FR3043689A1 - METHOD AND PLANT FOR GENERATING ELECTRIC ENERGY AND THERMAL ENERGY FROM LIGNOCELLULOSIC BIOMASS - Google Patents

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Abstract

Installation de production d'énergie électrique et d'énergie thermique (2) à partir de biomasse lignocellulosique (1) comprenant au moins : - un méthaniseur (3) permettant la production de biogaz (4), - un système de cogénération (5) du biogaz associé à un alternateur permettant la production d'énergie thermique et d'énergie électrique(2) et le rejet de dioxyde de carbone (10), - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6-7-8) permettant la production de neige carbonique (11) à partir du dioxyde de carbone (10) rejeté par le système de cogénération, - un cryo-broyeur (9) permettant de broyer à l'aide de la neige carbonique (11) issue de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6 - 7 - 8) la biomasse lignocellulosique (1) avant son introduction dans le méthaniseur (3).Installation for producing electrical energy and thermal energy (2) from lignocellulosic biomass (1) comprising at least: - a methanizer (3) for the production of biogas (4), - a cogeneration system (5) biogas associated with an alternator for the production of thermal energy and electrical energy (2) and the release of carbon dioxide (10), - a compressor-condenser-expansion valve assembly (6-7-8) allowing the production of dry ice (11) from the carbon dioxide (10) rejected by the cogeneration system; - a cryo-grinding mill (9) making it possible to grind with the aid of the carbon dioxide snow (11) resulting from the compressor-condenser-expansion valve assembly (6 - 7 - 8) the lignocellulosic biomass (1) before its introduction into the methanizer (3).

Description

La présente invention est relative à une installation et à un procédé de production d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique.The present invention relates to an installation and a method for producing electrical energy and thermal energy from lignocellulosic biomass.

La cogénération consiste à produire en même temps et dans une même installation de l'énergie thermique (chaleur) et de l'énergie mécanique transformée en énergie électrique grâce à un alternateur.Cogeneration consists in producing thermal energy (heat) and mechanical energy converted into electrical energy at the same time using an alternator.

Un combustible utilisé pour la cogénération est le biogaz.A fuel used for cogeneration is biogas.

Le biogaz est un gaz produit par la fermentation naturelle ou artificielle de matières organiques végétales ou animales (la méthanisation). Il contient majoritairement du méthane (CH4) du dioxyde de carbone (C02), mais également - en moindre proportion - de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces. Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de C02, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces. Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité.Biogas is a gas produced by the natural or artificial fermentation of vegetable or animal organic matter (methanisation). It contains mainly methane (CH4) carbon dioxide (CO2), but also - to a lesser extent - water, nitrogen, hydrogen sulphide, oxygen, and other organic compounds , in the form of traces. Depending on the organic matter degraded and the techniques used, the proportions of the components differ, but on average the biogas comprises, on dry gas, 30 to 75% of methane, 15 to 60% of CO2, 0 to 15% of carbon dioxide. nitrogen, 0-5% oxygen and trace compounds. Biogas is valued in different ways. It may, after a light treatment, be upgraded near the production site to provide heat, electricity or a mixture of both (cogeneration); the high content of carbon dioxide reduces its calorific value, increases the compression and transport costs and limits the economic interest of its valuation to this use of proximity.

Comme expliqué ci-dessus le biogaz est produit par méthanisation. Lors de la méthanisation, plus la matière initiale est accessible aux micro-organismes, plus ces derniers les dégradent et plus la production de biogaz augmente. La matière lignocellulosique est le constituant principal de la paroi cellulaire des plantes. Elle est la source de carbone renouvelable la plus abondante de la planète. Elle est constituée de trois éléments majeurs qui sont la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. Or la matière lignocellulosique n'est pas facilement dégradable.As explained above, biogas is produced by anaerobic digestion. During anaerobic digestion, the more the initial material is accessible to the microorganisms, the more the latter degrade them and the more the biogas production increases. Lignocellulosic material is the main constituent of the cell wall of plants. It is the most abundant source of renewable carbon on the planet. It consists of three major elements that are cellulose, hemicellulose and lignin. The lignocellulosic material is not easily degradable.

Lors de la production de biogaz par méthanisation, de la matière végétale ou animale est traitée par fermentation anaérobie : des microorganismes dégradent la matière et produisent un gaz composé de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi que des composés à l'état de trace, ce gaz est nommé biogaz. Plus la matière initiale est accessible aux micro-organismes, plus ceux-ci les dégradent. Ainsi, la matière lignocellulosique ne l'est pas facilement. Des prétraitements existent dans le but de la rendre plus assimilable.During the production of biogas by methanisation, plant or animal material is treated by anaerobic fermentation: microorganisms degrade the material and produce a gas composed of methane and carbon dioxide, as well as trace compounds, this gas is called biogas. The more the initial material is accessible to micro-organisms, the more these degrade them. Thus, the lignocellulosic material is not easily. Pretreatments exist in order to make it more assimilable.

Ce prétraitement peut être réalisé de façon mécanique, grâce à un broyeur. C'est un procédé économiquement intéressant et déjà éprouvé au niveau industriel. Des traitements thermiques peuvent être appliqués à la matière. Bien qu'un peu moins rentable, ils permettent aussi de dégrader les molécules complexes et de les rendre plus accessibles aux micro-organismes de la méthanisation. Le prétraitement biologique consiste à faire dégrader la matière par des microorganismes ou des enzymes particuliers. Sélectionner des souches de bactéries est économiquement intéressant. En revanche, l'intérêt économique de l'utilisation d'enzymes est moins grand, bien qu'existant.This pretreatment can be performed mechanically, thanks to a grinder. It is an economically interesting process and already experienced at the industrial level. Heat treatments can be applied to the material. Although a little less profitable, they also make it possible to degrade complex molecules and make them more accessible to the microorganisms of methanation. Biological pretreatment involves degrading the material with particular microorganisms or enzymes. Selecting strains of bacteria is economically interesting. On the other hand, the economic interest of the use of enzymes is smaller, although existing.

Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une solution améliorée pour la production d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique.From there, a problem is to provide an improved solution for the production of electrical energy and thermal energy from lignocellulosic biomass.

Une solution de la présente invention est une installation de production d'énergie électrique et d'énergie thermique 2 à partir de biomasse lignocellulosique 1 comprenant au moins : - un méthaniseur 3 permettant la production de biogaz 4, - un système de cogénération 5 du biogaz associé à un alternateur permettant la production d'énergie thermique et d'énergie électrique 2 et le rejet de dioxyde de carbone 10, - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente 6-7-8 permettant la production de neige carbonique 11 à partir du dioxyde de carbone 10 rejeté par le système de cogénération, - un cryo-broyeur 9 permettant de broyer à l'aide de la neige carbonique 11 issue de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente 6 - 7 - 8 la biomasse lignocellulosique 1 avant son introduction dans le méthaniseur 3.A solution of the present invention is an installation for producing electrical energy and thermal energy 2 from lignocellulosic biomass 1 comprising at least: a methanizer 3 enabling the production of biogas 4, a biogas cogeneration system 5 associated with an alternator allowing the production of thermal energy and electrical energy 2 and the release of carbon dioxide 10, - a compressor-condenser-expansion valve 6-7-8 for the production of dry ice 11 from carbon dioxide 10 discharged by the cogeneration system, - a cryo-grinder 9 making it possible to grind with the aid of the dry ice 11 resulting from the compressor-condenser-expansion valve assembly 6 - 7 - 8 the lignocellulosic biomass 1 before its introduction in the methanizer 3.

Un cryobroyeur est un broyeur équipé en amont de l'étape de cisaillement de la matière d'une rampe d'injection de gaz (azote liquide ou neige carbonique principalement). L'injection de gaz fragilise et permet un broyage plus efficace. L'utilisation d'un cryo-broyeur et de neige carbonique permet de mieux dégrader la biomasse lignocellulosique et donc d'augmenter la production de biogaz dans le méthaniseur.A cryocounter is a mill equipped upstream of the shearing step of the material of a gas injection manifold (mainly liquid nitrogen or dry ice). The gas injection weakens and allows more efficient grinding. The use of a cryo-grinder and dry ice can better degrade the lignocellulosic biomass and thus increase the production of biogas in the methanizer.

Selon le cas, l'installation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le système de cogénération 5 est choisi entre un moteur à gaz et moteur dual-fuel. - le compresseur 6 est apte à comprimer le dioxyde de carbone 10 à une pression supérieure à 40 bar, soit une température de saturation minimum de 5°C. - le condenseur 7 et la vanne de détente 8 sont tels qu'en sortie de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente le dioxyde de carbone transformée en neige carbonique (11) à une pression atmosphérique est à une température de -78°C.Depending on the case, the installation according to the invention may have one or more of the following characteristics: the cogeneration system 5 is chosen between a gas engine and a dual fuel engine. the compressor 6 is capable of compressing the carbon dioxide at a pressure greater than 40 bar, ie a minimum saturation temperature of 5 ° C. the condenser 7 and the expansion valve 8 are such that, at the outlet of the compressor-condenser-expansion valve assembly, the carbon dioxide converted into dry ice (11) at atmospheric pressure is at a temperature of -78 ° C. vs.

Dans le cadre de l'invention, deux types de moteur de cogénération du biogaz peuvent être utilisés : - le moteur à gaz qui ne fonctionne qu'au biogaz, et - le moteur dual-fuel dans lequel l'injection d'une petite quantité de fioul (10% de l'énergie consommée) est utilisée pour enflammer le mélange air/biogaz. Ce type de moteur est coûteux à l'investissement et engendre des frais d'achat et de stockage de fioul, mais le rendement électrique est meilleur que pour un moteur à gaz surtout pour les petites puissances.In the context of the invention, two types of biogas cogeneration engine can be used: - the gas engine which only works with biogas, and - the dual-fuel engine in which the injection of a small quantity fuel oil (10% of the energy consumed) is used to ignite the air / biogas mixture. This type of engine is expensive to invest and generates costs of buying and storing fuel oil, but the electrical efficiency is better than for a gas engine especially for small powers.

La présente invention a également pour objet un procédé d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en œuvre une installation selon l'invention et comprenant les étapes successives suivantes : a) cryo-broyage 9 de biomasse lignocellulosique 1 au moyen de neige carbonique 11, b) méthanisation 3 de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz 4, c) cogénération 5 du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire de l'énergie thermique et de l'énergie électrique 2 et à rejeter du dioxyde de carbone 10, d) compression 6 du dioxyde de carbone 10 rejeté à l'étape c) à une pression supérieure à 40 bar, e) condensation 7 et détente 8 du dioxyde de carbone comprimé de manière à obtenir la neige carbonique 11 nécessaire à l'étape a).The present invention also relates to a method of electrical energy and thermal energy from lignocellulosic biomass, implementing an installation according to the invention and comprising the following successive steps: a) cryo-grinding 9 of lignocellulosic biomass 1 by means of dry ice 11, b) methanization 3 of the lignocellulosic biomass ground to produce biogas 4, c) cogeneration 5 of the biogas produced in step b) so as to produce thermal energy and the electrical energy 2 and to reject carbon dioxide 10, d) compression 6 of the carbon dioxide 10 released in step c) at a pressure greater than 40 bar, e) condensation 7 and expansion 8 of the compressed carbon dioxide so to obtain the carbonic snow 11 necessary in step a).

Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - à l'étape c) la cogénération du biogaz utilise comme combustible du biogaz ou un mélange biogaz-fioul. - la neige carbonique 11 obtenue à l'étape e) est à une température de -78°C. - à l'étape d) la compression 6 du dioxyde de carbone libère une énergie thermique qui est utilisée pour chauffer le méthaniseur 3 à une température supérieure à 30°C ou pour hygiéniser la biomasse avant sa méthanisation. La température d'un méthaniseur doit être de manière générale maintenue à une température supérieure à 30°C. L'hygiénisation quant à elle consiste à réduire par chauffage les agents pathogènes à des taux acceptables. - la biomasse lignocellulosique 1 est de la paille ou des déchets de récoltes ou des déchets forestier. La paille est la partie de la tige de certaines céréales (dites céréales à paille) coupée lors de la moisson. - l'énergie électrique 2 récupérée à l'étape c) est envoyée dans un réseau électrique. - l'énergie thermique récupérée à l'étape c) est utilisée pour le chauffage ou la production d'eau chaude. L'énergie thermique peut par exemple être utilisée pour chauffer les serres agricoles. Dans le cadre de l'invention, le dioxyde de carbone en sortie d'épuration membranaire est sous forme gazeuse, à pression 40 bar.Depending on the case, the process according to the invention may have one or more of the following characteristics: in step c) the cogeneration of the biogas uses biogas fuel or a biogas-fuel mixture as fuel. the dry ice 11 obtained in step e) is at a temperature of -78 ° C. in step d) the compression 6 of the carbon dioxide releases a thermal energy which is used to heat the methanizer 3 at a temperature above 30 ° C. or to hygienize the biomass before methanation. The temperature of a methanizer must generally be maintained at a temperature above 30 ° C. Hygiene is to reduce the pathogens by heating at acceptable levels. - lignocellulosic biomass 1 is straw or crop waste or forest waste. Straw is the part of the stem of some cereals (called straw cereals) cut during the harvest. - The electrical energy 2 recovered in step c) is sent into an electrical network. the thermal energy recovered in step c) is used for heating or producing hot water. For example, thermal energy can be used to heat agricultural greenhouses. In the context of the invention, the carbon dioxide leaving the membrane purification is in gaseous form, at a pressure of 40 bar.

Il serait comprimé (passage de 1 à 40 bar environ), puis condensé (grâce par exemple à un aéroréfrigérant) et détendu. A la sortie du détendeur, la température serait de - 78 °C.It would be compressed (passing from 1 to 40 bar), then condensed (thanks for example to an air cooler) and relaxed. At the exit of the regulator, the temperature would be - 78 ° C.

La neige carbonique ainsi formée alimenterait un cryo-broyeur. Celui-ci broierait ainsi la paille ou autres déchets végétaux en morceaux de l'ordre du millimètre. La paille ainsi broyée alimenterait le méthaniseur et améliorerait la production d'énergie électrique et d'énergie thermiqueThe dry ice thus formed would feed a cryo-grinder. This one would grind the straw or other vegetable waste in pieces of the order of a millimeter. The straw thus milled would feed the methanizer and improve the production of electrical energy and thermal energy

Dans le cas d'un méthaniseur traitant 25 000 tonnes de biomasse agricole par an dont 6250 tonnes sont de la biomasse lignocellulosique, on obtient la production de 92 kilo de neige carbonique par heure. Ceux-ci permettent de traiter la biomasse lignocellulosique et d'augmenter ainsi la production d'énergie de 9 %.In the case of a methanizer treating 25,000 tonnes of agricultural biomass per year, of which 6250 tonnes are lignocellulosic biomass, 92 kilograms of dry ice are produced per hour. These make it possible to treat the lignocellulosic biomass and thus increase the energy production by 9%.

Claims (11)

Revendicationsclaims 1. Installation de production d'énergie électrique et d'énergie thermique (2) à partir de biomasse lignocellulosique (1) comprenant au moins : - un méthaniseur (3) permettant la production de biogaz (4), - un système de cogénération (5) du biogaz associé à un alternateur permettant la production d'énergie thermique et d'énergie électrique(2) et le rejet de dioxyde de carbone (10), - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6-7-8) permettant la production de neige carbonique (11) à partir du dioxyde de carbone (10) rejeté par le système de cogénération, - un cryo-broyeur (9) permettant de broyer à l'aide de la neige carbonique (11) issue de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6 - 7 - 8) la biomasse lignocellulosique (1) avant son introduction dans le méthaniseur (3).1. Installation for producing electrical energy and thermal energy (2) from lignocellulosic biomass (1) comprising at least: - a methanizer (3) for the production of biogas (4), - a cogeneration system ( 5) biogas associated with an alternator for the production of thermal energy and electrical energy (2) and the release of carbon dioxide (10), - a compressor-condenser-expansion valve assembly (6-7-8 ) allowing the production of dry ice (11) from the carbon dioxide (10) released by the cogeneration system, - a cryo-grinder (9) for grinding with the aid of carbon dioxide snow (11) from the compressor-condenser-expansion valve assembly (6 - 7 - 8) lignocellulosic biomass (1) before its introduction into the methanizer (3). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de cogénération (5) est choisi entre un moteur à gaz et moteur dual-fuel.2. Installation according to claim 1, characterized in that the cogeneration system (5) is chosen between a gas engine and dual-fuel engine. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le compresseur (6) est apte à comprimer le dioxyde de carbone (10) à une pression supérieure à 40 bar.3. Installation according to one of claims 1 or 2, characterized in that the compressor (6) is capable of compressing the carbon dioxide (10) at a pressure greater than 40 bar. 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le condenseur (7) et la vanne de détente (8) sont tels qu'en sortie de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente le dioxyde de carbone transformée en neige carbonique (11) à pression atmosphérique est à une température de -78°C.4. Installation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the condenser (7) and the expansion valve (8) are such that at the outlet of the compressor-condenser-expansion valve assembly the dioxide of Carbon converted to dry ice (11) at atmospheric pressure is at a temperature of -78 ° C. 5. Procédé de production d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en œuvre une installation selon l'une des revendications 1 à 4 et comprenant les étapes successives suivantes : a) cryo-broyage (9) de biomasse lignocellulosique (1) au moyen de neige carbonique (11), b) méthanisation (3) de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz (4), c) cogénération (5) du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire de l'énergie thermique et de l'énergie électrique (2) et à rejeter du dioxyde de carbone (10), d) compression (6) du dioxyde de carbone (10) rejeté à l'étape c) à une pression supérieure à 40 bar, e) condensation (7) et détente (8) du dioxyde de carbone comprimé de manière à obtenir la neige carbonique (11) nécessaire à l'étape a).5. A method for producing electrical energy and thermal energy from lignocellulosic biomass, implementing an installation according to one of claims 1 to 4 and comprising the following successive steps: a) cryo-grinding (9) of lignocellulosic biomass (1) using dry ice (11), b) anaerobic digestion (3) of the lignocellulosic biomass ground to produce biogas (4), c) cogeneration (5) of the biogas produced in step b) to produce thermal energy and electrical energy (2) and to reject carbon dioxide (10), d) compression (6) of the carbon dioxide (10) rejected in step c) to a pressure greater than 40 bar, e) condensation (7) and expansion (8) of the compressed carbon dioxide so as to obtain the dry ice (11) required in step a). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'à l'étape c) la cogénération du biogaz utilise comme combustible du biogaz ou un mélange biogaz - fioul6. Process according to claim 5, characterized in that in step c) the cogeneration of the biogas uses as fuel biogas or a biogas-fuel mixture. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la neige carbonique (11) obtenue à l'étape e) est à une température de - 78°C.7. Method according to one of claims 5 or 6, characterized in that the dry ice (11) obtained in step e) is at a temperature of -78 ° C. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape d) la compression (6) du dioxyde de carbone libère une énergie thermique qui est utilisée pour chauffer le méthaniseur (3) à une température supérieure à 30°C ou pour hygiéniser la biomasse avant sa méthanisation.8. Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that in step d) the compression (6) of the carbon dioxide releases a thermal energy which is used to heat the methanizer (3) to a temperature above 30 ° C or to hygienize the biomass before methanation. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la biomasse lignocellulosique (1) est de la paille ou des déchets de récoltes ou des déchets forestier.9. Method according to one of claims 5 to 8, characterized in that the lignocellulosic biomass (1) is straw or crop waste or forest waste. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'énergie électrique (2) récupérée à l'étape c) est envoyée dans un réseau électrique.10. Method according to one of claims 5 to 9, characterized in that the electrical energy (2) recovered in step c) is sent into an electrical network. 11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que l'énergie thermique récupérée à l'étape c) est utilisée pour le chauffage ou la production d'eau chaude.11. Method according to one of claims 5 to 10, characterized in that the thermal energy recovered in step c) is used for heating or the production of hot water.
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