Le SIAAP (Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne) qui gère l'assainissement de près de 9 millions de Franciliens est confronté aux nécessaires rénovations, modernisations et mise aux normes de ses installations de transport et de traitement. De profondes réflexions en particulier sur les dépenses énergétiques ont conduit la stratégie du SIAAP à produire et développer au maximum le biogaz récupérable dans les boues issues du traitement des eaux usées. Les différents modes de récupération et de valorisation énergétique de ce biogaz sont abordés dans le présent exposé et ont été comparés pour en définir la meilleure application sur chacune des 2 plus importantes usines de dépollution. La valorisation interne au site porte traditionnellement des productions de chaleur et d'électricité autoconsommées mais les dispositions réglementaires récentes permettent d'envisager l'optimisation par la réinjection au réseau ErDF de l'électricité ou au réseau GDF du biogaz épuré voir la fabrication de méthane liquéfié BioGNL pour un marché en devenir. Le contexte économique, juridique et environnemental est étudié en regard de la situation historique, géographique et des procédés de traitement des usines.
Le Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP) épure quotidiennement les eaux usées de près de 9 millions de Franciliens, soit environ 2,7 millions de m³/j. Le traitement est assuré par cinq usines d'épuration avant rejet dans le milieu récepteur : Seine Aval (Achères – 1,7 Mm³/j), Seine Amont (Valenton – 600 000 m³/j), Seine Centre (Colombes – 240 000 m³/j), Seine Grésillons (Triel-sur-Seine – 100 000 m³/j actuel et 300 000 m³/j en 2013) et Marne Aval (Noisy-le-Grand – 75 000 m³/j). Une sixième usine, Seine Morée (Le Blanc-Mesnil – 50 000 m³/j), entrera en service courant 2013. L'énergie nécessaire au fonctionnement de ces usines est, le cas échéant, en partie fournie par la valorisation du biogaz issu de la digestion des boues.
Le principe de valorisation du biogaz est mis en œuvre depuis 1940 sur l'usine Seine Aval d’Achères, puis en 1983 sur le site de Seine Amont et prochainement sur les usines de Seine Grésillons et de Seine Morée. Les sites de Seine Centre et Marne Aval.
aval possédant une incinération directe des boues sans digestion.
L’ensemble des productions est récapitulé sur la figure 1 et représente un volume de biogaz de 75 millions de Nm³/j, soit 25 % de la production française en 2010.
À noter que la future production de Seine Morée ne prend pas en compte le biogaz généré par la méthanisation des ordures ménagères traitées avec les boues de la station d’épuration en construction.
La stratégie de développement du SIAAP est particulièrement axée sur la prise en compte des critères du développement durable et sur l’amélioration de la sécurité de ses agents et de ses procédés industriels. C’est dans ce cadre que les vastes projets de rénovation et de modernisation des traitements sont menés.
Le présent exposé présente les projets en cours concernant la production, le stockage et la valorisation du biogaz sur quatre usines du Syndicat.
Projets de Seine Aval : maintien énergétique et modernisation des installations de production et de stockage
« Interne » produite par le SIAAP, l’autonomie énergétique du site Seine aval était de 70 % avant une baisse à environ 60 % suite à l’augmentation des besoins énergétiques par la mise en service d’unités d’épuration supplémentaires (augmentation de l’importation d’électricité de 42 % par les unités complémentaires de traitement de l’azote et du phosphore).
Mais le vaste chantier de rénovation complète de l’usine Seine aval d’ici 2020 repose sur un objectif d’autonomie énergétique voisin de 70 %, la valorisation du biogaz issu de la digestion des boues jouant toujours un rôle prépondérant.
Les bilans énergétiques comparés entre 2005 et ce jour sont représentés sur les figures 2 et 3.
Deux nouvelles turbines à gaz (TAG)
L’usine de traitement des eaux usées (UPEI) possède 27 digesteurs représentant un total de 258 000 m³ de volume total.
-SIAAP. Caractéristiques du biogaz produit sur le site Seine aval
| Moyenne | Variation | |
|---|---|---|
| CH4 | 65 % | 62 à 69 % |
| CO2 | 34,4 % | 30 à 37 % |
| N2 | 0,6 % | 0,5 à 1 % |
| Eau (entrée sphère) | 9 g/m3 | / |
| H2S (circulation) | 13 à 77 ppm | |
| H2S (désodorisation) | 20 à 350 ppm | |
| Siloxanes | 35 mg/Nm3 | / |
| PCI | 6,53 kWh/m3 | / |
Figure 5 : Caractéristique du biogaz de Seine aval.
(digestions primaires et secondaires réunies : voir figure 4)
L’évolution des moyens de production d’énergie – électricité, chaleur, et air process – constatée sur l'usine au cours de ces dernières années met en évidence l’abandon progressif des moteurs biogaz-fioul au bénéfice de turbines à gaz pour la cogénération (électricité et chaleur), et de moteurs électriques pour la production d'air process.
En effet, les anciens moteurs biogaz-fioul présentent l’inconvénient d'un coût d’entretien élevé, d’une immobilisation plus grande que celle d'une turbine lors des opérations de maintenance, et d’un rendement global plus faible que celui d'une turbine en cogénération ou en production d’air par rapport à un moteur électrique. De plus, les rejets des fumées nécessitent des traitements complémentaires pour les rendre conformes aux nouvelles réglementations. Au moment où le coût des énergies augmente, et dans le contexte des engagements environnementaux de la France en énergie renouvelable, le SIAAP a décidé l’installation d'une nouvelle turbine alimentée au biogaz.
Après avoir considéré l’ancienneté de la première turbine de 4 MW (TAG 1), le calcul technico-économique a démontré qu'il était plus intéressant d'installer deux nouvelles turbines de 5 MW, avec le remplacement de l'existante.
Les caractéristiques très constantes du biogaz produit (voir figure 5) rentrent bien dans les spécifications de fonctionnement de turbines à gaz de cette puissance. Enfin, sur l'aspect secours en énergie électrique de l'usine Seine-aval, cette centralisation des moyens de production d’énergie électrique permet à l’exploitant de disposer – en cas de coupure complète d’alimentation du secteur – d’une puissance d’environ 10 MW pour l'ensemble de l’usine.
Si le projet permet la production d’énergie électrique, la récupération de chaleur sur les gaz d’échappement des turbines sous forme d’eau chaude à 90 °C, soit deux fois 8,4 MW thermiques, représente une partie importante du projet.
En effet, le chauffage de l'ensemble des digesteurs peut être assuré par les deux turbines en fonctionnement. Cette évolution présente au moins trois grands avantages :
- • Une amélioration du rendement global de la valorisation énergétique du biogaz (optimisation du torchage et économie de fonctionnement).
- • Une centralisation des moyens de production d’électricité et de chaleur ;
- • L'amélioration des moyens de contrôle et de maintenance des équipements.
Le projet a pris en compte également les nouvelles réglementations en terme de sécurité industrielle par la réalisation d'études de danger et d'études HAZOP que nécessite le nouveau classement SEVESO seuil haut du site Seine Aval.
L’année 2012 a conforté la pleine application des avantages de ces nouveaux équipements mis en service fin 2011. D’ores et déjà, les premières constatations sont très positives dans la souplesse d’exploitation et montrent une baisse importante du biogaz torché de 11 % à 2,9 % sur l'ensemble de 2012 par rapport à 2011.
Modernisation et mise aux normes des équipements de production, transport et stockage du biogaz
Depuis plusieurs années, le SIAAP est engagé dans un programme important de refonte de l'usine d’épuration de Seine aval.
Le développement des nouvelles technologies à maîtriser, combiné à la nécessaire modernisation des procédés datant de plusieurs dizaines d’années, a conduit l’exploitant à une réflexion sur les mutations profondes que ces réalisations entraînaient. Parmi ces réflexions, un premier thème s'est imposé de lui-même, celui de la pérennité et la sécurité industrielle des installations de biogaz. L’étude de l’accidentologie des principaux sites industriels et le récent retour d’expérience de la mise aux normes de l'usine Seine Amont de Valenton ont mis en valeur la nécessité d’étudier particulièrement la sécurité des installations de production et d'utilisation du biogaz.
Un groupe de travail biogaz, constitué d’ingénieurs sécurité, de conducteurs d’opéra-
LA CHAUDIÈRE BIOGAZ
La chaudière biogaz permet de valoriser la chaleur issue de la combustion du biogaz à des fins :
- de chauffage des digesteurs et des locaux > SOLUTION DÉJÀ ADOPTÉE SUR VALENTON
- d’alimentation d'un réseau de chaleur > PROJET FUTUR, DAVANTAGE COMPATIBLE AVEC LA VALORISATION DES ÉNERGIES BASSE TEMPÉRATURE DU SITE
LA COGÉNÉRATION
Elle permet la production :
- d'électricité utilisée sur site ou réinjectée au réseau
- de chaleur valorisée sur site, pour le chauffage des locaux et des digesteurs, et l’alimentation des sécheurs > SOLUTION RÉALISABLE
LES VOIES DE VALORISATION DU BIOGAZ / LA PRODUCTION DE BIOMÉTHANE
L’ALIMENTATION EN BIOGAZ D’UNE INDUSTRIE PROCHE DU SITE
Le biogaz excédentaire peut être livré, via une canalisation directe, vers une industrie ayant des besoins énergétiques importants > LE NOMBRE LIMITÉ D'INDUSTRIELS À PROXIMITÉ DIRECTE DU SITE NE REND PAS CETTE SOLUTION PÉRENNE
Le biogaz transformé en biométhane permet :
- son injection dans le réseau de gaz naturel
- de produire des biocarburants. Selon la forme de biocarburant retenue, deux usages sont possibles :
- BioGNV : alimentation de véhicules de transport urbain
- BioGNL : alimentation de véhicules de transport longue distance
Figure 7 : Voies de valorisation possibles du biogaz à Seine amont.
Le groupe de travail constitué de représentants du SIAAP, de SEQUARIS, d’exploitants et d’un bureau d’étude spécialisé s'est particulièrement penché sur les accidents, presque accidents et incidents répertoriés sur les deux installations de méthanisation de Seine Aval et de Seine Amont. Rapidement s’est imposée au groupe la nécessité de collecter et d’harmoniser les dispositions réglementaires, règles de l'art et bonnes pratiques, totalement dispersées et souvent récentes à travers les différents codes (environnement, travail, santé, CODETI...), les différents arrêtés et circulaires (arrêté ICPE 98, arrêté type combustion/compression, circulaire combustion biogaz...) et les directives (DESP...), ainsi que les recommandations et avis.
Un guide d’application des exigences réglementaires et pratiques a donc été réalisé avec, en particulier, une partie « méthodologie d’intégration de la sécurité dans la conception et la réalisation des installations du SIAAP » qui sera intégrée dans les cahiers des charges des futurs appels d'offres de conception-réalisation. Une partie « exigences de conception applicables aux composants des systèmes biogaz » détaille pour les marchés de travaux les spécifications pour les équipements de compression, tuyauterie, torchère, pot de purge, automatismes de détection de gaz...
Le nécessaire maintien en service des installations impose un phasage délicat des travaux à effectuer en dépit du choix fait de garder les infrastructures génie civil des ouvrages. Les différents audits et diagnostics concluent à un ensemble de travaux comprenant la transformation des digesteurs secondaires en primaires, le renforcement du brassage de la recirculation et de l'isolation thermique, la mise en sécurité des canalisations et équipements de transport et de mesures ainsi que les adaptations nécessaires pour une exploitation intégrée, plus souple et limitant au maximum les risques humains et industriels.
Un programme de travaux d'une dizaine d’années est ainsi prévu en plusieurs appels d’offres pour un montant prévisionnel estimatif de plusieurs dizaines de millions d’euros.
Projet de valorisations comparées du biogaz à Seine Amont
Les travaux de Mise au Normes du site de Valenton (MINOVA) relatifs aux impositions de la Directive sur les Eaux Résiduaires Urbaines (DERU) ont nécessité l’extension de la digestion permettant une production supplémentaire de biogaz.
Le biogaz est utilisé prioritairement par les consommateurs du site : sécheurs, chauffage des digesteurs, chauffage des bâtiments, four Pyrofluid, mais la production de biogaz dépasse les besoins internes. Le site génère alors du biogaz excédentaire. Les nécessités réglementaires et économiques de limitation du torchage (réservé à la sécurité) et d’optimisation de la valorisation (efficacité énergétique) ont conduit le SIAAP à mener, en collaboration avec l’exploitant SEQUARIS, une étude d’opportunité sur les solutions de valorisation de cet excédent comprenant la faisabilité technique, économique, réglementaire et juridique.
Les solutions envisagées sont présentées sur la figure 6 qui conclut que la cogénération et la production de biométhane sont les deux solutions possibles retenues pour la valorisation du biogaz excédentaire de Seine Amont.
Solution cogénération
Dans le cadre d’une solution cogénération, la production de chaleur théoriquement possible à hauteur d’un rendement de 40 % est en fait ramenée à 9 % sur Seine Amont compte tenu de la chaleur déjà récupérée sur les installations de combustion et de pyrolyse équipant ce site. Il n’a pas été trouvé d'utilisateur de chaleur à proximité du site.
La production d’électricité avec un rendement prévisionnel de 38 % peut être estimée à 13 GWh par an (l’équivalent de la consommation en électricité — hors chauffage, eau chaude et cuisson — d’environ 15 000 habitants). L’électricité peut être ensuite :
- autoconsommée, soit la couverture de 10 % des besoins du site ;
- revendue par un tiers sur le réseau ErDF : le SIAAP ne bénéficiant pas des conditions d’achat fixées par le décret n° 2001-410 du 10 mai 2001, seul un tiers exploitant peut permettre au SIAAP de bénéficier de ce tarif établi pour un retour sur…
+ H2O, H2
Siloxanes, N2
mercaptans
+ 32 % de CO₂
ÉNERGIE DÉCARBONÉE
Le Biogaz
- 65 % de méthane (CH₄)
- 32 % de CO₂
- H₂O, H₂S, COV, Siloxanes, N₂, mercaptans…
Le Biométhane
- 96 % de méthane (CH₄)
- 2 % de CO₂
- < 0,5 % N₂
- PCI : 9,7 kWh/Nm³
ÉNERGIE FOSSILE
Le Gaz Naturel
- 97 % de méthane (CH₄)
- 2,2 % C₂H₆, 0,3 % C₃H₈, 0,1 %
- 0,4 % N₂
- PCI : 10,3 kWh/Nm³
Figure 8 : Principales caractéristiques Biogaz – Biométhane – Gaz Naturel.
Figure 9: Les usages du Biométhane
investissement raisonnable des installations de cogénération.
Solution Biométhane
L'épuration du biogaz permet de produire du biométhane, dont la composition est similaire à celle du gaz naturel comme résumé sur la figure 8.
Le biométhane peut donc être utilisé pour les mêmes usages que le gaz naturel :
- Injecté à 6 bar dans les réseaux GrDF. Cette solution souple et évolutive devrait recevoir rapidement l’autorisation du ministère et serait opérationnelle pour 2014 ;
- Comprimé à 250 bar : BioGNV (Gaz Naturel Véhicule), usage carburant ;
- Europe : 11 millions de véhicules roulent au GNV, une croissance de 14 % / an ;
- Suède : 17 000 véhicules, dont 50 % roulent au biométhane ;
- France : 13 000 véhicules seulement, moins de 1 % roulent au biométhane ;
- Liquéfié à –160 °C : BioGNL (Gaz Naturel Liquide), transportable par méthaniers ou camions-citernes, usage carburant.
Contexte du biométhane à Seine-Amont
Trois solutions sont donc retenues : cogénération, BioGNL carburant et biométhane injection dans le réseau GN.
Les rendements énergétiques des solutions BioGNL (91 et 95 %) sont élevés et les enjeux de cette solution pour Paris et sa région sont importants dans les contextes de développement durable, santé publique, efficacité énergétique, pérennité et souplesse d’exploitation. Ce point ne sera pas développé plus avant étant donné les nombreuses publications récentes sur le sujet.
L’analyse juridique a conclu à deux montages possibles pour le SIAAP :
- L’îlot concessif : l’investissement est porté par un tiers qui exploite l’installation et vend le produit de la valorisation (l’électricité au tarif subventionné, le BioGNL aux acheteurs privés ou au tarif subventionné pour réinjection). En contrepartie, le tiers investisseur achète le biogaz au SIAAP.
- Investissement par le SIAAP : les investissements sont portés par le SIAAP qui lance un marché pour la conception, la construction et l’exploitation de l’installation.
Le prestataire choisi pour l’exploitation vend le produit de la valorisation (l’électricité au tarif subventionné ou le BioGNL aux acheteurs) et reverse au SIAAP la différence entre le produit de sa vente et sa rémunération contractuelle. Le SIAAP peut également choisir l’autoconsommation électrique de la cogénération.
La comparaison prévisionnelle globale financière, technique et juridique est résumée dans le tableau suivant (figure 10).
La durée contractuelle des projets est de 15 ans pour la cogénération et l’injection réseau GN. Pour le BioGNL, 15 ans a aussi été choisi. Un taux d’actualisation des flux de trésorerie de 7 % est envisagé, les coûts d’exploitation étant actualisés.
Il ressort de cette analyse que seule la cogénération dont l’électricité est autoconsommée ne permet pas un retour sur investissement pour la station de Seine-Amont. La durée maximum pour les autres cas serait de moins de 6 ans.
Une étude complémentaire réglementaire a été réalisée pour les trois cas de valorisation : la cogénération, régie par la rubrique 2910 des ICPE, sera adaptée à partir de l’arrêté préfectoral du site.
L’installation de production et de stockage de BioGNL n’a pas déterminé d’exigences supplémentaires au classement SEVESO seuil bas du site (pas de substances dangereuses pour l’environnement et pas d’impact pour le volume de stockage du gaz liquéfié). L’étude préliminaire d’impact et d’analyse des risques a validé la faisabilité réglementaire ; des dispositions supplémentaires sont à prendre par le SIAAP, liées à la configuration du site de Seine-Amont :
- création d’une servitude de passage pour permettre la circulation du camion entre l’unité de production de BioGNL (intérieur du site) et l’extérieur du site ;
SIAAP SYNTHÈSE ÉCONOMIQUE
| MONTAGE |
| Investissement SIAAP (Autoconsommation) |
| Gain cumulé |
| Temps de retour sur investissement pour le SIAAP (15 ans) |
| Investissement Tiers |
| < 6 ans |
| > Retour sur investissement assuré |
| > Un tarif d’achat garanti |
Figure 10 : Synthèse économique prévisionnelle des usages du biométhane à Seine-Amont.
- • rajout d'un scénario dans l'étude de danger du site ;
- • coordination des POI de la station et de la nouvelle unité par le SIAAP.
L'injection de biométhane dans le réseau GN est régie par la rubrique ICPE-1411 permettant une simple déclaration.
De ces études, la solution qui s'avère la plus rentable financièrement et du point de vue environnemental est l'injection du biogaz excédentaire dans le réseau. Une dernière réflexion sur la sécurité industrielle a montré que la solution réinjection permettrait à l'exploitant de s'affranchir de la contrainte du stockage sur site et donc de diminuer les risques sur l'usine.
Bien entendu, ce schéma est tributaire de l'autorisation par le Ministère de la réinjection du biogaz produit en station d'épuration attendue en 2013.
Autres projets SIAAP
Dans le cadre du projet d'extension de l'usine Seine Grésillons, une digestion sera mise en œuvre en 2013 pour l'ensemble des boues produites.
À terme, la production de biogaz estimée à environ 11 000 000 Nm³/j, soit une énergie disponible d'environ 71 000 MWh/an, sera valorisée pour le chauffage des digesteurs et des bâtiments tandis que l'excédent alimentera deux cogénérations totalisant 3 400 kWh.
Le choix entre l'autoconsommation électrique ou la revente sur le réseau ErDF exploité par le SIAAP ou un tiers n'étant pas encore déterminé à ce jour.
Enfin, la co-méthanisation des boues de l'usine Seine Morée et des déchets du SYCTOM de l'agglomération parisienne est en cours de sélection des offres. La production de biogaz attendue est de l'ordre de 4 000 000 Nm³/an et serait valorisée par cogénération ou injection dans le réseau GrDF dès que la réglementation l'autorisera.
Avec l'ensemble de ces projets, le SIAAP se place ainsi parmi les acteurs les plus actifs et novateurs du développement de l'énergie décarbonée en optimisant la production et la valorisation du biogaz issu des boues de l'épuration francilienne.
