FR3111909A1 - Digesteur de biomasse comprenant des structures sur lesquelles viennent s’enrouler et/ou s’accrocher et/ou contenir un ou des matériaux conducteurs d’électricité et comprenant du carbone - Google Patents

Digesteur de biomasse comprenant des structures sur lesquelles viennent s’enrouler et/ou s’accrocher et/ou contenir un ou des matériaux conducteurs d’électricité et comprenant du carbone Download PDF

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Abstract

Installation de production de biogaz comprenant un digesteur (1) et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte (2) renfermant la biomasse (4), caractérisée en ce que l’enceinte comprend : au moins une première structure S creuse (5) et présentant une surface ajourée, ladite première structure S étant fixée aux parois verticales et/ou au sol de l’enceinte, et au moins un matériau M (6) conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone enroulé autour de la première structure S et/ou fixé et/ou déposé à l’intérieur de la première structure S.

Description

Digesteur de biomasse comprenant des structures sur lesquelles viennent s’enrouler et/ou s’accrocher et/ou contenir un ou des matériaux conducteurs d’électricité et comprenant du carbone
La présente invention est relative à une installation et un procédé pour la production de biogaz.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l’absence d’oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s’agir d’une dégradation naturelle – on l’observe ainsi dans les marais ou les décharges d’ordures ménagères – mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, et dont les conditions sont contrôlées, appelé méthaniseur ou digesteur, puis dans un post-digesteur, similaire au digesteur et permettant de pousser plus loin la réaction de méthanisation.
On appellera biomasse tout groupement de matières organiques pouvant se transformer en énergie à travers ce processus de méthanisation, par exemple les boues de station d'épuration, fumiers/lisiers, résidus agricoles, déchets alimentaires...
Le digesteur, c’est-à-dire le réacteur dédié à la méthanisation de la biomasse, est une cuve fermée, chauffée ou non (opération à une température fixée, entre la température ambiante et 55°C) et dont le contenu constitué de la biomasse est brassé, en continu ou séquentiel. Les conditions dans le digesteur sont anaérobies et le biogaz généré se retrouve dans l'espace de tête du digesteur (ciel gazeux), où il est prélevé. Les post-digesteurs sont similaires aux digesteurs.
De par ses constituants principaux – méthane et dioxyde de carbone – le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d’énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d’obtention et du substrat mais peut également contenir, en moindres proportions de l’eau, de l’azote, de l’hydrogène sulfuré (H2S), de l’oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l’état de traces, dont le H2S, entre 10 et 50,000 ppmv.
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 CO2, 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.
Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d’obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au cœur des territoires; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d’origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (bioGNL)…
À l'heure actuelle la filière industrielle de la méthanisation est face à un défi: obtenir une meilleure conversion de la biomasse en biogaz lors de la digestion anaérobie. Cela peut notamment être obtenu en ajoutant des additifs dans la biomasse afin de favoriser les activités biologiques et limiter certaines inhibitions.
Une solution couramment envisagée est l'ajout de ces additifs sous forme de granulés ou de poudres directement dans la trémie. Un des inconvénients potentiels de ce type d'ajout est que les additifs traversent trop rapidement les réacteurs et que les communautés microbiennes qui les ont colonisées, potentiellement intéressantes pour accélérer le procédé de digestion anaérobie, soient lixiviées. De plus, il est difficilement envisageable de récupérer sélectivement en sortie de méthanisation ces matériaux afin de les recirculer.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation permettant une meilleure conversion de la biomasse en biogaz et ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus.
Une solution de la présente invention est une installation de production de biogaz comprenant un digesteur 1 et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte 2 renfermant la biomasse 4, caractérisée en c e que l’enceinte comprend :
  • au moins une première structure S creuse 5 et présentant une surface ajourée, ladite première structure S étant fixée aux parois verticales et/ou au sol de l’enceinte, et
  • au moins un matériau M 6 conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone enroulé autour de la première structure S et/ou fixé et/ou déposé à l’intérieur de la première structure S.
Par « surface ajourée » on entend une surface présentant des ouvertures.
L’intérêt des matériaux conducteur d’électricité et comprenant du carbone est d’améliorer la thermodynamique, la cinétique de la digestion anaérobie, mais également la capacité adaptative du procédé à des stress environnementaux (acidose, alcalose, rapide changement de température). Les principaux mécanismes identifiés à l’heure actuelle sont les suivantes : (i) ces matériaux peuvent servir de support physique pour la croissance de communautés microbiennes électroactives qui sont capables d’échanger directement des électrons via ces matériaux. Cela accélère grandement les échanges d’électrons entre les bactéries fermentaires et les méthanogènes permettant une conversion plus rapide des substrats en biogaz ; (ii) ces matériaux peuvent aider à dégrader les polluants organiques ou minéraux, potentiels inhibiteurs de la digestion anaérobie ; (iii) ces matériaux peuvent adsorber les acides gras volatils et l’ammoniac limitant leurs impacts sur les communautés microbiennes (iv) ces matériaux peuvent diminuer le potentiel d’oxydo-réduction du milieu, ce qui a tendance à favoriser les activités microbiennes anaérobies.
Cette solution, en assurant le maintien du matériau de carbone dans l’enceinte, permet de garantir au cours du temps les bénéfices sur la méthanisation cités ci-dessus via notamment la préservation des populations microbiennes colonisatrices. Autrement dit, la solution selon l’invention permet d’améliorer les rendements, d’accélérer la production de biogaz, de rendre plus stable le procédé et ainsi rendre le fonctionnement des méthaniseurs plus rentable.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
  • le digesteur et/ou le post-digesteur et/ou la cuve de stockage comprend au moins une deuxième structure S creuse et présentant une surface ajourée, ladite deuxième structure S étant fixée parallèlement à la première structure S, et un ou des matériaux de carbone enroulés autour de la deuxième structure S et/ou fixés à et/ou déposés à l’intérieur de la deuxième structure S,
  • la ou les structures S sont grillagées,
  • la ou les structures S sont cylindriques,
  • la ou les structures S présentent un diamètre compris entre 5 cm et 100 cm.
  • le digesteur et/ou le post-digesteur et/ou la cuve de stockage comprend au moins deux structures S.
  • la ou les structures S sont immergées dans la biomasse.
  • le matériau de carbone est le feutre de carbone, un tissu à base de fibres de carbone, ou du biochar non broyé.
  • la teneur en matériau M dans l’enceinte est comprise entre 0,1 et 10 g/L de volume utile de l’enceinte.
  • le matériau M comprend au moins 50% de carbone, de préférence au moins 60% de carbone, encore plus préférentiellement au moins 90% de carbone.
La illustre une installation selon l’invention.
La représente un digesteur 1 comprenant une enceinte en béton 2. L’enceinte en béton renferme le ciel gazeux 3 et la biomasse 4. A la fin de la méthanisation la biomasse aura été transformée en biogaz et en digestat. Le biogaz se retrouvera dans le ciel gazeux et le digestat remplacera la biomasse. On voit une structure S creuse 5 fixée au sol de l’enceinte en béton. Un matériau M 6 est fixé à cette structure S. La référence 7 souligne la limite entre la biomasse et le ciel gazeux.
La présente invention a également pour objet un procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’invention, comprenant :
  • L’injection de biomasse dans le digesteur et
  • Le brassage de la biomasse dans le digesteur.
Le procédé selon l’invention pourra comprendre préférentiellement l’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur.
De préférence, le brassage de la biomasse est réalisé de manière à favoriser un transfert du gaz d’oxydation vers la paroi interne de l’enceinte, autrement dit vers le matériau M.
Le gaz d’oxydation sera de préférence de l’oxygène ou de l’air ou de l’air enrichi.
Les avantages de la solution selon l’invention par rapport aux solutions mettant en œuvre uniquement l’introduction d’une poudre de matériau de carbone dans la biomasse sont :
  • Temps de résidence du matériau de carbone dans la cuve supérieur par rapport au temps de résidence de la poudre de carbone, ce qui permet la colonisation des microorganismes sur le long terme,
  • Pas d'ajout régulier de matériau de carbone nécessaire puisque le matériau de carbone est fixé dans la cuve.
La présente invention va maintenant être décrite plus en détail à l’aide de l’exemple ci-dessous se concentrant sur la modification d'un digesteur et l'utilisation d'un mélange de feutre de carbone et de biochar en remplissage de ces structures.
Un méthaniseur se composant d'un digesteur, post-digesteur et d'une cuve de stockage voit son digesteur modifié selon notre invention. Le digesteur a un volume utile de 2000 m3, la concentration en feutre de carbone et biochar souhaitée est de 1 g/L utile de réacteur (ici cela correspond à 2 tonnes). Cette quantité de matériaux conducteurs permet d'envisager une augmentation de l'activité méthanogène au sein du digesteur et une meilleure stabilité du procédé en lien avec les mécanismes décrits auparavant. L'augmentation du rendement méthane du procédé est comprise entre 1 et 30%. L'opérateur peut également accroître jusqu'à 25% la charge organique appliquée préalablement définie comme optimale sans risque majeur d'inhibition de la digestion anaérobie.
Le digesteur a la structure circulaire suivante: une hauteur en liquide de 8 mètres et un rayon de 8,92 mètres. Du feutre de carbone de densité 0,14 g/cm3 et du biochar de 0,5 g/cm3 sont ici utilisés. Seize structures en S de 25 centimètres de diamètre et 8 mètres de haut fixées au sol sont disposés de manière homogène au sein de la cuve afin de maintenir une agitation efficace de la biomasse. Ces structures correspondront ici à 4 tiges en acier disposées en carré autour desquelles vient se placer une structure métallique cylindrique grillagée avec des interstices d'environ 2 centimètres. Le volume de chacune de ces structures est occupé moitié-moitié par du feutre de carbone et du biochar. Des couches successives (feutre de carbone - biochar - feutre de carbone) peuvent par exemple être déposées au sein de la structure.
Avec un coût estimé entre 20 et 30 dollars par kilo pour le feutre de carbone et 1 dollar par kilo pour le biochar, cette solution coûterait en matière première entre 21k€ et 31k€. Il faudrait également rajouter le coût de la création de ces structures lors de la construction ou de la maintenance pour curage de la cuve environ 2000 euros/structures S (main d'oeuvre et taxes comprises). Ainsi l'installation en termes de CAPEX serait entre 53k€ et 63k€. Si on se base sur la même durée de vie que l'exploitation (20 ans), cela correspond à un CAPEX annualisé entre 2,7 et 3,15k€. Sur un méthaniseur de taille moyenne à 160 Nm3/h de biométhane (8200 heures de fonctionnement) et un tarif de rachat pessimiste de 60 euros/MWh, la revente du biométhane permet un revenu approchant 800k€/an. Les augmentations de rendement méthane du procédé grâce à cette installation permettent de rendre cet exemple rentable (environ 0,3-0,4% minimum d'augmentation de la production de méthane sont nécessaire pour la rentabiliser).

Claims (12)

  1. Installation de production de biogaz comprenant un digesteur (1) et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte (2) renfermant la biomasse (4), caractérisée en ce que l’enceinte comprend :
    • au moins une première structure S creuse (5) et présentant une surface ajourée, ladite première structure S étant fixée aux parois verticales et/ou au sol de l’enceinte, et
    • au moins un matériau M (6) conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone enroulé autour de la première structure S et/ou fixé et/ou déposé à l’intérieur de la première structure S.
  2. Installation de production de biogaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le digesteur et/ou le post-digesteur et/ou la cuve de stockage comprend:
    - au moins une deuxième structure S creuse et présentant une surface ajourée, ladite deuxième structure S étant fixée parallèlement à la première structure S, et
    - un ou des matériaux de carbone conducteurs enroulés autour de la deuxième structure S et/ou fixés et/ou déposés à l’intérieur de la deuxième structure S.
  3. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la ou les structures S sont grillagées.
  4. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la ou les structures S sont cylindriques.
  5. Installation de production de biogaz selon la revendication 4, caractérisée en ce que la ou les structures S présentent un diamètre compris entre 5 cm et 100 cm.
  6. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la ou les structures S sont immergées dans la biomasse.
  7. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau de carbone est le feutre de carbone, un tissu à base de fibres de carbone ou du biochar non broyé.
  8. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en matériau M dans l’enceinte est comprise entre 0,1 et 10 g/L de volume utile de l’enceinte.
  9. Installation selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau M comprend au moins 50% de carbone, de préférence au moins 60% de carbone, encore plus préférentiellement au moins 90% de carbone.
  10. Procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant :
    • L’injection de biomasse dans le digesteur et
    • Le brassage de la biomasse dans le digesteur.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comprend l’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz d’oxydation est de l’oxygène ou de l’air ou de l’air enrichi.
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