Procédés de méthanisation et gestion des risques industriels - Retour d'expérience en France et en Allemagne

Le rôle de l’Institut national de l'environnement industriel et des risques (Ineris) est d’accompagner le développement de la filière de méthanisation en toute sécurité et maîtrise des risques. Il s’agit d’assister les exploitants dans la prise de conscience et la gestion des risques accidentels et des impacts environnementaux associés à ces installations. Ce document permet de recueillir des retours d’expérience d’installations et leur niveau de maîtrise des risques et identifie des situations qui peuvent générer des difficultés en termes d’impacts accidentels, sanitaires et environnementaux.

L'Ineris a réalisé en 2012 pour la direction générale de la prévention des risques (DGPR) du ministère de l’Écologie, du Développement durable et de l’Énergie (Medde) une analyse du retour d’expérience spécifique aux accidents relatifs aux procédés de méthanisation afin de pouvoir l’exploiter ensuite dans l'identification des principaux scénarios accidentels.

Malgré le grand nombre d’incidents et quelques accidents dans le secteur agricole avec des installations de méthanisation en Allemagne, il a été difficile d’obtenir des informations publiques sur les causes des incidents et leurs déroulements. Après des échanges avec divers acteurs de la filière biogaz en Allemagne, on constate une difficulté à obtenir de leur part ce type d’informations, probablement pour défendre les intérêts particuliers du développement de la filière de la méthanisation.

D’une manière générale, les procédés de méthanisation de la biomasse et des déchets génèrent différents risques accidentels (et, par extension, sanitaires et environnementaux), notamment au cours des phases d’exploitation et/ou de maintenance.

Les principaux phénomènes dangereux à considérer sont respectivement les incendies, l’émission imprévue de toxiques gazeux (H2S) et les explosions qu’il convient de maîtriser afin de rendre le développement de cette filière sûr et pérenne par une évaluation des risques réalisée par le porteur du projet ou par l’exploitant accompagné par un organisme compétent.

Il est donc nécessaire d’assurer, en fonction de la biomasse utilisée, la protection contre l’explosion des gaz inflammables (CH4, CO, H2S et H2), la protection contre les incendies et la protection contre l’émission de toxiques gazeux (notamment H2S).

Mots-clés : méthanisation, ATEX, biogaz, explosion, H2S, incendie.

Le présent travail de recherche documentaire sur le retour d'expérience a été réalisé en 2011 par INERIS dans le cadre de ses travaux d'appui auprès du MEDDE/DGPR dans le cadre de la prévention des risques liés aux procédés de méthanisation de la biomasse et des déchets [1]. Ce travail a permis de constituer un inventaire d'accidents relatifs aux procédés de méthanisation à partir de différentes sources de la littérature et propres aux industriels.

Un travail d'identification des bases de données sur l'accidentologie a été mené avec le Centre d'information et de valorisation scientifique (CIVS) de l'Institut national de l'environnement industriel et des risques (Ineris) afin de collecter un retour d'expérience le plus complet possible relatif à l'activité méthanisation en sollicitant la base de données ARIA du Bureau d'analyses des risques et pollutions industrielles (Barpi) de la direction générale de la prévention des risques (DGPR) du Ministère de l'Écologie, du Développement durable et de l'Énergie (Medde).

Ce premier travail a permis d'orienter la recherche du retour d'expérience vers les installations de méthanisation en Allemagne (pays échangeant le plus d'informations sur le retour d'expérience) où la filière méthanisation est la plus développée.

Le réseau biogaz en France constitué depuis plusieurs années (Club biogaz, association Amorce, association Méthéor) a également été sollicité ainsi que les industriels concernés par la filière de la méthanisation en leur demandant de nous retourner les informations suivantes : le lieu de l'accident, le type d'événement accidentel (explosion, incendie, déversement...), les procédés, équipements et produits mis en cause, les causes supposées, les conséquences matérielles, humaines, environnementales.

Le retour d'information sur les incidents et accidents à partir des bases de données publiques et du réseau biogaz a été complété par le retour d'expérience de deux industriels français – Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (Siaap), autre industriel – et par une recherche documentaire en Allemagne dans le secteur agricole où la méthanisation est la plus développée en Europe. La collecte du retour d'expérience n'a pas été suffisante pour pouvoir réaliser une analyse quantitative et statistique de ces données.

En Allemagne, il existe une base de données intitulée Zentralen Melde- und Auswertestelle für Störfälle und Störungen in verfahrenstechnischen Anlagen (ZEMA) gérée par le ministère fédéral de l'Environnement qui recense les incidents ou accidents soumis à déclaration obligatoire selon l'ordonnance sur les accidents majeurs 12. BImSchV conformément à l'annexe VI depuis 1993. De plus, une analyse sur le retour d'expérience en Allemagne a été facilitée par le travail réalisé par la Commission pour la sécurité des installations auprès du ministère fédéral allemand de l'Environnement, de la Protection de la nature et de la Sécurité nucléaire, qui a constaté dans son avis technique « Sécurité dans les installations de biogaz » en 2009 (rapport technique KAS-12) que les installations de méthanisation ont souvent des défaillances concernant la conception, la construction et l'exploitation [2].

Retour d'expérience sur les activités de méthanisation issu du BARPI

Accidents recensés

L'Ineris présente ci-après une liste d'accidents issus de la base de données ARIA sur la gestion des accidents gérée par le BARPI (Bureau d'analyses des risques et pollutions industrielles) de la DGPR. La base de données ARIA exploitée par le BARPI recense essentiellement les événements accidentels qui ont, ou qui auraient pu, porté atteinte à la santé ou la sécurité publique, l'agriculture, la nature et l'environnement. Pour l'essentiel, ces événements résultent de l'activité d'usines, ateliers, dépôts, chantiers, élevages... classés au titre de la législation relative aux installations classées, ainsi que du transport de matières dangereuses.

Le recensement et l'analyse de ces accidents et incidents, français ou étrangers, sont organisés depuis 1992. Ce recensement, qui dépend largement des sources d'informations publiques et privées, n'est pas exhaustif.

Il ressort du recensement sur le retour d'expérience que la plupart des accidents qui se sont produits concernent des incendies et que, dans la majorité des cas, leurs causes n'ont pas pu être identifiées de manière certaine. L'évolution tend vers des accidents mieux maîtrisés et, par voie de conséquence, aux effets moindres sur et hors site.

À la lecture de ces éléments, il est possible d'établir une liste des incidents se produisant le plus fréquemment sur les installations de tri et de valorisation des déchets. L'accident le plus fréquent est l'incendie. La plupart des accidents recensés relèvent de la zone de stockage. Sur les cas relevés, aucun impact notable sur l'environnement n'a été enregistré. Les effets secondaires ont été la plupart du temps restreints. Les seules conséquences des incendies à l'extérieur des installations de méthanisation sont liées à la formation de nuages de fumées résultant de la combustion des déchets. L'intervention des pompiers a été sollicitée lors de ces incendies de centres de transfert.

Parmi les incidents répertoriés dans les installations de méthanisation des déchets, on note également :

• — une fuite sur le réservoir de stockage et/ou sur le réseau de distribution du biogaz ;
• — une fuite suite à la réalisation de travaux sur les lieux de stockage et/ou de distribution du biogaz ;
• — l'émission accidentelle d'H₂S notamment dans les fosses de mélanges des déchets ;
• — une pollution des eaux causée par un rejet d'effluents ;
• — le débordement des systèmes d'épuration ou de contrôle des eaux pluviales suite à des événements pluvieux exceptionnels, à des défaillances des équipements en cas d'apport massif d'eaux d'extinction d'incendie ;
• — la découverte dans les déchets à trier de produits dangereux susceptibles de porter atteinte à la santé du personnel.

L'analyse des événements indique que peu d'accidents relatifs au stockage du biogaz sont survenus au cours de la dernière décennie en France. La majorité des accidents ont comme origine une fuite du réservoir de stockage ou du réseau de distribution.

De la synthèse des accidents survenus dans les installations de méthanisation, il est possible de mettre en lumière les principales dérives suivantes relatives aux installations de méthanisation.

Émission accidentelle d’H₂S notamment dans les fosses de mélanges des déchets

L’information et la formation des employés aux dangers de l’H₂S ne sont pas à négliger : procédures d’intervention en atmosphère toxique, travail en milieu confiné, contrôle de l’atmosphère, port d’équipement de protection individuelle.

Débordement du méthaniseur

Ce type d’incidents se produit assez régulièrement en Allemagne (estimation de trois à quatre fois par an). Il peut être dû à une accumulation de sables, par exemple. Ce risque peut être maîtrisé par :

– le procédé de production de boues avant leur digestion qui permet un certain contrôle de leur qualité (notamment dessablage des effluents) ; – le brassage des digesteurs au biogaz ; – le système d’alimentation du digesteur (vasque avec trop-plein) assure de façon passive un niveau constant dans le digesteur.

Gel des soupapes du méthaniseur

Il est plusieurs fois arrivé que les soupapes d’un méthaniseur gèlent et ne soient donc plus en état de fonctionner. Le non-fonctionnement d’une mesure de maîtrise des risques (soupape par exemple) doit être pris en compte dans l’analyse des risques de l’installation.

Surpression interne dans le méthaniseur

Des événements ont impliqué la formation d’une surpression interne responsable du déversement à l’extérieur du contenu du méthaniseur. Dans l’un des cas, des matières plastiques s’étaient accumulées à l’intérieur du méthaniseur jusqu’à former une couche étanche à la surface de la phase liquide. La réaction de fermentation s’est poursuivie sous cette couche. La surpression engendrée par cette accumulation est responsable de l’éclatement du méthaniseur, avec l’émission de projectiles et l’épandage des matières présentes. Les soupapes, situées en partie haute, sont inutiles pour prévenir ce type d’incident. Ce risque peut être maîtrisé par :

– le procédé de production des boues avant leur digestion qui empêche l’accumulation de matières plastiques (notamment dégrillage des effluents à 6 mm et floculation) ; – le brassage des digesteurs au biogaz.

Envol de la membrane souple d’un méthaniseur industriel

La membrane souple d’un méthaniseur industriel (équipé d’une membrane simple) s’est envolée libérant ainsi le biogaz stocké à l’intérieur.

Une violente tempête a provoqué la sortie du boudin de fixation de sa gorge et donc l’envol de la membrane.

Cet événement est à considérer pour les gazomètres qui doivent être dimensionnés pour des vents de 150 km/h.

Retour d’expérience issu d’industriels français

L’Ineris a reçu le retour d’expérience de deux exploitants de stations d’épuration françaises.

Retour d’expérience issu de la collecte de données d’un site

Différents événements ont conduit l’exploitant à renforcer l’analyse des accidents au sein de ses usines :

– plusieurs déboîtements de joint « Viking » ou rupture de canalisations à la suite de travaux de terrassement dont les conséquences s’étendent de la fuite isolée, à une fuite suivie d’une explosion ou d’un feu torche ; – plusieurs explosions à la suite de la fermentation de boues dans des zones mortes ; – nombreuses fuites de biogaz ou d’entrée d’air par les circuits en dérivations (purges, évents…) des réseaux principaux.

L’analyse de l’accidentologie interne du site et externe montre que les événements initiateurs ou redoutés pris en compte lors des analyses de risques (dans le cadre des études de dangers ou de l’évaluation des risques liés aux procédés) sont dans la majeure partie des cas plausibles, car avérés comme le démontrent les cas suivants :

– corrosion/déboîtement de tuyauterie : cinq incidents répertoriés ; – rupture lors de terrassement : deux incidents répertoriés ; – fuite dans local/zone confinée, en particulier lors des opérations de purge : nombreuses anomalies et quatre incidents ; – impact de la foudre : deux incidents répertoriés ; – défaut en stockages (gazomètre/sphère) entrée d’air et fuite : trois incidents répertoriés.

Retour d’expérience issu de la collecte de données d’un industriel français

Un industriel français (station d’épuration) a transmis à l’Ineris un recueil de données d’incidents et d’accidents (sur l’année 2011) sur la filière de méthanisation (avec indication du scénario, de ses causes, de ses conséquences et des mesures existantes et correctives mises en place par l’exploitant). Au total, 12 événements ont été recensés en 2011 :

– fuite de biogaz sur bride d’une vanne manuelle située en amont de la torchère ; – fuite de biogaz par les gardes hydrauliques des filtres à l’aspiration des compresseurs ; – fuite de biogaz aux soupapes des digesteurs à la suite d’une perte d’utilités (air/instrumentation) ; – chute de pression des dômes des digesteurs ; – pannes répétées sur l’automate de sécurité ; – fuite de biogaz au niveau du raccord de la tête de manomètre ; – fuite de biogaz sur la torchère à l’arrêt ; – fuite de biogaz suivant le déclenchement accidentel de l’arrêt d’urgence de l’automate de sécurité ; – fuite de biogaz à l’atmosphère au niveau d’une canne de brassage de digesteur ; – fuite de biogaz dans l’atmosphère au niveau d’un raccord fileté ; – détérioration du réfractaire de la torchère ; – problème de pression d’air pilote des vannes de sécurité du réseau biogaz.

Retour d’expérience en Allemagne

En France, la méthanisation est orientée vers la production du compost et du biogaz à partir de déchets organiques, contrairement à l’Allemagne où la majorité de la production du biogaz est issue de cultures énergétiques.

Les installations allemandes se sont développées rapidement en particulier depuis l’application de la loi sur les énergies renouvelables (EEG) entrée en vigueur en 2000 qui a été ensuite modifiée en 2004 et 2008. Les installations allemandes ont pu notamment bénéficier d’un tarif d’achat incitatif de l’électricité produite à partir du biogaz.

Dès 2004, une prime aux cultures énergé-

tiques de 6 c€/kWh a également été créée en Allemagne. Ce qui explique la forte motivation des nombreux fermiers d’investir dans cette nouvelle technologie et à accélérer le développement de cette filière en Allemagne.

5 905 installations de méthanisation agricole ont ainsi été recensées en 2010 pour une puissance de 2 291 MW (figure 1). Cette puissance aurait atteint 2 900 MW pour plus de 7 000 unités de méthanisation en 2011.

Inventaire des incidents/accidents recensés dans la littérature

En Allemagne, il existe une base de données intitulée Zentralen Melde- und Auswertestelle für Störfälle und Störungen in verfahrenstechnischen Anlagen (ZEMA) gérée par le ministère fédéral de l’Environnement qui recense les incidents ou accidents soumis à déclaration obligatoire selon l’ordonnance sur les accidents majeurs 12. BImSchV conformément à l’annexe VI depuis 1993.

Dans cette base de données, deux incidents relatifs à la filière de la méthanisation sont enregistrés [3-7]. La majorité des incidents identifiés dans ce rapport sont issus de témoignages, de démarches volontaires, notamment d’associations locales contre l’implantation d’installations de biogaz [8], confortées par des rapports des services d’intervention et de secours, des rapports de la police locale, des enquêtes publiques et des informations de la presse.

Pourtant pour la plupart des cas, la cause de ces sinistres reste inconnue, voire imprécise ou contradictoire selon les avis d’experts (expertises au nom des assureurs ou expertises au nom des propriétaires). Il en ressort qu’il est souvent difficile de connaître avec précision l’événement initial du scénario accidentel.

Cette base de données « ZEMA » est loin d’être exhaustive si on la compare avec la base de données du LSV (organisme d’assurance sociale agricole en Allemagne, figure 2) qui a recensé jusqu’à 140 accidents en 2009 (ce qui représente presque 3 % des installations de méthanisation en Allemagne).

Pour les différents accidents répertoriés (proches de configurations relatives à la méthanisation), sont recensés en annexes quelques accidents survenus dans des installations de méthanisation en Allemagne ayant entraîné un départ de feu, une explosion ou un rejet toxique (H₂S) dans des unités de méthanisation.

Les principales causes d’incendie et d’explosion sont les sources d’inflammation électriques (installations défectueuses…), les échauffements mécaniques et les travaux par points chauds (opérations de soudage, en particulier en période d’arrêt de l’installation…). De cette liste d’identification des sources d’inflammation, on peut constater la similitude avec les sources d’inflammation les plus fréquentes en ce qui concerne l’inflammation d’atmosphères explosibles (mécanique, électrique, points chauds).

Constat de la commission de sécurité KAS sur la sécurité des installations de biogaz en Allemagne

La commission pour la sécurité des installations auprès du ministère fédéral allemand de l’Environnement, de la Protection de la nature et de la Sécurité nucléaire constate dans son avis technique « Sécurité dans les installations de biogaz » [9] en 2009 que les installations de méthanisation ont souvent des défaillances concernant la conception, la construction et l’exploitation.

En outre, ils constatent que 80 % des installations contrôlées (159 installations au total) présentent des défauts importants. Les défauts les plus fréquemment constatés concernent le domaine de la protection contre l’explosion, de la conception des composants et de la conception des sorties de secours et de sauvetage.

Notamment, ils constatent dans le rapport KAS-12 :

— des zonages ATEX inadéquats/sou non documentés ;

— des installations et équipements antiexplosion incomplets ou manquants et un manque de contrôles ;

— un mauvais dimensionnement des composants, tels que des essais insuffisants de résistance des gazoducs et des films sur le fermenteur, des joints défectueux, des garanties de surpression insuffisantes ;

— un non-respect de la distance de sécurité entre le lieu de stockage de gaz et la cogénération ;

— un manque de protection contre les explosions dans le domaine de la fosse de réception ;

— un manque de système de protection contre la foudre ;

— des plans manquants ou non coordonnés avec le service d'intervention ;

— la formation inadéquate du personnel ;

— l’utilisation de substances pour lesquelles le système n’est pas conçu (par exemple les déchets avec des propriétés dangereuses, avec dégagement d’H₂S lors des mélanges de substrats selon des processus biologiques activés par des bactéries sulfatoréductrices).

En outre, il est constaté qu’il y a quatre différents procédés législatifs pour obtenir une autorisation et que la plupart des installations de méthanisation existantes ne sont pas concernées par cette réglementation.

L’association Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (Agence pour les ressources renouvelables) publie dans un rapport en 2010 « Biogas Basisdaten Deutschland » [10] une probabilité d’occurrence de 1,2 incident par 10 kWel/an. Cette valeur inclut tous les incidents techniques et est issue d’une étude réalisée sur 31 installations entre 2004 et 2005 [11].

L’évaluation des incidents montre que les unités fonctionnelles telles que :

— les centrales de cogénération ;

— les systèmes d’injection des solides ;

— les pompes, les tuyaux et des vannes ;

— et les agitateurs,

sont particulièrement vulnérables (863 incidents sur 1 168 incidents analysés), ce qui implique des défaillances sur la sécurité du système (perte de confinement, fuites…).

Conclusion

L’Ineris a procédé à une étude du retour sur expérience à partir de bases de données publiques, d’informations recueillies auprès du réseau biogaz et d’éléments plus détaillés fournis par deux industriels français.

De façon semi-quantitative et d’une manière générale, les procédés de méthanisation de la biomasse et des déchets génèrent différents risques accidentels (et par extension sanitaires et environnementaux), notamment au cours des phases d’exploitation et/ou de maintenance. Les principaux phénomènes dangereux à considérer sont classés par ordre de priorité en termes de probabilité d’occurrence : les incendies, les explosions, l’émission imprévue de toxiques gazeux (H₂S).

Des dangers sont certes existants de par la composition du biogaz, ce qui est attesté par le retour d’expérience, mais les conséquences sur les populations et l’environnement restent limitées. Il existe un levier d’action de maîtrise des risques par la prise en compte d’une démarche rigoureuse de prévention en respect de la réglementation des installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE) – arrêtés méthanisation, dossier d’autorisation d’exploiter (DAE) – et la réglementation ATEX (document relatif à la protection contre les explosions) :

— axer la démarche de maîtrise des risques sur une sécurisation du procédé en amont, dès la conception des installations, accompagnée de la mise en place de barrières techniques et humaines de sécurité ;

— contrôler régulièrement la fiabilité de ces barrières de sécurité (techniques et organisationnelles) pour garantir leur bon fonctionnement sur le long terme (entretien et maintenance) ;

— prendre conscience de situations à risque lors des phases d’intervention dans des digesteurs, dans des locaux contenant des canalisations de biogaz (travaux par points chauds, maintenance…), et les phases transitoires (démarrage d’installation, mise à l’arrêt) ;

— mettre en place des sessions de formation des exploitants aux risques liés à la mise en œuvre du biogaz afin que les mesures de sécurité soient convenablement comprises et appliquées.

[Encart : Références bibliographiques : [7] www.lebenswertes-ratzernied.de/stoer-faelle.html [8] http://biogasanlagen-versus-anwohner.html [9] Commission für Anlagensicherheit, Merkblatt Sicherheit in Biogasanlagen, KAS-12, 06/2009 ; www.kas-bmu.de/index.htm [10] Biogas Basisdaten Deutschland 2010 ; www.biomas-shop.achental.de/tl_files/images/biomenergie/region/vortraege_info_material/sonstiges/Basisdaten_Biogas.pdf [11] Erfassung und Analyse von Defiziten an landwirtschaftlichen Biogasanlagen FKZ : 220128004 ; www.nachwachsende-rohstoffe.de Autres références + Arrêté du 10 novembre 2009 relatif aux procédés de méthanisation et leurs exploitations réalisé en 2012 pour la Medde (Étude Ineris réf. DRA-12-117442-00113a), dans le cadre du programme d’appui de l’Ineris auprès de la DGPR/MEEDDM sur les risques liés aux procédés de méthanisation de la biomasse et des déchets organiques. + Arrêté du 10 novembre 2009 fixant les règles techniques auxquelles doivent satisfaire les installations de méthanisation soumises à autorisation. NOR : DEVP0920874A, en application du titre I du livre V du Code de l’environnement. + Arrêté du 12 août 2010 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées de méthanisation relevant du régime de l’enregistrement au titre de la rubrique n° 2781-1. NOR : DEVP1020761A. + Guide de bonnes pratiques « Règles de sécurité des installations de méthanisation agricole » réalisé pour le Ministère de l’Agriculture (Étude Ineris Ref : DRA-09-103637-084077A).]