La technologie du moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) de Bauer et les pompes Allweiler aident la station de traitement des eaux usées de Stendal à devenir autosuffisante en énergie
Bauer Gear Motor a collaboré avec Allweiler dans la station de traitement des eaux usées allemande de Stendal, en combinant des moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) à haut rendement avec des pompes à cavité progressive Allweiler.
Les communes européennes cherchent à réduire leur consommation d’énergie et à limiter leur empreinte carbone. La production de biogaz à partir des procédés de traitement des eaux usées offre aux installations un moyen de devenir autosuffisantes. Cependant, l’autosuffisance dépend de l’utilisation d’équipements efficaces.
Bauer Gear Motor, un des principaux fabricants de motoréducteurs, s’est associé à Allweiler pour réduire la consommation d’énergie des pompes à vis excentrée de la station de traitement des eaux usées allemande de Stendal en installant des moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) à haut rendement.
Regardez la vidéo de l’étude de cas.
La station de traitement des eaux usées de Stendal a pour objectif d’être entièrement autosuffisante en énergie d’ici 2025. Le site dispose d’une usine de production de biogaz qui fournit une énergie faible en carbone à partir des déchets. Les boues issues du traitement des eaux usées sont pompées dans des réservoirs de stockage, puis transférées dans l'usine de biogaz.
Pour réduire la dépendance au réseau électrique et accroître la proportion d’opérations soutenues par une énergie faible en carbone, les exploitants de l’usine ont commencé à améliorer l’équipement. Les pompes à vis excentrée ont rapidement été identifiées comme un point d’amélioration.
Les pompes à vis excentrée (aussi appelées pompes à cavité progressive) sont utilisées pour transporter les grandes quantités de boue générées lors du traitement des eaux usées. Ce type de pompe est privilégié, car il résiste à l’obstruction et peut accueillir des fluides contenant des solides. Les pompes à vis excentrée fonctionnent en permanence, ce qui permet un traitement continu des eaux usées.
Cependant, un fonctionnement continu nécessite une grande quantité d’énergie. De plus, les pompes fonctionnent souvent à des vitesses basses, ce qui peut entraîner un fonctionnement inefficace des moteurs. Dans le but d’assurer l’autosuffisance en énergie, les exploitants de la station de traitement des eaux usées de Stendal voulaient renforcer l’efficacité de ces pompes afin de réduire les besoins énergétiques globaux. Heureusement, une solution éprouvée était prête et disponible.
« Nous sommes un chef de file mondial dans le domaine des technologies de moteurs à engrenages », explique Marc Piwko, responsable grands comptes chez Bauer Gear Motor, une des principales marques d’Altra Industrial Motion Corp. « Cela se reflète dans notre gamme de PMSM, qui offrent une efficacité exceptionnelle sur l’ensemble de la courbe de performance. Ils conviennent parfaitement aux opérations continues où les exploitants cherchent à réduire leur consommation d’énergie et à optimiser leur rentabilité. »
Avec les PMSM, la consommation d’énergie est réduite de 24 % lors du pompage de boue primaire par rapport à un moteur asynchrone IE3.
Les PMSM de Bauer sont dotés d’un rotor incroyablement efficient, associé à des aimants permanents optimisés, qui offrent des performances et une efficacité distinctes par rapport aux designs conventionnels. Il n'y a pas de pertes de chaleur du rotor, avec des pertes totales d'à peine 25 %. Les opérateurs profitent en général d’une efficacité du moteur constamment améliorée de plus de 10 % par rapport aux autres entraînements. Les PMSM de Bauer répondent aux normes d’efficacité IE3, IE4 et même IE5, conformément à la norme CEI TS 60034-30-2.
Un des points forts des PMSM dans les applications de pompage à vis excentrée est qu’ils offrent un couple élevé à des vitesses basses avec une efficacité accrue. Chez Stendal, les pompes fonctionnent habituellement à environ 25 Hz pour réduire l’usure et fournir une réserve de performance pour de grandes quantités d’eau – une fréquence à laquelle un moteur asynchrone devrait être surdimensionné pour fournir le couple désiré, ce qui entraîne une inefficacité énergétique. Cependant, en raison des propriétés inhérentes à la charge partielle, les PMSM peuvent fournir un couple complet à cette vitesse avec un moteur plus petit. Un couple élevé est également disponible dès le démarrage, ce qui est parfait pour les applications de pompage. De plus, les opérateurs peuvent s’attendre à des économies d’énergie de plus de 30 % en charge partielle par rapport aux moteurs asynchrones.
Ces avantages ne sont pas passés inaperçus auprès de l’entité allemande Allweiler GmbH de CIRCOR, un fabricant de pompes de premier plan qui a collaboré avec Bauer pour combiner ses pompes avec des PMSM. En 2017, les deux sites ont testé un montage dans la station de traitement des eaux usées de Bayreuth, ce qui a permis d’améliorer considérablement l’efficacité.
Pour les pompes à vis excentrées de Stendal, Allweiler a choisi la série AE2E, un choix populaire dans les applications de traitement des eaux usées en raison de sa capacité à traiter des liquides hautement visqueux ou agressifs qui contiennent des solides ou des fibres. Les pompes présentent également une haute résistance à l’usure, ce qui prolonge leur durée de vie. Elles ont été couplées aux réducteurs hélicoïdaux BG30 Bauer avec des PMSM et ont été installées dans la cave de la chambre de pompage de l’installation.
« Un autre avantage de la conception des PMSM est qu’ils sont très puissants. Cela signifie que nous pouvons réduire efficacement la taille des moteurs sans perdre de performances, tout en améliorant l’efficacité. Chez Stendal, nous avons pu réduire la puissance du moteur asynchrone de 5,5 kW à 3 kW », explique Marc.
« De plus, les propriétés thermiques basses des PMSM permettent d’éliminer les ventilateurs à ventilation forcée, ce qui apporte une valeur ajoutée supplémentaire. »
La station de traitement des eaux usées de Stendal a pour objectif d’être entièrement autosuffisante en énergie d’ici 2025. Elle installe donc de nouveaux équipements efficients.
L’intérêt du passage à des pompes Allweiler alimentées par un moteur à réducteur hélicoïdal PMSM de Bauer est démontré par les données, comme l’a découvert Micheal Riske, responsable du service des eaux usées/eaux à Stendal : « Nous avons utilisé deux pompes identiques en alternance avec un moteur PMSM et un moteur asynchrone IE3 pendant un mois chacune, en comparant les besoins en électricité et le pompage des boues. Il a été constaté que la pompe équipée du PMSM consommait 24 % d’énergie en moins. »
Lors de l’analyse, la pompe équipée du PMSM a consommé 495,3 kW d’énergie pour pomper 2 410 m³ de boues primaires. Le moteur asynchrone IE3 a nécessité 729,3 kW pour pomper 2 699,5 m³ de boue. Cela équivaut à 4,866 m³/kW pour le PMSM et 3,7 m³/kW pour le moteur IE3. Chez Stendal, les pompes à vis excentrée Allweiler peuvent pomper près d’un tiers de boue en plus à la même puissance. En plus d’accroître l’efficacité énergétique, les motoréducteurs Bauer ont également permis à l'application de fournir de meilleures performances.
Klaus Kaiser, ingénieur commercial chez Allweiler, s’est appuyé sur les résultats de plusieurs installations et a ajouté : « D’après notre expérience, il ne faut pas plus de 6 mois pour obtenir un retour sur investissement (ROI) sur un PMSM. »
En fait, la faible consommation d’énergie des entraînements de Stendal a permis d’obtenir un retour sur investissement après seulement trois mois. Tout cela a été possible en diminuant la consommation d'énergie, en améliorant les performances et en faisant un grand pas en avant pour passer à une énergie faible en carbone sur le site.