Une Technologie de Filtration Économe en Énergie

Lors de la recherche de potentiels d'économie, l'approvisionnement en air comprimé, indispensable pour l'industrie, attire toujours l'attention, car cette forme d'énergie est produite par les entreprises elles-mêmes ; ses coûts sont donc directement influençables.

Il faut donc des spécialistes à plusieurs niveaux, de la production à la qualité de l'air comprimé nécessaire au point de consommation, en passant par le traitement et la distribution. Ainsi, Donaldson a réussi à économiser 460 000 kWh d'électricité au cours de l'exercice 2021 grâce à des mesures ciblées sur l'approvisionnement en air comprimé dans ses usines américaines (source : Donaldson Sustainability Report, Fiscal Year 2021). Les efforts d'économie se concentrent traditionnellement sur les compresseurs d'air. Leur consommation d'électricité est facile à mesurer et le développement technologique des compresseurs et de leur commande semble avoir atteint ses limites en ce qui concerne les principes de construction déterminants pour la réduction de la consommation d'électricité.

Où peut-on donc commencer si la production la plus moderne est pratiquée, si les données sont saisies numériquement et si la lutte contre les fuites dans un réseau d'air comprimé bien conçu est efficace (image 1) ?

La prévention des pertes de pression est une tâche permanente et l'un des leviers les plus efficaces sur la voie de l'efficacité énergétique. Et la technologie de filtration joue ici un rôle décisif. Une meilleure filtration de l'air d'admission (image 2) a déjà une influence sur les composants de filtration en aval (image 3) lors du processus de compression et donc aussi sur le traitement de l'air comprimé. Jusqu'à ce que le vecteur d'énergie "air comprimé" atteigne les actionneurs, les éléments de commande pneumatiques et, dans de nombreux domaines d'application, sa fonction d'air de process, on peut compter au minimum entre six et quelques centaines de filtres spécifiques à l'application. Et chaque performance de filtration implique une perte de pression qui est compensée par un besoin énergétique plus élevé des compresseurs.

L'influence de la technologie de filtration sur les besoins en énergie ne doit donc pas être sous-estimée. La recherche et le développement chez Donaldson ont reconnu très tôt que l'interaction entre la capacité de filtration et la pression différentielle pouvait être conçue de telle sorte que des économies d'énergie considérables pouvaient être réalisées grâce à la structure des médias filtrants.

La technologie de filtration UltraPleat™ (image 4) utilise une nouvelle structure de fibres high-tech enduites, qui sont transformées en un média filtrant plissé avec une grande capacité de séparation des particules liquides et une grande capacité d'absorption des particules solides. La structure multicouche du nouveau média filtrant a été conçue de manière à obtenir des conditions optimales en termes de flux, tout en offrant une surface de filtration supérieure de plus de 400 % à celle des médias filtrants enroulés.

Pour la séparation des aérosols d'huile, une efficacité de ≥ 99,9 % est atteinte conformément à la norme ISO 12500-1:2007. Les données de performance de filtration selon les normes ISO 12500-1 et ISO 12500-3:2009 ont en outre été validées par un institut indépendant de recherche sur l'énergie et l'environnement. Le fait que cette haute performance de filtration ait pu être atteinte tout en réduisant la pression différentielle de 50 % supplémentaires souligne le succès du développement de cette technique de filtration visant à augmenter l'efficacité énergétique et à préserver les ressources (image 5). Un simple exemple de calcul montre le grand avantage économique de cette technologie : une pression différentielle réduite de seulement 300 mbar pour 8 000 heures de fonctionnement permet d'économiser environ 4 700 € par filtre UltraPleat™ et par an (pression de réseau de 7 bar, puissance de compresseur installée de 110 kW, 0,18 €/kWh).

La grande efficacité des éléments filtrants innovants est pleinement exploitée dans les corps de filtre optimisés du point de vue de la technique d'écoulement. La condition préalable est toutefois la surveillance continue de la pression différentielle pendant toute la durée d'utilisation des éléments filtrants à coalescence ou à particules. Ils doivent être remplacés lorsque les coûts énergétiques de l'augmentation de la pression différentielle atteignent les coûts d'investissement d'un nouvel élément filtrant. L'indication du moment le plus économique pour le remplacement se fait dans la version standard par l'économètre ou par l'Economizer (image 6) qui mesure en continu la pression différentielle. Le microprocesseur intégré évalue les données de mesure et compare les coûts énergétiques qui augmentent en raison de la perte de pression avec les coûts d'un nouvel élément filtrant. Le moment de remplacement le plus économique ainsi calculé est affiché par des diodes lumineuses et - si les conditions techniques numériques de commande et de maintenance le permettent - transmis à la commande supérieure de la station d'air comprimé.

Pour les débits d'air comprimé plus importants, qui exigent des solutions individuelles avec des corps adaptés à l’application (image 7), la question se pose de savoir si les résultats de mesure de la série standard DF-UltraPleat™ peuvent être "mis à l'échelle". Wolfgang Bongartz, Engineering Manager chez Donaldson à Haan/Allemagne, répond : "Depuis que des bancs d'essai sont disponibles auprès d'instituts indépendants, même pour des filtres de grande capacité, nous disposons d'une base de données fiable. La structure des filtres a été optimisée pour les différents degrés de filtration. Avec la validation des nouveaux éléments selon les normes ISO 12500-1 et 12500-3, une comparabilité complète des données de performance est assurée. Pour l'utilisateur, cela signifie une longue durée de vie des éléments avec une pression différentielle toujours faible - le paramètre décisif pour l'économie d'énergie".

Si l'on considère les millions de filtres à air comprimé utilisés dans le monde, il s'agit d'un facteur non négligeable de réduction de la pollution par le CO₂. - Et une "électricité verte" n'est pas non plus gratuite (image 8).

Seule une technologie de filtration sophistiquée permet d'obtenir le séchage nécessaire de l'air comprimé jusqu'à la filtration stérile au point de consommation. Les concepts de traitement adaptés à l'utilisation avec lesquels les prescriptions de la norme ISO 8573-1:2010 sont remplies avec les classes de qualité 1-2:1-2:1-2 ainsi que 0, utilisent des systèmes de séchage équipés des filtres à économie d'énergie UltraPleat™ (image 9).

Pour une utilisation économique des sécheurs par adsorption, le choix du procédé de régénération en tenant compte des conditions d'utilisation est d'une importance décisive. Si la chaleur du compresseur est disponible, elle peut être utilisée de manière économique pour la régénération selon le procédé dit Heat of Compression (HOC). Le temps de cycle est ici de 3,5 à 5,5 heures. Si la chaleur du processus est disponible, il est possible d'améliorer encore le bilan énergétique.

Si, par exemple, une qualité d'air comprimé particulièrement élevée correspondant aux classes de qualité d'air comprimé selon ISO 8573-1:2010 n'est pas nécessaire pour tous les consommateurs, cela a des répercussions sur la conception du traitement central et du réseau d'air comprimé. Des niveaux de qualité particulièrement élevés peuvent alors être atteints de manière plus économique sur le lieu de consommation grâce à l'utilisation du système de traitement Ultrapac™ Smart (figure 10). Dix tailles avec des débits nominaux de 5 à 100 m³/h sont disponibles. Le préfiltre intégré UltraPleat™ permet de retenir les particules solides et les matières en suspension ainsi que les aérosols liquides (huile/eau). L'étape de séchage par adsorption adsorbe l'humidité jusqu'à un point de rosée sous pression de -70 °C, à 70 % de la charge nominale (standard -40 °C). Lors de la dernière étape, les particules solides restantes sont retenues jusqu'à 0,01 μm dans le filtre secondaire intégré UltraPleat™.