Pompes en assainissement collectif : vers l’efficience énergétique

Les réseaux d’eaux usées, charriant nombre de déchets surprenants dont les tristement fameuses lingettes susceptibles de colmater un conduit, exigent non seulement des interventions répétées de maintenance curative et de nettoyage, mais aussi des pompes adaptées. Dans la STEU, la file des boues pose aussi des problèmes particuliers de pompage pour ces matériaux pâteux et abrasifs. Sans compter le dosage des additifs et l’aération du bassin des boues activées, qui exigent eux aussi des types de pompes spécifiques (que nous n’aborderons pas ici)… Le monde de l’assainissement est donc un terrain de jeu exigeant et varié pour les pompistes ou motoristes comme ABB, Albin Pump, Börger, Danfoss, Grundfos, Hidrostal, KSB, Mouvex, Landia, Pedrollo, Rovatti, Seepex, Side Industrie, Sulzer, Tsurumi, Vogelsang, ou encore Wangen Pumpen, Wilo et Xylem, entre autres.

Aux préoccupations techniques s’ajoute de plus en plus une exigence de rendement énergétique des réseaux d’assainissement, que la nouvelle DERU va encore souligner. Or les pompes et leurs moteurs représentent une grande partie de la consommation générale de ces installations. « Les grands exploitants privés et publics avec lesquels nous sommes en rapport nous répètent que le coût d’électricité a été multiplié par deux, environ, cette année. Comme ils sont liés par des contrats préexistants, la problématique de l’électricité va devenir de plus en plus importante pour eux » explique par exemple Stéphane Doucet, directeur commercial Water Utility pour la France chez Grundfos. 

« Les clients attendent de plus en plus des solutions qui permettent de mieux maîtriser leur consommation d’énergie» renchérit Jean-François Serrault, Manager Growth Center & back office chez Xylem. Problème : la nature même des flux à traiter ne facilite pas les économies d’énergie. « Pour pomper ce type de liquides chargés, il faut des hydrauliques ayant un passage libre important afin de limiter le risque de colmatage. Or, souvent, plus le passage libre est important, plus le rendement de la pompe est mauvais. Il s’agit donc de trouver le meilleur compromis entre rendement et maîtrise des risques de bouchage » expose Augustin Berge, directeur général France chez Hidrostal. 

Encore faut-il s’entendre sur ce que l’on appelle le rendement d’une pompe. Doit-on se focaliser sur le rendement électrique du moteur ? prendre en compte celui de l’hydraulique? insister sur la régulation du fonctionnement dans la durée? «Il n’existe pas de norme pour le rendement global, qui comprend l’hydraulique. Seuls les rendements électriques des moteurs sont normés : IE3, 4 ou 5. Les cahiers des charges des clients se focalisent donc souvent sur cet aspect, au détriment du reste» regrette Augustin Berge (Hidrostal). Les constructeurs de pompes, eux, insistent plutôt sur le rendement global, le contrôle du fonctionnement, voire le coût d’exploitation, et apportent chacun leur solution.

LES MOTEURS, CERTES, MAIS…

Une pompe, c’est essentiellement un moteur électrique avec « quelque chose » (un dispositif hydraulique) fixé sur l’axe. Autant s’en préoccuper, donc. «Augmenter l’efficacité énergétique du moteur peut permettre de gagner de 5 à 8% de rendement. Or l’énergie représente 97% du coût de possession d’un moteur. Changer pour un moteur à meilleur rendement s’amortit donc très rapidement en coût d’exploitation» argue Pascal Bernard, Responsable du segment Eau business Motion France chez le motoriste ABB. 

«La dernière directive européenne, qui date de juillet 2023, régule les moteurs de 75 à 200 kW. Elle stipule que ces moteurs doivent avoir un rendement de classe IE4. ABB a anticipé et nous sommes aujourd’hui capables de proposer des moteurs jusqu’à 355 kW avec des rendements IE5» ajoute-t‑il. Et de fait, qu’ils fassent appel à des motoristes ou développent leur propre moteur, en particulier pour les pompes immergées, les pompistes s’alignent tous sur les normes IE, ou proposent des rendements électriques équivalents. Hidrostal, bien qu’insistant plutôt sur l’hydraulique, vient également de sortir une nouvelle génération de moteurs submersibles à meilleur rendement que les précédents. Mais est-ce bien suffisant ?

L’HYDRAULIQUE : QUAND ROBUSTESSE ET RENDEMENT SE RENCONTRENT

« Il n’est pas question de négliger le moteur mais on peut obtenir des gains nettement plus importants en améliorant le rendement hydraulique» souligne Augustin Berge (Hidrostal). Quantifiant le débit et la pression obtenus par unité de puissance fournie par le moteur (donc défalquant celle consommée par ce dernier, soit son propre rendement), le rendement hydraulique constitue le cœur du métier de pompiste, et chacun se distingue par une géométrie de roue et de corps particulière. 

Grundfos, comme beaucoup de ses concurrents, mise sur des roues dites semi-ouvertes pour combiner au mieux rendement hydraulique élevé et résistance aux colmatages. En 2021, la firme lançait sa ligne SE/SL52, dotée de roues semi-ouvertes auto nettoyantes une hydraulique appelée commercialement Open S-Tube et de moteurs à haut rendement électrique (IE4), pour des puissances de 9 à 30 kW. Aujourd’hui, elle introduit les SE/SL 56, une extension de gamme allant de 25 à 63 kW sur la base de la même hydraulique Open S-Tube. «Elles sont destinées aux gros postes de relevage puisque le débit peut aller jusqu’à 1800 m³/h, avec des hauteurs manométriques totales d’environ 55 mètres. Dans ces deux gammes, la grosse innovation est le rendement des roues qui atteint 80%» précise Stéphane Doucet (Grundfos). 

Une particularité chez Grundfos : la possibilité de «rogner» les roues semiouvertes pour obtenir des pompes au débit nominal correspondant parfaitement au besoin du client. «Si un client doit déplacer 180 m3 /h, les fournisseurs vont en général lui proposer des pompes conçues pour 200 m3 /h. Avec une roue rognée à 180 m3 /h, notre pompe va consommer moins de puissance électrique tout en fonctionnant à son point optimal. C’est une solution intéressante car il n’est pas toujours possible d’installer des variateurs» souligne Stéphane Doucet (Grundfos). Pour combiner rendement hydraulique et résistance au bouchage, Hidrostal exploite une technologie particulière: la pompe à vis centrifuge. «Cette conformation combine des rendements hydrauliques élevés, allant jusqu’à 85%, et des passages libres garantissant une très bonne prise en charge des particules» affirme Augustin Berge (Hidrostal). 

Pour convaincre les prospects, Hidrostal propose des tests in situ d’un mois. C’est ce qui s’est récemment passé avec de la régie de l’eau de Carcassonne (Agglo Eau RECA) pour un poste de relevage confronté à des problèmes récurrents de filasses. La commune disposait déjà d’une pompe vortex, une configuration hydraulique peu sensible au bouchage mais de rendement médiocre. Hidrostal a installé une de ses pompes à vis centrifuge. Résultat, selon Augustin Berge: «au bout d’un mois, il est apparu que, sans aucun bouchage, blocage ou arrêt, notre solution consommait quatre fois moins que celle d’à côté. Plus précisément, elle tournait deux fois moins souvent, tout en consommant deux fois moins. La régie a donc validé l’essai dans la foulée… C’est certes un petit poste, avec des puissances de pompes modérées, mais une collectivité peut avoir un certain nombre de ces postes, ce qui au total représente des économies possibles importantes.» 

Xylem base son offre sur l’hydraulique semi-ouverte N Adaptive, anti-colmatage et autonettoyante, qui présente un rendement élevé et constant. Elle équipe à la fois la série N Flygt les «3000» désormais bien connues et les nouvelles Flygt Concertor. KSB a pour sa part développé une gamme diversifiée de configurations hydrauliques, espérant pouvoir ainsi répondre à chaque situation. L’offre de Sulzer enfin repose sur son hydraulique Contrablock Plus (CB+) «qui se compose d’une roue au profil spécifique pourvue d’un disque d’usure et qui permet de conserver un rendement hydraulique toujours garanti» assure Thierry Cauchois, directeur des Ventes, Water France. «En assainissement, on doit toujours faire un choix entre le passage libre et l’efficacité énergétique. L’hydraulique CB+ développée par Sulzer est un compromis entre un bon passage libre et un fort rendement énergétique, ce qui qualifie cette roue de bi-performante. Une usure potentielle du disque et de la roue est à prévoir, mais par simple réglage du jeu entre les deux, on peut retrouver le débit et le rendement d’origine» souligne Thierry Cauchois.

CONTRÔLE DU RÉGIME DE FONCTIONNEMENT : LE VRAI GISEMENT ?

La combinaison des rendements électrique du moteur et hydraulique de la roue donne le rendement global d’une pompe. Il s’agit cependant d’un rendement instantané au régime optimal, qui ne rend pas forcément compte de la consommation de la pompe dans la durée. La majorité des pompes installées sur les réseaux d’assainissement fonctionnent encore en tout ou rien. Autrement dit: elles tournent beaucoup «pour rien», ou pas grand-chose en regard de leur capacité. Il serait donc très avantageux d’adapter à tout moment le régime de fonctionnement de la pompe et donc sa consommation énergétique à la demande réelle. Cela suppose des systèmes comprenant des capteurs, des organes agissant sur le régime du moteur (les variateurs de fréquence) et des automates de contrôle. Certains systèmes plus sophistiqués comprennent une remontée sur le scada du client ou dans le cloud, par exemple vers la plateforme du fournisseur, où des logiciels «métier» affinent encore la régulation ou proposent une maintenance prédictive. 

Au même titre que les moteurs à haut rendement et les variateurs de fréquence, ces systèmes de régulation sont d’ailleurs éligibles pour des Certificats d’économie d’énergie. «Quand des postes sont soumis à de grosses variations de débit, par exemple parce que les réseaux pluvial et d’assainissement sont mal séparés, on dimensionne les pompes pour faire face à un épisode de pluie. La variation de fréquence évite de les faire tourner à plein régime par temps sec, alors que 50%, par exemple, seraient suffisants. Cela peut aussi éviter les démarrages-arrêts successifs. De plus, les variateurs sont maintenant dotés de fonctions complémentaires de curage de réseau, de déblocages de roues, etc.» plaide Augustin Berge (Hidrostal).

Pascal Bernard, d’ABB, ajoute un chiffre simple à comprendre: «le gisement d’économies est d’autant plus important que les pompes ont des couples quadratiques, autrement dit la puissance consommée varie avec le carré de la vitesse. Si, par exemple, vous réduisez votre débit (donc la vitesse) de 20%, vous allez économiser quasiment 50% d’énergie. Baisser un peu la vitesse lorsque c’est possible permet donc de gagner beaucoup d’énergie.» Pour les variateurs de fréquence (qui commandent la vitesse de rotation de la pompe), les fournisseurs s’appellent ABB, Danfoss (VLT® AQUA Drive qui offre des fonctions avancées de mode veille pour économiser de l’énergie et notamment de décolmatage comme action préventive ou réactive), Nidec LeroySommer, Siemens ou Weg … sans compter les pompistes qui, de plus en plus, en intègrent eux-mêmes à leurs produits.

Les automates de commande peuvent être de Crouzet Automation, Eaton, Festo, Lenze, Pilz France ELectronic, PL Systems Unitronics, Rockwell Automation, Schneider Electric ou Siemens, entre autres. Les éventuelles couches logicielles «supérieures» peuvent provenir de spécialistes, des pompistes eux-mêmes ou des grands exploitants. Grundfos regroupe ainsi ses solutions de régulation sous le nom de Grundfos iSolutions, Tsurumi propose le Tsurumi Connect, Side Industrie l’intelligence embarquée au DIP Système, Seepex le Pump Monitor, KSB le KSB Guard de KSB, Xylem le Nexicon, etc. «Il faut avant tout comprendre comment une installation fonctionne, l’analyser. Pour ça nous installons notre Smart Sensor sur le moteur. Et ensuite, ce qui est important, c’est de réguler» souligne Pascal Bernard (ABB). Pour cela, la société propose son variateur de fréquence ACQ580 dédié aux applications de traitement de l’eau et des eaux usées, doté d’un optimisateur d’énergie et de fonctions de pompage intégrées, qui garantissent automatiquement le couple maximum par ampère, réduisant l’énergie prélevée sur le réseau. Il permet même la gestion en cascade de plusieurs pompes, assure le décolmatage et la gestion des niveaux. Il est bien entendu possible de le connecter à tous les systèmes «supérieurs» de régulation. 

«En utilisant la régulation, on ne va pas simplement gagner de 5 à 8% de rendement comme en changeant le moteur, on va passer à 30 ou 40% d’économie d’énergie. Et c’est particulièrement vrai sur tout ce qui est centrifuge, soit la majorité des pompes en relevage» affirme Pascal Bernard. Pour les applications de pompage de 11 à 500 kW, Nidec Leroy-Somer propose un ensemble moteur-variateur aux performances optimisées qui capitalise sur la gamme Dyneo+ de moteurs synchrones à réluctance assistée d’aimants sans terres rares et les variateurs électroniques Pump Drive F600 (1,1 kW à 2,8 MW) spécialement conçus pour le pompage. Ceux-ci regroupent toutes les fonctionnalités applicatives utiles pour rendre le système plus efficient, ie. prévention du fonctionnement à vide, gavage du circuit, nettoyage de la pompe, protection contre les mises sous et hors tension, régulation de niveau ou encore détection d’absence de débit. En complément du F600, le variateur Powerdrive MD Smart offre toutes les fonctions de protection, de contrôle et de raccordement nécessaires au pilotage d’un système de pompage jusqu’à 3800 kW. 

Xylem met en avant ses pompes Flygt Concertor, dotées de moteurs IE4 mais aussi d’un variateur intégré et d’un boîtier communicant. «Le système Concertor, s’il est complété par un Nexicon installé dans l’armoire électrique, a une particularité : nous sommes les seuls à piloter les pompes non pas sur des consignes statiques mais sur l’énergie spécifique, autrement dit la puissance consommée par volume d’eau transféré, exprimée en kWh/m3 . L’objectif du système est de la minimiser en permanence» explique Jean-François Serrault, Manager Growth Center & back office chez Xylem. Doté de capacités d’apprentissage machine, le Concertor détermine par itération la puissance optimale pour chaque installation. «Il travaille sur l’optimisation énergétique en temps «normal» et fait jusqu’à 70% économies. Sur un poste de relevage, lorsqu’un orage survient, le Concertor accélère automatiquement la pompe pour vider le poste. Il ne tient alors plus compte de la consommation énergétique, certes, mais ça ne concerne peut-être que 10 minutes ou un quart d’heure dans une semaine ou un mois. Et pendant tout le reste du temps, on aura fait des économies très significatives» argue Jean-François Serrault. 

La collectivité de Loches, par exemple, a choisi des Flygt Concertor de Xylem pour équiper deux postes de relevage … et réalisé d’importantes économies d’énergie. «De plus, ils se rendaient une fois par semaine sur place pour de la maintenance, pour dégraisser des pompes. Aujourd’hui, ils visitent les postes peut-être une fois par trimestre» ajoute Jean-François Serrault. Chez Wilo, les fonctions d’optimisation énergétique et de détection de colmatages reposent sur la technologie Nexos Intelligence et la fonction de régulation par API intégrée dans la nouvelle Interface Wilo Digital Data (Wilo DDI) installée dans la tête du moteur de la Wilo-Rexa SOLID-Q. L’intégralité de l’intelligence de régulation est donc pré-intégrée à la pompe: on peut donc remplacer le variateur de fréquence sans arrêter le système et sans avoir besoin d’ajouter une unité externe de régulation supplémentaire. 

Le module de journalisation sauvegarde toutes les données de fonctionnement telles que les températures des bobinages et roulements, les signaux renvoyés par les capteurs externes, les indices de performance du variateur de fréquence ou le niveau de remplissage de la chambre. En exportant ces données via le serveur web, l’opérateur peut ainsi effectuer un audit du système voire diagnostiquer les causes possibles d’un dysfonctionnement. L’investissement et la nécessité de modifier les installations (armoires électriques, remontée éventuelle des données) font encore reculer beaucoup de clients potentiels. C’est pourtant pourquoi les fournisseurs multiplient les initiatives pour convaincre du bien-fondé de la démarche. ABB a par exemple édité un livre blanc, «Relever les défis de l’efficacité énergétique dans le secteur de l’eau et des eaux usées» accompagné d’un «Guide de contrôle énergétique pour les ouvrages d’eau potable et d’eaux usées. Six étapes pour renforcer l’efficacité énergétique et faire des économies». La société a également lancé en 2021 l’Energy efficiency movement1 , une association regroupant aujourd’hui près de 400 adhérents (pompistes, exploitants, industriels, clients finaux…) dédiée à cette problématique. KSB vient pour sa part de lancer une initiative proposant à ses clients du monde de l’eau d’analyser, sous forme d’audit, le coût total de possession de leurs installations afin d’en faire baisser le bilan carbone, compte tenu du fait que les pompes représentent une part importante de ce dernier.

LE CYCLE DE VIE, UNE DIMENSION À NE PAS OUBLIER

Une pompe hyper performante… qu’on doit changer, partiellement ou intégralement, au bout de quelques années d’utilisation, est-ce bien raisonnable? Au-delà du coût énergétique ou du bilan carbone de leur fonctionnement, n’est-il pas important de s’intéresser globalement au cycle de vie de ces équipements? C’est là qu’entrent en compte des considérations comme la fiabilité, la réparabilité, la maintenabilité, mais aussi les moyens de se passer des terres rares, que les clients exigent de plus en plus des pompistes. Dans la conception de sa nouvelle gamme de moteur, Hidrostal a d'ailleurs fait le choix de rester sur les moteur classiques et de ne pas proposer des moteurs à aimants permanents, pourtant avec des meilleurs rendements, afin de ne pas être dépendant de gisement de métaux rares et de conserver une construction accessible à la réparation. «Les clients nous parlent de plus en plus de solidité, de taux de réparabilité, d’éco-responsabilité, etc. Nous sommes bien placés sur des aspects comme les coûts de maintenance ou d’entretien. Nous nous en tenons à du matériel robuste, simple à démonter, facile à réparer» affirme ainsi Augustin Berge, d’Hidrostal. 

Même approche pour Albin Pump, pour qui la meilleure raison d’utiliser les pompes péristaltiques dans l’industrie du traitement de l’eau tient justement à leur faible besoin d’entretien qui garantit un faible coût de cycle de vie: «elles ont moins de pièces mécaniques que d’autres technologies de pompe, ce qui diminue l’entretien requis pour les pièces usées» justifie le fabricant. Pompage doux pour le dosage des polymères et des floculants, transfert sans problème de boues, slurry ou produits à forte teneur en solides, c’est aussi ce qui caractérise l’ACV des pompes péristaltiques Peripro de Netzsch, notamment grâce à la fabrication de leurs tuyaux qui prolonge leur durée de vie. Les matériaux sont un élément clé aujourd’hui, renchérit Side Industrie dont les machines sont fabriquées en inox et dont certaines sont en fonction depuis 20 ans. «Nous pouvons également parler de 100% de réparabilité car même si le corps de la machine est usé, il suffit de le changer comme n’importe quelle autre pièce du système. Les impulseurs contribuent donc aussi à cette efficience. C’est pour cela que nous développons de plus en plus ses roues S4 hauts rendements pour les plus gros modèles». 

KSB, en tant que leader du domaine, a décidé d’agir en proposant de réaliser un audit intégral des solutions de réduction du TCO via un système moto-régulé qualifié pouvant générer jusqu’à 85% de gains du parc installé. Les équipementiers fournisseurs à l’image d’Aerzen, Atlas CopCo, Robuschi ou Sulzer, à leur niveau, plaident plus que jamais pour un déploiement en parallèle de compresseurs à vis basse pression et ou turbo-suppresseurs, dont les niveaux d’efficacité élevés des moteurs à haute vitesse améliorent le cycle de vie de l’ensemble de l’installation. Jusqu’à 30% sur l’aération, avancent Aerzen et Robuschi pour des petites et moyennes stations d’épuration, avec le compresseurs à vis basse pression d’Aerzen ou le turbocompresseur Robox Turbo de Robuschi, dont la variante de turbosoufflante permet d’atteindre un débit maximal de 11500 m3 /h.