Chapitres

Qu’est-ce que le biogaz?

Le biogaz est un combustible qui est généré avec la dégradation de la matière organique.

Il est très habituel qu’il se produise dans des endroits comme des dĂ©charges, qui accumulent de grandes quantitĂ©s de dĂ©chets solides qui subissent des processus de dĂ©composition.

Ce biogaz ne peut pas ĂŞtre Ă©mis vers l’atmosphère, car il contient un pourcentage Ă©levĂ© de mĂ©thane, qui est un gaz hautement inflammable et qui peut Ă©galement provoquer l’asphyxie D’autre part, le biogaz produit gĂ©nĂ©ralement des problèmes d’odeurs.

La gestion du biogaz se centre sur 2 alternatives:

  • Élimination: il existe des torches destinĂ©es Ă  bruler le biogaz et Ă©viter ainsi son Ă©mission vers l’atmosphère

  • Valorisation Ă©nergĂ©tique (traitement et rĂ©utilisation) : le biogaz doit ĂŞtre captĂ© et soumis Ă  un traitement, après lequel il peut ĂŞtre mis Ă  profit pour produire de l’Ă©nergie Ă©lectrique, ce qui permet de profiter de sa capacitĂ© Ă  produire de l’Ă©nergie Ă©lectrique.

    Cette Ă©nergie peut ĂŞtre rĂ©utilisĂ©e dans la dĂ©charge ou incorporĂ©e au rĂ©seau de distribution Ă©lectrique si l’on parvient Ă  produire la quantitĂ© suffisante. On parvient ainsi Ă  remettre Ă  profit des ressources naturelles et Ă  faire des Ă©conomies.

Évaluation énergétique du biogaz

Actuellement, la production de biogaz résultant de la valorisation énergétique des déchets avec matière organique biodégradable, est en croissance constante.

C’est une source d’Ă©nergie renouvelable qui peut ĂŞtre utilisĂ©e pour produire de l’Ă©nergie Ă©lectrique et de l’Ă©nergie thermique grâce Ă  des moteurs de cogestion ou des micro-turbines, il est possible de le conditionner pour une utilisation dans les piles de combustible et il peut mĂŞme ĂŞtre utilisĂ© en tant que combustible pour vĂ©hicules et y-compris pour son injection au rĂ©seau de gaz naturel.

Par conséquent, la valorisation énergétique permet, en plus de trouver un débouché
satisfaisant écologiquement pour les déchets
, d’obtenir un rendement Ă©conomique qui rĂ©duise les coĂ»ts d’exploitation des autres installations.

L’utilisation du biogaz pour l’obtention d’Ă©nergie est due Ă  sa teneur Ă©levĂ©e en mĂ©thane (CH4).

Une composition typique du biogaz pourrait ĂŞtre:

  • MĂ©thane (CH4): 55-70%
  • Dioxyde de carbone (CO2): 30-45%
  • Hydrogène (H): 1-3%
  • Azote (N): 0,5-3%
  • Acide sulfhydrique (H2S): 0,1-0,2%
  • Traces de vapeur d’eau

Cependant, la composition concrète dĂ©pendra du substrat Ă  partir duquel le biogaz est obtenu (eaux usĂ©es, dĂ©charges, dĂ©chets agricoles et d’Ă©levage, sous-produits carbonates de l’industrie, etc.), ainsi que des paramètres du processus de digestion (tempĂ©rature, pH, temps de rĂ©sidence, etc.).

Parfois, en fonction de son origine, le biogaz contient des concentrations Ă©levĂ©es de contaminants qui empĂŞchent leur mise Ă  profit s’ils ne sont pas Ă©liminĂ©s prĂ©alablement. Ces contaminant sont principalement:

  • Acide sulfhydrique (H2S): il se forme par rĂ©duction biologique des sulfates en conditions anaĂ©robies.

  • Siloxanes: famille de composĂ©s qui contiennent du silicium et qui procèdent de l’utilisation des cosmĂ©tiques et des silicones.

En fonction du type de mise Ă  profit du biogaz que l’on souhaite effectuer, il faudra Ă©liminer certains contaminants, sinon tous. Dans le tableau sont affichĂ©es les substances polluantes comme celles qui sont propres Ă  la composition habituelle du biogaz, qui doivent ĂŞtre Ă©liminĂ©s en fonction de l’application du biogaz.

H2S CO2 Eau Siloxanes Composés halogénés
Chaudière à vapeur ✓ X X ✓✓ X
Moteurs de cogénération ✓✓ X ✓✓ ✓✓ ✓✓
Micro-turbines âś“ X âś“âś“ âś“âś“ âś“âś“
Production de H2/MĂ©thanol âś“âś“ X âś“âś“ âś“âś“ âś“âś“
Combustible pour véhicules ✓✓ ✓✓ ✓✓ ✓✓ ✓✓
Injection dans le réseau de gaz naturel ✓✓ ✓✓ ✓✓ ✓✓ ✓✓
X: Élimination non nĂ©cessaire – âś“: Élimination recommandĂ©e – âś“âś“: Élimination nĂ©cessaire

Comme on peut le dĂ©duire du tableau, le traitement du biogaz sera spĂ©cifique en fonction du type de mise Ă  profit que l’on souhaite rĂ©aliser et des contaminants prĂ©sents. Par consĂ©quent, grâce Ă  diffĂ©rentes techniques consolidĂ©es et efficaces, on peut effectuer le traitement du biogaz le mieux adaptĂ© de manière Ă  ce que celui-ci s’adapte aux conditions nĂ©cessaires pour son utilisation postĂ©rieure.

Techniques de purification de biogaz selon contaminant

Ci-dessous, nous analysons, pour chaque type de contaminant, à quel moment il doit être éliminé et quelle est la technique qui convient le mieux:

Acide sulfhydrique (H2S)

Il s’agit d’un composĂ© très odorant, toxique et corrosif. De plus, sa combustion produit du SO2, ce qui est l’une des causes principales du phĂ©nomène des pluies acides.

Techniques employées

  • DĂ©sulfuration biologique: c’est la technique la plus compĂ©titive mĂŞme lorsque la charge est Ă©levĂ©e, grâce Ă  son efficacitĂ© Ă©levĂ©e et ses faibles coĂ»ts d’exploitation.

  • Contre-lavage Ă  l’eau de pression: Absorption dans l’eau basĂ©e sur la diffĂ©rence de polaritĂ©.

  • Lavage chimique par scrubbers: Il est utilisĂ© en tant qu’alternative biologique. C’est une technique efficace mais moins Ă©conomique et elle nĂ©cessite l’utilisation de produits chimiques.

  • Dosage de sels ferreux dans le digesteur: il permet d’attĂ©nuer la formation de ce polluant, par prĂ©cipitation du sulfure (en rĂ©duisant la formation de sulfhydrique)

Dioxyde de carbone (CO2)

Il ne s’agit pas d’un polluant propre au biogaz, car il est inoffensif pour la plupart des applications. Cependant, celui-ci doit ĂŞtre sĂ©parĂ© si l’on souhaite disposer de mĂ©thane concentrĂ©, soit pour ĂŞtre utilisĂ© en tant que combustible pour automobiles ou bien pour une injection dans le rĂ©seau de gaz naturel.

Techniques employées

  • Contre-lavage Ă  l’eau de pression: Absorption dans l’eau basĂ©e sur la diffĂ©rence de polaritĂ©.

    Autant le CO2 que le H2S sont retenus tandis que le mĂ©thane non, Ă  cause des diffĂ©rences de polaritĂ© entre les deux premières molĂ©cules et celle de mĂ©thane, qui est non polaire. La solubilitĂ© du CO2 dans l’eau dĂ©pend de la pression, de la tempĂ©rature et du pH.

    Pour achever d’Ă©liminer complètement le CO2, cette Ă©tape peut ĂŞtre complĂ©tĂ©e par une prĂ©cipitation avec Ca(OH)2 du H2S et du CO2 pour obtenir du CaCO3 et du CaS.

Eau (H2O)

Ă€ la sortie du digesteur, le biogaz est saturĂ© de vapeur d’eau et pour la majoritĂ© des applications il sera nĂ©cessaire de le sĂ©cher. Pour ce faire, on peut rĂ©frigĂ©rer la tuyauterie et l’eau est rĂ©cupĂ©rĂ©e.

Techniques employées

  • RĂ©frigĂ©ration: La tuyauterie est refroidie, ce qui permet de rĂ©cupĂ©rer l’eau condensĂ©e. Si l’on souhaite une Ă©limination totale de la vapeur d’eau, il est possible de l’absorber grâce Ă  un agent sĂ©chant comme du gel silique ou Al2O3.

Siloxane

Il s’agit d’une famille de composĂ©s de silicium qui se trouvent sous forme de vapeur dans le biogaz. Ils se cristallisent en partie pour former du silicium qui provoque une forte abrasion sur les Ă©quipements mĂ©caniques. Ils sont sĂ©parĂ©s du biogaz par absorption avec charbon actif.

Techniques employées:

  • Absorption avec charbon actif: avec cette technique on obtient un rendement Ă©levĂ© qui permet de rĂ©duire ces composĂ©s Ă  ppb(v).

BTEX, hydrocarbures et composés hallogènes

Les filtres à charbon actif absorbent également ceux qui peuvent être contenus dans le biogaz.

Si l’on souhaite du mĂ©thane avec un pouvoir calorifique (PCI) similaire Ă  celui du gaz naturel, il existe une alternative de purification constante avec le filtrage par membrane..

Le gaz Ă  purifier passe au travers d’une membrane sĂ©lective et en fonction de la diffĂ©rente permĂ©abilitĂ© de la membrane aux diffĂ©rents composĂ©s, ceux-ci se permĂ©abilisent et le mĂ©thane s’enrichit.

Le design de la membrane est le plus adaptĂ© Ă  la sĂ©paration sĂ©lective de diffĂ©rents gaz, principalement du CO2 et du mĂ©thane. La purification est effective, mĂŞme s’il existe une certaine perte de mĂ©thane avec le CO2 sĂ©parĂ©, de plus ce sont des systèmes couteux.

Enrichissement de biogaz ou « biogas upgrading »

Parmi les différentes technologies utilisées pour le traitement du biogaz, on peut signaler le contre-lavage avec eau sous pression.

Cette technologie est celle qui bĂ©nĂ©ficie de la meilleure flexibilitĂ© possible pour le traitement du biogaz, indĂ©pendamment de sa qualitĂ© et de sa quantitĂ©. Elle est utilisĂ©e pour enrichir le biogaz Ă  la qualitĂ© du gaz naturel, ce qui permet sa rĂ©utilisation sur les installations mĂŞmes ou sa connexion au rĂ©seau d’approvisionnement de gaz naturel.

Par son application on peut sĂ©parer efficacement le CO2 et le sulfure d’hydrogène en une seule Ă©tape et avec un processus complètement automatisĂ©.

Les principaux avantages obtenus sont:

  • Les stations sont rĂ©alisĂ©es en modules standard avec diffĂ©rentes capacitĂ©s et une mise en place facile.
  • Le CO2 est Ă©liminĂ© du biogaz grâce Ă  la technologie d’Ă©puration par eau sous pression.
  • Aucun produit chimique n’est consommĂ©.
  • Aucune dĂ©sulfuration prĂ©alable n’est requise.
  • Il n’y a pas de demande de chaleur.
  • EfficacitĂ© de rĂ©cupĂ©ration du mĂ©thane de 99%.
  • Grande flexibilitĂ© face aux variations de contenu de CH4.
  • Énergie verte.

Processus de contre-lavage Ă  l’eau sous pression

Le biogaz est comprimĂ© jusqu’Ă  7 bars et il est ensuite lavĂ© dans un flux d’eau Ă  contre-courant dans une colonne de lavage. Le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène ont une solubilitĂ© dans l’eau bien supĂ©rieure au mĂ©thane et ils se dissolvent.

Pour rĂ©duire la perte de mĂ©thane dans le processus, l’eau de lavage est transfĂ©rĂ©e Ă  un rĂ©servoir d’expansion. Une des parties des gaz dissous est regazĂ©ifiĂ© et ils peuvent ĂŞtre comprimĂ©s Ă  nouveau.

Dans une colonne de dĂ©sorption, l’eau de lavage se rĂ©gĂ©nère en la sĂ©parant du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène en un flux d’air Ă  contre-courant afin de rĂ©duire au minimum la consommation d’eau fraiche.

Après ce processus, trois résultats sont obtenus:

  1. L’eau de lavage, qui est refroidie Ă  basse tempĂ©rature pour pouvoir ĂŞtre rĂ©utilisĂ©e par l’Ă©purateur-laveur.

  2. Le biogaz propre qui sèche (d’abord dans un filtre coalescent et ensuite en deux colonnes d’absorption en parallèle aux points de condensation bas) et il peut ĂŞtre remis Ă  profit.

  3. L’air en provenance de la colonne de dĂ©sorption est chargĂ© de dioxyde de carbone, de sulfure d’hydrogène et de traces de mĂ©thane, il doit donc ĂŞtre traitĂ© avant son Ă©mission afin de respecter la norme en vigueur.

L’oxydation thermique rĂ©gĂ©nĂ©rative (RTO) est la meilleure technologie pour atteindre les valeurs d’Ă©mission qui s’adaptent Ă  la norme dans chaque pays.

Ces systèmes se caractĂ©risent par l’inclusion de dispositifs, appelĂ©s rĂ©gĂ©nĂ©rateurs, qui rĂ©cupèrent la chaleur des gaz Ă©purĂ©s.

Ces rĂ©gĂ©nĂ©rateurs sont des Ă©lĂ©ments en matĂ©riau cĂ©ramique qui accumulent la chaleur des gaz qui sortent de la chambre d’oxydation. Grâce Ă  un système de vannes, des cycles de fonctionnement consĂ©cutifs sont Ă©tablis, qui permettent aux gaz Ă©purĂ©s, qui se trouvent Ă  une tempĂ©rature Ă©levĂ©e (environ 800Âş C.), cèdent leur chaleur aux masses cĂ©ramiques pour que les gaz contaminĂ©s, qui arrivent froids Ă  l’installation, prennent de celles-ci cette chaleur dans le cycle suivant.

Ainsi, ce lit inerte qui agit comme prĂ©chauffant et rĂ©cupĂ©rateur dĂ©pend du flux d’air qui le traverse, permet de rĂ©cupĂ©rer jusqu’Ă  95 % de la chaleur produite dans la rĂ©action d’oxydation, il est donc possible de rĂ©duire drastiquement les frais d’exploitation de ce type de stations.

On trouve différents équipements de RTO:

  • Deux foyers (avec ou sans foyer de compensation).
  • Trois foyers.
  • Plus de 3 chambres pour traiter des flux très Ă©levĂ©s.

Les principales caractéristiques de ces équipements sont:

  • Consommation de combustible minimale avec des efficacitĂ©s de rĂ©cupĂ©ration de chaleur très Ă©levĂ©es.
  • CoĂ»ts d’exploitation et de maintenance très faibles.
  • EfficacitĂ© d’Ă©puration Ă©levĂ©e.
  • Longue vie utile de l’Ă©quipement.
  • Équipement fiable aux performances prouvĂ©es.

Usages du biogaz

La plupart des stations de biogaz sont Ă©quipĂ©es d’installations de cogĂ©nĂ©ration qui produisent de l’Ă©lectricitĂ© et de la chaleur. Parfois, il est impossible d’utiliser l’excès de chaleur et par consĂ©quent le rĂ©sultat des stations de DA n’est pas optimisĂ©. Dans ces cas, l’alternative est la production de biomĂ©thane qui offre des variantes Ă©conomiques intĂ©ressantes.

Grâce aux technologies d’enrichissement du biogaz, le CO2 est Ă©liminĂ© du biogaz très efficacement et l’on produit du biomĂ©thane avec une qualitĂ© Ă©quivalente Ă  celle du gaz naturel (CH4 97-99%). Il faut souligner que le biomĂ©thane est un gaz renouvelable de qualitĂ© Ă©levĂ©e, qui peut ĂŞtre injectĂ© directement au rĂ©seau existant de gaz naturel.

Il peut être utilisé pour:

  • La combustion dans des installations Ă©loignĂ©es de la production (cycle combinĂ©).
  • Biogaz pour la consommation directe dans les foyers ou l’industrie.
  • Biocombustible pour vĂ©hicules.