Plongée dans les entrailles de la centrale biomasse de Gardanne

Article paru dans le Bioénergie International n°50 de juillet-août 2017

L’unité biomasse PR4 avec la chaufferie à droite, la cheminée et ses filtres au centre; à gauche le silo et au fond la plateforme de la Mounine, vue prise à 70 m de haut depuis le haut de la chaudière PR5, photo Frédéric Douard

Le projet de conversion du charbon au bois de l’unité 4 de la centrale de Provence (PR4), un équipement situé sur une surface de 80 ha à cheval sur les communes de Gardanne et Meyeuil, a été retenu dans le cadre de l’appel d’offres CRE4 en 2011. Les objectifs de cette conversion étaient triples : pérenniser les 174 emplois d’une centrale à charbon condamnée à fermer en 2015 dans le cadre de la politique climatique ; ne pas supprimer la principale centrale électrique de la région Provence Alpes Côtes d’Azur alors que la région est en déficit chronique d’électricité et alors que le réseau électrique a besoin d’installations réactives et capables d’apporter les appoints de puissance ou de tension pour son équilibre, un service que ne peuvent pas rendre les énergies renouvelables intermittentes ; et enfin avancer dans la transition énergétique en ayant recours au bois, une énergie renouvelable locale très abondante, largement sous-exploitée, source de feux de forêts, de pollution atmosphérique importante par brûlage à l’air libre, une source d’énergie renouvelable stockable et programmable a contrario des énergies renouvelables intermittentes qui ne le sont pas pour l’instant.

En 2014, Bioénergie International publiait déjà un dossier sur ce projet, « Gardanne, la centrale biomasse qui réveille la forêt méditerranéenne », pour expliquer en détails comment Uniper, l’exploitant alors dénommé E.On, avait organisé le plan d’approvisionnement en biomasse-énergie le plus important de France.

La centrale de Provence avec la grande cheminée de l’unité 5 et la petite de l’unité 4, photo F. Douard

Notons également ici en préambule, que si cet équipement, avec ses 400 MW thermiques et ses 150 MW électriques, est de très loin la plus importante centrale biomasse de France, ce n’est pas la plus importante au niveau européen où des centrales de cogénération et des centrales électriques de bien plus grandes tailles fonctionnent déjà à la biomasse, et pour certaines depuis 25 ans en Scandinavie. D’un point de vue technique, le projet de Gardanne n’est donc pas un équipement expérimental et constitue tout simplement une conversion industrielle aujourd’hui parfaitement maîtrisée par les équipementiers spécialisés.

La conversion des centrales à charbon, un dispositif transitoire de mutation énergétique

En Europe, la recherche de la meilleure performance énergétique est aujourd’hui une bonne pratique de base pour lutter contre le dérèglement climatique, pour lutter contre les émissions polluantes mais aussi pour rechercher la meilleure économie financière, rendement rimant bien évidemment avec rentabilité.

Ainsi en Europe, pour la production électrique en voie thermique, la cogénération d’électricité et de chaleur, voire de froid, remplace progressivement les centrales de production électrique pure. Mais dans certains pays, ou dans certaines régions, les opérateurs énergéticiens rencontrent des difficultés dans cette conversion, en tout cas à court et moyen terme, notamment par le manque d’infrastructures à même de valoriser la chaleur de cogénération, des infrastructures telles que les réseaux de chaleur par exemple. Afin d’avancer malgré cela dans la transition énergétique, et en attendant la mise en place progressive de ces infrastructures, les opérateurs font parfois le choix de convertir leurs moyens de production thermique existants du charbon à la biomasse. Ce fut le cas en de nombreux sites au Royaume-Uni, en Pologne, aux Pays-Bas ou dans des régions comme la Wallonie ou Paca.

Jusqu’au 31 mars 2013, la chaudière PR4 fonctionnait au charbon, photo Frédéric Douard

L’intérêt d’un telle conversion valorisant des infrastructures existantes est de disposer dans un délai court de générateur à énergie renouvelable de grosse puissance moyennant des investissements raisonnables. Prévus pour des durées de fonctionnement d’une vingtaine d’années, ils permettent, durant cette période transitoire, d’une part d’avoir arrêté immédiatement le recours au charbon, et d’autre part de maintenir les capacités de production le temps que les consommations d’électricité soient mieux maîtrisées et que d’autres dispositifs plus performants se mettent en place, comme la cogénération ou le stockage des énergies renouvelables intermittentes, des dispositifs qui demandent du temps et de gros investissements pour leur mise en place.

Les deux centrales Provence 4 au bois à gauche et Provence 5 au charbon, photo Uniper

Ainsi sur ce principe de politique transitoire, deux régions françaises métropolitaines déficitaires en production électrique, Bretagne et PACA, ont bénéficié, dans le cadre des appels d’offres de production d’électricité biomasse à tarif bonifié, d’une dérogation leur permettant de produire de l’électricité à tarif bonifié sans obligation de taux de cogénération ou avec un taux d’obligation plus faible. Dans le cadre du projet de Gardanne, le rendement global minimum exigé par la CRE est de 36 %, un taux moyen pour les centrales thermiques. Cela ne veut pas dire que la cogénération n’est pas une option intéressante. Elle est d’ailleurs étudiée très sérieusement par Uniper, avec notamment un réseau de chaleur vers la ville de Gardanne et un autre vers l’usine d’Alumine Altéo, un site industriel voisin gros consommateur de chaleur. Car si cette cogénération pouvait se concrétiser, le rendement global de l’installation pourrait se révéler proche de 50 %. Il pourrait améliorer la rentabilité de l’investissement et serait aussi l’un des plus élevés pour une centrale thermique à vocation électrogène.

Un investissement de près de 300 millions d’euros

C’est E.On France Power, devenu Uniper France Power le 1er janvier 2016, qui porte seul le coût de la conversion. Cette société filiale de l’un des principaux opérateurs énergéticiens allemands, fut créée en 2008 de la reprise de la SNET, Société nationale d’électricité et de thermique. La centrale de Gardanne, créée en 1950 dans le cadre du plan Marshall, et implantée sur 80 ha d’un ancien bassin minier, faisait alors partie du parc de centrales électriques thermiques de la SNET, société héritière des Charbonnages de France. Notons aussi pour la petite histoire que ce site possède la plus haute cheminée de France avec 297 m !

La chaufferie Provence 4 à la biomasse, photo Frédéric Douard

Rappel du calendrier
Construction de l’unité PR4 charbon 1967
Construction de l’unité PR5 charbon 1984
Passage de PR4 en lit fluidisé 1999
Appel d’offre CRE 4 2010
Désignation des lauréats du CRE 4 2011
Signature de l’autorisation d’exploiter 2012
Arrêt du charbon à PR4 31 mars 2013
Travaux de conversion de PR4 fin 2014 à fin 2016
Essais déchiquetage convoyage fin 2015
Essais vapeur PR4 mars 2016
Essais combustion PR4 octobre 2016
Première injection d’électricité sept. 2016

Démarrés fin 2014, les travaux de conversion de l’unité 4 à la biomasse ont duré deux années et ont concerné la modification de la chaudière, avec notamment l’installation de cinq trémies d’alimentation en bois, mais aussi la création d’une plateforme de réception, contrôle, transformation et stockage du bois, un chantier confié à la société française RBL-REI. Dès le 31 mars 2013, l’exploitation au charbon de la tranche 4 a été arrêtée afin de préparer le terrain pour le démarrage du chantier de conversion à la biomasse. Les salariés Uniper de la tranche 4 sont ensuite entrés dans un processus de formation qui leur a permis de se qualifier pour le fonctionnement à la biomasse.

Construction du silo à plaquettes de la centrale Provence 4, photo Uniper

Initialement imaginée à 150 M€, la facture de cette conversion est montée à 230 M€ avec l’optimisation du rendement global de l’équipement, le faisant passer de 36 à 40 %, puis aujourd’hui à près de 300 millions d’euros, somme faite de toutes les optimisations conduites.

L’unité PR4 est désormais dimensionnée pour fournir l’équivalent de la consommation électrique de 440 000 ménages hors chauffage avec une diminution de 77 % des émissions de CO2 en comparaison avec la situation avant conversion. Le tarif bonifié pour la vente de l’électricité dans le cadre de l’appel à projet CRE4 est de 115 €/MWh pendant une durée de 20 ans, ce qui veut dire 129 millions € de recettes par an dont une grosse partie sera réinjectée dans l’économie locale dont la forêt.

Un approvisionnement 100 % local prévu sous 10 ans

PR4 utilise trois types de combustibles :

  • des plaquettes forestières et de broyats de déchets verts,
  • des broyats de bois de recyclage de classes A et B,
  • une petite part de combustibles fossiles, à savoir du charbon cendreux en base, mais aussi du gaz naturel et du fioul lourd en quantités marginales pour la montée en température de la chaudière.

Stockage de plaquettes sur le parc de la Mounine, avec en fond le massif de la Sainte-Victoire, photo Frédéric Douard

La biomasse forestière locale participe au démarrage à hauteur de 20 % du combustible biomasse de PR4 et pourrait représenter 50 % après 10 ans. La partie de plaquettes forestières importées représente 55 % du combustible biomasse au démarrage et cette importation pourrait cesser au bout de 10 ans au profit d’une augmentation de l’approvisionnement local en ressource forestière et en bois d’élagage et d’entretien, notamment de lutte contre le feu. À l’horizon des dix premières années de fonctionnement, la montée en puissance de la structuration locale en mobilisation de combustible devrait avoir créé près de 400 emplois dans les filières locales d’exploitation forestière et de valorisation des déchets.

Le parc de la Mounine et le Curvoduc pour le transport des plaquettes, photo Frédéric Douard

Les bois d’élagage et de débroussaillement fourniront 15 % du biocombustible au démarrage et 40 % au bout de 10 ans avec l’arrêt de l’importation de biomasse internationale. La montée progressive en puissance de l’approvisionnement local en produits forestiers a pour principal objectif d’éviter un appel de bois soudain sur le marché local du bois et une flambée des prix due à un déficit de l’offre de service.

Le Curvoduc au départ de la Mounine, photo Frédéric Douard

10 % de la biomasse sera constituée de bois de recyclage de classe A (palettes, bois d’emballage) et B (issus de démolition, de mobilier), un taux qui restera stable dans le temps. La procédure d’approvisionnement de ces bois, A et B, suit les règles désormais bien connues de la SSD, la sortie du statut de déchets, une démarche d’analyse et de traçabilité des produits.

L’unité de réception et de traitement des bois de recyclage, photo Frédéric Douard

Au total, ce sont 850 000 tonnes de biocombustibles qui seront consommées annuellement. Elles seront complétées par des charbons cendreux de récupération à hauteur de 10 % du mix combustible de la centrale pour un tonnage annuel de 127 000 tonnes. Ces charbons de qualité médiocre sont des schlamms issus du lavage du charbon sur d’anciennes mines du groupe Charbonnages de France. Ils proviendront de terrils du Gard et de l’Isère. Cette incorporation de déchets de charbon, outre l’avantage de les valoriser, apporte un avantage technique à la combustion en lit fluidisé qui a besoin de minéraux pour constituer le lit en suspension dont le but est de transférer l’énergie au combustible afin de le sécher et de le gazéifier. Le pourcentage de l’énergie fossile entrante (exprimé en PCI), est fixé à 15 % maximum sur une année pour le charbon, le gaz naturel et le fioul lourd.

L’un des quatre cyclones de recirculation du lit fluidisé de la chaudière PR4, photo Frédéric Douard

La conversion de la chaudière

La centrale de Provence est constituée de deux unités de production : l’une avec une chaudière à lit fluidisé circulant (LFC) permettant la combustion de produits très cendreux et l’autre avec une chaudière au charbon pulvérisé :

  • Provence 5 : d’une puissance au charbon de 1510 MWth, elle est associée à une turbine de 620 MWé (charbon pulvérisé),
  • Provence 4 : d’une puissance au charbon de 750 MWth, elle est associée à une turbine de 250 MWé.

À l’occasion du projet CRE4, la conversion vers la biomasse s’est portée sur l’unité PR4. La technique du lit fluidisé circulant, adaptée au charbon pulvérisé, est également adaptée à la combustion de biomasse cendreuse. Néanmoins, les cinétiques de combustion, les volumes de gaz et les pouvoirs calorifiques du charbon et du bois sont différents. Des modifications ont dû être apportées pour en tenir compte mais aussi pour remettre à niveau une chaudière construite en 1999 par Alstom sous licence Lentjes. Cette mission a été confié au nouveau propriétaire de Lentjes, le groupe sud-coréen Doosan, et en particulier à ses entités Doosan Lentjes basée en Allemagne et spécialisée dans les lits fluidisés, et à son entité Doosan Babcock basée au Royaume-Uni et spécialisée dans les chaudières à vapeur.

Les cinq trémies de dosage de PR4, avec au centre celle pour le bois de recyclage, photo F. Douard

La différence de pouvoir calorifique du mix combustible à base de biomasse a fait baisser les capacités de la chaudière d’environ 40 % par rapport à l’alimentation en 100 % de charbon. La conversion a donc redimensionné la chaudière à 400 MWth et le couple turbo-alternateur à 150 MWé.

La chaudière PR4 disposant de quatre lits, de chacun 100 MW désormais, de quatre cyclones pour la recirculation du lit, ce sont par conséquent quatre alimentations en bois qui ont été aménagées en sa base, alimentées par cinq trémies à bois, et cela en supplément des quatre alimentations à charbon qui subsistent, le mélange des combustibles se faisant dans les lits.

Le traitement des effluents

La chaudière PR4 est équipée avec l’ensemble des technologies de réduction des émissions d’oxydes d’azote, de métaux lourds, d’acides, de dioxines et de furanes, photo Frédéric Douard

La nouvelle installation permet la combustion de bois de recyclage et de charbon. Pour cela, elle est inscrite aux rubriques 2271 (Installation de traitement thermique de déchets non dangereux) et 2910 B (Combustion) des Installations Classées pour la Protection de l’Environnement (ICPE). À ce titre, elle a été rééquipée avec l’ensemble des technologies actuelles de réduction des émissions atmosphériques liées à ce statut et en particulier pour le traitement des émissions d’oxydes d’azote, de métaux lourds, d’acides, de dioxines et de furanes.

La réglementation applicable à l’installation est, au regard de sa puissance, bien entendu très sévère en termes de valeurs limites d’émissions (VLE) comme le montrent les chiffres ci-après, tels qu’inscrits dans l’arrêté préfectoral d’autorisation d’exploiter signé en 2012.

Pour respecter ces valeurs, l’exploitant met en œuvre une combustion à très haute efficacité pour ne pas produire de substances imbrûlées, une triple filtration pour capturer les substances brûlées volatiles et des traitements chimiques pour réduire les gaz indésirables.

Les mesures de conversion sur la combustion

L’installation de co-combustion PR4 est conçue, équipée, construite et exploitée de manière à respecter les VLE même dans les conditions les plus défavorables que l’on puisse prévoir. Quoiqu’il arrive, les gaz résultant de la gazéification des combustibles sont portés, après la dernière injection d’air de combustion, d’une façon contrôlée et homogène, à une température supérieure à 850 °C pendant au moins deux secondes. Cette température est la moyenne de mesures en plusieurs points dans le foyer à l’altitude 9,10 m à proximité de la paroi interne.

Les vis de dosage du bois sous les trémies de la chaudière PR4, photo Frédéric Douard

Contre les phases de combustion en conditions critiques, l’installation utilise un système automatique qui empêche l’alimentation en biocombustibles :

  • pendant la phase de démarrage, jusqu’à ce que la température de foyer soit supérieure à 850 °C ;
  • chaque fois que la température de foyer de 850 °C n’est pas maintenue ;
  • chaque fois que les mesures en continu montrent qu’une des valeurs limites d’émission est dépassée en raison d’un dérèglement ou d’une défaillance des systèmes d’épuration.

Les mesures de conversion en sortie de foyer

La formation d’oxydes d’azote, imputable notamment aux bois de recyclage, est maîtrisée en début de combustion par une gestion fine et sectorisée du taux d’oxygène et en fin de combustion après les cyclones par l’injection d’une solution ammoniacale réductrice.

Le nouveau filtre à manche de PR4, photo Frédéric Douard

Pour la capture des particules fines, après passage dans les quatre cyclones du lit fluidisé circulant, les gaz de combustion traversent un dépoussiéreur électrostatique à quatre champs, un équipement préexistant à la conversion et qui a été rénové, puis un tout nouveau filtre à manches. Cette capture mécanique s’accompagne, entre les deux filtres, d’une injection de chaux éteinte et de charbon actif pour réduire les oxydes de soufre provenant notamment du charbon et des bois de recyclage, les acides et les composés organiques résiduels. PR4 est ainsi équipée des meilleures techniques disponibles.

Un enjeu sanitaire régional

Il convient de rappeler que ces valeurs limites sont sans commune mesure avec les émissions évitées par les brûlages à l’air libre de déchets verts ou les incendies de forêt évités. Ces VLE représentent moins de 2 % des émissions telles qu’elles auraient lieu si les bois collectés par la centrale brûlaient au fond du jardin ou en forêt. PR4 est donc aussi un outil de lutte contre la pollution atmosphérique régionale.

Les cendres

La valorisation des cendres issues de la combustion dans PR4 est assurée par l’entreprise Surschiste, filiale à 100 % d’Uniper France. Elle récupère et valorise tous les sous-produits issus du fonctionnement des centrales. Les valorisations mises en œuvre par Surschiste sont essentiellement les marchés du bâtiment (gypse ou substitution au ciment pour le béton prêt à l’emploi) et des travaux publics routiers (liants, traitement des sols, remblais et assise de chaussée).

Les vis d’extraction des surplus de cendres des lits fluidisés de PR4, photo Frédéric Douard

Des investissements pour accroître le rendement de production électrique

La centrale de Gardanne est un équipement régional stratégique car c’est la seule centrale électrique de taille industrielle en région PACA. La seule tranche biomasse est appelée à fournir non moins de 6 % des besoins électriques de toute la région PACA.

Le rendement énergétique mis en œuvre dans la nouvelle PR4 doit être proche de 40 %, soit un chiffre bien supérieur à la plupart des centrales thermiques et nucléaires. Une valorisation complémentaire de la chaleur telle que déjà évoqué pourrait permettre d’atteindre une efficacité énergétique globale de 50 %.

La turbine Škoda de PR4 modifiée par Doosan et son nouvel alternateur, photo Frédéric Douard

Des travaux importants, à hauteur de 80 millions €, ont permis d’améliorer le rendement de l’unité pour le porter de 33 à 40 %. Pour y parvenir, Uniper a notamment changé l’alternateur, les réfractaires du foyer et fait modifier et rénover la turbine à contre pression qui dispose de quatre étages de détente, ce dernier chantier ayant été confié également au groupe Doosan et pour cette partie à son entité Doosan Škoda Power basée en République Tchèque.

Un équipement très attendu des propriétaires forestiers

Avec la déprise agricole, la forêt méditerranéenne gagne du terrain depuis une centaine d’années dans le sud de la France. Pourtant, une étude menée en 2016 auprès du grand public révèle que 83 % des personnes interrogées s’imaginent le contraire, une idée fort répandue parmi les citadins et même parmi les ruraux des régions sans réelle culture forestière. Cette population n’a en effet pas conscience qu’une forêt s’entretient et se coupe si on veut qu’elle soit bénéfique, alors que cela parait tout naturel à un Jurassien, un Savoyard, un Landais ou un Solognot. Pour que la forêt croisse, consomme du CO2 et produise de l’oxygène et du matériau renouvelable, il faut la couper, sinon à maturité elle finit par ne plus rien produire du tout. Ne pas couper la forêt serait exactement comme un champ de blé qu’on ne moissonnerait pas, la récolte serait perdue.

« De tout temps l’homme est intervenu pour entretenir et gérer la forêt. C’est une action indispensable à la préservation de ses rôles économiques, sociaux et environnementaux » commentait Roger Meï, Maire de Gardanne lors des Indus’3Days 2017. « Une forêt non gérée est davantage vulnérable aux maladies, au changement climatique et aux perturbations ».

Le Curvoduc, convoyeur à bande de 540 m pour le transport des plaquettes de la Mounine, photo Frédéric Douard

« Si l’on prélève localement, on est critiqué, et si on importe, on est critiqué, c’est toujours « trop » quelle que soit l’option », regrette Jean-Michel Trotignon, porte-parole d’UNIPER.

Le dernier contretemps occasionné par cette méconnaissance du fonctionnement de la forêt fut la décision du tribunal administratif de Marseille du 8 juin 2017, qui, suivant les conclusions du rapporteur public, a décidé d’annuler l’autorisation d’exploiter de la centrale de Provence signée par le préfet des Bouches-du-Rhône le 29 novembre 2012. Cette autorisation fut rendue dès le lendemain par le Préfet de la Région Provence Alpes Côte d’Azur à titre provisoire en attendant que les procédures suivent leur cours et que l’exploitant puisse faire la démonstration de l’absence de risque pour la forêt méditerranéenne française… un comble alors que le projet fut imaginé pour réduire ce risque !

Le silo de 30 000 m3 assure deux jours d’autonomie à la chaudière, photo Frédéric Douard

Et Frédéric-Georges Roux, Président de Fransylva PACA, l’Union Régionale des Syndicats de Forestiers Privés de Provence-Alpes-Côte d’Azur, de commenter, et ce sera notre mot de la fin : « Ayant participé le plus sérieusement qu’il soit possible pour un forestier rural, simple ingénieur diplômé de l’École Polytechnique, et avec une assiduité qui n’a rien eu de buissonnière, dans le cadre de la Commission Régionale Biomasse, à la quasi-totalité du suivi des études qui ont veillé à la bonne fin de ce projet respectueux de toutes les contraintes qu’il était raisonnable de lui imposer, je m’insurge contre une telle décision que je reçois comme une insulte à la compétence et à la responsabilité de tous ceux qui ont œuvré depuis si longtemps et dont les contributions se voient balayées en quelques minutes par des attendus plus que contestables qu’il nous faut maintenant contester. Que de temps et d’énergie perdus ! ».

Contacts :

Frédéric Douard, en reportage à Gardanne-Meyreuil

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