Biozone : un outil d’optimisation du raccordement des unités de biométhane pour accompagner le développement de la filière

Afin d’optimiser les conditions d’injection du biométhane dans les réseaux, RICE a contribué au développement d'un outil d’optimisation technico-économique : Biozone. Découvrez comment l’utilisation de cet outil contribue au développement de la filière.

Le biométhane, un acteur de la transition énergétique 

GRTgaz a l’ambition d’être un acteur leader de la transition écologique pour rendre possible un avenir énergétique sûr, abordable et neutre pour le climat. Elle participe ainsi au développement de la filière biométhane afin de sortir au plus vite de l’utilisation intensive de gaz fossile.

Le législateur accompagne cette démarche : la Loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte a fixé comme objectif de porter la part de gaz renouvelable à 10% de la consommation de gaz en France en 2030 – contre 1% actuellement.

Le biométhane est un gaz 100% renouvelable produit localement par un processus de méthanisation à partir de déchets organiques : des déchets agricoles, ménagers, industriels mais également des ordures ménagères, issus de l’industrie agro-alimentaire, de la restauration collective, ou encore des boues de stations d'épuration. De quoi faire avancer la cause d’une nouvelle filière au service du « verdissement » du gaz et de l’économie circulaire.

La forte augmentation des volumes de biométhane injectés sur les réseaux de transport et de distribution nécessite des adaptations de ces réseaux conçus historiquement pour acheminer le gaz de manière unidirectionnelle et centralisée, de l’amont vers l’aval.

Par exemple, lorsque le volume de biométhane injecté dans un réseau de distribution est trop important pour être consommé localement, une installation d’un rebours doit être mise en place afin de faire « remonter » le gaz vers le réseau de transport.

Biozone, un outil d’aide à la décision au service du biométhane

Afin de préparer au mieux l’augmentation progressive de la production décentralisée de biométhane pour les années à venir, GRTgaz a besoin de développer une vision long terme des investissements nécessaires. Pour répondre à cette problématique, GRTgaz a développé l’outil Biozone. Il s’agit d’un outil d’aide à la décision reposant sur des techniques de Recherche Opérationnelle comme la programmation linéaire. Suite à la réalisation courant 2019 d’une première version « prototype » par la Direction Système Gaz de GRTgaz, avec le concours de l’EnergyLab de SIA Partners, la poursuite du développement et l’industrialisation de l’outil ont été repris par RICE, le centre de R&D de GRTgaz, fort de ses compétences en mathématiques appliquées et développement d’outils.

L’objectif de Biozone est de déterminer le meilleur raccordement possible pour chaque unité de production de biométhane au réseau de transport ou de distribution. L’outil peut également choisir de poser des rebours sur le réseau de distribution et des compresseurs sur le réseau de transport lorsque localement, les volumes des unités s’y raccordant le nécessitent.

Les résultats sont obtenus en quelques minutes, afin de répondre aux exigences opérationnelles des utilisateurs.

Plusieurs défis d’envergure ont dû être relevés lors des développements de l’outil comme :

Afin de permettre une exploitation directe des résultats de l’optimisation, Biozone génère plusieurs types d’indicateurs, et les restituent grâce à une représentation géographique. Celle-ci permet de pouvoir facilement zoomer/dézoomer sur une partie du territoire afin d’en visualiser facilement les raccordements proposés par l’outil.

Des scénarios futurs de développement du biométhane étudiés à l’aide de Biozone

Concrètement, Biozone a d’abord servi à alimenter avec des données chiffrées - notamment les nombres de rebours et les investissements associés - les discussions sur un horizon moyen terme (5 ans) autour de la mise en place du droit à l’injection, socle réglementaire encadrant le développement de la filière biométhane.

Ce socle réglementaire fournit des ratios technico-économiques limites dont notamment le coût d’investissement maximal par unité de biométhane injecté dans les réseaux. Ces ratios limites conditionnent la progression de la filière : trop hauts (i.e. peu contraignants), ils suscitent beaucoup d'investissements pas toujours justifiés ; trop bas (i.e. très contraignants), ils freinent les investissements et donc le développement du biométhane.

Plus récemment, Biozone a également servi à une estimation de la trajectoire des investissements réseaux à des horizons plus lointains (10 à 15 ans). L’étude a pu déterminer une courbe des investissements nécessaires en fonction des volumes de biométhane produits. Cela a permis d’initier les réflexions sur l’évolution du droit à l’injection pour les années à venir.

60e ANNIVERSAIRE DU GERG : RICE, un contributeur clé pour le GERG biométhane

Le 2 décembre 2021 lors de la deuxième journée de la conférence anniversaire du GERG ont été abordés les travaux menés autour du biométhane. Amélie Louvat de RICE y a été invitée pour présenter les travaux de recherche menés par le PRCI (Pipeline Research Council International) auxquels RICE contribue.


Par ailleurs, le projet GERG Biométhane a été présenté lors de la session. A cette occasion, retour sur la contribution clé de RICE dans les travaux.

|Un apport important de RICE dans l’expertise corrosion|L’étude CARABIO, une brique essentielle pour les dernières étapes sur la qualité des biométhanesDepuis le lancement du projet GERG Biométhane, RICE a été force de proposition et s’est positionné comme un contributeur clé sur les impacts corrosion des composés traces et de l’oxygène (O2), ainsi que sur le partage et le développement des connaissances sur la qualité du biométhane.

Le projet GERG Biométhane vise la suppression des barrières techniques liées à l'injection dans les réseaux gaziers et aux usages du biométhane issu de méthanisation afin de renforcer les conditions d'un développement sûr et d'assurer un positionnement compétitif du biométhane dans le système énergétique.

 

 

Figure : Feuille de route du projet GERG Biométhane (https://www.gerg.eu/project/biomethane/ )

 |Lors des phases 1 et 2a, RICE a réalisé, en collaboration avec le prestataire de contrôle et certification Kiwa (Pays-Bas), des revues bibliographiques critiques sur l’impact potentiel des composés traces du biométhane, ainsi que sur l’impact de l’O2 sur les puits et les installations de surface des stockages souterrains de gaz. Les résultats de ces recherches montrent le manque d’informations sur les possibles effets corrosifs des composés traces du biométhane sur l'infrastructure gazière et del’O2 sur les installations des stockages souterrains.

RICE a ainsi proposé d’approfondir le sujet avec Kiwa lors de la prochaine Phase 2c, via la réalisation de tests de corrosion spécifiques aux problématiques réelles : avec ces tests, RICE et ses partenaires apporteront des réponses sur les risques de corrosion,  dans des conditions représentatives des infrastructures gaz.

 

 

 |L’expérience acquise par RICE avec son étude CARABIO (CARActérisation des BIOméthanes) a été un fondamentale pour la proposition de deux études intégrées dans la phase actuelle du projet GERG biométhane (2b) et dans sa phase finale (2c, dernière en perspective aujourd’hui) :

 

Avec cette étude, RICE apportera des preuves expérimentales, non existantes dans la littérature, de la haute qualité d’un bioGNL regazéifié. Les résultats de cette étude pourraient être utilisés dans la norme EN 16723-2 pour mettre à jour le tableau de spécifications du bioGNL carburant, ou alors être une donnée d’entrée pour la rédaction d’une norme européenne pour ce carburant au sein du CEN/TC 408.

 

RICE effectuera des campagnes d’analyse type screening permettant d’apporter des données importantes pour la réalisation d’une étude statistique sur les composés traces dans le biométhane. L’un des atouts clés des campagnes RICE sera de proposer plusieurs  combinaisons de type d’intrants/type d’épuration, grâce à la diversité et au grand nombre des sites biométhane en France.

Avec ses études dynamiques des postes de rebours, RICE contribue au développement de la filière biométhane

RICE a développé depuis de nombreuses années une expertise en simulation et modélisation des réseaux applicable dans différents domaines. Depuis 4 ans, RICE réalise des études dynamiques de faisabilité et de dimensionnement pour chacun des projets de rebours Distribution/Transport. La méthode utilisée s’enrichit au fur et à mesure et a pu être validée en 2021 grâce à une analyse comparative entre résultats de simulation et mesures réalisées sur le premier rebours français à Pontivy.

Une multiplication des projets de postes de rebours sur le territoire français depuis 2019|Des études de simulation réalisées par RICE et GRDF pour simuler et optimiser l’utilisation des postes de rebours |Une étude comparative concluante entre l’outil de simulation dynamique et les mesures sur le rebours de PontivyLa filière biométhane est en pleine expansion et les perspectives de développement sont ambitieuses, avec un objectif de 10% de gaz renouvelable à horizon 2030, soit 30 à 40 TWh/an de biométhane injecté dans les réseaux (contre 2,2 TWh en 2020). Dans ce cadre, et comme expliqué dans l’article « Le poste de rebours : optimiser l’injection du biométhane », les rebours sont une solution essentielle pour maximiser l’injection de biométhane tout en évitant la saturation des réseaux de distribution. Les projets de rebours se multiplient donc sur le territoire, afin d’accompagner le développement de la filière biométhane.

A date, une centaine de projets de rebours sont envisagés à horizon 2030, dont 27 en cours de développement et 5 en service, le premier ayant vu le jour à Noyal-Pontivy en 2019. Les projets identifiés permettent d’atteindre les ambitions de la Programmation Pluriannuelle de l'Energie .

Chaque nouvelle installation engendre des modifications dans la gestion du système des réseaux de transport et de distribution, et suscite de nouvelles questions : quels réglages du rebours et des postes permettront la maximisation de l’injection de biométhane tout en garantissant une continuité d’alimentation aux clients ? Quand démarrer le rebours ? Quelle sera la dynamique des flux de gaz dans les réseaux ?

Carte du portefeuille des rebours de GRTgaz

Depuis 2017, les études de simulation permettent aux gestionnaires de réseaux de confirmer les choix d’implantation tout en optimisant les réglages des postes de détente (du transport vers la distribution), des postes d’injection des producteurs et des postes de compression (les rebours). Cela permet l’injection de gaz renouvelables et bas carbone quels que soient les niveaux de production et de consommation de gaz sur le réseau de distribution, sachant que l’injection de biométhane est relativement stable tout à long de l’année, déterminée par la capacité d’injection maximale contractualisée par les producteurs avec les fournisseurs.

Les études reposent sur 2 volets. Dans un premier temps, une étude statique est réalisée par GRDF avec un outil de calcul spécifique, afin de déterminer la zone d’emplacement optimale pour le rebours et afin de définir le réglage des postes biométhane.

Ensuite, à l’aide d’un outil de calcul dynamique, RICE simule différents scénarios de variations intra-journalières de la consommation, qui représentent la réalité du fonctionnement du réseau. Ces simulations permettent alors de définir les réglages du poste de rebours qui ne donnent lieu à aucun bouclage (injection de gaz issu du réseau de transport en même temps qu’utilisation du rebours) ni écrêtement de la production des postes biométhane tout en garantissant une pression d’alimentation correcte de l’ensemble des clients distribution.

À ce jour, RICE a conduit des études pour 24 projets de rebours.

Pour Lucile BRETHOME, ingénieure de recherche chez RICE et pilote des études dynamiques sur les rebours : « Les études dynamiques de rebours s’inscrivent au cœur d’un projet commun rassemblant GRDF et GRTgaz. C’est une opportunité pour RICE de faire valoir son expertise en modélisation et simulation des réseaux de gaz et de contribuer pleinement au développement des gaz renouvelables ».|Une étude comparative a été menée entre des mesures faites sur le poste de rebours de Pontivy en été 2020, des mesures sur le réseau de distribution GRDF et les calculs réalisés par l’outil de simulation  dynamique RICE. Les résultats sont probants :

 

Le fonctionnement global du rebours est bien restitué, que ce soit en matière de volume débité ou de temps de fonctionnement total. Les cycles du rebours sont également correctement représentés grâce à la modélisation du compresseur.

Ces résultats confirment la méthodologie développée par RICE pour les prochaines études dynamiques de rebours.

10 ans après la première injection de biométhane en France, RICE continue d’aider au développement de la filière en analysant notamment les biométhanes à la loupe

La filière du biométhane de méthanisation, élément clé pour réussir la transition énergétique et écologique en lien avec les objectifs de la France et de l’Europe, est en plein essor. RICE y contribue fortement, notamment en accompagnant un écosystème de partenaires pour s’assurer de la conformité entre les spécifications réseaux et la qualité de ces nouveaux méthanes renouvelables.

Le biométhane, une filière en plein essor|Avec le projet CARABIO (CARActérisation des BIOméthanes), RICE se positionne comme expert dans l’analyse des composés du biométhane|Des premiers résultats issus de l’analyse statistique mais de nouvelles campagnes de mesure nécessaires pour augmenter le nombre de données|En parallèle, dans le cadre de ses partenariats R&D, RICE met au point des méthodes normalisées pour l’analyse des composés du biométhaneLa première injection de biométhane dans un réseau de gaz naturel français a eu lieu il y a tout juste 10 ans, le 17 juin 2011 à Sequedin dans le réseau GRDF, depuis le Centre de Valorisation Organique de Lille (CVO). Depuis, la filière s’est largement développée avec, au 31 mai 2021, 257 sites injectant du biométhane en France, 88% sur les réseaux de distribution et 12% sur les réseaux de transport. Il existe une vraie dynamique avec une augmentation de 74% du nombre de sites en 2020 par rapport à 2019, et déjà 43 sites mis en service en 2021 A cela s’ajoutent 1164 projets de nouveaux sites de production et d’injection de biométhane en France (à fin 2020). Retrouvez plus d’information sur le panorama du gaz renouvelable 2020.|Le projet CARABIO a été lancé en 2016 par RICE avec le support des opérateurs de réseaux et de stockage français GRDF, GRTgaz, Storengy et Teréga. Ce projet s’inscrit dans le programme de recherche « Préparer les réseaux à l’arrivée des Nouveaux méthanes » Les objectifs de ce projet sont de : |L’ensemble des relevés et des études statistiques ont permis de caractériser les composés des différents biométhanes, en fonction des intrants et des systèmes d’épuration. Parmi les premiers enseignements du projet Carabio peuvent être notés : Cette étude a aussi montré que les 15 composés les plus fréquents sont issus des terpènes (limonène, pinène, camphène), des cétones (2-butanone) et les hydrocarbures. A noter que pour chacun de ces composés, les teneurs restent très faibles et bien en-dessous des éventuelles valeurs de toxicité lorsqu’elles sont applicables. Ces résultats sont en adéquation avec ceux attendus. En effet, la participation de RICE et GRTgaz à différents projets européens ainsi qu’aux travaux de normalisation sont focalisés, entre autres, sur les terpènes et les composés silicés. Le projet CARABIO permet de constituer une première base de données sur les biométhanes injectés en France mais il faut continuer l’acquisition de connaissances sur la composition des biométhanes et notamment les composés traces. Il est aussi important de déterminer quels sont les impacts de ces composés traces sur le réseau et les appareils à gaz notamment. Ainsi RICE continue la réalisation de campagnes de mesures sur les biométhanes injectés en France et son implication dans les différentes initiatives européennes. A noter que c’est en partie grâce aux travaux de RICE que Téréga et Storengy ont accepté d’injecter du biométhane dans leurs stockages souterrains depuis juin 2017.|Le projet CARABIO va dans le sens des efforts de R&D réalisés actuellement en Europe, à savoir : Ces nouvelles méthodes analytiques sur lesquelles ont travaillé RICE et 11 partenaires (VSL, IMBiH, NPL, PTB, RISE, VTT, INERIS, ISSI, NEN, Rijksuniversiteit Groningen, Waverton Analytics Limited) doivent permettre de caractériser complètement les biométhanes pour l’injection dans les réseaux de gaz. Ces normes seront publiées prochainement.||https://researchbyrice.com/wp-content/uploads/2021/01/5J9A5421-scaled.jpg|||||63 campagnes de prélèvement depuis 2016 pour constituer une première base de données des composés présents dans le biométhane |||Depuis 2016, 63 campagnes de prélèvement et de mesures ont été réalisées sur le réseau français. Ces campagnes sont réalisées afin de tenir compte de la diversité d’intrants (déchets agricoles, STEP, Déchets ménagers, déchets industriels, ISDND) et de systèmes d’épuration (membranes, épuration à l’eau, épuration aux amines, Pressure Swing Adsorption, cryogénique). Les techniciens et ingénieurs de RICE ont développé des bancs spécifiques à la matrice biométhane afin de réaliser leurs prélèvements sur le terrain sur les postes d’injection de biométhane. L’ensemble des résultats obtenus, y compris les composés présents dans les solutions d’étalonnage sont collectés et mis dans une base de données appelée CARABIO. S’en suit une étude statistique des résultats des analyses.|||https://researchbyrice.com/wp-content/uploads/2021/06/Prelevement-gaz-2.jpg|||Réalisation d'un prélèvement sur le terrain dans un poste d’injection de biométhane par les équipes RICE||