La production de biométhane gagne à être flexible

Depuis quelques années, on est plutôt habitué à parler de flexibilité pour la production et la consommation d’électricité. Pourrait-on faire de même avec le biogaz ? Un projet nommé Fleximétha vient justement de dessiner les contours de la modulation de la production de biométhane injecté dans les réseaux de gaz. Ce travail a été conduit dans le cadre de la Chaire Innovation biogaz, créée en 2020 par l’INSA Toulouse et GRDF, avec l’entreprise associative Solagro. Autour d’un cas d’étude modélisant un méthaniseur type, Fleximétha montre les conséquences d’une adaptation de la matière organique mise en méthanisation aux besoins du réseau de gaz, tant en termes de production de biométhane, que de quantité de gaz torchés et de rendement économique.

L’enjeu, dans quelques années, pourrait être de taille. À fin novembre 2023, on compte 643 sites de méthanisation, majoritairement agricoles, qui injectent leur production de biométhane sur les réseaux de transport, mais surtout de distribution de gaz. L’énergie ainsi délivrée dépasse 11,5 TWh par an. La programmation pluriannuelle de l’énergie en cours de consultation prévoit un objectif entre 50 et 85 TWh/an en 2035. Avec ces niveaux de production croissants, les mailles locales des réseaux de gaz, notamment de distribution, pourraient se retrouver saturées en biométhane, en particulier l’été lorsque la demande de gaz est moindre. Les gestionnaires de réseaux imaginent déjà des solutions comme la construction de jonctions entre des mailles, ou bien des stations de rebours permettant de compresser le méthane du réseau de distribution vers le réseau de transport. Fleximétha envisage une alternative complémentaire : moduler la production du biométhane en fonction des contraintes de réseau.

Modélisation et cas d’étude

Pour analyser cette solution, trois étapes ont été nécessaires. Tout d’abord, un cas pilote a été étudié sur le micro-méthaniseur Biobricks de la société Ineo MPLR. Son digesteur, d’une dizaine de mètres cubes, a été soumis à des périodes de « famine » où plus aucune matière organique n’était introduite, et à des périodes d’alimentation avec passage d’un régime légumes-fruits à des déchets de cantine plus carnés. Deux premiers enseignements ont été tirés de cette expérimentation : après une période de famine, la reprise de la charge nominale se fait sans difficulté majeure ; par contre, la réalimentation en déchets de cantines présente un risque de déstabilisation à cause d’une modification des charges en azote et en lipides, entraînant une perturbation des activités bactériennes dans le digesteur.

La deuxième étape a été la modélisation dynamique de tout le système : composition des substrats introduits dans le digesteur, méthanisation et production de biogaz, stockage du biogaz dans un gazomètre, épuration du biogaz en biométhane, injection du biométhane sur le réseau, brûlage en torchère du biogaz excédentaire. La cinétique de production de biogaz est simulée à partir de la composition des substrats (matière sèche, matière organique / potentiel méthanogène, etc.), du programme d’alimentation, des paramètres physico-chimiques (équilibres liquide/liquide et gaz/liquide) et des paramètres cinétiques (constante d’hydrolyse de matières, etc.). En fonction du volume du gazomètre et des performances de l’épurateur, les capacités d’injection sur le réseau sont évaluées au pas de temps horaire.

Troisièmement, Fleximétha a analysé les résultats de la modélisation d’une installation type, avec un digesteur de 4 250 m³ alimenté à moitié par des déjections animales et à moitié par des cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE). Le gazomètre de 1 200 m³ permet un stockage de 8 heures. La production est de 150 Nm³/h, mais entre les pertes et l’utilisation pour des besoins internes, 139 Nm³/h sont potentiellement injectables dans le réseau si celui-ci n’a aucune contrainte, soit 13,5 GWh/an avec un taux d’injection à 100 %. Au contraire, si le réseau présente une soixantaine de jours estivaux avec des limitations d’injection, plusieurs cas de figure ont été simulés. Un fonctionnement en mode classique d’alimentation sans interruption permet une production constante, mais oblige à brûler le gaz en torchère les jours de contraintes, soit 12,9 GWh/an injectés et un taux d’injection de 95,4 %.

Une première alternative est d’arrêter l’alimentation en CIVE du digesteur la veille de chaque jour d’effacement : on limite alors les pertes en torchère (taux d’injection de 99,9 %), mais la quantité injectée baisse fortement, à 12,2 GWh/an. Une seconde solution est de procéder avec le même arrêt la veille, mais en surchargeant le digesteur en CIVE au moment de la reprise. On a alors un peu plus de biométhane injecté (12,6 GWh/an) et un taux d’injection un peu moins bon (99,5 %). Enfin, la dernière simulation reprend le cas précédent en ajoutant une surcharge supplémentaire de CIVE lors des périodes hivernales. Dans ce cas, on retrouve le niveau nominal d’injection (13,5 GWh/an) sans dégrader le taux d’injection (99,5 %). De tous les cas étudiés, cette solution de flexibilité est aussi la plus intéressante économiquement. Même si les coûts d’exploitation sont 10 % plus élevés pour gérer les arrêts et surcharges d’alimentation, son taux de retour sur investissement de 6,2 % équivaut quasiment à celui de la situation sans contrainte (6,3 %), tout comme son taux de couverture de la dette (128,3 % contre 131 %).

Grâce à cette étude, les acteurs de la méthanisation peuvent commencer d’envisager une marge de flexibilité de la production journalière de biogaz en fonction des besoins du réseau gazier. Elle repose sur la gestion d’arrêts d’alimentation du digesteur et de reprises en surchargeant un « substrat pivot » comme les CIVE. Pour rendre cette flexibilité totalement opérationnelle, les porteurs du programme Fleximétha appellent à une expérimentation sur un site réel, à une analyse plus fine de la sensibilité du modèle selon la typologie des substrats et les profils temporels de capacité d’injection, et soulèvent la question de la qualification systématique des propriétés cinétiques des substrats.