit. Nous faisons des préconisations qui tiennent compte de toutes les caractéristiques de l’installation du client afin que notre agitateur soit en mesure de donner le meilleur de lui-même ».

Bien souvent, les agitateurs doivent pallier des formes de bassins qui ne favorisent pas un bon écoulement des fluides. « Le problème est que souvent nous intervenons après que le gros oeuvre en béton soit terminé, déplore Michel Leromain. Il faudrait pouvoir être associé à la conception des bassins dès le début afin d’éviter les zones de dépôts. Bien souvent, du fait d’une forme inappropriée, nous sommes obligés de mettre plus de puissance ou plus de machines que ce qui serait nécessaire avec un un bassin idéalement dimensionné ».

Le choix de l’agitateur dépend également des propriétés physico-chimiques des effluents brassés. Le problème est particulièrement crucial dans le cas des boues car des polymères sont ajoutés à cette étape pour améliorer leur tenue ou leur égouttement.

Connaître la nature des polymères employés est alors primordial car ils confèrent à l’effluent des caractéristiques très différentes.

« La viscosité dynamique est un paramètre essentiel à prendre en compte, explique Michel Leromain. Sous l’effet des polymères, les effluents ne se comporteront plus comme des liquides newtoniens mais deviendront thixotropes, binghamiens, plastiques ou visco-élastiques. Les polymères thixotropes, par exemple, produisent des boues épaisses qui se liquéfient lorsqu’elles sont agitées. Il faut des hélices adaptées, sinon la zone de brassage se réduit progressivement jusqu’à ne plus former qu’une poche très liquide autour de l’hélice. Les liquides visco-élastiques ont un comportement plus curieux encore puisque, pour certaines vitesses, le cisaillement les allonge ; ils s’accrochent alors sur les machines en couches successives avant de tomber à l’arrêt de l’agitateur ».

Dernier élément important : il faut éviter le surdimensionnement qui consomme de l’énergie pour rien.

Aujourd’hui, les fabricants disposent d’outils de dimensionnement avancés et sont capables de prendre en compte tous ces paramètres (process, fluide, forme de bassin,…) pour proposer une solution répondant aux besoins spécifiques de leurs clients.

Certains comme Xylem, KSB, Grundfos ou Sulzer ont également développé des logiciels de simulation qui permettent de calculer l’écoulement dynamique dans un bassin afin de convaincre leur client du bien-fondé de leurs préconisations en cas d’aménagement nécessaire du bassin ou pour discuter un cahier des charges non réaliste.