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Du Smart Water au Smart Energy

Le 22 mars 2014 était la journée mondiale de l’eau. Cette année, cette journée avait pour thème « Eau et énergie ». L’eau et l’énergie entretiennent de fortes interconnexions : la production d’énergie requièrent de l’eau et inversement. L’Organisation des nations unies pour l’éducation, la science et la culture (UNESCO) a publié son rapport triennal dont la nouvelle édition est consacrée à ce thème. Le rapport indique que 15 % des prélèvements d’eau proviennent du secteur énergétique et 90 % de la production mondiale d’énergie utilise des quantités importantes d’eau.

Parallèlement, environ 8 % de la production mondiale d’énergie est utilisée pour pomper, traiter et distribuer l’eau aux consommateurs. L’énergie représente un peu plus de 25 % des charges de production d’eau potable et environ 20 % des charges d’épuration des eaux usées. Les fontainiers dépensent chaque année près de 14 milliards de dollars pour les coûts d’énergie de pompage de l’eau sur les réseaux actuels (sur un total de 184 milliards de dollars pour l’alimentation en eau potable).

Les réseaux d’eau sont donc fortement consommateurs d’énergie. Face à l’augmentation des prix de l’énergie et aux réglementations de plus en plus contraignantes sur la performance énergétique, les Smart water networks permettront d’optimiser cette consommation d’énergie et d’accroître l’efficacité énergétique de la production et de la distribution d’eau potable et du traitement des eaux usées.

L’efficacité énergétique de la production et de la distribution d’eau potable

Améliorer l’efficacité énergétique de la production et de la distribution d’eau potable consiste à réduire la consommation énergétique de deux postes principaux :

  • le pompage : le pompage de l’eau est l’un des postes de consommation les plus importants. Des choix techniques tels que celui des pompes haute performance, mais aussi l’utilisation de variateurs de vitesse et de moteurs à haut rendement permettent de réduire la consommation énergétique. Il est également possible de travailler sur le profil hydraulique de la station de production de l’eau. La ligne piézométrique représente l’évolution du niveau de l’eau à l’intérieur d’une usine. En optimisant le différentiel de hauteur entre le point d’entrée des eaux et leur sortie, il est possible de réduire la puissance nécessaire requise par la pompe et donc son coût énergétique ;
  • le traitement : l’ozonation est un traitement chimique par oxydation. L’utilisation de réactifs chimiques oxydants pour le traitement des eaux vise la destruction des germes pathogènes mais également de certaines substances nocives, minérales, organiques. Ce processus intervient à plusieurs étapes de la production d’eau potable, permettant d’améliorer les goûts, les odeurs et de détruire les couleurs. Il est très consommateur d’électricité à travers les générateurs d’ozone. Le processus d’ozonation consommerait environ 0,09 kWh/m3. La réduction de la consommation d’énergie liée à l’ozonation peut se faire à plusieurs niveaux. Il est tout d’abord possible d’augmenter la concentration d’ozone dans le gaz vecteur afin d’optimiser la dépense énergétique nécessaire pour la production d’un kilo d’ozone (consommations du compresseur, du sécheur et de l’ozoneur). La destruction des traces d’ozone qui subsistent dans l’évent des tours de contacts peut être optimisée, soit en récupérant une partie de la chaleur, soit en faisant passer le gaz sur un catalyseur permettant de réduire la température du chauffage (destruction thermo catalytique). Enfin, la mise en place d’un système de régulation de débit de gaz ozoné, basé sur des mesures d’ozone dans le gaz (sortie ozoneur), permet aussi d’optimiser les performances énergétiques de l’installation.

Il est également possible de réduire la consommation d’énergie d’une station de traitement des eaux en réutilisant la chaleur des effluents pour chauffer les bâtiments. Les pompes à chaleur permettent de valoriser l’énergie thermique contenue dans les effluents. Sur une station de traitement de l’eau, cette technique permet de chauffer les locaux en réduisant notablement l’usage de combustibles fossiles (gaz, fuel, etc.). La station de traitement des eaux de Lyon La Feyssine est équipée d’une pompe à chaleur. Cela permet de chauffer l’ensemble des 700 m2 des locaux d’exploitation.

Pour en savoir plus :

Efficacité énergétique – Pompage
Efficacité énergétique – Optimisation du profil hydraulique
Efficacité énergétique – Traitement de l’eau
Efficacité énergétique – Bâtiments
Les économies d’eau et d’énergie dans les usines de production d’eau potable, Syndicat des Industriels des Equipements du Traitement de l’eau

L’efficacité énergétique dans le traitement des eaux usées et des boues

L’efficacité énergétique dans le traitement des eaux usées et des boues est une activité innovante. Elle consiste à rechercher et mettre en œuvre des solutions qui contribuent à préserver les ressources énergétiques et à favoriser leur utilisation raisonnée.

L’optimisation de l’efficacité énergétique des stations d’épuration

Certains acteurs indiquent qu’une réduction de 75 % des dépenses d’exploitation sur la durée de vie d’une station d’épuration (20 ans) pourrait être réalisée grâce aux optimisations énergétiques sur les différents postes de consommation (pompage, traitement de l’air, traitement des eaux usées, etc.).

La réduction de la consommation énergétique de la station d’épuration peut se concentrer sur différents processus énergivores :

  • le pompage représente 15 % des dépenses énergétiques d’une station d’épuration. Dans le domaine des eaux usées, il est plus difficile de maîtriser les flux entrants et donc d’optimiser les consignes d’arrêt et de démarrrage des équipements en fonction d’une journée ordinaire pour réduire les consommations énergétiques. Le dimensionnement de la pompe, sa maintenance et l’énergie qu’elle consomme sont les trois leviers pour un système de pompage adéquat. Des choix techniques tels que celui des pompes haute performance, mais aussi l’utilisation de variateurs de vitesse et de moteurs à haut rendement permettent d’n optimiser la consommation ;
  • le traitement biologique des eaux usées constitue le poste le plus énergivore avec entre 40 à 70 % des dépenses énergétiques d’une station d’épuration. Il est possible de réduire la consommation énergétique de ce processus de 15 % en ajustant en continu le débit de l’air fourni au traitement biologique des boues urbaines en fonction de la concentration en ammonium et en nitrates ;
  • le traitement de l’air équivaut à 10 % des dépenses d’énergie d’une station d’épuration. L’efficacité énergétique de ce processus peut être améliorée en limiter le débit d’air à traiter, en améliorant la conception du circuit d’air et en sélectionnant au mieux la technologie de ventilation nécessaire.

Améliorer l’efficacité énergétique du traitement biologique des eaux usées
Améliorer l’efficacité énergétique du traitement de l’air des stations d’épuration

La production d’énergie à partir des boues

Le traitement des boues d’une station d’épuration représente 15 % de la consommation d’énergie de la station d’épuration. L’accroissement régulier du volume des boues générées par le traitement des eaux, lié à la fois au développement démographique et à l’extension urbaine représente des contraintes de plus en plus fortes. Pourtant, plus qu’un déchet, celles-ci constituent une source d’énergie renouvelable. 43 % de l’énergie potentielle de ces boues est valorisable grâce au processus de méthanisation produisant du biogaz.

Il est également possible d’utiliser les boues grâce à la pratique de co-digestion de biodéchets (résidus de cuisine, déchets de produits laitiers, boissons, etc.), conduisant à une augmentation de la production de biogaz et d’électricité.

Le groupe Veolia a ainsi optimisé la production d’énergie (électricité et gaz) à partir des boues des 21 stations d’épuration d’Europe de l’Ouest et d’Europe centrale. Celles-ci génèrent désormais au total 93,3 millions de m3 de biogaz par an pour une capacité installée de 36 mégawatts (MW). Alors que ces stations d’épuration consomment 280 GWh d’électricité par an, elles en produisent 150 GWh par an.

Selon une récente étude du cabinet Ernst & Young réalisée pour l’ADEME, le secteur de la méthanisation des boues de stations d’épuration serait une conséquence positive du nombre d’installations, qui passerait de 100 à 130 installations en 2020 alliant les techniques de cogénération, de production de chaleur seule et d’injection de biométhane dans le réseau.

Les tarifs d’achat de l’électricité produite rendent la technique économiquement attractive pour les stations d’épuration importantes. En revanche, les investissements à réaliser sont moins incitatifs lorsque la taille de la station diminue.

La récupération d’énergie sur les réseaux d’assainissement

Avec une température comprise entre 15 et 20 °C toute l’année, les effluents qui circulent dans les réseaux d’eau usées peuvent être sources, d’une part, de chaleur grâce à l’installation d’une pompe à chaleur (PAC) et, d’autre part, d’électricité grâce à la valorisation de leur énergie cinétique. Différentes techniques existent comme le pompage de la chaleur des effluents des réseaux ou le remplacement des brise-charge par des turbines hydrauliques.

La valorisation de la flexibilité des réseaux d’eau pour faire du Smart Energy

Les processus de production et de distribution de l’eau potable et ceux de traitement des eaux usées sont très consommateurs d’électricité. Afin de réduire les pics de consommation sur les réseaux publics de distribution d’électricité et de réduire la facture énergétique, il est possible d’avoir recours à différents procédés pour accroître la flexibilité des réseaux d’eau :

  • ajustement : augmenter ou baisser la consommation d’électricité d’un site sur demande et avec une réactivité importante pour corriger des erreurs de prévision ;
  • effacement : arrêter ou reporter la consommation d’électricité d’un site sur demande, pour éviter des pics de consommation, suivant des conditions fixées à l’avance ;
  • profilage : optimiser le profil de consommation d’un ou plusieurs sites en fonction des tarifs de l’électricité.

Comme la consommation d’électricité, la consommation d’eau n’est pas constante au cours de la journée. Le matin et le soir constituent des périodes de pointe de consommation d’eau. Cependant, contrairement à l’électricité, il est impossible de produire de l’eau en fonction de la demande. La production d’eau se fait à débit fixe. Afin de pouvoir répondre à ces fortes demandes, il est nécessaire de disposer de réserver suffisante. Et contrairement à l’électricité, l’eau se stocke. Il est donc possible de réaliser le traitement de l’eau et son pompage vers les châteaux d’eau aux heures creuses afin de bénéficier de tarifs avantageux.

De même, certains acteurs font le choix de stocker les eaux usées dans les réseaux en période de pointe et de les traiter de façon différée. Cela constitue un moyen de réduire la facture sans réduire la consommation d’énergie et d’aider le système électrique à passer les pointes.

Article « Vers une plus grande autonomie énergétique des stations d’épuration », Set Revue, Alain Héduit et Jean-Pierre Tabuchi
La station d’épuration du futur, Veolia Environnement, Le cahier des chroniques scientifiques n° 17, juin 2010

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