Cogénération à partir de déchets

Cogénération

La génération d’énergie électrique peut être réalisée par une grande variété de processus.

Dans la plupart de ces processus, nous trouvons un dynamo ou un alternateur qui sont entraînés par un moteur thermique ou une turbine.

Dans n’importe quel type de centrale utilisée pour l’énergie électrique, il est nécessaire :

• Une station de traitement des eaux (PTA) : pour nettoyer les impuretés de l’eau qui sera utilisée pour la transformer en vapeur.
• Une station de traitement des effluents (PTE) : pour traiter les effluents générés après le processus de production d’énergie électrique.

Lors de la génération d’énergie électrique, toute la chaleur de la vapeur n’est pas exploitée. Cette énergie thermique « excédentaire » peut être émise dans l’atmosphère, ce qui entraîne une perte de son potentiel, ou elle peut être réutilisée.

C’est ici que différentes techniques de cogénération entrent en jeu.

La cogénération consiste en la production simultanée et l’utilisation de deux ou plusieurs types d’énergies différentes ; normalement, de l’énergie électrique et de l’énergie thermique (chaleur).

Contrairement au processus conventionnel de production d’électricité dans les centrales thermiques, où une grande quantité de chaleur est produite sans être exploitée et est libérée dans l’environnement, dans les systèmes de cogénération, la centrale de production d’énergie est implicitement proche du lieu de consommation.

La possibilité d’utiliser un déchet comme matière première pour un processus de production d’énergie est très attrayante tant d’un point de vue économique qu’environnemental. Économiquement, car un déchet (qui entraîne un coût de gestion) est transformé en énergie (ce qui implique un revenu économique). Et environnementalement, car c’est un moyen de réduire la quantité de déchets générés.

Les technologies de cogénération permettent d’atteindre des rendements de 85 %, si l’on additionne la vapeur utilisée pour générer de l’électricité et la chaleur résiduelle réutilisée, ce qui favorise l’obtention de taux d’économies d’énergie élevés sans altérer le processus de production.

Les différentes technologies utilisées dans la PTA et la PTE ont des besoins thermiques importants, qui peuvent être couverts par les centrales de cogénération.

La clé est d’exploiter les gaz d’échappement et l’énergie thermique provenant des circuits de refroidissement des moteurs, en les utilisant pour fournir l’énergie calorifique nécessaire à différents équipements tels que les évaporateurs sous vide, les cristalliseurs ou les stations d’osmose inverse.

De cette manière, on parvient à améliorer l’efficacité avec des échangeurs pour chauffer le liquide avant qu’il n’entre dans l’évaporateur, en profitant de la chaleur latente de condensation des vapeurs.

Installations pour accueillir la cogénération

Ainsi, les installations idéales pour accueillir un processus de cogénération doivent, d’une part, produire un déchet qui soit combustible ou puisse être transformé en combustible. D’autre part, elles doivent avoir une demande d’énergie thermique et d’énergie électrique. Ces exigences sont facilement remplies dans :

1. Stations de traitement des eaux usées par processus biologique (Urbaines et Industrielles) : Les boues générées, à travers un processus de digestion anaérobie, sont transformées en biogaz (dioxyde de carbone et méthane) et en boues stabilisées, qui ont une application agricole comme fertilisants. Le biogaz, selon la richesse relative en méthane qu’il possède, a un pouvoir calorifique plus ou moins élevé, qui peut dans tous les cas être utilisé dans un processus de cogénération. Dans les stations de traitement des eaux usées, l’énergie thermique produite dans le processus de cogénération peut être utilisée pour maintenir constante la température du digesteur anaérobie (à 36 ºC) et pour préchauffer les boues digérées avant le processus de déshydratation, augmentant ainsi l’efficacité de cette opération.
2. Exploitations agricoles et/ou d’élevage (avec production de déchets biodégradables soumis à traitement de digestion anaérobie) : réduisant la quantité de déchets et générant une quantité considérable de biogaz. Dans ce type d’exploitations, la chaleur dégagée lors de la cogénération peut être utilisée pour maintenir une température confortable dans les bâtiments où se trouvent les animaux, pour contrôler la température dans les serres et pour diminuer la sécheresse du déchet solide final en le préchauffant avant la déshydratation.
3. Décharges de déchets solides urbains (RSU) : les conditions dans lesquelles se trouvent les déchets et leur nature organique produisent un processus naturel de biométhanisation dans lequel du biogaz est généré. Dans les décharges de RSU, l’énergie thermique excédentaire de la cogénération peut être très utile dans le processus de traitement des lixiviats générés, en particulier pour réduire l’humidité du déchet final, voire jusqu’à le sécher, par un processus de concentration-évaporation.

Technologies de Cogénération

Pour transformer le biogaz en énergie électrique et en énergie thermique, il existe deux technologies alternatives :

• Moteurs à combustion
• Microturbines

En tenant compte des caractéristiques principales des deux technologies, nous pouvons disposer d’une comparaison générale :

• Concentration minimale de Méthane (CH4) : Les moteurs à combustion ne sont valables que lorsque la concentration de méthane dans le biogaz est supérieure à 40 %. Les microturbines peuvent fonctionner avec une richesse en méthane de 30 % (35 % au démarrage).
• Efficacité Électrique et Thermique : Les moteurs à combustion ont une efficacité électrique de 35-40 % et une efficacité thermique de 35-40 %, tandis que dans les microturbines, l’efficacité électrique est de 25-30 % et l’efficacité thermique de 55-60 %. En considérant l’efficacité globale (la somme de l’efficacité électrique et de l’efficacité thermique), les microturbines présentent de meilleurs résultats que les moteurs à combustion.
• Maintenance et roulements : les microturbines n’ont qu’une seule partie mobile et sont lubrifiées par air, tandis que les moteurs à combustion sont beaucoup plus complexes sur le plan mécanique et nécessitent de l’huile pour leur lubrification. Cela fait que la maintenance nécessaire des microturbines est très faible, tandis que les moteurs nécessitent une attention constante.
• Émissions : les moteurs à combustion génèrent une plus grande quantité de monoxyde de carbone et d’oxydes d’azote.

Dans le cas des moteurs, la chaleur excédentaire est obtenue de deux sources différentes : du circuit de refroidissement et des gaz de combustion, tandis que, dans le cas des microturbines, l’énergie thermique est obtenue d’un seul flux, en profitant de la haute température des gaz de combustion.

Tant dans le cas des moteurs à combustion que dans celui des microturbines, le biogaz doit être nettoyé avant d’entrer en contact avec ces équipements. Dans les deux cas, les siloxanes doivent être éliminés du biogaz, qui s’adsorbent dans un filtre à charbon actif. Dans le cas des moteurs à combustion, en outre, le sulfure d’hydrogène (H2S), qui est un acide très corrosif, doit également être éliminé du biogaz.

Conclusions