EP4689047A1 - Installation et procédé de production de biométhane par séparation naturelle des gaz issus de la digestion bactérienne de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles - Google Patents

Installation et procédé de production de biométhane par séparation naturelle des gaz issus de la digestion bactérienne de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles

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Publication number
EP4689047A1
EP4689047A1 EP24725582.1A EP24725582A EP4689047A1 EP 4689047 A1 EP4689047 A1 EP 4689047A1 EP 24725582 A EP24725582 A EP 24725582A EP 4689047 A1 EP4689047 A1 EP 4689047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
enclosure
waste
mass
capture
Prior art date
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Pending
Application number
EP24725582.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric PASTRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tanaga Energies
Original Assignee
Tanaga Energies
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tanaga Energies filed Critical Tanaga Energies
Publication of EP4689047A1 publication Critical patent/EP4689047A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/36—Means for collection or storage of gas; Gas holders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34—Internal compartments or partitions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/18—Gas cleaning, e.g. scrubbers; Separation of different gases

Definitions

  • the invention relates to the field of methanization, that is to say the production of biomethane by the fermentation of waste containing fermentable organic materials (also called “methanizable materials”).
  • the invention relates to the production of biomethane of suitable quality for efficient energy recovery in the form of injection of biomethane into a gas distribution network, in the form of bioNGV (natural gas for vehicles) or in the form of fuel for a fuel cell.
  • bioNGV natural gas for vehicles
  • the materials to be treated present in liquid or solid form, occupy the lower part of the sealed enclosure where anaerobic digestion (methanization) takes place.
  • the biogas produced is extracted by suction of the gas present in the Sky. This Suction is carried out by one or more valves connected to a network of tubes, constituting the gas collector. The suction and transport of gas to the outside of the enclosure is carried out by putting the collector under vacuum via a dedicated pump.
  • the pump(s) suck up the gas accumulated in the top of the methanizer and pump it towards equipment external to the enclosure which will process this gas to extract biomethane of suitable quality for energy recovery by injection into a gas distribution network or by use in a fuel cell.
  • the biogas extracted from a conventional methanizer comprises on average: 45 to 55% methane CH4, 55% to 45% carbon dioxide CO2, some 0.1% dihydrogen H2, dioxygen 02, dinitrogen N2, and hydrogen sulfide H2S, and traces of carbon monoxide CO, sulfur compounds other than H2S, volatile organic compounds of silicon COVSi (such as octamethylcyclotetrasi oxane commonly called D4) and chlorinated compounds (such as C2H2C12).
  • the treatment equipment at the outlet of the methanizer is used to produce biomethane from the gas mixture extracted from the methanizer.
  • biomethane purification and injection equipment represents between 20% and 25% of the investment budget (CAPEX) of a medium-sized methanizer, and up to 35% for a small unit.
  • CAEX investment budget
  • the treatment carried out by these separation solutions generates high energy consumption (case of membranes or the PSA process) and/or uses expensive consumables (case of membranes and the amine process).
  • the operating costs (OPEX) of the biomethane purification/injection stages represent approximately 28% to 38% of the OPEX of a methanizer operating according to the state of the art.
  • the removal of sulfur compounds can be done by using activated carbon filters or zeolite. Zeolite has the best H2S removal efficiency but its cost remains higher than activated carbon, the most widely used and most competitive solution.
  • silica gel is most suitable.
  • the invention aims to significantly reduce the production costs of biomethane of sufficient quality for energy recovery in a distribution network or as fuel for a fuel cell.
  • the invention proposes a plant for producing biomethane from solid waste containing fermentable organic matter, plant comprising:
  • At least one enclosure (10) arranged to be open to receive a mass of waste (16) to be treated, or closed in a gas- and liquid-tight manner, and
  • a first means of capture positioned inside the enclosure in an area upper accumulation of light gases located above the waste mass and commonly called the sky of the enclosure, the first means of capture being configured to capture light gases coming from bacterial digestion of the waste mass inside the enclosure.
  • the installation according to the invention is characterized in that it also comprises a lower zone for accumulating heavy gases located under the waste mass.
  • the installation thus exploits the physical properties of the gases (difference in molar mass) for a static separation of the gases inside the installation itself and before capturing the gases produced inside the installation, as will be seen more clearly later in examples of the installation.
  • the invention is based on the observation that there is a single discriminating factor that makes it possible to separate the energy fraction of biogas (methane) from all the other undesirable gases or compounds; this discriminating factor is the molar mass of each component of the biogas produced, as will be seen in more detail below. Based on this physical property of gases, the invention proposes to separate the gases within the methanization plant itself and before capturing the gases produced within the plant, as will be seen in detail below.
  • the complete separation of the gases constituting the biogas is carried out inside the methanizer itself in a purely static manner: the light gas accumulates in the sky of the enclosure and the heavy gas accumulates by decantation in the lower gas accumulation zone, as will be seen in more detail.
  • the first capture means Positioned inside the enclosure in the sky above the waste mass, the first capture means captures the accumulated light gas, which contains methane and traces of dihydrogen H2.
  • the light gas is hereinafter referred to as HR gas.
  • the light gas produced by the installation according to the invention is biomethane which can be used in the form of energy, with the same uses as biomethane from the purification processes mentioned in the “Technological background” section, namely: injection into a distribution network, bioNGV or use in a fuel cell. No treatment of the gas outside the enclosure is any longer necessary; the cost and time of producing methane from an installation according to the invention are thus much lower than the cost and time of producing methane from existing methanizers.
  • LP gas can be released into the atmosphere: the CO2 it contains is of biogenic origin, so it is emission neutral. LP gas can also be recovered by extracting the CO2 it contains, the CO2 being able to be used as food gas, cooling gas, gas facilitating plant growth and injected into greenhouses or other chemical component for industry. In this case, the methanization plant becomes a carbon sink.
  • the invention also relates to a method of implementing an installation as described above.
  • Figure 1 is a diagram of an installation according to the invention
  • Figure 2 is a table listing the various gases and volatile compounds likely to be found in biogas from a methanizer.
  • light gas and “heavy gas” are defined in relation to the molar mass of nitrogen gas (N2) whose value is 28 g/mol; a light gas (respectively a heavy gas) has a molar mass lower (respectively higher) than this value.
  • the invention relates to a plant for producing biomethane from solid waste containing fermentable organic matter, a plant comprising:
  • At least one enclosure (10) arranged to be open to receive a mass of waste (16) to be treated, or closed in a gas- and liquid-tight manner, and
  • first capture means positioned inside the enclosure in an upper zone of accumulation of light gases located above the mass of waste and commonly called the sky of the enclosure, the first capture means being configured to capture light gases from bacterial digestion of the waste mass inside the enclosure.
  • means are also provided for evacuating liquids resulting from the decomposition of organic matter, for example an opening 12a closed by an opening/closing valve.
  • decomposition of organic matter is meant here the bacterial digestion or fermentation of fermentable organic matter.
  • FIG. 1 shows a schematic example of an enclosure 10 forming a small-sized bioreactor.
  • the enclosure shown has a generally cylindrical shape, made of metal, concrete, etc., with an opening for loading the waste to be treated and unloading the residues at the end of treatment.
  • the opening may be on the top (fig. 1), closable for example by a sealed cover or by the installation of a waterproof tarpaulin (fig. 1); the opening may also be lateral, closable for example by a sealed side door (variant not shown).
  • 1 has a generally cylindrical shape with a diameter of the order of 1 m to approximately 3 m and a height of the order of 2 m to approximately 6 m, for the treatment of a volume of waste of the order of 1.5 m3 to approximately 43 m3 and the production of a volume of biogas of the order of 0.1 m3 per hour to 4 m3 per hour (with a high variability depending on the nature of the waste treated) on average during a methane production phase (called the methanogenic phase) of the anaerobic treatment of the waste.
  • methanogenic phase methanogenic phase
  • Patent document Dl FR3038532 describes another type of installation also falling within the scope of the invention.
  • the installation of Dl comprises a plurality of similar compartments: each compartment is delimited by walls made of concrete or equivalent materials and has dimensions and an opening large enough to load the waste and unload the residues with motorized handling equipment known elsewhere.
  • a cover is used to seal a compartment.
  • Each compartment once closed, forms a sealed enclosure in which a methanization reaction can be implemented.
  • Such an installation is obviously of much larger dimensions than that of Figure 1, and is suitable for treating very large volumes of solid waste.
  • the installation according to the invention is characterized in that it also comprises a lower zone for accumulating heavy gases located under the waste mass.
  • the table in Figure 2 lists the various gases and volatile compounds likely to be found in biogas from a methanizer, with their molar mass (in g/mol) and their average proportion by volume in the biogas produced. The table clearly shows that:
  • [40] - Energy gases (H2 and CH4) have a molar mass less than 14g/mol (top of the table), a fortiori less than the molar mass of nitrogen gas N2 (28g/mol).
  • the invention exploits the difference in molar mass (and therefore density) of the two main gases produced by the methanization reaction.
  • methane has a molar mass of 14g/mol and carbon dioxide has a molar mass of 44g/mol.
  • a mole of CO2 is thus 2.75 heavier than a mole of CH4, and each occupies the same volume (22.41 per gaseous mole, under normal conditions, according to Avogadro-Ampère's law). Since the two gases are produced at the same time in the waste mass during the methanization reaction, the lighter CH4 tends to raise it and accumulate in the sky of the enclosure while the heavier CO2 tends to descend and accumulate in the lower part of the enclosure.
  • the present invention can in particular be implemented in an installation conforming to that described in patent application FR2209257 of the same applicant and relating to the treatment of solid waste carried out in discontinuous mode (batch treatment) in an installation with several compartments, and according to a method allowing the injection of volumes determined liquids according to a sequence of injections having a predefined duration and injection frequency to optimize the production of biogas and ensure control of the biochemical balances within each compartment where the treatment of a batch of waste is carried out.
  • the first capture means is positioned in the upper gas capture zone and preferably in a top wall of the enclosure; in the example shown, the first capture means comprises a high discharge opening 22. Such a capture means may be sufficient for a small enclosure.
  • the first capture means may also comprise a first perforated tube (not shown), which is for example fixed to the upper wall of the enclosure and which has one end connected to the high discharge opening.
  • the first capture means may comprise a first network of tubes (not shown) comprising perforated tubes assembled together, one end of the network of tubes being connected to the high discharge opening.
  • the installation comprises a second capture means positioned in the lower accumulation zone and configured to capture heavy gases.
  • the second capture means is positioned at the bottom of the enclosure. It comprises at least a low discharge opening 26 positioned as low as possible in a side wall of the enclosure, however above a liquid accumulation zone (fig. 1), if there is one.
  • the second capture means may also comprise a second perforated tube (not shown), positioned for example under the mass of waste and one end of which is connected to the low discharge opening.
  • the lower gas accumulation zone may be delimited in the enclosure by a perforated wall 15 positioned at a predefined height above the bottom of the enclosure, the waste mass resting on the perforated wall.
  • the perforated wall may facilitate the unloading of residues after methanization of the waste mass.
  • the lower gas accumulation zone may be constituted by a structuring layer 13 comprising non-fermentable structuring elements 13a, the interstices between the non-fermentable structuring elements 13a constituting pockets for accumulating heavy gases, the waste mass resting on the structuring layer 13.
  • the structuring elements 13a being non-fermentable, the lower gas accumulation zone retains its gas storage capacity throughout the decomposition of the waste mass, which may last several days or several weeks. Also, the mass of waste can be deposited directly on the structuring layer, without it being necessary to put a perforated wall between the two.
  • the structuring elements have for example an elongated shape having a length equal to 5 to 10 times a width or a diameter of the elongated shape, interstices between the fermentable elements and the structuring elements defining a continuous gaseous space in which the gases can circulate.
  • Non-fermentable materials may be organic materials, and preferably ligneous or lignocellulosic organic materials, which retain their mechanical strength for a sufficiently long time for the bacterial digestion total fermentation of the waste mass. These are, for example, pieces of branches, sugar cane, bamboo, etc.
  • the use of organic materials facilitates the unloading of the installation at the end of fermentation; in fact, the organic materials of the structuring layer can be evacuated at the same time as the residues of the waste mass after methanization, for example to a composting area.
  • the structuring layer 13 may comprise a plurality of compartments (13b) containing non-fermentable materials, the compartments being juxtaposed to form a continuous structuring layer at the bottom of the enclosure.
  • the presence of the compartments limits the risks, admittedly low, of settling of the structuring layer during the methanization step, and thus guarantees the maintenance of the accumulation pockets of the heavy gas in the lower accumulation zone.
  • the compartments are preferably compartments having perforated walls (such as for example gabions) in order to facilitate the circulation of gases towards and in the structuring layer.
  • the compartments can be filled outside the enclosure upstream, then subsequently installed at the bottom of the enclosure when loading the enclosure of the installation according to the invention. The production of the structuring layer in the enclosure is thus facilitated and carried out more quickly.
  • the enclosure may comprise a draining layer 14 at the bottom of the enclosure, located below the lower gas accumulation zone; the draining layer 14 forms an accumulation zone for liquids produced by the decomposition of the waste mass; it avoids continuously drawing off the liquid to evacuate it from the enclosure.
  • the draining layer comprises pebbles, which have the advantage of not deteriorating upon prolonged contact with the liquid, while having good mechanical resistance to compaction.
  • the draining layer may for example be made of pebbles and the structuring layer 13 may be placed directly on the pebbles, the grid 15 not being necessary in this case.
  • the first capture means consists of the upper discharge opening 22 located in the upper wall of the enclosure.
  • the second capture means consists of the lower discharge opening 26 located in the wall of the enclosure, at the boundary between the draining layer and the structuring layer.
  • the height S of the waste mass makes it possible to estimate the quantity of waste and, depending on the methanogenic power, to estimate the quantity of gas per unit of time likely to be produced during the methanogenic phase.
  • the height of the sky makes it possible to estimate the volume of the upper zone of accumulation of light gases, CH4, H2.
  • C/S ratio is thus a compromise between a maximum loading of the enclosure for maximum production of light gases, and a buffer zone for storing light gases limiting the risks of overpressure, optimizing the natural separation of light gases and heavy gases, and optimizing the extraction of light gases.
  • the highest level where harmful gases or compounds composing the heavy gas BP can be generated is the upper surface of the waste mass. Once generated, the components of the heavy gas BP cannot, under normal conditions, rise towards the capture zone of the light gas HR because they are significantly heavier than the gases occupying the Sky of the methanizer.
  • the suction depression of the HR light gas flow may cause the accidental suction of elements of the BP heavy gas.
  • the height C of the Sky must therefore be sufficient to prevent this undesirable effect. Since the volume of light gas sucked corresponds to the volume of HR light gas produced, the volume of HR light gas depends on the volume of the mass treated and the volume of the mass is a function of its height S, limiting the height S of the mass so that the C/S ratio is greater than 0.08 and preferably greater than 0.12 makes it possible to significantly limit the accidental suction of heavy gas. In the case of a cylindrical or parallelepiped enclosure, tests have shown that a C/S ratio equal to 0.18 makes it possible to eliminate the risk of accidental suction.
  • the height C of the sky is chosen so that the sky has a gas storage capacity of between 2 and 12 hours of light gas production, and preferably between 4 and 5 hours of light gas production for a cylindrical or parallelepiped shaped enclosure.
  • the storage capacity of the sky of the enclosure makes it possible to capture the light gas not continuously but intermittently, if this proves necessary.
  • a method of implementing an installation as described above notably comprises an anaerobic bacterial digestion step during which an expected volume of light gas and an expected volume of heavy gas are captured via the first capture means and the second capture means respectively.
  • the method according to the invention can be optimized by control via digital control/command tools, making it possible to avoid the main situations presenting risks of disruption of the gravitational separation of gases and/or risks of respective malfunction of the means of capturing heavy gases and light gases.
  • the expected volume of light gas and the expected volume of heavy gas are captured during the methanogenesis phase, each by their respective capture means, because the gases generated during the phases prior to the methanogenesis phase still contain few recoverable gases (CH4 and H2) and in practice have a high proportion of harmful volatile elements which will have almost completely disappeared when the methanogenic phase begins.
  • At least one liquid injection step into the waste mass is carried out and - the capture of light gas is interrupted during the liquid injection step.
  • Injecting liquid into the waste mass improves the decomposition of the mass.
  • the percolation of a large mass of liquids through the waste mass creates significant aerological eddies, likely to significantly disrupt the natural separation of the gases produced, throughout the duration of this percolation.
  • Interrupting the capture of light gas during the liquid injection steps avoids capturing a gas that is insufficiently rich in CH4.
  • the methane rate in the light gas is for example determined by the means of analysis of the composition of the light gas described above.
  • the minimum rate can be set according to the recovery envisaged for the captured light gas, for example 80% for recovery in the form of bioNGV, or 97% for recovery in the form of fuel injected into a fuel distribution network.
  • the method according to the invention may also comprise an initialization step consisting of:

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Abstract

L'invention concerne une installation de production de biométhane à partir de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles, installation comprenant : - au moins une enceinte (10) agencée pour être ouverte pour recevoir un massif de déchets (16) à traiter, ou fermée de manière étanche aux gaz et aux liquides, et - un premier moyen de captage positionné à l'intérieur de l'enceinte dans une zone supérieure d'accumulation de gaz légers située au dessus du massif de déchets et communément appelée ciel de l'enceinte, le premier moyen de captage étant configuré pour capter des gaz légers provenant d'une digestion bactérienne du massif de déchets à l'intérieur de l'enceinte l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend également une zone inférieure d'accumulation de gaz lourds située sous le massif de déchets. Application à la production de Biogaz à partir de déchets fermentescibles solides.

Description

Description
Titre de l’invention : Installation et procédé de production de biométhane par séparation naturelle des gaz issus de la digestion bactérienne de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles
Domaine technique
[1] L’invention concerne le domaine de la méthanisation, c’est-à-dire la production de biométhane par la fermentation de déchets contenant des matières organiques fermentescibles (encore appelées « matières méthanisables »).
[2] Plus particulièrement dans ce domaine, l’invention concerne la production de biométhane de qualité appropriée pour une valorisation énergétique efficiente sous forme d’injection du biométhane dans un réseau de distribution de gaz, sous forme de bioGNV (gaz naturel pour véhicule) ou sous forme de combustible pour une pile à combustible.
Arrière-plan technologique
[3] L’injection de biométhane dans un réseau de distribution est soumise à des critères de qualité stricts. En Suisse, par exemple, le gaz doit être constitué à 96% de méthane (CH4) et ne contenir au maximum que 2% d’hydrogène (H2) et 5 parties par million de sulfure d’hydrogène (H2S). En France, le taux de purification est fixé à 97% de méthane, mais sans limite spécifique pour l’hydrogène. Pour un usage en tant que bioGNV, le taux de CH4 peut être compris entre 80% et 97%. Pour une utilisation du biométhane dans une pile à combustible, des contraintes supplémentaires sont applicables, afin d’éliminer les composés organiques volatiles particulièrement nocifs pour les catalyseurs des reformeurs externes ou pour l’anode de la pile à combustible.
[4] Dans le domaine de la méthanisation, tous les digesteurs (appelés aussi méthaniseurs) connus ont la même configuration :
- les matières à traiter, présentes sous forme liquide ou solide, occupent la partie basse de l’enceinte étanche où s’effectue la digestion anaérobie (méthanisation)
- la partie haute de l’enceinte, laissée libre, constitue la zone d’accumulation du gaz produit, communément appelée le « Ciel » du méthaniseur. Dans tous les méthaniseurs opérationnels en Europe, le biogaz produit est extrait par aspiration du gaz présent dans le Ciel. Cette aspiration s’effectue par une ou plusieurs vannes reliées à un réseau de tubes, constituant le collecteur de gaz. L’aspiration et le transport du gaz vers l’extérieur de l’enceinte s’effectue par mise en dépression du collecteur via une pompe dédiée.
[5] La (ou les) pompes aspirent le gaz accumulé dans le ciel du méthaniseur et le refoulent vers des équipements externes à l’enceinte qui vont traiter ce gaz pour en extraire du biométhane de qualité appropriée pour une valorisation énergétique par injection dans un réseau de distribution de gaz ou par utilisation dans une pile à combustible.
[6] Le biogaz extrait d’un méthaniseur classique comprend en moyenne : 45 à 55 % de méthane CH4, 55 % à 45 % de dioxyde de carbone CO2, quelques 0,1 % de dihydrogène H2, de dioxygène 02, de diazote N2, et de sulfure d’hydrogène H2S, et des traces de monoxyde de carbone CO, de composés soufrés autres de H2S, de composés organiques volatiles de silicium COVSi (tel que le octamethylcyclotetrasi oxane communément appelé D4) et de composés chlorés (tel que le C2H2C12).
[7] Les équipements de traitement en sortie du méthaniseur ont pour fonction de produire du biométhane à partir du mélange gazeux extrait du méthaniseur.
[8] On commence par éliminer du biogaz produit le dioxyde de carbone (CO2 ) qui représente de 45% à 55% du biogaz brut.
[9] Actuellement, cette élimination s’opère par séparation physique des molécules de CH4 et des molécules de CO2 Plusieurs technologies sont disponibles pour réaliser cette opération : purification par membranes, procédé PSA (Pressure Swing Adsorption), procédé de lavage aux amines, où le biogaz est passé à travers une solution chimique de lavage qui fixe le dioxyde de carbone et le sépare ainsi du reste.
[10] Ces solutions ont toutes l’inconvénient d’être coûteuses, tant à l’achat qu’à l’exploitation.
[11] En moyenne en France, l’équipement de purification et d’injection du biométhane représente entre 20% et 25% du budget d’investissement (CAPEX) d’un méthaniseur de taille moyenne, et jusqu’à 35% pour unité de petite taille.
[12] En outre, le traitement opéré par ces solutions de séparation engendre une forte consommation énergétique (cas des Membranes ou du procédé PSA) et/ou utilise des consommables coûteux (cas des membranes et du procédé par amines). En moyenne en France, les coûts d’exploitation (OPEX) des étapes de purification/injection du biométhane représentent environ 28% à 38% des OPEX d’un méthaniseur opérant selon l’état de l’art.
[13] Au total, ces coûts CAPEX et OPEX élevés se combinent pour faire de l’étape de purification/injection du biométhane le principal poste de coût dans le prix de revient d’un MWh d’énergie Gaz décarbonée, de type biométhane ou bioGNV. [14] Après élimination du CO2, une épuration plus fine est nécessaire si un usage dans une pile à combustible (PAC) est envisagé. Les composés organiques sulfurés, qui apparaissent en même temps que le sulfure d’hydrogène H2S lorsque les bactéries digèrent des protéines contenant des atomes de soufre, ainsi que d’autres composés nocifs doivent en effet être éliminés de sorte que le gaz résultant ne contienne pas plus de Ippm (partie par million) de composés sulfurés.
[15] L’élimination des composés sulfurés peut s’effectuer par l’emploi de filtre à charbon actif, ou de zéolithe. La zéolithe présente la meilleure efficacité d’élimination de l’H2S mais son coût reste encore plus élevé que le charbon actif, solution la plus utilisée et la plus compétitive.
[16] Les études mettent en évidence, pour ces techniques d’élimination, l’influence de la hauteur de lit d’adsorbant, de la concentration en polluant, du débit de gaz, de la présence de composés traces en mélange et de l’humidité sur les performances épuratoires. Il est possible de maintenir une concentration en H2S sous le seuil de tolérance de 1 ppmvH2S du reformeur utilisé pour les piles à combustible PAC SOFC, mais à un coût prohibitif.
[17] Pour l’élimination des composés siliciés (COVSi), le gel de silice est le plus adapté à
1’ adsorption du D4. Les actions physico-chimiques des adsorbants, composés de couples zéolithe + H2S et gel de silice + D4, permettent que le H2S soit adsorbé puis oxydé en soufre élémentaire à la surface de la zéolithe. Lors de 1’ adsorption sur gel de silice, le D4 est susceptible polymériser en surface. Ces deux phénomènes empêchent la régénération des adsorbants.
[18] Il en résulte un coût encore très élevé de la purification fine, qui empêche toute faisabilité économique de l’emploi du biométhane dans les PAC, selon l’état de l’art des techniques disponibles.
Exposé de l’invention
[19] L’invention vise à réduire fortement les coûts de production de biométhane de qualité suffisante pour une valorisation énergétique dans un réseau de distribution ou comme carburant pour une pile à combustible.
[20] Avec cet objectif en vue, l’invention propose une installation de production de biométhane à partir de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles, installation comprenant :
- au moins une enceinte (10) agencée pour être ouverte pour recevoir un massif de déchets (16) à traiter, ou fermée de manière étanche aux gaz et aux liquides, et
- un premier moyen de captage positionné à l’intérieur de l’enceinte dans une zone supérieure d’accumulation de gaz légers située au dessus du massif de déchets et communément appelée ciel de l’enceinte, le premier moyen de captage étant configuré pour capter des gaz légers provenant d’une digestion bactérienne du massif de déchets à l’intérieur de l’enceinte.
[21] L’installation selon l’invention est caractérisée en ce qu’elle comprend également une zone inférieure d’accumulation de gaz lourds située sous le massif de déchets.
[22] L’installation exploite ainsi les propriétés physiques des gaz (différence de masse molaire) pour une séparation statique des gaz à l’intérieur même de l’installation et avant captage des gaz produits à l’intérieur de l’installation, comme on le verra mieux plus loin dans des exemples de l’installation.
[23] L’invention repose sur le constat qu’il existe un facteur discriminant unique qui permet de séparer la fraction énergétique du biogaz (le méthane) de l’ensemble des autres gaz ou composés indésirables ; ce facteur discriminant est la masse molaire de chaque composant du biogaz produit comme on le verra mieux plus loin. Partant de cette propriété physique des gaz, l’invention propose de séparer les gaz à l’intérieur même de l’installation de méthanisation et avant captage des gaz produits à l’intérieur de l’installation, comme on le verra plus loin en détail.
[24] Dans l’installation selon l’invention, la séparation complète des gaz constituant le biogaz est réalisée à l’intérieur même du méthaniseur de façon purement statique : le gaz léger s’accumule dans le ciel de l’enceinte et le gaz lourd s’accumule par décantation dans la zone inférieure d’accumulation de gaz, comme on le verra plus en détail. Positionné à l’intérieur de l’enceinte dans dans le ciel au dessus du massif de déchets, le premier moyen de captage capte le gaz léger accumulé, qui contient du méthane et des traces de dihydrogène H2. Le gaz léger est désigné par la suite gaz HR.
[25] Le gaz léger produit par l’installation selon l’invention est du biométhane qui peut être utilisé sous forme d’énergie, avec les mêmes usages que le biométhane issu des procédés de purification mentionnés dans la partie « Arrière-plan technologique », à savoir : injection dans un réseau de distribution, bioGNV ou usage dans une pile à combustible. Aucun traitement du gaz à l’extérieur de l’enceinte n’est plus nécessaire ; le coût et le temps de production du méthane à partir d’une installation selon l’invention sont ainsi bien moins élevés que le coût et le temps de production du méthane à partir des méthaniseurs existant.
[26] L’installation est avantageusement complétée par un deuxième moyen de captage positionné dans la zone inférieure d’accumulation de gaz et configuré pour capter le gaz lourd, qui contient essentiellement du dioxyde de carbone CO2. Le gaz lourd est appelé par la suite gaz BP. [27] Le gaz BP peut être relâché dans l’atmosphère : le CO2 qu’il contient étant d’origine biogénique, il est donc neutre en émissions. Le gaz BP peut aussi être valorisé par extraction du CO2 qu’il contient, le CO2 pouvant être utilisé en tant que gaz alimentaire, gaz de refroidissement, gaz facilitant la croissance des plantes et injecté dans des serres ou autre composant chimique pour l’industrie. Dans ce cas, l’installation de méthanisation devient un puits de carbone.
[28] L’invention concerne également un procédé de mise en œuvre d’une installation telle que décrite ci-dessus.
Présentation des dessins
[29] L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de mises en œuvre de l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :
- [Fig. 1] la figure 1 est schéma d’une installation selon l'invention
- [Fig. 2] la figure 2 est un tableau listant les divers gaz et composés volatiles susceptibles de se trouver dans le biogaz issu d’un méthaniseur.
[30] Dans l’ensemble de la description, les expressions « gaz léger » et « gaz lourd » sont définies par rapport à la masse molaire de l’azote gazeux (N2) dont la valeur est de 28g/mol ; un gaz léger (respectivement un gaz lourd) a une masse molaire inférieure (respectivement supérieure à cette valeur.
[31] Dans toute la description les termes dessus / dessous, inférieur / supérieur, haut / bas sont utilisés selon leurs définitions usuelles pour positionner des objets, dans l’absolu ou les uns par rapport aux autres, selon un axe vertical Z représenté dans le plan du dessin de la figure 1 ; les hauteurs sont définies selon ce même axe vertical en partant du bas pour aller vers le haut.
Description détaillée de l’invention
[32] Comme dit précédemment, l’invention concerne une installation de production de biométhane à partir de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles, installation comprenant :
- au moins une enceinte (10) agencée pour être ouverte pour recevoir un massif de déchets (16) à traiter, ou fermée de manière étanche aux gaz et aux liquides, et
- un premier moyen de captage positionné à l’intérieur de l’enceinte dans une zone supérieure d’accumulation de gaz légers située au dessus du massif de déchets et communément appelée ciel de l’enceinte, le premier moyen de captage étant configuré pour capter des gaz légers provenant d’une digestion bactérienne du massif de déchets à l’intérieur de l’enceinte.
[33] Au fond de l’enceinte sont également prévus dans l’exemple représenté des moyens pour évacuer les liquides provenant de la décomposition des matières organiques, par exemple une ouverture 12a fermé par une vanne d’ouverture / fermeture.
[34] Par décomposition des matières organiques, on entend ici la digestion bactérienne ou fermentation des matières organiques fermentescibles.
[35] Plusieurs types / formes d’installation peuvent être envisagés selon l’invention.
[36] La figure 1 montre un exemple schématique d’une enceinte 10 formant un bioréacteur de petite taille. L’enceinte représentée a une forme globalement cylindrique, réalisée en métal, en béton, etc., avec une ouverture pour charger les déchets à traiter et décharger les résidus en fin de traitement. L’ouverture peut être sur le dessus (fig.1), refermable par exemple par un couvercle étanche ou par la mise en place d’une bâche étanche (fig. 1) ; l’ouverture peut également être latérale, refermable par exemple par une porte latérale étanche (variante non représentée). L’enceinte de la fig. 1 a une forme globalement cylindrique de diamètre de l’ordre de de 1 m jusqu’à environ 3 m et une hauteur de l’ordre de 2 m jusqu’à environ 6 m, pour le traitement d’un volume de déchets de l’ordre de 1,5 m3 jusqu’à environ 43 m3 et la production d’un volume de biogaz de l’ordre de 0,1 m3 par heure jusqu’à 4 m3 par heure (avec une forte variabilité selon la nature des déchets traités) en moyenne pendant une phase de production de méthane (appelée phase méthanogène) du traitement anaérobie des déchets.
[37] Le document de brevet Dl = FR3038532 décrit un autre type d’installation rentrant également dans le cadre de l’invention. L’installation de Dl comprend une pluralité de compartiments similaires : chaque compartiment est délimité par des murs en béton ou matériaux équivalents et présente des dimensions et une ouverture suffisamment grande pour charger les déchets et décharger les résidus avec des engins motorisés de manutention connus par ailleurs. Une couverture est utilisée pour fermer de manière étanche un compartiment. Chaque compartiment, une fois fermé, forme une enceinte étanche dans laquelle une réaction de méthanisation peut être mise en œuvre. Une telle installation est évidemment de bien plus grandes dimensions que celle de la figure 1, et est adaptée pour traiter de très gros volumes de déchets solides.
[38] L’installation selon l’invention est caractérisée en ce qu’elle comprend également une zone inférieure d’accumulation de gaz lourds située sous le massif de déchets [39] Le tableau de la figure 2 liste les divers gaz et composés volatiles susceptibles de se trouver dans le biogaz issu d’un méthaniseur, avec leur masse molaire (en g/ mol) et leur proportion moyenne en volume dans le biogaz produit. Le tableau montre clairement que :
[40] - Les gaz énergétiques (H2 et CH4) ont une masse molaire inférieure à 14g/mol (haut du tableau), a fortiori inférieure à la masse molaire de l’azote gazeux N2 (28g/mol).
[41] - Tous les gaz ou composés à réduire ou éliminer ont une masse molaire supérieure à 34g/mol. (bas du tableau), a fortiori supérieure à la masse molaire de l’azote gazeux.
[42] Entre ces deux groupes on trouve, en milieu du tableau, quelques gaz présents occasionnellement (notamment en cas d’entrée d’air dans l’enceint de méthanisation) qui sont totalement neutres dans les valorisations énergétiques visées. Ces gaz neutres, monoxyde de carbone CO, azote gazeux N2 et oxygène gazeux 02, présents en très faible quantité, sont considérés comme négligeables dans la suite de la description.
[43] L’invention exploite la différence de masse molaire (et donc de densité) des deux principaux gaz produits par la réaction de méthanisation. En effet, le méthane (CH4) a une masse molaire de 14g/mol et le dioxyde de carbone a une masse molaire de 44g/mol. Une mole de C02 est ainsi 2,75 plus lourde qu’une mole de CH4, et chacune occupe le même volume (22,41 par mole gazeuse, en conditions normales, selon la loi d’Avogadro- Ampère). Les deux gaz étant produits en même temps dans le massif de déchets lors de la réaction de méthanisation, le CH4, plus léger, a tendance à l’élever et à s’accumuler dans le ciel de l’enceinte alors que le C02, plus lourd, a tendance à descendre et à s’accumuler dans la partie basse de l’enceinte. L’expérience montre que la réaction de méthanisation de déchets solides en enceinte fermée (anaérobie), de Tordre de une semaine à huit semaines, dure suffisamment longtemps pour permettre une décantation naturelle du gaz produit et une séparation naturelle des gaz contenus dans le gaz produit du simple fait de leur différence de masse molaire
[44] A noter que, dans la mesure où une zone d’accumulation des gaz BP est indispensable pour la mise en œuvre de l’invention, la méthanisation de déchets solides (les déchets solides ayant une granulométrie > 13 mm et comprenant plus de 20 % de matière sèche) est la seule qui permette de mettre en œuvre l’invention. La méthanisation de déchets liquides ou pâteux (comprenant moins de 20 % de matière sèche) ne permet pas la mise en œuvre de la présente invention.
[45] La présente invention peut être notamment mise en œuvre dans une installation conforme à celle décrite dans la demande de brevet FR2209257 du même déposant et relative au traitement de déchets solides opéré en mode discontinu (traitement par lots) dans une installation à plusieurs compartiments, et selon un procédé permettant l’injection de volumes déterminés de liquides selon une séquence d’injections ayant une durée et une fréquence d’injection prédéfinie pour optimiser la production de biogaz et assurer la maîtrise des équilibres biochimiques à l’intérieur de chaque compartiment où s’effectue le traitement d’un lot de déchets.
[46] Le premier moyen de captage est positionné dans la zone supérieure de captage de gaz et de préférence dans une paroi de dessus de l’enceinte ; dans l’exemple représenté, le premier moyen de captage comprend une ouverture d’évacuation haute 22. Un tel moyen de captage peut être suffisant pour une enceinte de petite taille. Le premier moyen de captage peut également comprendre un premier tube perforé (non représenté), qui est par exemple fixé sur la paroi supérieure de l’enceinte et qui a une extrémité reliée à l’ouverture d’évacuation haute. En variante, le premier moyen de captage peut comprendre un premier réseau de tubes (non représenté) comprenant des tubes perforés assemblés entre eux, une extrémité du réseau de tubes étant reliée à l’ouverture d’évacuation haute.
[47] L’installation comprend un deuxième moyen de captage positionné dans la zone inférieure d’accumulation et configuré pour capter les gaz lourds.
[48] Selon le mode de mise en œuvre représenté, le deuxième moyen de captage est positionné au fond de l’enceinte. Il comprend à minima une ouverture d’évacuation basse 26 positionnée le plus bas possible dans une paroi latérale de l’enceinte, toutefois au-dessus d’une zone d’accumulation des liquides (fig. 1), s’il y en a une. Le deuxième moyen de captage peut également comprendre un deuxième tube perforé (non représenté), positionné par exemple sous le massif de déchets et dont une extrémité est reliée à l’ouverture d’évacuation basse.
[49] La zone inférieure d’accumulation de gaz peut être délimitée dans l’enceinte par une paroi perforée 15 positionnée à une hauteur prédéfinie au dessus du fond de l’enceinte, le massif de déchets reposant sur la paroi perforée En plus de délimiter la zone inférieure d’accumulation de gaz, la paroi perforée peut faciliter le déchargement des résidus après la méthanisation du massif de déchets.
[50] En variante, la zone inférieure d’accumulation de gaz peut être constituée par une couche structurante 13 comprenant des éléments structurants non fermentescibles 13a, les interstices entre les éléments structurants non fermentescibles 13a constituant des poches d’accumulation des gaz lourds, le massif de déchets reposant sur la couche structurante 13. Les éléments structurants 13a étant non fermentescibles, la zone inférieure d’accumulation de gaz conserve sa capacité de stockage des gaz tout au long de la décomposition du massif de déchets, qui peut durer plusieurs jours ou plusieurs semaines. Egalement, le massif de déchets peut être déposé directement sur la couche structurante, sans qu’il soit nécessaire de mettre une paroi perforée entre les deux.
[51] Les éléments structurants ont par exemple une forme allongée ayant une longueur égale à 5 à 10 fois une largeur ou un diamètre de la forme allongée, des interstices entre les éléments fermentescibles et les éléments structurant définissant un espace gazeux continu dans lequel les gaz peuvent circuler.
[52] Les matières non fermentescibles peuvent être des matières organiques, et de préférences des matières organiques ligneuses ou ligno-cellulosiques, qui conservent leur tenue mécanique pendant un temps suffisamment long pour la digestion bactérienne fermentation totale du massif de déchets. Ce sont par exemple des morceaux de branchages, de cane à sucre, de bambou, etc. L’utilisation de matières organiques facilite le déchargement de l’installation à la fin de la fermentation ; en effet les matières organiques de la couche structurante peuvent être évacuées en même temps que les résidus du massif de déchets après méthanisation, par exemple vers une zone de compostage.
[53] En variante encore, la couche structurante 13 peut comprendre une pluralité de casiers (13b) contenant des matières non fermentescibles, les casiers étant juxtaposés pour former une couche structurante continue au fond de l’enceinte. La présence des casiers limite les risques, certes faibles, de tassement de la couche structurante au cours de l’étape de méthanisation , et garantit ainsi le maintien des poches d’accumulation du gaz lourd dans la zone inférieure d’accumulation. Les casiers sont de préférence des casiers ayant des parois ajourées (tels que par exemple des gabions) afin de faciliter la circulation des gaz vers et dans la couche structurante. Les casiers peuvent être remplis à l’extérieur de l’enceinte en amont, puis ensuite installés au fond de l’enceinte lors du chargement de l’enceinte de l’installation selon l’invention. La réalisation de la couche structurante dans l’enceinte est ainsi facilitée et réalisée plus rapidement.
[54] Selon un autre aspect de l’invention, l’enceinte peut comprendre une couche drainante 14 au fond de l’enceinte, située au dessous de la zone inférieure d’accumulation des gaz ; la couche drainante 14 forme une zone d’accumulation de liquides produits par la décomposition du massif de déchets ; elle évite de soutirer en continu le liquide pour l’évacuer de l’enceinte. Dans un exemple, la couche drainante comprend des galets, qui ont l’avantage de ne pas se détériorer au contact prolongé du liquide, tout en présentant une bonne résistance mécanique au tassement.
[55] Atitre d’exemple, dans l’installation de la Fig. 1, sont positionnés dans l’enceinte, dans l’ordre en partant du fond de l’enceinte : une couche drainante 14, une grille 15, une couche structurante 13 et un massif de déchets 16 comprenant deux couches de substrat 16a fermentescible séparées par une couche intermédiaire structurante 16b non fermentescible. La couche intermédiaire structurante 16b améliore la tenue du massif en ce qu’elle limite les effets de tassement au cours de la décomposition du massif ; elle n’est toutefois pas indispensable. La couche drainante est délimitée dans l’exemple de la figure 1 par la grille 15 qui supporte la couche structurante 13 constituée de casiers 13b positionnés côte-à-côte. En variante, la couche drainante peut être par exemple constituée de galets et la couche structurante 13 peut être déposée directement sur les galets, la grille 15 n’étant pas nécessaire dans ce cas. Le premier moyen de captage est constitué de l’ouverture d’évacuation haute 22 localisée dans la paroi supérieure de l’enceinte. Le deuxième moyen de captage est constitué de l’ouverture d’évacuation basse 26 localisée dans la paroi de l’enceinte, à la limite entre la couche drainante et la couche structurante. La taille réduite de l’enceinte de l’installation selon la figure 1 rend inutile l’utilisation de réseaux de de tubes pour le captage des gaz.
[56] L’expérience montre que, si la phase méthanogène du traitement anaérobie des déchets se prolonge sur une durée minimum de 1 à 3 jours, alors il est possible de capter avec le premier moyen de captage un gaz léger comprenant au moins 80 à 97 % de CH4, le reste étant, pour l’essentiel, du dihydrogène H2 et dans une moindre mesure du CO2. De manière similaire, avec le deuxième moyen de captage un gaz lourd comprenant au moins 80 à 97 % de CO2, le reste étant, pour l’essentiel du CH4 et des gaz à l’état de trace, cités dans le tableau de la figure 2.
[57] Selon un autre aspect de l’invention, une hauteur S du massif de déchets dans l’enceinte est limitée de sorte que un ratio (C/S) entre une hauteur d’un ciel de l’enceinte (C) et une hauteur du massif de déchets (S) est compris entre 0,08 < C/S < 0,4, est compris préférablement entre 0,12 < C/S < 0,25 et idéalement est choisi égal à C/S = 0,18 pour une enceinte de forme cylindrique ou parallélépipédique. Pour une enceinte de section prédéfinie, la hauteur S du massif de déchets permet d’estimer la quantité de déchets et, en fonction du pouvoir méthanogène, d’estimer la quantité de gaz par unité de temps susceptible d’être produite pendant la phase méthanogène. La hauteur du ciel permet d’estimer le volume de la zone supérieure d’accumulation des gaz légers, CH4, H2. Le ratio C/S permet d’optimiser les dimensions de l’installation et son fonctionnement. Augmenter la hauteur du ciel permet d’augmenter le volume de stockage du gaz produit, et donc de limiter les risques d’une éventuelle surpression dans l’enceinte si la réaction de décomposition accélère. Augmenter la hauteur du ciel par contre réduit la quantité de déchets qui peut être traitée simultanément. Un ratio C/S = 0,4 marque ainsi une limite d’intérêt de l’installation. Le choix d’un ratio C/S est ainsi un compromis entre un chargement maximum de l’enceinte pour une production maximale de gaz légers, et une zone tampon de stockage des gaz légers limitant les risques de surpression, optimisant la séparation naturelle des gaz légers et des gaz lourds, et optimisant l’extraction des gaz légers.
[58] Le niveau le plus haut où peuvent être générés des gaz ou composés nocifs composant le gaz lourd BP est la surface supérieure du massif de déchets. Une fois générés les composants du gaz lourd BP ne peuvent pas, en conditions normales, monter vers la zone de captage du gaz léger HR car ils sont nettement plus lourds que les gaz occupant le Ciel du méthaniseur.
[59] Toutefois, si la zone de captage du gaz léger est situé trop près de la surface supérieure du massif de déchets, la dépression d’aspiration du flux de gaz léger HR peut entraîner l’aspiration fortuite d’éléments du gaz lourd BP. La hauteur C du Ciel doit donc être suffisante pour empêcher cet effet indésirable. Du fait que le volume de gaz léger aspiré correspond au volume de gaz léger HR produit, que le volume de gaz léger HR dépend du volume du massif traité et que le volume du massif est fonction de sa hauteur S, limiter la hauteur S du massif de sorte que le ratio C/S soit supérieur à 0,08 et de préférence supérieur à 0,12 permet de limiter fortement l’aspiration fortuite de gaz lourd. Dans le cas d’une enceinte cylindre ou parallélépipédique, des essais ont montré qu’un ratio C/S égal à 0,18 permet d’éliminer le risque d’aspiration fortuite.
[60] Selon un autre aspect encore, la hauteur C du ciel est choisie de sorte que le ciel a une capacité de stockage de gaz comprise entre 2 et 12 heures de production de gaz léger, et préférentiellement comprise entre 4 et 5 heures de production de gaz léger pour une enceinte de forme cylindrique ou parallélépipédique. La capacité de stockage du ciel de l’enceinte permet de capter le gaz léger non pas en continu mais par intermittence, si cela s’avère nécessaire.
[61] Enfin, l’installation peut comprendre également un moyen d’analyse d’une composition du gaz au voisinage du premier moyen de captage et un moyen pour déactiver le premier moyen de captage lorsque le gaz au voisinage du premier moyen de captage comprend un taux de méthane inférieure à un taux minimal prédéfini. Ainsi, lorsque le taux de méthane dans le gaz léger présent dans le ciel n’est pas suffisante, le captage du gaz peut être temporairement interrompu, en attendant que le taux de méthane augmente. Le taux de méthane est par exemple une proportion de méthane dans le gaz léger.
[62] Un procédé de mise en œuvre d’une installation telle que décrite ci-dessus comprend notamment une étape de digestion bactérienne anaérobie au cours de laquelle un volume de gaz léger attendu et un volume de gaz lourd attendu sont captés par l’intermédiaire du premier moyen de captage et du deuxième moyen de captage respectivement. [63] Le procédé selon l’invention peut être optimisé par un pilotage via des outils de contrôle/commande numériques, permettant d’éviter les principales situations présentant des risques de perturbation de la séparation gravitaire des gaz et/ou des risques de dysfonctionnement respectif des moyens de captage des gaz lourds et des gaz légers.
[64] Ainsi, de préférence, dans le contexte d’une étape de digestion bactérienne anaérobie comprenant une phase d'hydrolyse, une phase d'acidogenèse, une phase d'acétogenèse et une phase de méthanogenèse, le volume de gaz léger attendu et le volume de gaz lourd attendu sont captés pendant la phase de méthanogénèse, chacun par leur moyen de captage respectif, car les gaz générés pendant les phases préalables à la phase de méthanogénèse contiennent encore peu de gaz valorisables (CH4 et H2) et présentent en pratique une forte proportion d’éléments volatiles nocifs qui auront presque totalement disparu lorsque la phase méthanogène commencera.
[65] De préférence encore, - au cours de l’étape de digestion bactérienne, au moins une étape d’injection de liquide dans le massif de déchets est réalisée et - le captage de gaz léger est interrompu pendant l’étape d’injection de liquide. Injecter du liquide dans le massif de déchets améliore la décomposition du massif. La percolation d’une masse importante de liquides à travers le massif de déchets crée des remous aérologiques importants, de nature à perturber fortement la séparation naturelle des gaz produits, pendant toute la durée de cette percolation. Interrompre le captage du gaz léger pendant les étapes d’injection de liquides évite de capter un gaz insuffisamment riche en CH4.
[66] De préférence encore, - au cours de l’étape de digestion bactérienne, un taux de méthane dans le gaz léger est déterminée au voisinage du premier moyen de captage et,
- si le taux de méthane est inférieur à un taux minimal, le captage de gaz léger est interrompu.
[67] Le taux de méthane dans le gaz léger est par exemple déterminer par le moyen d’analyse de la composition du gaz léger décrit ci-dessus. Le taux minimal peut être fixé en fonction de la valorisation envisagée pour le gaz léger capté, par exemple 80 % pour une valorisation sous forme de bioGNV, ou 97 % pour une valorisation sous forme de combustible injecté dans un réseau de distribution de combustible.
[68] Enfin, le procédé selon l’invention peut comprendre également une étape d’initialisation consistant à
- déterminer des paramètres du massif de déchets et
- déterminer, à partir des paramètres du massif et d’un modèle prédictif de fermentation anaérobie, un volume de gaz léger attendu et un volume de gaz lourd attendu au fur et à mesure de l’avancement de l’étape de digestion bactérienne. [69] L’utilisation d’un modèle prédictif de fermentation permet d’optimiser encore l’étape de digestion anaérobie afin d’extraire du massif de déchets la plus grande quantité possible de gaz énergétique en un temps le plus court possible.
[70] Liste des signes de référence
[71] 10 : enceinte
11 : ciel
12 : fond
12a : ouverture d’évacuation de liquide
13 : couche structurante
13a : matières non fermentescibles
13b : casiers
14 : couche drainante
15 : grille
16 : massif de déchets
16a : couches de substrat
16b : couche intermédiaire structurante
22 : ouverture d’évacuation haute
26 : ouverture d’évacuation basse

Claims

Revendications
[Revendication 1] Installation de production de biométhane à partir de déchets solides contenant des matières organiques fermentescibles, installation comprenant :
- au moins une enceinte (10) agencée pour être ouverte pour recevoir un massif de déchets (16) à traiter, ou fermée de manière étanche aux gaz et aux liquides, et
- un premier moyen de captage positionné à l’intérieur de l’enceinte dans une zone supérieure d’accumulation de gaz légers située au dessus du massif de déchets et communément appelée ciel de l’enceinte, le premier moyen de captage étant configuré pour capter des gaz légers provenant d’une digestion bactérienne du massif de déchets à l’intérieur de l’enceinte l’installation étant caractérisée en ce qu’elle comprend également une zone inférieure d’accumulation de gaz lourds située sous le massif de déchets.
[Revendication 2] Installation selon la revendication 1 comprenant également un deuxième moyen de captage positionné dans la zone inférieure d’accumulation de gaz et configuré pour capter les gaz lourds.
[Revendication 3] Installation selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle le premier moyen de captage est positionné dans une paroi de dessus de l’enceinte et / ou le deuxième moyen de captage est positionné au fond de l’enceinte.
[Revendication 4] Installation selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la zone inférieure d’accumulation est délimitée dans l’enceinte par une paroi perforée positionnée à une hauteur prédéfinie au dessus du fond de l’enceinte, le massif de déchets reposant sur la paroi perforée.
[Revendication 5] Installation selon l’une de revendications 1 à 3 dans laquelle la zone inférieure d’accumulation est constituée par une couche structurante (13) comprenant des éléments structurants non fermentescibles (13a), les interstices entres les éléments structurants non fermentescibles (13a) constituant des poches d’accumulation des gaz lourds, le massif de déchets reposant sur la couche structurante.
[Revendication 6] Installation selon la revendication 5 dans laquelle la couche structurante (13) comprend une pluralité de casiers (13b) contenant les éléments non fermentescibles (13a), les casiers étant juxtaposés pour former une couche structurante continue au fond de l’enceinte.
[Revendication 7] Installation selon l’une des revendications précédentes dans laquelle l’enceinte comprend une couche drainante (14) située au dessous de la zone inférieure d’accumulation des gaz, la couche drainante formant une zone d’accumulation de liquides produits par la décomposition du massif de déchets.
[Revendication 8] Installation selon l’une des revendications précédentes dans laquelle un ratio (C/S) entre une hauteur du ciel de l’enceinte (C) et une hauteur du massif de déchets (S) est compris entre 0,08 < C/S < 0,4, est compris préférablement entre 0,12 < C/S < 0,25 et est choisi idéalement égal à C/S = 0,18.
[Revendication 9] Installation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle une hauteur du ciel est choisie de sorte que le ciel ait une capacité de stockage de gaz comprise entre 2 et 12 heures de production des gaz légers, et préférentiellement comprise entre 4 et 5 heures de production des gaz légers pour une enceinte de forme cylindrique ou parallélépipédique.
[Revendication 10] Installation selon l’une des revendications précédentes, comprenant également un moyen d’analyse d’une composition du gaz au voisinage du premier moyen de captage et un moyen pour déactiver le premier moyen de captage lorsque le gaz au voisinage du premier moyen de captage comprend une proportion en volume de méthane inférieure à une valeur minimale prédéfinie.
[Revendication 11] Procédé de mise en œuvre d’une installation selon l’une des revendications précédentes comprenant une enceinte fermée comprenant un massif de déchets à traiter et des moyens de captage de gaz provenant au moins en partie de la décomposition du massif de déchets à l’intérieur de l’enceinte, les moyens de captage comprenant, à l’intérieur de l’enceinte, au moins deux moyens de captage de gaz distincts, un premier moyen de captage étant positionné dans une zone supérieure d’accumulation de gaz pour capter un gaz léger et un deuxième moyen de captage étant positionné dans une zone inférieure d’accumulation de gaz située sous le massif de déchets pour capter un gaz lourd, procédé comprenant une étape de digestion bactérienne anaérobie au cours de laquelle un volume de gaz léger attendu et un volume de gaz lourd attendu sont captés par l’intermédiaire du premier moyen de captage et du deuxième moyen de captage respectivement.
[Revendication 12] Procédé selon la revendication 11 dans lequel, au cours de l’étape de digestion bactérienne anaérobie comprenant une phase d'hydrolyse, une phase d'acidogenèse, une phase d'acétogenèse et une phase de méthanogenèse, le volume de gaz léger attendu et le volume de gaz lourd attendu sont captés pendant la phase de méthanogénèse.
[Revendication 13] Procédé selon l’une des revendications 11 à 12, dans lequel :
- au cours de l’étape de digestion bactérienne, au moins une étape d’injection de liquide dans le massif de déchets est réalisée et
- le captage de gaz léger est interrompu pendant l’étape d’injection de liquide.
[Revendication 14] Procédé selon l’une des revendications 11 à 13 dans lequel :
- au cours de l’étape de digestion bactérienne, un taux de méthane dans le gaz léger est déterminée au voisinage du premier moyen de captage et,
- si le taux de méthane est inférieure à un taux minimal, le captage de gaz léger est interrompu.
[Revendication 15] Procédé selon l’une des revendication 11 à 14 comprenant également une étape d’initialisation consistant à
- déterminer des paramètres du massif de déchets et
- déterminer, à partir des paramètres du massif et d’un modèle prédictif de fermentation anaérobie, un volume de gaz léger attendu et un volume de gaz lourd attendu au fur et à mesure de l’avancement de l’étape de digestion bactérienne.
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