LA DISTRIBUTION DE GAZ NATUREL INSA 2008/2009 Didier JOST.

LA DISTRIBUTION DE GAZ NATUREL

INSA 2008/2009

Didier JOST

1. GENERALITES

• Historique– grisou – gaz manufacturé de 1797 jusqu’au milieu

20ième siècle– gaz naturel à partir de 1956.

• Le gaz naturel dans le monde– taux de croissance le plus élevé parmi les

énergies fossiles– part de marché de 23.7% en 2004.– Réserves abondantes et diversifiées – les gisements connus sont de 180 000 milliards

de m3 soit 66 années de consommation au rythme actuel

• Le gaz naturel en France– consommations annuelles

0

100

200

300

400

500

600

1973 1990 1995 2001 2004 2006

en TWh

• Le gaz naturel en France– répartition de la consommation par secteur

résidentieltertiaireindustrie

44% 37%

19%

• Le gaz naturel en France– répartition des volumes fournis par pays en

2006

29

16

16

19

9

56

NorvêgeRussieAlgériePays BasNigériaEgypteFrance et autres

• Le gaz naturel en France– il y a près de 9 000 communes raccordées en

France

• Caractéristiques physique du gaz naturel– Selon sa provenance les caractéristiques physiques

changent légèrement. Pour du gaz d’origine russe :• il est composé à 98% de méthane ( CH4 )

• la combustion du méthane CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + énergie

• l ’usage du gaz naturel contribue à la réduction de l ’effet de serre

• les émissions d ’oxydes d ’azote et de gaz carbonique sont, à énergie produite équivalente, les plus faibles des énergies fossiles.

• Caractéristiques physique du gaz naturel– émission de CO2 en kg CO2/GJ lors de la

combustion

0102030405060708090

100

charbon fiouldomestique

gaz naturel

• Caractéristiques physique du gaz naturel • PCS = 11.1 kWh/nm3 ( à 0°C et 1.013 bars )• PCI = 10 kWh/nm3 ( à 0°C et 1.013 bars )• Densité = 0.57 par rapport à l’air.

– Masse Molaire CH4 = 12+4 = 16– Masse Molaire de l ’air = 0.8 N2 + 0.2 O2 = 0.8*28 + 0.2*32

= 28.8

• Ce point est important , le gaz naturel monte une fois qu’il s’échappe à l’air.

• A noter que l’unité de vente d’énergie en France est le kWh PCS pour le gaz naturel ( 1 kWh = 3.6 MJ )

2. LA CHAINE GAZIERE

On appelle couramment « chaîne gazière » l ’ensemble des phases techniques qui vont depuis la prospection du gaz naturel jusqu ’à la distribution.

• Les origines

• Les origines– le gaz naturel est une énergie fossile:

• il provient de la décomposition, depuis des millénaires, d’organismes vivants microscopiques, le plancton, qui sont déposés au fond des océans, en bordure des continents. Les couches sans cesse renouvelées de ces organismes, mêlées à des particules rocheuses, ont fini par constituer une masse solide qui, peu à peu, laisse suinter du pétrole et du gaz naturel

• La prospection

• La prospection– La prospection consiste à repérer les structures souterraines susceptibles d’être des “ pièges à

hydrocarbures ”. • Pour cela on entreprend une recherche sismique, par camion ou bateau qui émettent des ondes vers le sous sol. L’écho

de ces ondes diffère selon la nature géologique du sol. On repère ainsi les structures géologiques favorables à la présence d’un gisement de gaz naturel.

• Pour confirmer ensuite cette présence, on procède à un forage.

• Le forage

• Le forage– Après analyse des terrains, on réalise un forage

pour vérifier la présence d’un gisement de gaz naturel.

• Toute campagne de prospection n’est pas couronnée de succès. Seul un forage sur six est susceptible de fournir des hydrocarbures.

– En mer, les derrick sont installés sur des plates-formes métalliques ou en béton.

• En béton, une plate-forme peut peser 400 000 tonnes ( la tour Eiffel ne pèse que 7 000 tonnes ). A partir d’une tour de forage on attaque la roche en sous sol grâce à un trépan. On délimite les réserves du gisement en procédant à d’autres forages.

• Le forage

• La production

• La production– A la sortie du puit d’extraction, le gaz brut est

conduit, lorsque c’est nécessaire, à une usine de traitement.

– L’une des phases du traitement consiste à l’odoriser : le gaz naturel est en effet naturellement inodore mais par adjonction d’un produit chimique, on le rend odorant afin qu’il puisse être détecté en cas de fuite.

– Une fois traité, il est envoyé dans le réseau.

• La production

• Le transport du gaz – par gazoduc

• pression du gaz comprise entre 60 et 100 bars.

• Diamètre de la conduite jusqu’à 1200 mm

• vitesse du gaz allant jusqu’à 30 km/h

• 34 000 km de gazoducs en France

• conduite enterrée à 1 m de profondeur

• stations de compression tous les 100 km.


http://www.economist.com/images/20070414/CEU957.gif

• Le transport du gaz

• Le transport du gaz – par méthanier

• liquéfaction du gaz naturel par abaissement de la température à -160°C

• diminution du volume de 600 fois

• cuves isolées thermiquement pour limiter l ’évaporation

• les vapeurs sont récupérées pour le fonctionnement des chaudières du navire

• Le transport du gaz – par méthanier

• un méthanier transporte en un voyage la consommation annuelle d’une ville de 200 000 hab.

• 2 ports français sont équipés pour accueillir des méthaniers: Fos sur Mer et Montoir de Bretagne.

• plus de 20 % des échanges internationaux s’effectuent sous cette forme dans le Monde.

– Le transport du gaz par méthanier

MediterraneanSea

Marsa El Brega

Idku

Damietta

SkikdaArzew

GassiTouil

Barcelona

HuelvaCartagena

El Ferrol

SaguntoSines

Bilbao

AtlanticOcean Montoir

Zeebrugge

Fos Cavaou

Isle of Grain

South Hook

Dragon

Revythoussa

MarmaraEreglisi

La Spezia

Izmir

Rovigo

BrindisiLivorno

Rosignano

Priolo

Oxelösund

Baltic LNG

Taranto

GioiaTauro

Trieste

Vasilikos

Regas—Existing

Regas—Proposed

Liquefaction

Regas—Under Construction

Under ConstructionLiquefactionExisting

LiquefactionProposed

GdanskWilhelmshaven

Eemshaven

CanveyShannon

AngleseyTeesside

MonfalconeKrk

Black Sea LNG

San Ferdinando

PortoEmpedocle

Liongas

GATETerminal

El Musel

Bordeaux

Constanta

Le Havre

• Le stockage

• Le stockage – assure la régulation saisonnière– assure les débits de pointe d ’hiver– en France il existe 15 stockages souterrains– le stock utile de 120 TWh assure la

consommation française pendant plus de 3 mois– pendant les périodes de faible consommation

les quantités excédentaires sont mises en réserve.

• Le stockage

Evolution des ressources et des consommations sur un an

0

10

20

30

40

50

60

N J M M J S

• Le stockage

-2000

-1000

0

1000

2000

N J M M J S

Variation des stocks sur un an

• Le stockage – le stockage en nappe aquifère

• consiste à réaliser à plusieurs centaines de mètres de profondeur un gisement artificiel dans des couches poreuses et imprégnées d’eau.

• Le gaz naturel piégé dans une structure anticlinale prend la place de l’eau qu’il chasse.

• de 100 à plus de 500 M€ selon le volume développé.

• Le stockage

– le stockage en nappe aquifère

1 Réservoir

2 Couverture

3 Aquifère supérieur

4 Station centrale

5 Puits d’exploitation

6 Puits de contrôle de l’aquifère supérieur

7 Puits de contrôle

8 Gaz naturel

• Volume utile important

• Faible débit de pointe

• Mouvements de gaz limités par la structure géologique

• Le stockage – Le stockage en cavité saline

• consiste à créer des cavités par circulation d’eau dans un gisement de sel.

• entre 150 et 300 M€ pour 5 à 8 cavités

• Le stockage

– le stockage en cavité saline

1 Couche de sel

2 Cavité

3 Station centrale

• Volume utile faible

• Fort débit de pointe

• Gestion des mouvements de gaz plus souple

• Le stockage

FFOOSS

MMOONNTTOOIIRR

TTAAIISSNNIIEERREESS

OOBBEERRGGAAIILLBBAACCHHHHHH

OOLLTTIINNGGUUEE

LLAARRRRAAUU

EETTRREEZZ

TTEERRSSAANNNNEE

DDUUNNKKEERRQQUUEE

MMAANNOOSSQQUUEE

CCHHEEMMEERRYY CCEERREE

SSOOIINNGGSS

SSTT IILLLLIIEERRSS

SSTT CCLLAAIIRR GGOOUURRNNAAYY

GGEERRMMIIGGNNYY CCEERRVVIILLLLEE

BBEEYYNNEESS

Aquifères

Cavités salines

IzauteIzauteLussagnetLussagnet

• Le poste de détente transport– abaisse la pression de gaz de 60 bar à 16 bars

voir 4 bars. – la limite du réseau de transport se situe à la

sortie du poste de détente transport.

Réseau de transport 60 bars

Poste de détente 60bars / 16 ou 4 bars

Réseau de distribution 16 ou 4 bars

3. LA DISTRIBUTION GAZIERE

Après avoir transité par le réseau de transport à une pression d’environ 60 bars, séjourné éventuellement dans un stockage souterrain, le gaz arrive par le biais d’un poste de livraison transport au réseau de distribution.

• Les différents types de réseaux– les réseaux primaires ou réseaux de répartitions

• un rôle d’alimentation générale et, de ce fait, assurent des transits importants

– les réseaux secondaires• une double fonction de transit de gaz et de

distribution avec la desserte locale des clients

• sont alimentés par un ou plusieurs postes sources

• ces réseaux sont majoritairement maillés.

• Les différents types de réseaux– les réseaux tertiaires

• ont uniquement une fonction de distribution

• assurent exclusivement la desserte locale des clients

• ces réseaux sont majoritairement en antenne.

• Les plages de pression– les plages de pression par type de réseaux

Pression Symbole Plage RéseauxMoyenne Pression c MPc 4 bars < P service < 19.2 bars Primaires

Moyenne Pression b MPb 0.4 bars < P service < 4 barsSecondaires

Moyenne Pression a MPa 50 mbars < P service < 0.4 bars TertiairesBasse Pression BP P service < 50 mbars

• Les conduites du réseau de distribution– les conduites en acier

• peuvent être exploitées à toutes les pressions de la distribution et du transport, néanmoins ce matériau est prioritairement celui des réseaux HP et MPc du fait d’un coût élevé au mètre linéaire ( 75 € à plus de 150 €/ml ).

• les assemblages des barres de 6 ou 12 m se font par soudure à l’arc pour les diamètres supérieurs à 60 mm et soudures oxygène acétylène pour les diamètres plus petits.

• la durée de vie estimée pour une conduite en acier protégée cathodiquement est de 50 ans.


• toujours protégées par un revêtement à base de brai de houille, de bande adhésive ou de polyéthylène et sont soumises à une protection cathodique pour lutter contre la corrosion.

Les conduites du réseau de distribution

– les conduites en acier

http://www.europarl.europa.eu/eplive/expert/photo/20060106PHT04108/pict_20060106PHT04108.jpg

• Les conduites du réseau de distribution– les conduites en fonte

• plus mis en œuvre que sur des conduites à fort diamètre ( 200 mm et plus ) et ceci exclusivement sur des réseaux BP et MPa.

• la fonte datant d’avant 1967 est une fonte dite grise qui présente le risque d’être un matériel cassant.

• Les conduites du réseau de distribution– les conduites en polyéthylène

• Il s’agit du matériau le plus utilisé dans la distribution du gaz sur les 30 dernières années. Ce matériau est prioritairement celui des réseaux MPb et BP. La pression maximale de service est de 4 bars

• Un coût de pose de 50 à 75 €/ml

• Ces conduites sont livrées soit par couronnes pour les petits diamètres, soit sur des tourets pour les diamètres les plus importants ( plus de 2 000 ml d’un seul tenant ). Les jonctions sont faites par raccord électrosoudable


• Les essais de vieillissement réalisés sur ce matériau sont sans effet, de ce fait il n’y a pas de durée de vie indiquée actuellement pour ces conduites.

• Les seules restrictions connues sont la chaleur ( proximité d’un réseau de chaleur ) et les UV ( ne pas laisser de morceau apparent hors sol ). Ainsi les pièces de raccordement ( type manchon ou prise de branchement ) ne peuvent être utilisées au delà de 4 années après la date de fabrication ( du fait de la sensibilité au UV ).

• Les conduites du réseau de distributionles conduites en polyéthylène

• Les postes de détente distribution

• Les postes de détente distribution– pour fonction de détendre un gaz d’une

pression amont variable à une pression aval réglée à une valeur de consigne, par exemple de 16 à 4 bars.

– l’emplacement est:• à l’air libre,

• en local ou en enceinte au dessous du niveau du sol.

• Les branchements

mur de la clôture ou del'immeuble

• Les branchements– La jonction du branchement avec la conduite est

assurée par un Té appelé « prise de branchement ». Cette prise de branchement permet la réalisation de branchements sur une conduite en fonctionnement sans échappement de gaz ( technique dite en charge ).

– La tuyauterie de branchement est en acier revêtu ou en polyéthylène.

– La prise de branchement est équipée d’un obturateur automatique qui coupe l ’alimentation en gaz naturel en cas de débit anormalement important ( conduite arrachée).

• Les branchements– Chaque branchement comporte en outre un

organe de coupure général placé habituellement dans un coffret hors sol à l’extérieur des bâtiments à desservir.

– Majoritairement les compteurs de gaz se situent dans les coffrets.

– En cas de réseau MPb il y a lieu d ’équiper le branchement d ’un détendeur de pression placé dans un coffret hors sol.

– Les branchements sont réalisés généralement de façon perpendiculaire à la conduite de distribution.

• Les branchements

4. LA REALISATION DES TRAVAUX

Les travaux de pose de canalisations sont réalisés dans le cadre de chantiers qu’il convient de préparer par :– la visite des lieux – les sondages– les opérations administratives ( DR, DICT et

permissions de voirie )– l’installation de la zone de travail

• L’entreprise matérialise par marquage sur le sol :– le tracé du nouvel ouvrage aussi rectiligne que

possible– les canalisations et branchements situés à

proximité immédiate ou transversaux

• Largeur et profondeur des tranchées– Les fouilles sont descendues verticalement

jusqu’à la profondeur choisie– La largeur doit être au minimum admissible

pour permettre la descente en fouille des canalisations sans risque de détérioration.

• Largeur et profondeur des tranchées– En moyenne pour des canalisations de diamètre

inférieur ou égal à 100mm la largeur de fouille ne doit pas excéder 50 cm.

– La charge minimale:• 0.80 m au dessus de la canalisation

• Sur profondeur pour les canalisations HP et certaines canalisations MPc.

– Les fouilles dont la largeur est inférieure au 2/3 de la profondeur et dont la profondeur est supérieure à 1.30 m doivent être étayées ou blindées.

• Largeur et profondeur des tranchées

• Les moyens de terrassement– pelle mécanique

• c ’est la technique traditionnelle

– la trancheuse• Cette machine permet de réaliser des tranchées de

faible largeur ( parfois moins de 20 cm ) grâce à une chaîne équipée de dents en tungstène.

• Le rythme journalier peut atteindre 1000 m.

– fonçage horizontal• La technique du fonçage horizontal permet de ne pas

ouvrir de tranchée sauf aux 2 extrémités.

• Pour réaliser ces fonçages, il existe deux techniques : la fusée pneumatique et les pousse tubes hydrauliques.

• Les moyens de terrassement– le terrassement par aspiration

• A l’aide d’un camion aspirateur les déblais sont aspirés à l’aide d’un flexible ( technique comparable aux camions des égoutiers ).

• Manutention des tubes et descente en fouille– Prendre toutes les dispositions nécessaires pour

éviter la détérioration des tubes ou du revêtement.

– Raccordement en tronçon aussi long que possible avant descente en fouille.

– La position de la canalisation en fond de fouille doit permettre toutes opérations ultérieures de maintenance.

• Manutention des tubes et descente en fouille– Une distance minimale de 20 cm doit être

maintenue avec les autres réseaux.– Dans le cas particulier de réseaux en Pe et de

réseaux de chaleur l’inter distance devra être fortement augmentée.

• Manutention des tubes et descente en fouille

• Remblayage des tranchées.– Le remblai est réparti en plusieurs couches

successives.– Un premier remblai en sable jusqu’à 0.30 m au-

dessus de la génératrice supérieure de la conduite.

– Après compactage, pose d’un grillage avertisseur.

– Le remblai ( Gravier TV ou GRH ):• par couches de 0.20 m

• soigneusement compacté.

• Remblayage des tranchées.– La pose de conduite Pe se fait également sous

fourreau TPC ce qui évite le lit de sable.– La mise en œuvre de fourreau permet la

fermeture des fouilles quasiment au fil de l’eau. Le Pe est glissé dans le fourreau après le remblaiement complet de la fouille ( sauf aux 2 extrémités ).

• Remblayage des tranchées.

• Relevé de plans.– Il est indispensable d’établir et de maintenir à

jour des plans comportant notamment les indications suivantes :

• position des canalisations et organes annexes, repérée en plan et en profil,

• type de matériaux utilisés

• paramètres de soudage Pe

• Essais– Il y a un premier essai de résistance mécanique

à 1.5 fois la pression de service maximale ( avec un minimum de 6 bars ) sur 2 heures.

• permet de vérifier qu’aucune soudure n’a été oubliée

• que la conduite n’a pas été percée au moment de la mise en fouille.

– Puis il y un essai dit d’étanchéité à 1 bars pendant 48 heures.

– La mise en gaz de l’ouvrage ne se fait qu’après des résultats positifs sur ces 2 essais.

• Réfection des surfaces de chaussées.– Les réfections sont effectuées selon les

indications fournies par le gestionnaire de voirie.

• En voirie communale généralement 4 cm d’enrobés sous trottoir et 7 cm d’enrobés sous chaussée.

5. LE DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES

A partir des équations de la mécanique des fluides, on aboutit à une formule dite de Renouard simplifiée qui établie la perte de charge entre 2 points.

• Les pertes de charge dans les conduites circulaires entre 2 points a et b.

Pa² – Pb² = 48.6 * do * L * Q1.82/D4.82.

Avec Pa et Pb en bars absolu

do = 0.62

L exprimé en m

Q exprimé en nm3/h

D exprimé en mm.

• Exemple 1– Un séchoir à maïs nécessite un débit 150

nm3/h.– La conduite qui alimentera le séchoir est un

Pe cal 50 ( dia extérieur 63 mm, dia intérieur 50mm ) d’une longueur de 350 m.

– la pression au début du réseau= 4 bars relatif

• Calculer la pression disponible au séchoir à maïs


nm3/h.– La conduite qui alimentera le séchoir est un

Pe cal 50 ( dia extérieur 63 mm, dia intérieur 50mm ) d’une longueur de 350 m.

– la pression au début du réseau= 4 bars relatif

• Réponse : Pb = 3.94 bars relatif


nm3/h.– La pression minimale nécessaire aux brûleurs

du séchoir est de 1 bars relatif – La distance au réseau MPb ( 4 bars relatif ) le

plus proche est de 800 m.

• Calculer le diamètre de la conduite à poser.


nm3/h.– La pression minimale nécessaire aux brûleurs

du séchoir est de 1 bars relatif – La distance au réseau MPb ( 4 bars relatif ) le

plus proche est de 800 m.

• Réponse : D = 59 mm

6. LES TEXTES REGLEMENTAIRES

La chaîne gazière est soumise soit à des textes réglementaires ( en évolution grâce à l ’action de l ’union européenne ) soit, par défaut de texte, à des règles de l ’art.

• Les textes réglementaires- arrêté du 11 mai 1970 portant règlement de

sécurité des ouvrages de transport ( pour les conduites dont Pression ( en bars ) * D ( en mm ) > 1500 ).

- arrêté du 13 juillet 2000 portant règlement de sécurité de la distribution de gaz combustible par canalisations ( pour toute les conduites dont Pression ( en bars ) * D ( en mm ) < 1500 ).

• Les textes réglementaires- arrêté du 11 août 1977 et DTU 61.1. pour les

règles de sécurité relatives à l’utilisation des gaz combustibles dans les habitations ( à l’aval de la limite des réseaux de distribution à savoir après l’organe général de coupure de branchement).

7. LE CONTRAT DE CONCESSION

Le service public de la distribution du gaz s’exerce sous le régime de la concession qui consiste, pour une commune - dite autorité concédante - à confier à une entreprise publique ou privée – dite concessionnaire- la mission d’assurer à ses frais, risques et périls la gestion de cette distribution.

Un contrat de concession est conclu à cet effet entre la commune et le distributeur.

Ce contrat de concession est établi sur le modèle d’un texte type approuvé par décret.

Une concession doit être signée sur le territoire de toutes communes concernées par la distribution du gaz.

Ce contrat comporte une convention et des annexes qui précisent les droits et obligations des partis en présence ( autorité concédante, concessionnaire, usagers ).

• Exemple de droits et obligations :– La durée des contrats de concession est de 30 ou 40 ans.– A la fin de la concession l ’autorité concédante peut acheter

au concessionnaire ses ouvrages à la valeur d’estimation à dire d’experts ( le cas ne s’est jamais rencontré en France ).

– Le concessionnaire s’engage à fournir un gaz dont le PCS est compris entre 10.7 et 12.8 kWh/nm3( à 0°C et 1.013 bars ).

– Le concessionnaire réalise à ses frais les extensions de réseaux dans les différentes voiries de la commune.

• Exemple de droits et obligations :– Un des points essentiel des contrats de concession

est de fixé la limite de responsabilité du distributeur. A travers le temps les limites de concessions ont évolué, on trouve généralement les points frontières suivants :

• le nu intérieur du mur de l’immeuble ( en voie de disparition )

• le compteur à gaz

• l’organe général de coupure

8. MARCHE EUROPEEN DU GAZ

Le marché européen du gaz a comme principe fondateur le droit pour chaque client de choisir librement son fournisseur.

L’ouverture du marché de l’énergie impose de dissocier les activités d’acheminement et de fourniture d’énergie.

Ces activités, précédemment totalement intégrées, sont depuis le 1er juillet 2004 du ressort respectivement d’un gestionnaire de réseau et d’un fournisseur.

Le gestionnaire de réseau exploite, entretien et développe les réseaux et branchements de gaz.

Cette ouverture du marché ne conduit pas à la pose en parallèle de nouveaux réseaux de gaz mais permet l’accès du gaz d’un tiers au réseaux.

Le gestionnaire de réseau aura obligation de faire transiter à travers ses conduites des quantités de gaz nécessaires à un tiers moyennant paiement.

L’activité du gestionnaire de réseau étant monopolistique, sa rémunération est fixée par décret sur avis de la Commission de Régulation de l’Energie.

Le barème couvre les charges d’exploitation et rémunère les actifs immobilisés.

Le fournisseur est le vendeur de la molécule de méthane.

Depuis le 1er juillet 2007 , l’ensemble des clients (industrie tertiaire et domestique) peuvent librement choisir leur fournisseur d’énergie

Il existe 2 marchés :

- un marché concurrentiel

- un marché réglementé

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