HAL Id: hal-02963969
https://hal.inrae.fr/hal-02963969
Submitted on 12 Oct 2020
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Comment diagnostiquer la performance énergétique des stations d’épuration ?
S. Gillot
To cite this version:
S. Gillot. Comment diagnostiquer la performance énergétique des stations d’épuration ?. Webinaire AMORCE : Eau & transition énergétique. Financer et piloter une stratégie d’économies d’énergie dans les services publics d’eau et d’assainissement, May 2020, Lyon, France. �hal-02963969�
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Comment diagnostiquer la performance énergétique des stations d’épuration ?
Sylvie Gillot
To cite this version:
Sylvie Gillot. Comment diagnostiquer la performance énergétique des stations d’épuration ?. Webi- naire AMORCE : Eau & transition énergétique. Financer et piloter une stratégie d’économies d’énergie dans les services publics d’eau et d’assainissement, May 2020, Lyon, France. �hal-02963969�
Comment diagnostiquer la performance énergétique des stations d’épuration ?
Sylvie Gillot, INRAE, Centre de Lyon-Grenoble
AMORCE
Groupe d’échanges Eau & transition énergétique
14 mai 2020
p. 2
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Réduire les dépenses énergétiques des stations d’épuration = enjeu majeur
•
Loi sur la transition énergétique
•
Réduction des impacts environnementaux
•
Maîtrise des coûts d’exploitation
Poids du service des eaux dans la consommation énergétique d’un pays européen
Contexte et enjeux (1/2)
Stricker et al., 2018
Meilleure connaissance des consommations d’énergie dédiées au traitement des eaux résiduaires (Stricker et al. 2018)
• Etude Irstea & AERMC menée de 2012 à 2016
• Obtenir des valeurs de référence par filière de traitement
• Identifier les facteurs de variation
Minimiser les ratios énergétiques (kWh/kg DBO
5deg; kWh/kg DCO
deg; kWh/m
3)
• Etude Irstea & AERMC menée de 2014 à 2019
• Identifier et quantifier les réductions potentielles et effectives des dépenses énergétiques de 2 STEPS (étage biologique par boues activées + méthanisation) à l’aide de la modélisation
Contexte et enjeux (2/2)
2 projets INRAE (Irstea) / AERMC
p. 4
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC « Etat de l’art »
Recommandations
Outils développés par INRAE
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC « Etat de l’art »
Recommandations
Outils développés par INRAE
•
Facteurs d’influence (conception & fonctionnement) des dépenses énergétiques
•
Comparaison parc français / données internationales
•
Facteurs d’influence (conception & fonctionnement) des dépenses énergétiques
•
Comparaison parc français / données internationales
p. 6
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Procédés de traitement biologique
Filtres à sable Filtres Plantés
Cultu res libr es • Boues activés
• Réacteurs biologiques séquentiels (SBR)
• Bioréacteurs à membranes
• Lagunes
Cultu res fix ées • Lits bactériens
• Disques biologiques
• Biofiltres
• FPR Cu ltur es mix tes • IFAS
• MBBR
Etat de l’art (Stricker et al., 2018)
Base de données
• 310 stations de taille supérieure à 2000 EH, cumulant une capacité de 14,5 MEH
• Données de fonctionnement et énergétiques validées : 275 observations
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations d’épuration françaises
Paramètre Base de données
Capacité nominale > 2000 EH
Rejets Urbains ou mixtes
File Eau 5 procédés biologiques intensifs
• Boues activées (BA)
• Réacteurs biologiques séquentiels (SBR)
• Bioréacteurs à membranes (BAM)
• Biofiltres (BF)
• Lits fluidisés sur supports plastiques mobiles (MBBR) File Boues Tous procédés intensifs sur site
• Epaississement
• …
• Incinération
p. 8
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations d’épuration françaises
Facteurs de conception
Stricker et al., 2018BA = boues activées BF = biofiltres
SBR = réacteurs biologiques séquentiels
MBBR = lits fluidisés sur supports plastiques mobiles BAM = bioréacteurs à membranes
EP = épaississement (Siccité < 7 %)
DH1 = déshydratation mécanique de type I (Siccité 7–17%) DH2 = déshydratation mécanique de type II (Siccité 18-35 %) SECI = séchage ou incinération (Siccité > 35 %)
INC = inconnu CGS = consommation globale spécifique
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations d’épuration françaises
Facteurs de fonctionnement Taux de charge organique
Stricker et al., 2018
CGS = consommation globale spécifique Taux de charge = charge effective / charge de dimensionnement
p. 10
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations d’épuration françaises
Facteurs de fonctionnement (Boues activées)
Stricker et al., 2018
Taux de charge organique
Concentration DBO
5des ERU
DBO
5/NTK des ERU
Température de l’air extérieur
DBO
5/MES des ERU
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations
d’épuration françaises
p. 12
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations
d’épuration françaises
Etat de l’art des dépenses énergétiques des stations d’épuration françaises
A charge reçue équivalente, les performances énergétiques des stations
d’épuration françaises sont similaires à celles de la littérature internationale
p. 14
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés par INRAE
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés par INRAE
•
Facteurs d’influence (conception & fonctionnement) des dépenses énergétiques
•
Comparaison parc français / données internationales
•
Conception et dimensionnement
•
Exploitation
p. 16
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Recommandations
• Les critères déterminants pour les choix de conception
• Les indicateurs à surveiller et à améliorer en exploitation
Tous les acteurs et toutes les étapes de vie d’une installation sont concernés
La consommation d'énergie des stations d’épuration doit figurer
parmi :
Recommandations – Conception / dimensionnement
Inclure les ratios énergétiques dans les critères de choix
Technos récentes et énergivores uniquement si requis
Séchage/incinération des boues si pas d’autres solutions
Choix des technologies déterminant
File eau File boues
p. 18
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Recommandations - Exploitation
Flexibilité pour limiter les périodes de sous-charge
Dimensionnement adapté
Réseaux : lutte contre les eaux claires
parasites
Echelonner la construction
Paramètres de fonctionnement
Taux de charge Dilution
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés
p. 20
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés par INRAE
•
Bilan énergétique global d’une station d’épuration : Energie_steps
•
Diagnostic énergétique détaillé
•
Outils de modélisation du fonctionnement des installations incluant les
dépenses énergétiques
Bilan énergétique global d’une installation
Sur la base des résultats de l’étude Irstea 2012-2016, et à partir des caractéristiques de conception et de fonctionnement
Outil logiciel d’estimation des consommations énergétiques
https://energie-step-diagnostic.irstea.fr/
p. 22
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Bilan énergétique global d’une installation
Principe d’utilisation
Etape 1 Données descriptives
•Remplissage des métadonnées associées à la STEP
•Désignation de l'installation (nom, localisation, code Sandre, type de traitement)
•Charges de dimensionnement
•Caractéristiques des files
•Objectifs de traitement
•Types d'énergies utilisées
Etape 2 Données mensuelles
•Données requises pour estimer les dépenses énergétiques (minimum 1 an)
•Charges et débits au pas de temps mensuel
•Qualité de l'effluent
•Données de fonctionnement (température, concentration en MES dans les bassins)
Etape 3 Scenarios
•Calculs à partir des données mensuelles
•Possibilité d'utiliser 1 à n années pour estimer les dépenses énergétiques
•Visualisation des résultats sous forme de tableaux et sous forme graphique
•Extraction des résultats en fichier PDF
Bilan énergétique global d’une installation
Principe d’utilisation
Etape 1 Données descriptives
•Remplissage des métadonnées associées à la STEP
•Désignation de l'installation (nom, localisation, code Sandre, type de traitement)
•Charges de dimensionnement
•Caractéristiques des files
•Objectifs de traitement
•Types d'énergies utilisées
Etape 2 Données mensuelles
•Données requises pour estimer les dépenses énergétiques (minimum 1 an)
•Charges et débits au pas de temps mensuel
•Qualité de l'effluent
•Données de fonctionnement (température, concentration en MES dans les bassins)
Etape 3 Scenarios
•Calculs à partir des données mensuelles
•Possibilité d'utiliser 1 à n années pour estimer les dépenses énergétiques
•Visualisation des résultats sous forme de tableaux et sous forme graphique
•Extraction des résultats en fichier PDF
Données requises =
Caractéristiques principales de l’installation
Charges et débits, qualité de l’effluent, énergies dépensées moyens par mois,
pour au moins 1 année
p. 24
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Bilan énergétique global d’une installation
Résultats – Sous forme graphique
Valeur prédite par le logiciel = consommation énergétique moyenne de l’échantillon français étudié.
Elle est associée à un intervalle de prédiction (IP95) qui exprime l’incertitude
La position de la consommation moyenne annuelle réellement observée par rapport à cet intervalle permet de déterminer si la station étudiée est
déjà optimisée, au moins sur certains postes par rapport au parc français
énergivore
normale par rapport au parc actuel, ce qui n'exclut pas une optimisation
Bilan énergétique global d’une installation
Résultats – Sous forme graphique
Valeur prédite par le logiciel = consommation énergétique moyenne de l’échantillon français étudié.
Elle est associée à un intervalle de prédiction (IP95) qui exprime l’incertitude
La position de la consommation moyenne annuelle réellement observée par rapport à cet intervalle permet de déterminer si la station étudiée est
déjà optimisée, au moins sur certains postes par rapport au parc français
énergivore
normale par rapport au parc actuel, ce qui n'exclut pas une optimisation
Bilan énergétique global =
- Permet d’évaluer la consommation énergétique d’une installation / parc français - Données requises : moyennes mensuelles (issues des tableaux d’exploitation
et/ou des RAD)
- Mise en forme des données requises / outil
- ½ journée si tableaux disponibles
p. 26
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés
•
Bilan énergétique global d’une station d’épuration : Energie_steps
•
Diagnostic énergétique détaillé
•
Outils de modélisation du fonctionnement des installations incluant les
dépenses énergétiques
Audit énergétique détaillé
Principe
AUDIT ÉNERGÉTIQUE POUSSÉ(d’après Stricker et al., 2015) Relevé compteur
énergie et factures (électricité + énergie
thermique)
Inventaire des moteurs et des puissances associées
Relevé des temps de marche des moteurs
Caractérisation des moteurs (variateurs de fréquences, puissances…)
Validation des données et vérification des concordances avec les
moteurs identifiés Calcul de l’énergie consommée par moteur
(temps de marche x puissance)
Calcul de l’énergie totale et par poste (Python)
Comparaison et validation des résultats par rapport aux compteurs
p. 28
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Audit énergétique détaillé
Exemple – La Feyssine
Audit énergétique détaillé
Exemple – La Feyssine
Audit énergétique détaillé =
- Permet d’analyser finement les consommations par files, postes, sous- postes
- Indispensable pour identifier les postes les plus énergivores et proposer des mesures d’optimisation
- Données requises = temps de marche des moteurs au pas de temps journalier !
- Intégrer des indicateurs énergétiques dans les outils de supervision
p. 30
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Plan de la présentation
Principaux enseignements tirés de l’étude Irstea/AERMC
Recommandations
Outils développés
•
Bilan énergétique global d’une station d’épuration : Energie_steps
•
Diagnostic énergétique détaillé
•
Outils de modélisation du fonctionnement des installations incluant les
dépenses énergétiques
Modélisation du fonctionnement des installations
Analyse des gains énergétiques potentiels et effectifs de stations d’épuration a priori économes en énergie
Projet Irstea AERMC 2014-2019
Calcul de l’énergie spécifique et élaboration des corrélations par poste (Python)
p. 32
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Une analyse fine des dépenses énergétiques du parc des stations d’épuration françaises (Stricker et al., 2018) Recommandations
• Définition du niveau de traitement requis
• Choix des filières eau, boue et air
• Prévention de la sous-charge dès la conception (surdimensionnement) et mesures adaptatives pour y faire face en exploitation
• Lutte contre la dilution des eaux usées (réseaux assainissement)
• Intégrer des critères énergétiques dans l’évaluation de la performance des stations d’épuration
Des outils à disposition
• Energie globale consommée : https://energie-step-diagnostic.irstea.fr/
• Audit énergétique poussé
• Modèles de fonctionnement des installations incluant les aspects énergétiques
A valider sur d’autres sites
Conclusions
Conclusions – Outils disponibles
Analyse globale
Moyennes mensuelles (charges, concentrations, dépenses énergétiques agrégées…)
Evaluation de la consommation énergétique d’une
installation / parc français
Diagnostic énergétique détaillé
Moyennes journalières (temps de marche des moteurs, puissances absorbées)
Analyse fine des consommations énergétiques par
files/postes/sous-postes : dépenses énergétiques désagrégées
Identification des postes énergivores, requise pour identifier les gains
Modélisation
Diagnostic poussé + données de
fonctionnement des
installations à la fréquence maximale
Connaissance poussée du fonctionnement de la station
Corrélations énergie par poste / variables de fonctionnement Optimisation globale Données
requises 1 an minimum
Résultats
p. 34
Performances énergétiques des stations d’épuration Webinar AMORCE - 14 mai 2020
Pour aller plus loin
AERMC (2018). Consommations énergétiques des stations d’épuration françaises. Etat des lieux et recommandations. (2018) Synthèse Eau et connaissance.
Stricker, A-E., Husson, A., Canler, J-P. (2017). Consommation énergétique du traitement intensif des eaux usées en France : état des lieux et facteurs de variation. Rapport final de l’étude.
Stricker, A-E., Husson, A., Pierre, M., Canler, J-P. (2018). Consommation énergétique des filières intensives de traitement des eaux résiduaires. 23ème édition des Journées Information Eaux (JIE), 9-11 octobre 2018, Poitiers, FRA.
Gillot, S., Baquerizo, G., Canler, J.P., Fayolle, Y., Filali, A. (2019) Analyse des gains
énergétiques potentiels et effectifs de stations d’épuration a priori économes en énergie - Rapport final.
https://energie-step.irstea.fr
