Biocorrosion en géothermie Gestion des biofilms, enjeux industriels Romainville 13 Octobre 2011 C. COTICHE, Responsable service corrosion-hydrochimie
CFG Services, filiale du BRGM, spécialisée en géothermie industrielle CFG Services filiale à 100% du CA 2010 : 9,5 M 45 salariés Centre de recherche et d expertise pour les géosciences Géothermie industrielle Etude, projet, maîtrise d œuvre, suivi et maintenance Industries Pétrole & gaz Chimie & pétrochimie Nucléaire Réseaux d eau Produits Kit Labège pour la numération BSR et BTR CFG MIC Sensor Services Expertise corrosion Détection de fuites sur réseaux enterrés Suivi d installations Microbiologie industrielle 2
La géothermie profonde en Ile de France 35 exploitations géothermiques au Dogger en fonctionnement (environ 1 000 000 MWh / an 90 000 Tep substituées par an (2/3 de la production géothermique française) 200 000 équivalents logements chauffés et alimentés en eau chaude sanitaire 10% de l énergie distribuée par les réseaux de chaleur en Île-de-France (50% dans le département du Val de Marne) émission de 280 000 tonnes CO 2 évitées / an 3
Eau géothermale du Dogger ph compris entre 6,1 et 6,7 température comprise entre 55 et 85 C milieu réducteur (- 150 < Eh < 0 mv/enh) teneur en sels totaux dissous entre 6 et 35 g/l dont : chlorures de 3 000 à 19 900 mg/l [CO 2 et HCO 3- ] de 250 à 600 mg/l [SO 4 2- ] de 300 à 1 200 mg/l [H 2 S, HS - ] de 5 à 100 mg/l présence d'une microflore bactérienne de type sulfatoréductrice 4
Les bactéries du Dogger Plusieurs espèces différentes de BSR ont été isolées à partir de prélèvements d eau géothermale du Dogger et de dépôts de corrosion Les études physiologique et nutritionnelle réalisées sur les souches de BSR isolées ont révélé : qu elles étaient parfaitement adaptées aux conditions physiques et chimiques de l aquifère du Dogger (température, ph, salinité, anaérobiose, présence de sulfate, matières organiques, H 2 ) qu elles étaient actives [la réduction bactérienne de SO 4 2- en HS - diminution de 34 S dans les sulfures produits (dissous + dépôts)]es biocides et optimiser leur utilisation 5
Les bactéries du Dogger Desulfovibrio desulfuricans (vibrio) Desulfatomaculum Geothermicum (bactérie sporulée) 6
Qu est-ce que la biocorrosion? Biocorrosion des circuits industriels = dégradation du métal par réaction électrochimique liée aux modifications du milieu induites par un biofilm (Biocorrosion Biofilm.MAIS.Biofilm Biocorrosion) Risque de percements des tubages et conduites Les traitements chimiques : Biocides : fort impact environnemental et économique Un monitoring de la biocorrosion est nécessaire pour quantifier l action des biocides et optimiser leur utilisation Traitement chimique anti-corrosion et dispersant (géothermie) 7
Qu est-ce que la biocorrosion? Biocorrosion = corrosion localisée sous forme de piqûres et/ou de cratères (corrosion caverneuse) Théorie (pour les aciers au carbone): Dépolarisation cathodique par consommation de H 2 oxydé par les BSR (théorie controversée) Le sulfure d hydrogène produit par les BSR catalyse les réactions anodiques par sulfuration de l anode Production locale d acidité à l anode par précipitation de sulfure de fer (Fe 2+ + HS - FeS + H + ) Cinétique accélérée en présence de O 2 (acidification liée à l oxydation des sulfures ) 8
Le rôle des sulfures de fer Les sulfures de fer sont de nature différente en fonction des concentrations relatives en ions ferreux et sulfures En présence d un excès de H 2 S Pyrite (FeS 2 ), dépôts adhérents En présence d un excès d ions Fe 2+ (anode) Mackinawite (FeS 1-x ), peu adhérente et peu protectrice pouvant stabiliser une corrosion localisée sous dépôts Certains sulfures de fer sont très bon conducteurs électriques et ont un potentiel noble corrosion galvanique entre métal nu et dépôts de sulfures de fer Les dépôts de sulfures de fer engendrent des pertes de charges et favorisent le développement bactérien 9
Corrosion sur acier au carbone assistée par les bactéries Percement d un casing 7 du puits injecteur Doublet géothermique de Coulommiers - source: CFG Services 10
Dépôts rencontrés dans les installations géothermales Percement au droit d un manchon de jonction entre deux tubages du puits de production Doublet géothermique de Villeneuve la Garenne - source: BRGM Dépôts de sulfures de fer dégagés du manchon source: BRGM 11
Corrosion sur acier au carbone assistée par les bactéries Percement d une colonne d exhaure d eaux minières par biocorrosion source: CFG Services 12
Corrosion sur acier au carbone assistée par les bactéries Percement d une conduite de transport de brut pétrolier par biocorrosion source: Total 18 M Avant décapage Après décapage 13
Les outils usuels de monitoring ne quantifient pas directement la biocorrosion Biocorrosion de l acier carbone = eau + bactéries Moyens de contrôle usuels : les dénombrements via des milieux de culture (par ex. Kits Labège) 90 % sur les surfaces Biofilm responsable de la corrosion Comptage sur bioprobes Quantifie les bactéries responsable de la corrosion Pas de quantification de la corrosion en elle même Délai d analyse élevé 10 % dans l eau Non responsable de la corrosion Comptage dans l eau Faible coût Ne mesure pas le risque réel de biocorrosion Délai d analyse élevé Le comptage des bactéries dans l eau ou sur bioprobes et le monitoring d un biofilm ne sont pas des outils fiables pour le suivi de la biocorrosion et l optimisation des traitements biocides 14
CFG MIC Sensor : l unique solution de mesure directe de la vitesse de biocorrosion des conduites Origine Né d un programme de recherche pour l industrie pétrolière, forte consommatrice de biocides Principe Reproduire une corrosion localisée et suivre sa cinétique Usage Suivre en temps réel la corrosion associée à la présence d un biofilm Optimiser les traitements chimiques biocides 15
CFG MIC Sensor : mesure directe de la vitesse de corrosion en temps réel, sur site, sans interruption CFG MIC Sensor : une sonde électrochimique un boitier de commande déporté un logiciel de pilotage spécifique Sonde sur conduite d exploitation L instrumentation est certifiée ATEX Avantages de CFG MIC Sensor mesure directe de la vitesse de corrosion mesure en temps réel mesure sur site et sans interruption de l exploitation 16
La sonde robuste, industrialisée et sécurisée ne nécessite aucune maintenance ou arrêt de production Tête de sonde contenant l électronique embarquée Système de sécurité Corps de sonde (cathode) raccordé à la canalisation Filetage 1 gaz pour fixation sur piquage de la canalisation Anode en acier carbone immergée dans le fluide 17
Le pilotage complet par boitier de commande et logiciel pour un monitoring rapide et opérationnel Le boitier de commande permet de piloter l instrumentation localement ou à distance via un modem GSM Le logiciel spécifique permet : le paramétrage des cycles de mesures la consultation et le rapatriement des données du monitoring, visualisées sous forme de graphiques 18
Des options pour répondre aux contraintes des installations industrielles CFG MIC Sensor Les options disponibles : Sonde Compatibilité de la sonde avec des canalisations sous protection cathodique Pilotage à distance par GSM Boitier de commande Commande d une pompe doseuse pour l injection de produits biocides Alimentation du boitier avec : PC Jeu de batteries rechargeables Autonomie env. 8 jours Jeu de batteries + panneau solaire pour une autonomie énergétique 19
Un mode opératoire simple pour une mesure fiable de la vitesse de corrosion 1. Stabilisation o o Mise en place de la sonde dans le fluide Attente de l équilibre électrochimique : l état de surface de l électrode de la sonde doit atteindre celui de la canalisation 2. Polarisation de la sonde o Reproduction d une biocorrosion localisée (qui serait générée naturellement par les bactéries avec une cinétique plus lente) 3. Corrosion o o Mise en court circuit et mesure de l intensité du courant débité par la pile (la pile se désactive absence de biofilm corrosif/ la pile se maintient monitoring du risque de biocorrosion) Transposition du courant en vitesse de corrosion en mm/an 20
Exemples de monitoring Différenciation de la cinétique d action de 2 biocides 5 4 3 2 1 0 Vcorr (mm/an) Biocide A Biocide B temps Différenciation de l efficacité de 2 biocides 5 4 3 2 Vcorr (mm/an) Biocide A Biocide B 1 0 temps Vitesse de corrosion au cours de traitements biocides 21
Monitoring sur circuit de production d eau géothermale 22
CFG MIC Sensor, l optimisation des traitements biocides pour un bénéfice économique et écologique L Innovation du CFG MIC Sensor = nouvelles pratiques possibles Mesure de la vitesse de corrosion temps réel, sur site et sans interruption de l exploitation 1. Quantification du risque de biocorrosion localisée des aciers au carbone 2. Suivi de l efficacité des traitements biocides Pour des gains économiques et environnementaux Meilleure gestion des risques et réduction des coûts de réhabilitation des installations Réduction des coûts et de l impact environnemental par l optimisation des traitements biocides 23
Les applications du CFG MIC Sensor Pétrole et gaz : circuit de réinjection d eau pétrolière Chimie et pétrochimie : circuit d eau industrielle Réseau urbain : eau glacée, chauffage, adduction d eau Nucléaire : circuit de refroidissement Naval : circuit de refroidissement des navires Sidérurgie : circuit de refroidissement Papeterie : eau de process 24
Conclusion 1. Comptage dans l eau via ensemencement sur milieux de culture 2. Traitement biocide ponctuel Bactéries sulfurogènes Dépôts H2S Monitoring de la [H2S] 1. Traitement anticorrosion et dispersant 2. Monitoring de [Fe2+] Corrosion CFG MIC Sensor 1. Quantification du risque de biocorrosion localisée des aciers au carbone 2. Suivi de l efficacité des traitements biocides 25
Merci pour votre attention Catherine COTICHE, Responsable service hydrochimie corrosion 02 38 64 36 71 c.cotiche@cfg.brgm.fr SAS au capital de 1M www.cfgservices.fr 3, avenue Claude Guillemin, Orléans 26