Les cuves de stockage de GNLLa force de la technologie française

Depuis plus de 50 ans, le groupe GDF SUEZ, par sa filiale GTT, se place à la pointe de la conception des cuves de navires méthaniers.

Les premiers travaux sur le transport de GNL en France remontent à 1958 lorsque quatre chantiers navals se lancent dans l’étude des cuves de méthaniers. Deux ans plus tard, ces chantiers sont chargés par Gaz de France et la société d’étude Méthane Transport de créer des cuves pour le Beauvais, navire expérimental mis à flot en 1962. Suite au succès de l’expérimentation, des cuves auto-porteuses (c’est-à-dire séparées de la coque et posées sur un double fond), à 9 % de nickel, viennent équiper le futur Jules Verne.

Créée en 1965, la société Gaz Transport signe la même année un accord avec Gaz de France pour développer des recherches dans le domaine des cuves intégrées, plus adaptées aux méthaniers de grande capacité que les cuves auto-porteuses.

Avec leurs parois d’isolation très minces, ces cuves intégrées s’insèrent parfaitement dans la coque des navires qui leur sert de structure résistante.

Pendant les décennies suivantes, Gaz Transport et une autre société française, Technigaz, vont équiper une grande partie des méthaniers dans le monde. Elles emploient des méthodes différentes pour réduire au minimum la dilatation de la cuve liée aux différentiels de température – la cuve étant fixée à la coque, ses dimensions ne doivent absolument pas varier. Technigaz utilise une technique de gaufrage pour jouer sur l’élasticité de la membrane. Gaz Transport choisit une membrane de métal totalement plane fabriquée à partir d’Invar, un acier composé à 36 % de nickel dont le coefficient de contraction est très faible.

En 1994, les deux sociétés fusionnent pour devenir plus compétitives à l’international. La nouvelle société créée, Gaztransport & Technigaz (GTT), fait ses preuves rapidement en développant au début des années 2000 un nouveau type de membrane, la CS1, moins coûteuse et plus efficace en termes d’isolation.

90 % des méthaniers en construction dans le monde utilisent des licences GTT. La technologie française des cuves intégrées est devenue le standard international. Aujourd'hui, GDF SUEZ détient 40 % de la société.

En 2012, GTT a mis au point une technique pour repérer les défauts d’isolation des cuves afin d’éviter les fuites de GNL. La méthode TAMI (Thermal Assessment of Membrane Integrity) consiste à introduire de l’azote entre les deux barrières d’isolation de la cuve. L’azote refroidit à proximité du GNL, passe à travers la deuxième barrière d’isolation et refroidit localement la double coque. Celle-ci est filmée avec une caméra infrarouge qui met en évidence les points froids révélant un défaut d’isolation qui nécessite des réparations. Le méthanier Matthew, appartenant à GDF SUEZ, a été remis à flot grâce à cette méthode.

La propulsion diesel électriqueUne rupture technologique majeure

Si les méthaniers ont toujours récupéré l’évaporation de GNL pour leur propulsion, des technologies récentes ont permis de mettre au point un système plus performant.

Lors de son transport par bateau, une partie du gaz naturel liquéfié (GNL) s’évapore naturellement. S’il est généralement récupéré et utilisé pour la propulsion du navire, il reste à lui seul insuffisant. Un complément d’énergie est nécessaire.

C’est pourquoi, au cours des années 1990, plusieurs solutions alternatives ayant recours à des moteurs diesel ont été imaginées.

Celles qui privilégient le fioul lourd ont l’inconvénient d’alourdir le navire et de diminuer sa capacité en cargaison de GNL. D’autres s’appuient sur des turbines à gaz fonctionnant selon le mode Goges (Co-gaz electric stream). Mais, ce dispositif est coûteux car il implique l’intégration d’équipements supplémentaires (condenseur sous vide) nécessitant des aménagements importants.

De toutes les alternatives proposées, le moteur diesel électrique semble le plus prometteur. Il permet de réduire la consommation d’énergie de 30 % et la pollution de 50 %. Il peut s’adapter aux profils de vitesse de tous les méthaniers.

Au cours des années 2000, le moteur diesel électrique fait son apparition sur les bateaux. Gaz de France sera la première entreprise dans le monde à adopter cette technologie sur les navires commandés aux Chantiers de l’Atlantique en 2002. Le GDF SUEZ Global Energy est équipé de ce type de moteur ainsi que des derniers perfectionnements apportés par GTT sur les systèmes d’isolation des cuves, réduisant l’évaporation naturelle.

Depuis, le moteur diesel électrique s’est imposé comme le mode de propulsion de tous les méthaniers en construction.

Le CRIGENPlus de 50 ans de recherches pionnières sur le GNL

Bien avant la première livraison commerciale de GNL en France en 1965, la Station d'Essais Cryogéniques de Nantes Roche-Maurice, une entité de ce qui est devenu aujourd’hui le CRIGEN, a été créée en 1960 et a réalisé les études, les essais et les développements dans tous les domaines des procédés, de la technologie et de la sécurité impliquant le GNL.

Depuis plus de 50 ans, le GNL fait l’objet d’études et d’essais.

En 1960, Gaz de France crée une station expérimentale d’Essais Cryogéniques à Roche-Maurice, près de Nantes. Sa mission : démontrer la faisabilité d’une chaîne GNL. On y construit un réservoir de 500 m3 (en service jusqu’en 2002 !), et on y installe une unité de liquéfaction ainsi qu’une unité de regazéification. Bref, on reproduit à échelle réduite les maillons de la chaîne GNL.

Le 2 juillet 1962, la station accueille le navire expérimental le Beauvais, afin de démontrer les opérations de chargement et déchargement et de tester ses différents types de cuves, ainsi que le comportement en mer. 

La Station d'Essais Cryogéniques de Nantes Roche-Maurice disposait pour effectuer ses travaux en matière de Recherche et Développement :

  • d'une installation comprenant deux réservoirs de GNL de 500 et 250 m3 et une unité de regazéification sous haute pression du gaz naturel,
  • d'un terrain d'essais de 120 000 m2,
  • d’un atelier de réalisation des bancs d’essais,
  • d’importants moyens en métrologie et en informatique industrielle,
  • de moyens de simulation numérique.

Ainsi dès les années 1960, la station traite les problèmes liés aux procédés industriels : liquéfaction, transport, regazéification… Ses recherches portent notamment sur la mise au point des matériels techniques, les essais sur le comportement du GNL et sur la sécurité, l’aide à la formation des agents Gaz de France. C’est à Roche-Maurice que Gaz de France et Gaz Transport expérimenteront la technique des cuves intégrées en 1967.

Lorsque la station ferme, en 2002, plus d’un millier d’études et essais avaient été effectués, dont un grand nombre avec des partenaires étrangers.

Une base de données inestimable, qui a notamment permis aux chercheurs de mettre au point des logiciels de sécurité ou de simulation du comportement du GNL pendant le stockage ou le transport en mer (comme EVOLCODE, LNG Master, CARGO, Roll-Over Predictor, LNG Bunkering software, etc.).

Les principales réalisations de la Station d'Essais Cryogéniques de Nantes Roche-Maurice :

  • la mise au point (avec dépôt de brevet) d’un procédé de liquéfaction, dit Cascade Incorporée Intégrale (CII),
  • la participation au développement de techniques de construction de cuve de navire méthanier avec la société GTT,
  • la mise au point de divers logiciels liés à l’étude du comportement du GNL transporté puis stocké (LNG Master par exemple, qui a été validé à l’aide d’expérimentations dans le réservoir de 500 m3 de la Station et d’observations faites en exploitation),
  • la réalisation de tests de qualification de matériel et de procédés, reproduisant les conditions réelles d’utilisation en GNL et satisfaisant aux normes en vigueur,
  • la participation, dans le cadre de partenariats industriels, au développement de filières d’approvisionnement en GNL (GNL carburant),
  • la participation à des groupes internationaux de normalisation et la réalisation de missions de conseil technique et de formation,
  • la mise au point, en association avec des constructeurs, d’appareils innovants, destinés par exemple à observer l’intérieur des réservoirs en service, à prélever des échantillons de GNL, ou à contrôler en continu les caractéristiques du GNL stocké,
  • le développement et la validation, en collaboration avec d’autres laboratoires de recherche, de modèles de calcul dans le domaine de la sécurité et destinés aux ingénieries et aux exploitants,
  • la réalisation d’essais à grande échelle dans le domaine de la sécurité et destinés à simuler notamment : les transitions rapides de phase lorsque du GNL est déversé sur de l’eau ; l’épandage, la vaporisation et la dispersion des vapeurs de GNL ; le rayonnement des feux de vapeurs de nappes de GNL.

Aujourd’hui, les chercheurs en GNL du CRIGEN, installés à Saint-Denis (France), continuent d’améliorer les performances opérationnelles de la chaîne GNL et de répondre aux nouveaux enjeux technologiques liés aux axes de développement de GDF SUEZ. Le CRIGEN accompagne ainsi le groupe en appliquant sa connaissance du produit GNL et de ses propriétés thermodynamiques pour le développement technologique du GNL carburant et du GNL porté. Plus que jamais, la recherche et technologiques représentent donc un axe stratégique de développement de la chaîne GNL.

Des logicielsPour sécuriser tous les maillons de la chaîne GNL

C’est au CRIGEN (cf. supra), l’un des laboratoires de recherche et technologies du Groupe dédié aux métiers du gaz et aux énergies nouvelles, que les chercheurs mettent au point des logiciels pour simuler le comportement du GNL pendant le stockage ou le transport en mer, afin d’optimiser la sécurité industrielle.

Grâce aux nombreux essais effectués à la Station d’Essais Cryogéniques de Nantes puis sur différents terrains d’essais, grâce à des tests et des modélisations informatiques, le Groupe a réussi à mettre au point des logiciels permettant de simuler le comportement du GNL pendant le stockage ou le transport en mer. Cette simulation permet de mieux dimensionner les installations, mais aussi de mieux piloter l’exploitation et la sécurité des sites.

Parmi ces logiciels, on peut citer LNG MASTER®, qui prédit le comportement du GNL dans les réservoirs de stockage. Il est un outil de sécurisation et d’optimisation pour toutes les opérations de gestion des réservoirs dans les différents sites de stockage de GNL (terminaux de réception, usines de liquéfaction, peakshaving…). La dernière version de LNG MASTER® a été validée sur la base d’essais réalisés dans un réservoir pilote à Nantes et sur des données opérationnelles à grande échelle effectuées dans les terminaux méthaniers de Montoir-de-Bretagne et Fos-sur-Mer : vieillissement, mélange et stratification des couches de GNL, incidents de roll-over, etc.

Le logiciel CARGO permet d’évaluer le vieillissement du GNL pendant son transport en bateau, de donner les propriétés physiques et la composition du GNL transporté au port de destination, mais aussi d’offrir une expertise sur le comportement du GNL et d’apporter des conseils sur le respect des spécifications de qualité lors du déchargement au terminal.

Le logiciel LNG Bunkering Software aide quant à lui les opérateurs de GNL dans la conception et le pilotage des opérations de soutage des navires ravitailleurs de GNL vers les navires alimentés en GNL. En particulier, le logiciel permet de simuler les opérations suivantes : chargement des navires-citernes de GNL au terminal, voyage des navires ravitailleurs jusqu’aux navires alimentés, chargement des navires alimentés.

Pour tous ces logiciels, le CRIGEN délivre des formations ainsi qu’un service après-vente.