Les variateurs dans les systèmes de protection contre les inondations

De la Nouvelle-Orléans aux Pays-Bas, le monde regorge de lieux menacés par les inondations. Et l'arme séculaire dans la lutte contre les inondations - la pompe à eau - ne cesse de devenir plus efficace grâce à l'utilisation des moteurs à vitesse variable et aux variateurs de vitesse qui les contrôlent.

L'Organisation mondiale de la Santé estime qu'entre 1998 et 2017, les inondations ont bouleversé la vie de plus de deux milliards de personnes dans le monde. Outre le danger immédiat pour la vie humaine, les inondations peuvent dévaster les terres agricoles (souvent situées dans les plaines inondables) et causer de grands dommages à la fois aux biens structurels et aux infrastructures des zones bâties.

Et compte tenu des pluies de plus en plus intenses et de la montée du niveau de la mer, conséquences observées du changement climatique, on s’attend à ce que les inondations désastreuses deviennent de plus en plus fréquentes, à court et moyen termes.

À quels défis est confrontée une pompe à eau motorisée pour inondation ? Et pourquoi les moteurs à vitesse variable offrent-ils une réponse particulièrement adaptée ?

Une inondation est par définition imprévisible. Si son apparition, sur une échelle souvent déconcertante, suit une longue période de sécheresse, les pompes qui sont à l'arrêt depuis un certain temps doivent être immédiatement activées avec puissance et efficacité afin de commencer à transférer de grandes quantités d'eau (la plus grande station de pompage du monde, en dehors de la Nouvelle-Orléans, peut déplacer 568 000 litres d'eau par seconde) à des débits fluctuants en permanence.

Différentes forces de réponse à l'inondation sont obtenues en premier lieu en variant le nombre de pompes en action.

La présence de plusieurs pompes est essentielle dans les systèmes de protection contre les inondations (et même dans les plus petites configurations, une pompe de service doit avoir une réserve). Répartir le travail sur plusieurs petites pompes plutôt que sur un petit nombre de grandes pompes constitue la première étape vers un système plus sûr et plus contrôlable. Par ailleurs, plus la pompe est petite, moins elle est vulnérable aux contraintes causées par les problèmes de débris flottants, de tourbillons et d'air emprisonné.

Ensuite, les moteurs à vitesse variable sont indispensables si les pompes doivent s'adapter à la dynamique particulière du comportement de l'inondation avec une efficacité optimale.

Le démarrage (ou l'arrêt) direct d'une pompe pour inondation est susceptible de provoquer des coups de bélier, suite à la variation brusque du débit dans le tuyau. Ces chocs hydrauliques réduisent la durée de vie de l'équipement et entraînent des fuites au niveau des joints, et des ruptures de tuyau. L'utilisation de démarreurs progressifs ou de variateurs à fréquence variable (VFV) assure une accélération douce de la rotation de la pompe jusqu'à la vitesse nominale ; les VFV offrent l'avantage supplémentaire d'une vitesse de moteur entièrement régulée par la suite.

Bien que souhaitable dans le principe, la mise en œuvre d'une régulation de vitesse efficace des moteurs de pompes pour inondation peut être une opération complexe.

Par exemple, s'il est logique, du point de vue de la consommation d'énergie, qu'un moteur à vitesse variable ne fonctionne pas plus vite que le strict nécessaire, les pompes et les tuyaux qui traitent de grands volumes d'eau de crue peuvent, selon leur conception, être plus ou moins vulnérables à une accumulation de sédiments. Dans les systèmes où cette accumulation représente un problème, on constate que le fonctionnement à une vitesse élevée constante maintient l'accumulation de sédiments à un niveau minimum - tout comme la contrainte mécanique correspondante sur les moteurs.

Il est également important que les pompes ne forcent pas trop. Dans une zone de marais comme autour du fleuve Great Ouse, les niveaux d'eau doivent être bien gérés pour permettre la navigation (les bateaux de plaisance ayant remplacé les bateaux de commerce d’antan). Autrement dit, il convient de trouver un juste équilibre entre le pas assez-drainant et le trop drainant.

Le concepteur d’un système de protection contre les inondations doit donc soigneusement définir les niveaux d'eau cibles dans l'environnement à protéger. Il s'agit des points de collecte des données que les variateurs utiliseront pour déterminer la vitesse du moteur : plus l'eau monte au-dessus d'un niveau cible, plus la pompe fonctionne rapidement ; plus l'eau baisse, plus la pompe ralentit.

Au-delà de ces points, plus le système est programmable, plus il existe de possibilités pour différents types d'efficacité. Qu'il s'agisse d'un API ou de la technologie PID (proportionnelle-intégrée-dérivée) incorporée, les valeurs prédéfinies peuvent être modifiées avec le calendrier pour tenir compte des variations saisonnières du niveau d'eau. Et, en complément des opérations en temps réel, les systèmes SCADA (de surveillance, de contrôle et d’acquisition de données) sont utilisés pour fournir des informations sur les événements météorologiques entrants.

Centrifugal pumps are favoured in flood defence systems because of their power, simplicity and relatively small size. There are thus, thanks to the centrifugal pump and fan affinity laws, significant energy savings to be made following motor speed reduction (motor speed cut by 25% equating to energy consumption decreased by nearly 60%, and so on).

Ceci est important lorsque l'on considère les coûts de fonctionnement généralement élevés d'une station de pompage, certaines stations préfèrent encore les moteurs diesel pour des raisons économiques (bien que les niveaux d'efficacité de ces systèmes tournent autour de seulement 20-40 %).

Ainsi, lorsqu'il s'agit de construire de nouvelles stations de pompage anti-crue (ou de remettre à neuf d'anciennes stations) , les systèmes électriques à vitesse variable sont eux aussi généralement privilégiés. Outre leurs performances exceptionnelles de contrôlabilité, d’efficacité et d'économie, ils sont également relativement silencieux - une considération de conception importante pour des systèmes destinés à des environnements plus peuplés (d’où la préférence pour certains systèmes de refroidissement par liquide plutôt que par air des moteurs et des variateurs).

Quant à l'avenir, tous les systèmes motorisés vont devenir plus intelligents, associant une automatisation plus complexe à des interfaces de plus en plus accessibles. Avec, en particulier, l'émergence de la connectivité des applications téléphoniques, les possibilités de contrôle, de surveillance et de maintenance des moteurs se diversifient et évoluent vers l’objectif de systèmes toujours plus efficaces, ce qui, dans le contexte de la protection contre les inondations, signifie des environnements toujours plus sûrs.