TECHNOLOGIE DES MEMBRANES POUR LES CENTRALES DE TRAITEMENT D'AIR

Dans le conteneur d'essai AAF 40', quatre systèmes de filtration, chacun avec deux étages, sont installés en parallèle. Chaque système de filtration comporte un préfiltre compact VariCel EcoPak ePM1 55 % avec un média en fibre de verre dans le premier étage. Dans la deuxième étape, les filtres HEPA traditionnels en fibre de verre H14 AstroCel I HC et les filtres HEPA à membrane eFRM H14 MEGAcel I sont installés dans deux systèmes de filtration chacun. La combinaison de filtres est donc un filtre ePM1 55%, directement suivi d'un filtre HEPA H14. Le débit volumique a été contrôlé à l'aide d'orifices de débit volumique. Les pertes de charge des orifices de débit volumétrique ainsi que celles des étages de filtration respectifs ont été surveillées à distance à l'aide du système AAF Sensor360^®. Un capteur commercial de particules PM2,5 était également connecté au système Sensor360^® à l'entrée d'air du conteneur. Un enregistreur de données pour la température et l'humidité de l'air était également installé à cet endroit. La photo 3 montre le conteneur de test dans l'usine Diniar à Olaine (Lettonie). Les tuyaux sur le côté gauche sont les sorties d'air des quatre systèmes de filtration à l'intérieur du conteneur.

Au cours de la première partie du test, le conteneur a été exploité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans l'usine AAF d'Emmen (Pays-Bas) pendant 83 jours. Après une révision, le conteneur a été transporté à l'usine Dinair d'Olaine (Lettonie) où il a été exploité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 pendant 828 jours. Les filtres ont été exploités à un débit de 3150 m³/h. Le débit volumique a été réajusté manuellement si nécessaire. Les préfiltres ont été exploités jusqu'à la limite de charge, voire même au-delà dans un cas, de sorte que le pack filtrant s'est rompu. La perte de pression était alors supérieure à 550 Pa. Ils ont été remplacés environ tous les 3 mois. En ajoutant un autre préfiltre dans la gamme d'efficacité ePM2.5 ou ePM10, la durée de vie du préfiltre compact VariCel EcoPak ePM1 55% utilisé pourrait certainement être prolongée.

Température et humidité relative

Le conteneur d'essai a été exposé à d'importantes fluctuations saisonnières de la température et de l'humidité relative de l'air d'entrée. En hiver, des températures de -10°C ont été régulièrement atteintes, voire -20°C dans certains cas. Cela a entraîné à quelques reprises le givrage des pré-filtres (Photo 4). En été, les températures maximales atteignaient 35°C. L'humidité relative était naturellement faible en hiver, inférieure à 10%, mais atteignait des valeurs allant jusqu'à 100% en été. Au cours de la journée, l'humidité relative est généralement en corrélation réciproque avec la température, c'est-à-dire qu'elle diminue lorsque l'air se réchauffe pendant la journée et augmente lorsqu'il se refroidit la nuit.

Concentration de particules

Les concentrations de particules PM2,5 mesurées présentent également de grandes variations saisonnières (figure 1). La valeur moyenne des PM2,5 était de 37µg/m³. Pour la capitale lettone voisine, Riga, l'Agence européenne pour l'environnement indique une valeur moyenne de PM2,5 de 12µg/m3 pour 2018- 2020. Les deux valeurs moyennes se situent dans la fourchette >7,5µg/m3 et donc dans la fourchette de la catégorie d'air extérieur ODA 3 (air extérieur avec de très fortes concentrations de particules) selon la directive Eurovent 4/23-2020, qui prend en compte les dernières recommandations de l'Organisation mondiale de la santé (WHO global air quality guidelines 2021). Les valeurs de pointe mesurées pour les PM2.5 sont comprises entre 200 et 370µg/m³. Il ne peut être exclu que des effets de condensation à forte humidité relative aient contribué aux valeurs de pointe.

Température et humidité relative

Dans l'évolution de la perte de pression, il est nécessaire de distinguer les effets à court terme de l'évolution à long terme. Les fluctuations à court terme de la perte de pression ont souvent été observées pendant la journée (Figure 2).

La différence de perte de charge entre les filtres HEPA traditionnels AstroCel I en fibre de verre et les filtres HEPA à membrane MEGAcel I eFRM est évidente. Les filtres en fibre de verre sont à un niveau de 400-450 Pa, tandis que le MEGAcel I eFRM membrane HEPA est significativement plus bas à 180-320 Pa. Une corrélation directe a été trouvée entre l'augmentation de l'humidité relative et l'augmentation de la perte de charge. Cette augmentation de la perte de charge a été observée aussi bien pour les filtres en fibre de verre que pour les filtres MEGAcel I eFRM. Elle est réversible dans les deux cas mais est légèrement supérieure dans le cas des filtres à membrane eFRM. Les raisons pourraient être des effets de condensation dans le matériau filtrant lui-même mais sont encore sujettes à des investigations en cours. L'évolution de la perte de charge à long terme doit être distinguée de celle-ci.

La figure 3 montre le développement à long terme de la perte de charge d'un filtre HEPA traditionnel en fibre de verre comparé au filtre HEPA MEGAcel I à membrane eFRM. La perte de charge initiale du filtre HEPA à membrane MEGAcel I eFRM est inférieure de 180 Pa à la moitié de celle du filtre HEPA traditionnel en fibre de verre, qui est de l'ordre de 380 Pa. Pour les deux filtres, il y a des fluctuations périodiques dans la chute de pression, qui sont un peu plus importantes pour le filtre HEPA à membrane MEGAcel I eFRM par rapport aux filtres HEPA traditionnels en fibre de verre. Pour plus de clarté, les valeurs dans le diagramme ci-dessus sont des moyennes sur quelques jours. Au fur et à mesure que la charge augmente, la perte de charge des deux filtres augmente, mais les valeurs du filtre HEPA à membrane MEGAcel I eFRM restent toujours significativement plus basses que celles du filtre HEPA traditionnel en fibre de verre. Vers la fin du test, la différence de perte de charge est toujours d'environ 150 Pa.

Coût total de possession (TCO)

Pour optimiser le coût de fonctionnement d'un système de filtration, le coût total de possession (TCO) doit être minimisé. Celui-ci se compose essentiellement des coûts d'investissement CF pour les filtres et des coûts énergétiques pour le fonctionnement du ventilateur CE qui doit surmonter la perte de charge causée par les filtres.

Coût énergétique

Les coûts énergétiques à dépenser pour le fonctionnement du filtre sont directement proportionnels à la perte de charge du filtre :

Étant donné que dans une installation de filtrage, les conditions de base telles que le débit volumique, le temps de fonctionnement, l'efficacité du ventilateur et le coût de l'électricité sont généralement données, les coûts énergétiques ne peuvent être réduits qu'en choisissant un filtre avec la perte de charge la plus faible possible. La figure 4 montre l'évolution des coûts de l'électricité dans certains pays européens. Ils varient considérablement d'un pays à l'autre. En relation avec la pandémie de COVID, ils ont fortement augmenté dans toute l'Europe en 2021. Malgré une légère reprise au début de 2022, on ne s'attend pas à une reprise significative dans le contexte de la guerre russe en Ukraine. Au contraire, les coûts de l'électricité devraient rester élevés, voire même augmenter.

En juin 2022, par rapport à janvier 2020, les coûts de l'électricité étaient de +376% en Suède, +524% en Allemagne et même +555% en France. Il convient de noter que la figure 4 ne montre que les prix de gros. En fonction du volume consommé, ils peuvent être nettement plus élevés pour les clients commerciaux ou industriels. Il faut également ajouter les frais de réseau et d'autres frais. Aucun de ces éléments n'est pris en compte dans la figure 4. La sélection d'un filtre avec la perte de charge la plus faible possible est donc d'une importance capitale pour l'optimisation des coûts de fonctionnement d'un système de filtration.

Toute production d'électricité s'accompagne de certaines émissions de CO2. C'est ce que l'on appelle communément l'empreinte CO2. Le niveau d'émissions de CO2 et donc l'empreinte CO2 dépendent du mix énergétique du consommateur d'électricité. Les sources d'énergie fossiles (charbon, gaz, pétrole) génèrent naturellement des émissions de CO2 plus élevées que les sources d'énergie régénérables (vent, soleil, eau). Pour une même consommation d'électricité, les émissions de CO2 résultantes varient donc fortement d'un pays à l'autre. Le tableau 1 montre le niveau des émissions de CO2 dues à la production d'électricité dans différents pays. Naturellement, les pays qui utilisent beaucoup de sources d'énergie renouvelables ou d'énergie nucléaire, comme la Suède, la Suisse ou la France, ont des émissions de CO2 relativement faibles pour la production d'électricité.

Tableau 1 : émissions de CO2 dues à la production d'électricité dans différents pays [2].

Exemple

Vérifions le coût énergétique, le coût total de possession et l'empreinte CO2 dans une application concrète, en supposant que les conditions sont les mêmes que celles décrites pour le test du conteneur. Pour cela, nous supposons ce qui suit :

En raison de la situation sur les marchés de l'énergie décrite ci-dessus, nous supposons les prix de gros de l'électricité en juin 2022 et, par souci de simplicité, nous négligeons tous les frais de réseau et autres charges.

Tableau 2 : Prix de gros de l'électricité en juin 2022 (sans frais de réseau ni autres frais) et augmentation par rapport à janvier 2022 pour certains pays [1].

La figure 5 compare le coût énergétique du fonctionnement d'un filtre HEPA en fibre de verre et d'un filtre HEPA à membrane eFRM dans différents pays, dans les conditions mentionnées ci-dessus, calculé à l'aide de la formule (2).

Les différents coûts de l'électricité dans les différents pays entraînent des coûts énergétiques sensiblement différents pour le fonctionnement d'un filtre. Dans notre exemple, les coûts en Italie sont environ 2,37 fois ceux de la Suède. Indépendamment de cela, l'utilisation de filtres HEPA à membrane eFRM permet de réaliser une économie d'environ 50 % dans chaque pays. Pour calculer le coût total de possession, selon la formule (1), le coût d'investissement des filtres est ajouté au coût de l'énergie. En supposant le coût d'investissement suivant,

La figure 6 montre l'évolution du coût total de possession dans le temps pour différents pays.

En raison des coûts d'investissement plus faibles des filtres en fibre de verre, leur coût total de possession est initialement inférieur à celui des filtres à membrane eFRM. Cependant, en raison des coûts énergétiques nettement inférieurs pendant le fonctionnement des filtres à membrane eFRM, ce rapport s'inverse au fil du temps (figure 6). Le point auquel cela se produit est appelé le seuil de rentabilité, à partir duquel l'exploitation des filtres à membrane eFRM de meilleure qualité est économiquement rentable. Les différences de coûts énergétiques entre les pays ne jouent pratiquement aucun rôle à cet égard. Les périodes d'amortissement sont toujours de l'ordre de quelques mois seulement (figure 7).

La figure 8 montre le coût total de possession résultant sur la durée de fonctionnement supposée de 18 000 heures.

En raison des différences de coût de l'énergie dans les différents pays, le coût total de possession des filtres est très différent. Indépendamment de cela, dans tous les pays, il y a des économies de coûts significatives de l'ordre de 35 % à plus de 42 %. Les consommations d'énergie indiquées dans la figure 5 permettent de calculer les équivalents de CO2 indiqués dans la figure 9.