Filtration de l'uranium et adoucissement central pour une eau potable propre.
La survie sans eau n'est possible que pendant quelques jours. Dans l'association d'approvisionnement en eau Trollmühle à Windesheim, les solutions VLT® de Danfoss assurent un fonctionnement fiable des systèmes.
L’eau : l’une des substances les plus essentielles pour nous les humains. En fonction de l’âge et de la constitution, le corps humain est composé de 70 à 85 % d’eau. Il est bien connu que sans eau, nous ne survivons que quelques jours. C’est pourquoi un approvisionnement fiable en eau potable de qualité est d’une importance capitale. L’association pour l’approvisionnement en eau Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle à Windesheim, qui approvisionne près de 42 000 personnes en eau potable de qualité supérieure, utilise des solutions VLT® de Danfoss pour filtrer l’uranium et les agents de dureté présents dans l’eau et garantir ainsi un fonctionnement fiable des installations et une eau de qualité. L’une des plus grandes installations de filtration de l’uranium et d’adoucissement de l’eau en Allemagne est située à Windesheim. On y utilise la méthode de la déminéralisation partielle.
L’association pour l’approvisionnement en eau Trollmühle existe depuis 1910 et exploite aujourd’hui près de 550 km de conduites d’eau. Elle approvisionne chaque année les 42 000 habitants de 24 communes, ce qui représente quelque 15 000 ménages, avec 2,2 millions de mètres cubes d’eau potable. Tout autour de la station de pompage principale de Windesheim, où a lieu le traitement de l’eau, se trouvent au total 21 puits profonds et 2 captages. Ces puits et captages permettent à l’association Trollmühle d’extraire et de traiter plus de 10 000 m³ d’eau par jour pendant les périodes où la demande est forte, comme lors des grandes sécheresses et des vagues de chaleur extrêmes que nous avons connues entre 2018 et 2020. Le changement climatique a de plus en plus d’impact sur l’extraction de l’eau en raison des longues phases de sécheresse et des vagues de chaleur de plus en plus fréquentes, plus longues et plus importantes. La demande en eau continue ainsi d’augmenter, bien que la consommation d’eau des ménages privés ait été considérablement réduite au fil des années grâce à l’utilisation d’appareils et de robinetterie économiques en eau. Afin de pouvoir approvisionner à l’avenir la population et les clients industriels avec une quantité d’eau suffisante, l’association pour l’approvisionnement en eau Trollmühle aménage actuellement de nouveaux puits. La création de ces nouveaux puits augmente également la consommation d’énergie, jusqu’à 80 % de l’énergie totale du secteur de l’alimentation en eau étant en effet consommés par les entraînements des différentes pompes. Cependant, l’association pour l’approvisionnement en eau Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle est bien positionnée grâce à la technologie moderne qu’elle met en œuvre. De plus, elle investit continuellement dans une alimentation en eau durable avec des technologies de moteur à haut rendement, sur la base du système de management de l’énergie DIN EN ISO 50001 mis en place depuis 2013. Cela permet de réduire la consommation d’énergie et d’optimiser l’efficacité.
Lorsque l’eau est traitée, elle doit être distribuée aux consommateurs des 24 communes locales via le réseau de canalisations étendu. Pour ce faire, l’association pour l’approvisionnement en eau Trollmühle exploite des stations de pompage qui, selon les besoins, répartissent l’eau dans 18 réservoirs surélevés et souterrains d’un volume total d’environ 17 400 mètres cubes. Le réservoir principal du site de Windesheim a quant à lui une capacité totale de 3 000 mètres cubes.
La qualité de l’eau dans le bassin versant est très variable
Le grand nombre de puits et la vaste zone de distribution posent deux défis : La dureté de l’eau extraite des puits est très variable en raison de la nature géologique des sols; la dureté totale varie entre 9 °f et 61 °f, la teneur en nitrate se situe entre 5 et 50 mg/l, la valeur limite légale pour le nitrate étant de 50 mg/l. Une particularité géologique s’ajoute à cela, ce qui complique encore la tâche. L’eau extraite du puits profond de Karlshof, l’un des plus importants et plus productifs, présente la teneur en uranium la plus élevée (jusqu’à 30 μg/l). D’autres puits se situent dans une plage de 3 à 20 μg/l. Après le mélange dans la station de pompage principale de Windesheim, l’eau atteint ainsi une valeur totale de 13 g/l d’uranium, ce qui est supérieur à la valeur limite de 10 μg/l recommandée à l’époque de la planification du site et fixée légalement depuis le 1er novembre 2011. Suite à la demande de la population, le fournisseur d’eau doit également faire face à un deuxième problème : L’eau doit être amenée de 43 °f à 21 °f seulement, ce qui nécessite une déminéralisation partielle pour l’adoucir
Traitement de l’eau potable en deux étapes
Afin de respecter les valeurs limites prescrites par la loi concernant la pollution de l’eau par l’uranium et de réduire le degré de dureté de l’eau potable, les spécialistes de l’eau de Trollmühle misent sur un procédé en deux étapes.
Dans un premier temps, une installation Uranex, la plus grande du genre au monde au moment de la mise en service, élimine de manière ciblée l’uranium présent dans l’eau. Le procédé d’échange d’ions réduit la concentration d’uranium à moins de 2 μg/l sans modifier la composition de l’eau. L’eau traverse le filtre d’absorption de haut en bas et quitte le filtre situé sous la base de la buse. La surveillance de la pression différentielle assure un fonctionnement stable.
L’adoucissement se fait ensuite par déminéralisation partielle avec l’installation Carix. L’eau brute circule à travers les filtres à échange d’ions, les résines échangeuses absorbant les substances telles que le nitrate, sulfate, chlorure, calcium, magnésium et carbonate et les remplaçant par du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone encore présent dans l’eau est ensuite extrait dans le réservoir d’eau pure afin d’ajuster le pH requis par la réglementation sur l’eau potable en utilisant un procédé à contre-courant avec de l’air filtré. La régénération des filtres à échange d’ions Carix s’effectue au moyen de CO2, qui est récupéré à 95 % de l’eau de process.
Afin de garantir une sécurité maximale en ce qui concerne la pureté de l’eau, un rayonnement UV assure une désinfection supplémentaire sans produits chimiques. L’eau, qui répond alors entièrement aux exigences de qualité strictes de la réglementation sur l’eau potable, est ensuite acheminée dans les réservoirs surélevés à l’aide des pompes pour être distribuée aux clients. Au total 2,2 millions de mètres cubes par an.
Contrôle de la pompe avec le VLT® AQUA Drive pour un fonctionnement fiable et durable
Le traitement et la distribution de l’eau potable sont des processus très gourmands en énergie, les entraînements électriques des pompes et des ventilateurs pouvant consommer jusqu’à 80 % de l’énergie totale. C’est pourquoi l’association pour l’approvisionnement en eau Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle a misé et mise toujours sur les technologies les plus modernes afin de réduire au maximum la consommation. Il utilise des moteurs à aimant permanent et à reluctance synchrone comme moteurs à haute efficacité pour les pompes. L’exploitant des puits et de l’installation de traitement a décidé également de remplacer des pompes submersibles vieillissantes par de nouvelles dotées de moteurs plus économiques. Ces coûts d’investissement, associés aux variateurs de fréquence VLT® nécessaires sont, dans de nombreux cas, amortis en l’espace de deux ans grâce aux économies d’énergie réalisées. Les pompes actuelles ayant une durée de vie de 20 à 30 ans, les coûts sont ainsi considérablement réduits.
Pour garantir un fonctionnement fiable et sans heurts des pompes de l’installation, l’association pour l’approvisionnement en eau Trollmühle a misé sur les variateurs VLT® AQUA Drive de Danfoss. Les variateurs VLT® AQUA Drives adaptent le régime de toutes les pompes à la vitesse souhaitée, réduisant ainsi les coûts énergétiques grâce à une efficacité supérieure et optimisent le fonctionnement. Le variateur de fréquence Danfoss est spécialement conçu pour les applications de pompage et propose un large éventail de fonctions dédiées. De plus, avec un rendement typique de 98 % et plus, il garantit une utilisation optimale de l’énergie. Un mode de veille et une optimisation automatique de l’énergie y contribuent également. Le démarrage progressif et la réduction du nombre de démarrages réduisent l’usure et les besoins en énergie de l’installation.
Le variateur VLT® AQUA Drive peut être commandé à l’aide de signaux de commande analogiques ou d’interfaces de bus de terrain. Dans l’usine de distribution d’eau principale de Trollmühle, les variateurs de fréquence sont intégrés au système de gestion via des Profibus afin de garantir la surveillance et la commande des convertisseurs. Des systèmes redondants assurent à tout moment un approvisionnement fiable de la population.
Le panneau de commande graphique, qui est monté sur la porte de l’armoire à l’aide d’un kit de montage, permet un contrôle rapide sur site et donne un aperçu de tous les principaux paramètres des pompes et des variateurs de fréquence. De plus, en cas d’erreur, il facilite le diagnostic par le biais des fonctions de contrôle intégrées et d’une utilisation intuitive.
Alimentation réseau vs. alimentation par générateur : les différences
Les variateurs de fréquence n’adoptent pas un comportement neutre par rapport au réseau d’alimentation. Ils génèrent des harmoniques de courant qui perturbent le réseau. Ces dernières sont en effet renvoyées vers le réseau d’alimentation par le variateur de fréquence, ce qui nuit à sa qualité. Associées avec l’impédance du réseau d’alimentation, elles entraînent des distorsions de tension. Au niveau de l’inductance de l’alimentation en énergie, les harmoniques de courant provoquent une chute de tension qui s’additionne à la tension donnée et fausse la tension. L’alimentation du transformateur ou du générateur utilisée ici se comporte différemment en raison des diverses impédances du réseau.
Les câbles de raccordement (section et longueur) exercent également une influence sur l’impédance du réseau.
Les harmoniques de courant sur les réseaux rigides sont généralement moins susceptibles d’affecter le réseau. Cependant, si les systèmes connectés utilisent les alimentations secteur de manière importante, la charge sur le réseau est plus importante et sa qualité en pâtit.
Filtre actif pour l’alimentation par générateur
Étant donné que les distorsions de tension dépendent de l’inductance du réseau, il en résulte une distorsion plus importante à la puissance absorbée et/ou à des charges constantes à une inductance importante qu’à une inductance inférieure. Par conséquent, l’alimentation par générateur doit être considérée comme un état de fonctionnement critique, car les charges non linéaires génèrent des distorsions de tension supérieures à celles de l’alimentation par transformateur à une puissance absorbée constante, et ce en raison de la réactance plus élevée. Si l’on considère ensuite la situation réelle dans laquelle les générateurs sont généralement moins puissants que l’alimentation secteur normale avec réseau rigide et transformateurs, il est évident que les exploitants ont dû prendre des mesures pour réduire les harmoniques et garantir un fonctionnement sûr. En effet, pour garantir un approvisionnement de base sûr en cas de catastrophe ou de coupures de réseau importantes, des alimentations électriques de secours fixes sous forme de générateurs sont prévues ou installées dans le circuit d’alimentation en eau de Trollmühle et dans le futur grand puits. D’autres installations, telles que les stations de pompage et les puits, sont reliées par un réseau propre à l’exploitant, où des chariots générateurs mobiles sont rapidement mis en œuvre pour assurer le fonctionnement des puits et des stations de pompage dans les cas extrêmes. Cependant, dans tous les cas, l’impédance du réseau d’alimentation augmente fortement, comme nous l’avons expliqué plus haut, et il faut prendre des mesures préventives pour limiter les harmoniques.
Pour la station de pompage de Trollmühle, l’association a opté pour un filtre actif Danfoss pour le fonctionnement en mode générateur, afin de réduire au minimum la charge sur le réseau. Le filtre actif avec un courant de sortie maximal de 190 A intègre des semi-conducteurs adaptés à la plage de puissance, associés à une technologie de microprocesseur avancée. Il injecte un courant complémentaire aux harmoniques de courant et génère ainsi un courant sinusoïdal de bonne qualité. Le filtre s’adapte automatiquement de manière optimale à chaque situation de charge.
Il offre également une efficacité énergétique élevée, des interfaces conviviales, un refroidissement arrière et des indices de protection des boîtiers élevés. Un autre avantage est le libre choix du point de raccordement dans le réseau à compenser.
Harmoniques, courants de moteur et protection des paliers
Danfoss propose également des filtres passifs. D’une part, sous la forme de filtres VLT® AHF placés avant l’entrée de variateurs de fréquence individuels dont ils réduisent les harmoniques. Ces filtres vous permettent d’atteindre un THDi de 5 à 10 %. Il s’agit d’une alternative économique et fiable à un filtre actif.
Danfoss propose d’autre part des solutions Low Harmonic passives de 11 à 90 kW, notamment pour les équipements isolés, tels que les puits ou les stations de pompage, où de grandes pompes situées en plein air à l’écart des villes ou des communes sont utilisées sans intervention humaine. Il s’agit de solutions tout-en-un qui associent des filtres passifs, un variateur de fréquence et des filtres sinus en sortie, ainsi que des bobines en mode commun à une utilisation normative pour un câble de moteur non blindé jusqu’à 300 mètres, dans un boîtier relativement compact. Pour des puissances plus importantes, de 110 à 560 kW, il existe également des solutions compactes directement fabriquées en usine. Elles fournissent une alimentation stable et un courant de moteur sinusoïdal, requis par exemple pour les pompes immergées, et assurent un fonctionnement sans perturbation.
Danfoss propose des filtres en mode commun pour les moteurs plus anciens ou pour une protection supplémentaire contre les courants de paliers. Ils protègent contre les courants de paliers et préviennent ainsi l’usure et la destruction de ces derniers. Ils sont utilisés sur les bornes de raccordement des câbles moteur. Sur les pompes non immergées, ils permettent de prévenir les dommages dus au fonctionnement du variateur de fréquence au niveau des paliers des moteurs.
Investissements sûrs dans la technologie et la durabilité
Dans le cadre de la discussion qui s’ouvre sur l’utilisation durable de ressources précieuses telles que l’eau ou l’énergie, l’association pour l’approvisionnement en eau Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle mise depuis sa création sur une technologie moderne. Elle investit dans la modernisation d’installations existantes ainsi que dans un équipement durable et économe en énergie pour les nouvelles installations à planifier, par exemple de nouveaux puits, stations de pompage ou installations de traitement. C’est ainsi que l’association s’est lancée il y a quelques années dans la modernisation d’installations de pompage. Elle utilise à cette fin des moteurs à aimant permanent et à reluctance synchrone haute efficacité. Ceux-ci ne peuvent être utilisés qu’avec un variateur intelligent et ne peuvent pas être mis en réseau. Danfoss peut contrôler tous les types de moteurs avec ses variateurs de fréquence VLT® AQUA Drive. Et ce, toujours au point de fonctionnement optimal, car les variateurs peuvent mesurer le moteur raccordé en quelques secondes grâce à l’adaptation automatique au moteur (AMA) intégrée. Cela permet au variateur de fréquence de disposer des données nécessaires pour adapter la magnétisation et d’autres paramètres de manière optimale au moteur, y compris les câbles moteur parfois longs raccordés, pour faire fonctionner le moteur au point de fonctionnement optimal.
Comme ces nouveaux types de moteurs ne se sont imposés sur le marché que ces dernières années, notamment en raison des ordonnances de l’UE sur l’énergie, les variateurs de fréquence AQUA Drive initialement installés n’étaient pas encore en mesure de les commander correctement. Mais au lieu d’utiliser de nouveaux variateurs, une mise à jour du micrologiciel du variateur a permis de les adapter aux nouveaux moteurs. Pour ce faire, Danfoss propose ses services DrivePro® Lifecycle, un concept de maintenance et d’entretien qui s’adapte de manière optimale aux besoins du client, de sorte que le service adéquat soit toujours disponible tout au long de la durée de vie de l’appareil. Qu’il s’agisse de la mise en service, de la maintenance, de la surveillance à distance, de l’assistance d’experts à distance ou d’une mise à niveau complète des installations, les spécialistes de Danfoss vous apportent toujours leur expertise et leurs conseils. Pour que les installations fournissent toujours les meilleures performances de manière fiable et durable.
Conclusion
Depuis plus de 100 ans, le Zweckverband Wasserversorgung Trollmühle approvisionne ses clients en eau potable de qualité supérieure de manière fiable et en quantité suffisante. La technologie d’entraînement de Danfoss est également présente dans toutes les nouvelles installations construites ces dernières années. Des installations à la pointe de la technologie et une connaissance approfondie des techniciens et des spécialistes garantissent la meilleure eau possible. Et cela restera ainsi à l’avenir.
Stefan Denzer
Key Account Manager
Water & Fluid Handling
Danfoss Drives
63073 Offenbach/Main