Lorsque APG-Neuros a lancé sa technologie révolutionnaire de paliers d’air en 2005, le marché du traitement des eaux usées l’a accueillie avec hésitation et scepticisme. Aujourd’hui, les TurboSoufflantes à paliers d’air d’APG-Neuros sont installées sur 443 sites en Amérique du Nord, et 120 unités supplémentaires sont actuellement en commande.
Cette technologie a permis d’optimiser l’aération et d’améliorer son efficacité énergétique dans les stations de traitement des eaux usées où sont installées la majorité des TurboSoufflantes d’APG-Neuros. Elle apporte ainsi une évolution technologique attendue depuis longtemps dans un marché des TurboSoufflantes reposant encore largement sur des technologies vieillissantes.
Une nouvelle génération de technologie de TurboSoufflantes
Depuis l’apparition sur le marché des TurboSoufflantes centrifuges à un étage à entraînement magnétique (Single Stage Centrifugal – Magnetic Driven) en 1985, l’industrie des TurboSoufflantes avait connu peu d’avancées technologiques pendant près de 20 ans, jusqu’à l’introduction de la TurboSoufflante Neuros à un étage en 2003.
La technologie des TurboSoufflantes d’APG-Neuros trouve ses origines dans les secteurs de l’aérospatiale et de la défense, où des moteurs aéronautiques ont été utilisés dans des véhicules aériens sans pilote (UAV) ainsi que dans le programme d’aviation militaire F-16. Cette expérience a permis de développer une technologie éprouvée et fiable.
Au cœur de cette technologie se trouve le palier d’air à feuille élastique (« bump foil ») de troisième génération breveté. Sans huile et sans contact, il ne nécessite ni lubrification ni entretien associé, tout en réduisant les vibrations du rotor pendant le fonctionnement.
Sa durabilité et sa résistance ont été démontrées au cours de 25 000 démarrages, ce qui équivaut à une durée de vie de plus de 20 ans dans des conditions d’exploitation typiques.
Une roue à aubes haute efficacité
Une autre technologie clé de la TurboSoufflante est sa roue à aubes haute efficacité, conçue à l’aide d’un logiciel développé à l’interne et basé sur la technologie des moteurs à turbine à gaz aéronautiques.
La roue à aubes, fabriquée à partir d’une pièce forgée massive et usinée sur 5 axes, offre une intégrité mécanique et une durée de vie en fatigue accrues. Son diamètre plus important et sa géométrie précise, combinés à une vitesse de rotation optimale, permettent d’obtenir une efficacité supérieure.
Le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) transfère la force électromotrice (FEM) à la charge plutôt que de recourir à des bobinages et à des bagues collectrices. L’absence de contact physique entre le stator et l’arbre permet un contrôle très précis de la vitesse du moteur.
L’utilisation d’un algorithme PWM sinusoïdal réduit la chaleur générée par le moteur et les besoins en refroidissement, ce qui contribue à réaliser des économies d’énergie.
Conception optimisée et refroidissement intégré
Parmi les autres caractéristiques de conception figure le refroidissement du cœur de la TurboSoufflante, du variateur de fréquence (VFD) et des systèmes de contrôle à l’aide de l’air d’admission de la TurboSoufflante.
Comme aucune chaleur n’est rejetée dans la salle des TurboSoufflantes, aucun système d’évacuation auxiliaire n’est requis et aucune consommation électrique supplémentaire n’est nécessaire pour le refroidissement.
Les modèles de 200 à 700 HP sont équipés d’un système de refroidissement au glycol intégré, conçu pour offrir une performance et une durabilité accrues sans nécessiter d’alimentation en eau externe.
De plus, chaque modèle standard de TurboSoufflante est doté d’un automate programmable (PLC) permettant de fonctionner en mode de contrôle à pression constante, à débit constant ou en fonction de l’oxygène dissous (DO). Cette fonctionnalité facilite le contrôle, la surveillance et le diagnostic du système.
Les TurboSoufflantes d’APG-Neuros peuvent atteindre des débits allant jusqu’à 20 000 SCFM et une pression de refoulement pouvant atteindre 15 PSIG.
Les modèles Dual Core NX400 (400 HP) à NX700 (700 HP) intègrent deux cœurs dans une même enceinte et permettent d’atteindre des débits compris entre 3 000 et 20 000 SCFM.
Des économies d’énergie et de coûts d’exploitation
La conception innovante de la TurboSoufflante offre de nombreux avantages, notamment des économies d’énergie et de coûts d’exploitation pouvant atteindre 35 %[1] par rapport aux TurboSoufflantes à déplacement positif conventionnelles.
« Les TurboSoufflantes fonctionnent à des vitesses élevées, de 20 000 à plus de 40 000 rotations par minute (tr/min), ce qui améliore leur efficacité, puisque l’efficacité dynamique des compresseurs augmente avec la vitesse. »[2]
La consommation d’énergie représente l’un des principaux postes de coûts d’exploitation d’une station de traitement des eaux usées. La réduction de la consommation énergétique peut donc se traduire par des économies d’exploitation importantes.
Étude à la station de traitement des eaux usées de Franklin, New Hampshire
Une étude menée par CDM à la station de traitement des eaux usées de Franklin, au New Hampshire, a démontré que l’aération représentait environ 36 % de la consommation électrique totale de l’installation, qui utilisait des TurboSoufflantes à déplacement positif pour son procédé d’aération.
Les TurboSoufflantes existantes étaient inefficaces et nécessitaient un entretien important.[2]
De nouvelles TurboSoufflantes haute vitesse d’APG-Neuros ont été installées pendant neuf semaines dans le cadre d’un projet de démonstration. Pendant cette période, la consommation électrique, la pression, le débit d’air et la concentration d’oxygène dissous ont été mesurés.
La démonstration a montré qu’une réduction de 32 à 35 % de la consommation électrique directe, du réseau jusqu’à l’air, pouvait être obtenue en modernisant les TurboSoufflantes.[2]
Résultats similaires à Fort Myers, en Floride
Des résultats similaires ont été observés lors d’un projet de démonstration à la Central Advanced Wastewater Treatment Plant (AWWTP) de Fort Myers, en Floride.
L’installation de traitement des biosolides comprend un système de digestion aérobie qui utilisait l’une des trois TurboSoufflantes centrifuges multicellulaires installées en 1994.
Les données de consommation électrique de la TurboSoufflante de démonstration et de la TurboSoufflante centrifuge multicellulaire ont été recueillies pendant environ quatre jours.
Les essais ont démontré des économies d’énergie moyennes de 37 % par rapport à la TurboSoufflante multicellulaire.[3]
Optimiser davantage les économies grâce au contrôle automatisé
Les économies d’énergie peuvent être encore améliorées en automatisant le système de contrôle du procédé d’aération.
Dans les systèmes à commande manuelle, les paramètres sont généralement réglés afin de répondre à la demande maximale au cours d’une période donnée de la journée, puis le personnel ajuste les équipements quotidiennement ou hebdomadairement.
Cependant, les fluctuations de charge entraînent des variations constantes des besoins en oxygène. En plus de gaspiller de l’énergie, une aération excessive peut nuire au traitement en provoquant un cisaillement trop important des particules floculées.[3]
Cette flexibilité opérationnelle et ces économies d’énergie supplémentaires sont rendues possibles grâce au variateur de fréquence (VFD) intégré à la TurboSoufflante. Celui-ci permet d’ajuster sa vitesse et d’atteindre une plage de réduction de débit (« turndown ») pouvant aller jusqu’à 76 %.
Cette flexibilité permet d’automatiser le contrôle des TurboSoufflantes. Les systèmes automatisés « utilisent généralement des sondes et des analyseurs de DO pour mesurer l’oxygène dissous dans les systèmes d’aération et ajuster le débit d’air en temps réel ».[3]
Cette approche permet ainsi de maximiser l’efficacité énergétique du procédé d’aération.
Contrôle centralisé de jusqu’à 12 TurboSoufflantes
Jusqu’à 12 TurboSoufflantes APG-Neuros peuvent être contrôlées simultanément par un panneau de contrôle maître (MCP), en fonction des commandes d’entrée liées au contrôle de l’oxygène dissous (DO), de la pression ou du débit.
Le MCP fournit au système SCADA de la station un point de connexion unique pour l’ensemble des données des TurboSoufflantes, les points de consigne du contrôle de l’aération et les données du procédé.
Il gère également les démarrages, les arrêts et les vitesses de rotation de toutes les TurboSoufflantes.
Faibles niveaux de bruit et de vibrations
Contrairement aux TurboSoufflantes conventionnelles, la TurboSoufflante APG-Neuros offre également de faibles niveaux de bruit et de vibrations, grâce à ses paliers d’air sans contact et au système breveté Noise Trapping System intégré à son enceinte.
Ce système contrôle efficacement la propagation du son et réduit les niveaux sonores à 70–85 dB(A).
Les faibles vibrations éliminent la nécessité de construire des fondations lourdes pour l’installation de la TurboSoufflante, ce qui permet de réduire considérablement les coûts d’installation.
Ces coûts sont également réduits grâce à l’empreinte au sol compacte de la TurboSoufflante, jusqu’à 55 % plus petite que celle de technologies offrant des débits similaires.
Entretien minimal et coûts d’exploitation réduits
Les coûts d’exploitation sont également considérablement réduits grâce aux faibles besoins d’entretien de la TurboSoufflante.
Aucune huile, aucun liquide ni aucune courroie ne doivent être remplacés. L’entretien se limite principalement au nettoyage ou au remplacement périodique du filtre à air ainsi qu’à la vérification du niveau de glycol pour les modèles de 200 à 700 HP.
Un réseau de soutien technique à proximité
Enfin, APG-Neuros dispose d’un vaste réseau de soutien à la clientèle et de soutien technique à proximité de ses clients.
L’entreprise compte des ingénieurs de service sur le terrain à l’interne sur les côtes Est et Ouest des États-Unis, ainsi que plus de 35 techniciens APG-Neuros formés et certifiés en usine partout au pays, permettant d’offrir à ses clients un temps de réponse rapide.
L’avenir des TurboSoufflantes dans le traitement des eaux usées
La technologie d’APG-Neuros est aujourd’hui reconnue comme une solution d’avenir pour les TurboSoufflantes destinées au marché du traitement des eaux usées.
Les TurboSoufflantes permettent aux stations de traitement des eaux usées d’améliorer leur durabilité environnementale, leur efficacité énergétique et leur rentabilité, trois enjeux qui prennent une importance croissante dans le secteur.
« Les TurboSoufflantes d’APG-Neuros sont la meilleure innovation que nous ayons vue depuis longtemps. C’est une excellente TurboSoufflante, facile à utiliser, qui fonctionne sans problème et nécessite très peu d’entretien. »
— Jonathan Lane, opérateur en traitement des eaux usées, Benicia, Californie
Elana Podvalniuk — mars 2012
Références
[1] Selon une étude de cas réalisée par un tiers et publiée dans WE&T. Katherine Bell, Jason Sciandra et Kevin Wagner, « Aerate for Less; Turbo blowers can cut energy costs by more than 35 % », WE&T (2010).
[2] Bell, Katherine et S. Abell. « Optimization of WWTP Aeration Process Upgrades for Energy Efficiency ». International Water Association Publishing 6.2 (2011).
[3] Katherine Bell, Jason Sciandra et Kevin Wagner, « Aerate for Less; Turbo blowers can cut energy costs by more than 35 % », WE&T (2010).
