Pompes pour réseau d'eau potable

Prélever de l’eau brute dans une nappe ou une rivière, lui faire traverser différents équipements de potabilisation puis transférer l’eau potable dans les canalisations, les réservoirs et jusqu’au robinet du consommateur, tout cela requiert des pompes. Ces organes essentiels de tout réseau d’eau potable - et par ailleurs principal poste de consommation d’énergie - sont fournis par des fabricants comme Grundfos, KSB, Sulzer, Wilo ou Xylem, mais aussi par les filiales de groupes italiens tels que Calpeda, Pedrollo, Rovatti ou Pompes Zanni pour ne citer qu’eux. 

Ce marché présente quelques particularités. D’abord, et c’est une évidence, tous les organes d’un réseau d’eau potable collectif doivent être compatibles avec l’alimentation humaine. Exigence qui, en France, se traduit par l’attestation de conformité sanitaire (ACS) obligatoire. Les pompes n’y échappent pas. Cette contrainte spécifique explique en partie pourquoi peu de fabricants de pompes industrielles sont présents sur ce marché, alors que le transfert d’eau claire ne présente par ailleurs pas de difficulté particulière. Autre contrainte forte: puisqu’il n’est pas question d’interrompre la distribution au robinet du consommateur, il faut pouvoir garantir une continuité de service pour des appareils fonctionnant 24 h/24, parfois dans des conditions difficiles. D’où une insistance sur la fiabilité. 

De la captation au robinet, différents types de pompes sont à l’œuvre. Elles assument deux grandes fonctions : le transfert d’un point à un autre, qui ne nécessite que la pression suffisante pour vaincre les pertes de charges, ou la surpression, nécessaire pour vaincre les dénivelés et assurer une pression suffisante (2 à 3 bars, en général) au robinet. Selon leur situation, les pompes peuvent être soit immergées, ou au moins submersibles, soit installées à l’abri de l’eau, ce qui permet d’utiliser des pompes «de surface» de construction plus simple. 

La plupart sont en fonte ou/et bronze mais l’acier inoxydable gagne du terrain. « La future certification de conformité sanitaire européenne privilégiera probablement l’inox » avance Nicolas Zennaro, directeur industrie, OEM et cycle de l'eau chez Wilo. Les constructeurs se mettent d’ores et déjà en ordre de marche et proposent des modèles inox, ne serait-ce que pour éviter les problèmes de corrosion. Dès lors, quelles pompes utiliser aux différents points d’un réseau? Comment minimiser la dépense énergétique? Et les coûts d’opération? De la ressource au robinet, petit tour des options techniques et des propositions des constructeurs.

Capter brute l'eau dans le milieu

Conçues pour capter l’eau dans les nappes souterraines, les pompes de forage se présentent comme des cylindres verticaux de diamètre extérieur égal au forage. Ces machines immergées doivent faire remonter l’eau de profondeurs parfois importantes, donc appliquer de fortes pressions pour vaincre le poids de la colonne d’eau. A ce propos, le métier compte souvent la pression en mètres de colonne d’eau, ou plus précisément en hauteur manométrique totale (Hmt), soit la hauteur de la colonne d’eau que la pompe est capable de «pousser». En première approximation, dix mètres d’eau équivalent à un bar. Les pompes de forages, devant parfois fournir des pressions de plusieurs dizaines de bar, sont nécessairement multicellulaires, le nombre de roues empilées augmentant avec la pression demandée.

Wilo propose sa gamme de pompes Zetos en inox 316. Disponibles en diamètres 8, 10 et 12 pouces prochainement, elles sont équipées au choix de classiques moteurs asynchrones ou de moteurs à aimants permanents, et peuvent atteindre un débit de 600 m3 /h et une pression de 60 bar. «La fabrication en inox moulé à cire perdue garantit une excellente tenue à l’abrasion. Elles acceptent jusqu’à 150 g/m3 de sable dans l’eau. Le rendement global est excellent, en particulier avec les moteurs à aimants permanents. Sur des pompes fonctionnant au moins 15 heures par jour, cela représente un gain appréciable pour le client, qui amortit très rapidement son investissement. Le revêtement Wilo-Ceram CT permet même de gagner encore quelques points de rendement. C’est une pompe unique sur le marché  qui offre des gains en économie  d'énergie importants dans un contexte énergétique sous pression » affirme Nicolas Zennaro. Les pompes de forage de Xylem sont disponibles en diamètres de 4 à 12 pouces, qu’il s’agisse des e-GS (4 pouces) ou de la série des Lowara Z (de 6 à 12 pouces). La puissance peut atteindre 350 kW, et les pompes multicellulaires peuvent fournir jusqu’à 70 bar. 

«Elles sont en acier inoxydable 304, 316 ou duplex, au choix. Ce dernier est un peu plus dur que les autres mais, de manière générale, l’inox est assez malléable, aussi utilisons-nous un système d’hydraulique flottante qui évite le contact avec les particules abrasives, ce qui permet d’accepter des eaux à haute teneur en sable. Nous insistons aussi sur la fiabilité car il vaut mieux éviter d’avoir à relever une pompe installée parfois à plusieurs centaines de mètres de profondeur !» souligne Rolland Petavy, directeur régional Sud-Est chez Xylem.

Le choix du type de pompes est plus ouvert pour le captage des eaux de surface. Il n’est pas nécessaire de fournir une forte pression. L’installation est en principe hors d’eau mais, par précaution, les exploitants optent parfois pour des pompes au moins submersibles. «Nous proposons si nécessaire des pompes submersibles pour la prise d’eau en rivière, ainsi que des pompes à ligne d’arbre - verticales, hydraulique noyée et moteur en surface – pour les barges flottantes» affirme Nicolas Smagghe, Senior Sales & Key Accounts Manager Secteur Grand Paris - BU Water chez Sulzer. 

Autre possibilité: utiliser des pompes de forage, installées en position verticale ou horizontale sous chemise de pression. C’est ce que privilégie par exemple Wilo. «Nous proposons notre gamme de pompes de forage, avec chemise. Lors d’une crue, un de nos clients avait subi l’inondation de son local de pompage équipé de pompes de surface. Dans ce cas, il faut repasser le moteur à l’étuve ou changer la pompe, alors que les pompes de forage sous chemise de pression continuent à pomper. C’est une question d’habitude : dans les pays scandinaves, les captages en surface utilisent toujours des pompes de forage sous chemise de pression » plaide Nicolas Zennaro. «En rivière, toutes les technologies sont envisageables. Des pompes de forages avec chemise, mais aussi des pompes submersibles à gros débit et faible pression, en général monocellulaires, en tubes ou sur pied dans un local. Nous avons toutes ces gammes» explique de son côté Rolland Petavy pour Xylem.

Traverser l'usine de potabilisation

Dans l’usine, il n’y a en principe plus besoin de pompes submersibles. Là commence le domaine des pompes de surface, monocellulaires ou multicellulaires selon les besoins de pression - par exemple pour les procédés membranaires. Certaines doivent pouvoir fonctionner «en canard» pour le nettoyage des filtres. KSB propose alors ses gammes monocellulaires : les Etanorm (jusqu’à 1900 m3 /h et 16 bar) ou les grosses KRT submersibles, initialement conçues pour l’assainissement mais munies d’une ACS (jusque plus de 10000 m3 /h). Chez Wilo, on avance la gamme Atmos Giga N à moteur IE4, à haut rendement, d’un diamètre nominal allant de 32 à 150 mm. Ou la gamme quasi-équivalente des Atmos Giga B, à arbre long. «Les deux peuvent être équipées de garnitures mécaniques à cartouche, ce qui facilite grandement la maintenance» affirme Nicolas Zennaro. Wilo a également lancé une nouvelle gamme de pompes multicellulaires verticales à variateur de fréquence embarqué, certifiées ACS: les Wilo-Helix 2.0-VE, en inox 304 et 316. Elles vont jusqu’à 80 m3 /h. «Avec les variateurs, des moteurs IE5 et une hydraulique performante, elles ont un très haut rendement global. Préparamétrées au format 3D pour l’intégration à l’installation du client, elles disposent d’un écran pour visualiser les points de consignes, données d’exploitation et plages de mesure. Cela facilite la vie de l’exploitant» ajoute Nicolas Zennaro. 

Xylem propose plusieurs familles de pompes de surface. Pour le transfert, la nouvelle gamme monocellulaire e-NSC, normalisée EN 733 et munie d’ACS, va jusqu’à 355 kW et 1800 m3 /h. «Ce sont des pompes robustes, polyvalentes, utilisables pour toutes les applications en eau. Elles sont souvent en fonte mais déclinables en inox. Pour l’eau communale, avec les forts débits demandés, il s’agit de pompes palières : moteur et hydraulique, séparés, sont accouplés sur un châssis. Elles existent en version monobloc pour les plus petits débits» précise Rolland Petavy. Si une surpression est nécessaire, Xylem peut aligner deux familles de pompes multicellulaires. D’abord la gamme e-SV de pompes verticales en inox. Disponibles en 11 tailles, elles peuvent aller jusqu’à 60 kW, 160 m3 /h et 33 bar. «Ce sont des pompes très fiables, avec un faible NPSH1 grâce à leur hydraulique. Les moteurs sont standardisés et les garnitures normalisées se remplacent sans devoir démonter la partie hydraulique» affirme Rolland Petavy. L’autre gamme, les e-MP en fonte, pouvant atteindre 850 m3 /h et 95 bar, est surtout destinée aux applications industrielles. «Elles ont une ACS, donc sont aussi utilisables en eau potable. Ce sont des pompes à haut rendement, d’entretien facile sans devoir désaccoupler la pompe de la tuyauterie» complète Rolland Petavy. 

Pour les très gros débits, dans l’usine ou à la sortie, on doit parfois utiliser des pompes dites «à plan de joint». La partie hydraulique est alors placée entre deux paliers, sans porte-à-faux, ce qui permet une meilleure répartition des efforts au bénéfice de la durabilité, et facilite la maintenance car l’accès au rotor est plus simple. «Les pompes multicellulaires sont limitées en débit. Si on doit fournir un gros débit avec une certaine pression, ce qui arrive en eau potable, il faut passer aux pompes à plan de joint. Nos gammes Omega et RDLO vont de 40 à 10000 m3 /h et 25 bars» affirme Arnaud Couty, responsable du secteur Eau en Ile de France chez KSB. 

«Pour les débits conséquents, on va souvent vers les pompes à plan de joint, même si les premières commencent à un diamètre nominal de 150-200. En fait, les plages ont tendance à se chevaucher avec les pompes classiques. Les deux sont viables en ce qui nous concerne. Nous avons une gamme de pompes à plan de joint munies d’ACS: les SMD» confirme Nicolas Smagghe (Sulzer). Dans cette «famille», Wilo propose sa nouvelle gamme Wilo-Atmos Tera SCH (qui complète la gamme SCP) allant jusqu’à 4500 m3 /h. «Nous avons soigné les capacités d’aspiration pour optimiser la valeur du NPSH, qui est souvent un problème sur cette configuration de pompes» souligne Nicolas Zennaro. Wilo a d’ailleurs fourni au Sri-Lanka, via Veolia, 11 pompes Wilo SCP avec des moteurs allant jusqu’à 400 kW.

Xylem, de son côté, inaugure sa toute nouvelle gamme de pompes à plan de joint de la série e-XC allant jusqu’à 11400 m3 /h et 266 m de HMT. Equipée de capteurs de vibration et de température, elle améliore la surveillance des pompes et facilite l’établissement des protocoles de maintenance préventive.

Doser avec précision

Assurer une excellente qualité d’eau potable, implique également la désinfection efficace de l’eau potable sans nuisance due à l’odeur et altération de goût, dans le cadre des prescriptions légales et sans adjonction de chlore, en respectant l’exigence d’un débit d’environ 200 m3 /h. 

Aquacontrol (injecta), Dosatron (Water Line), Grundfos ( Smart Digital), Iwaki France, ProMinent (Dulco®Flex), ou encore Milton Roy (G/MACROY®) développent donc des gammes de pompes doseuses capables de répondre à des systèmes de préparation et de dosage de dioxyde de chlore (CIO2) (Oxiperm) avec un niveau de précision et de reproductibilité.

ProMinent a rajouté un élément innovant dans la pompe Gamma/X qui permet de compenser automatiquement les dérives de dosage de chlore lorsque la canne d’injection de javel s’obstrue progressivement. «Cela assure à l’exploitant une haute précision de dosage dans le temps, assure Claude Klein, responsable Marketing / Developpeur Marché. Cette nouvelle technologie affiche également la pression dans la ligne de dosage, ce qui est une information cruciale pour l’opérateur surtout lors d’une intervention de maintenance. Cette mesure de pression peut aussi stopper la pompe lorsque la pression dépasse un seuil critique, cela reste à l’appréciation de l’utilisateur». 

Fin 2022, la pompe Gamma/X sera proposée avec un radar de mesure de niveau Dulcolevel appairé à la pompe par une liaison Bluetooth. «La sortie analogique permet de transmettre en continu le volume du réservoir de chlore à une centrale de télégestion, ce qui a pour avantage d’offrir une gestion précise des chlores sur site et de limiter leurs temps de stockage qui est une source de formation de chlorate».

Réseau : stocker et distribuer l'eau potable

A la sortie d’usine, selon la configuration du réseau, l’eau potable est envoyée dans un réservoir ou directement dans les canalisations d’adduction. Réservoir en hauteur (château-d’eau) ou non, éventuel relief à vaincre: les besoins en pression varient. «En France, l’eau du réseau arrive à 3 bar au robinet. Avec les pertes de charge et l’altimétrie, on peut devoir surpresser jusqu’à 10 bar» comme l’explique Arnaud Couty (KSB). Pour cette tâche, le constructeur propose sa gamme de pompes multicellulaires UPA à moteur refroidi par eau, de 100 à 350mm de diamètre nominal, jusqu’à 840m3 /h. Sur les très grosses usines, elles fonctionnent 24 h/24. Parfois, lorsqu’il s’agit de remplir un réservoir, on se «contente» de fonctionner la nuit. Pour les fortes pressions, KSB recommande sa pompe Multitec (jusqu’à 1500 m3 /h et 100 bar). Par exemple, la station de Blanche Fontaine, à Goumois (Doubs) alimente 19 communes. L’eau (3000 m3 /j) sortant de l’usine est dirigée vers le réservoir d’Urtière situé 472 mètres plus haut. «Il fallait fournir jusqu’à 50 bar de pression, avec deux points de fonctionnement: 140 ou 250 m3 /h. Nous avons installé deux Multitec montées en parallèle» se souvent Arnaud Couty. 

Depuis janvier 2021, Grundfos a étendu sa gamme avec l’arrivée des CR XL: les CR 185, CR 215 et CR 255 (respectivement 200, 250 et 300 m3 /h, avec un maximum de 390 m3 /h et 40 bar). Les pompes CR sont disponibles en inox 304 ou 316, avec une version CR N adaptée aux milieux plus agressifs comme l’eau de mer. «Pour de nombreux concurrents, la gamme inox dépasse rarement 150 m3 /h… au-delà c’est de la fonte. Nous avons éténdu le domaine de l’inox, qui a un rendement supérieur à la fonte du fait de sa surface plus lisse. Nous dépassons 80% de rendement, ce qui permet de diminuer la taille du moteur pour la même utilisation» affirme Stéphane Doucet, directeur commercial division Water Utility chez Grundfos. «Par exemple, nous avons remplacé quatre pompes en fonte de la concurrence, en place depuis une vingtaine d’années, munies de moteurs de 55 kW. Nous avons pu proposer quatre moteurs de 45 kW. Le client a donc gagné 40 kW, avec en plus des moteurs moins chers et un coût «durée de vie» largement inférieur. Avec le prix actuel de l’électricité, les clients s’intéressent plus au rendement» souligne Stéphane Doucet. Grundfos a de plus breveté, pour les pompes de plus de 75 kW, un dispositif de gestion de la poussée appelé THD (temporal hight density). C’est un système d’équilibrage de la charge axiale utilisant la pression de refoulement, qui augmente la durée de vie des roulements et permet l’utilisation de moteurs standard. Grundfos a ainsi installé quatre pompes CR 125 en sortie d’une usine de potabilisation dans les Bouches-du-Rhône. Elles fournissent 180 m3 /h à 7 bar. 

De son côté, Xylem a fourni des pompes multicellulaires horizontales en fonte de type e-MP et PA respectivement de 160 kW pour un fonctionnement à 200 m³/h, 17,5 bars et 315 kW, d’un débit de 400 m3 /h à 17,5 bars, pour la station de surpression d’un réseau du Puy-deDôme. La marque a aussi mis en route cette année, en Corse, des pompes verticales multicellulaires e-MP verticales de 200 kW, fournissant 540 m3 /h à 9 bar. Dans un autre contexte, ne demandant pas de forte pression, Xylem a installé en Côte-d’Or des pompes monocellulaires e-NSCF de 110 kW, fournissant 1260 m3 /h à 2,2 bar, pour alimenter un réservoir.

Distribution finale : garantir la pression au robinet

Quel que soit le relief de la commune, ou le nombre d’étages d’un immeuble, l’eau doit sortir du robinet à une pression de 2 à 3 bar. Il faut donc pouvoir garantir une pression constante … en ajustant en permanence le débit à la demande. 

Les exploitants de réseau ont donc souvent recours à des groupes surpresseurs, appelés boosters. «Pour une commune rurale avec peu de relief et des habitations basses, un poste de surpression au départ du réseau suffit, et une pompe monocellulaire peut faire l’affaire, c’est plus simple et plus fiable. Dans les grosses agglomérations, on va jusqu’à placer des boosters au pied des immeubles hauts, en local technique» résume Rolland Petavy (Xylem)

Un «booster» est composé de plusieurs pompes multicellulaires installées en parallèle sur une même tuyauterie, de manière à pouvoir répondre à la demande en fournissant un débit variable à pression constante garantie. «Un surpresseur comprend au minimum deux pompes car il en faut une de secours, mais les skids vont jusqu’à huit pompes chez Xylem. On démarre le nombre de pompes correspondant à la demande, ce qui évite de faire fonctionner en permanence un gros moteur dimensionné pour la demande maximale, avec la consommation d’énergie que cela implique» explique Rolland Petavy. 

Xylem a baptisé ses groupes surpresseurs GH (ou GHV avec un variateur de vitesse). Ils utilisent les pompes e-SV ou d’autres de la gamme maison. D’autres fournisseurs proposent également des skids basés sur des pompes de leur gamme, généralement verticales pour des raisons d’encombrement, c’est par exemple le cas chez Grundfos (Hydro MPC), KSB (gamme Delta) ou Wilo (Si Boost Smart Helix Excell).

Consommation énergétique : chaque point gagné compte

Les grandes configurations de pompes n’évoluant guère, les constructeurs consacrent leurs efforts de R&D à améliorer le rendement, donc la consommation énergétique. «De plus en plus, on s’intéresse au MEI (minimum efficiency index), qui caractérise une sorte de rendement globalisé de la pompe, incluant des dimensions comme le taux de pannes, la consommation réelle et même l’impact environnemental. Nos pompes SNS et Ahlstar ont un MEI minimum de 0,7 et les SES et SKS de 0,4 (mais souvent plus). En Europe, on exige un MEI d’au moins 0,4» précise Nicolas Smagghe (Sulzer). 

«On peut aller plus loin dans l’ajustement à la demande, et donc les économies d’énergie, en installant des variateurs de fréquence – qui contrôlent la vitesse de rotation. Xylem en a développé un dédié au pompage : l’Hydrovar. D’une utilisation très simple, il s’installe soit en armoire, soit directement sur le moteur lorsque celui-ci est normalisé puisqu’il est muni d’une ACS» explique pour sa part Rolland Petavy (Xylem). 

A l’instar de Xylem, les autres constructeurs intègrent leur propre variateur, en général pour les «petites» pompes. Au-delà certaine taille, moteurs et variateurs deviennent une affaire de spécialistes - comme Siemens, ABB, Leroy Somer (Nidec) pour les moteurs. Danfoss est quant à lui spécialisé dans les seuls variateurs, avec en particulier sa gamme Aqua Drive. «Nous pilotons tous les moteurs triphasés du marché, donc toutes les pompes industrielles» explique Antoine Bourgier, Marketing Specialist Head of South Europe Region chez Danfoss. «De plus en plus, l’utilisateur choisit une pompe en fonction du rendement. Depuis quelques années, l’arrivée des moteurs à réluctance, à très haut rendement, nécessite de placer un variateur «intelligent», c’est le cas du FC 202. Vous pouvez donc conserver votre variateur même si vous changez la technologie de votre moteur.» ajoute-t-il. 

Minimiser l'OPEX et assurer la continuité de service

Comme dans autres domaines, des solutions logicielles utilisent des données issues des pompes de réseaux d’eau potable pour contrôler les opérations et guider la maintenance. Outre les pompistes eux-mêmes, des électroniciens et/ou automaticiens comme ABB, Eaton, Lenze, PL Systems Unitronics, Rockwell Automation, Schneider Electric proposent des systèmes à greffer sur les pompes. Rockwell Automation a notamment développé les logiciels FactoryTalk® qui permettent d’améliorer la visibilité sur le processus de production d’eau en s’appuyant sur l’analyse de données historiques et en temps réel, restituées sous forme de rapports précis et opportuns. Au travers d’ABB Abilty, ABB propose une solution complète de surveillance de l’ensemble du système de l’entrainement allant du variateur (Condition Monitoring), au moteur (Smart Sensor) et jusqu’à la pompe (Smart Sensor). L’outil Power Train permet de centraliser toutes les informations ainsi analysées et de remonter les données à l’exploitant qui pourra ainsi prévenir les défaillances des équipements. 

Danfoss a également développé une application de maintenance conditionnelle, « Condition based Maintenance (CBM) ». Recevant les informations du moteurs et combiné à un capteur de vibration, elle permet une surveillance complète de l’état du système motopompe et donc une planification des interventions avant la panne. «L’intérêt de notre solution est que l’intégralité des données peut rester dans le variateur. Elles ne passent ni dans un réseau extérieur ni dans un cloud. C’est de plus en plus un pré-requis dans le domaine de l’eau potable, pour d’évidentes raisons de sécurité. Au besoin, les données peuvent remonter dans la supervision du client mais sans passer par un cloud» affirme Antoine Bourgier. 

Les pompistes proposent tous des boîtiers et solutions logicielles pour mieux contrôler le fonctionnement de leurs machines et planifier la maintenance … avec différentes politiques concernant la circulation des données. Ainsi en va-t-il de KSB avec le Pump Meter ou le KSB Guard, Sulzer avec la Blue Box ou Xylem, qui peut associer des solutions logicielles à son variateur Hydrovar ou proposer un module plus simple et adapté à l’eau potable: Optimyse. Grâce à l’ensemble des données connectées par les variateurs de vitesse et la consolidation des informations numérisées, le service Ecostruxure Asset Advisor pour Drives développé par Schneider Electric assure une surveillance de l’ensemble des données de fonctionnement: détection de défaut électrique, analyse du taux de défaillance mécanique, historisation des données de fonctionnement, surveillance de l’environnement, monitoring énergétique. Les pompes Helix de Wilo sont également munies de variateurs remontant leurs données à la centralisation du client.