FR3114515A1 - Installation de production de biométhane comprenant une structure de stockage inertée de déchets alimentaires ou agricoles - Google Patents

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Abstract

Installation de production de biométhane comprenant : Une structure de stockage de déchets alimentaires ou agricoles, Un digesteur permettant de recevoir les déchets issus de la structure de stockage et de produire un flux de biogaz, Un épurateur permettant de produire du biométhane à partir du flux de biogaz sortant du digesteur, et Un moyen d’inertage de la structure de stockage.

Description

Installation de production de biométhane comprenant une structure de stockage inertée de déchets alimentaires ou agricoles
La présente invention est relative à une installation de production de biométhane comprenant une structure de stockage inertée de déchets alimentaires ou agricoles et un procédé de production de biométhane mettant en œuvre une telle installation.
Le biométhane est issu de la purification du biogaz. Le biométhane complète 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)…
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.
Dans le cas présent, le biogaz sera produit par dégradation de déchets alimentaires ou agricoles.
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.
Dans le cadre de l’invention, on entend par « déchets alimentaires ou agricoles » des déchets de cuisines, de collectivités, de grandes surfaces ou d’industries agroalimentaires mais également des sous-produits agricoles ( par exemple des fruits et légumes invendus). Ces déchets seront également appelés « biodéchets » dans la suite de la description. Ces biodéchets sont stockés entre le moment où ils sont produits et leur livraison sur des sites de méthanisation. Là encore, ils peuvent être stockés dans des cuves tampon, en vrac dans des silos ouverts, ou dans des halls fermés et confinés, de quelques heures à une dizaine de jours, avant d’être introduits dans les méthaniseurs. Comme ce type de déchet est facilement biodégradable, ceci peut poser un problème. En effet, lors de leur stockage en conditions aérobies, la dégradation induite pourra réduire le volume de méthane qui sera produit par la suite pendant la méthanisation par rapport à si le déchet avait été ajouté directement dans le méthaniseur.
Lors de leur réception sur les sites de méthanisation, les biodéchets sont stockés principalement soit en vrac dans des silos ouverts, soit dans des halls fermés et confinés (ayant pour but principal de limiter les odeurs), soit dans des cuves tampon. À l'heure, aucune modalité particulière n’est prise pour réduire la dégradation de la matière sur site. La seule pratique communément admise est de réduire au maximum de la durée pendant laquelle ces déchets sont stockés. Néanmoins, cela n'est pas toujours faisable en fonction de l'approvisionnement en biodéchets et du fonctionnement du méthaniseur. Une autre option consiste à réduire la température de la zone de stockage mais cela implique une consommation énergétique dédiée.
Plusieurs études existent sur l'impact du stockage en conditions aérobies de biodéchets. L'aération forcée (12,5 L d'air/h/kg de biodéchets), pendant 10 jours, réduit la teneur en matière de organique des biodéchets de 23% et le potentiel méthane de 40%. 1 Une autre étude appliquant à des biodéchets des conditions de stockage aérobie montre qu'à température ambiante le potentiel méthane a diminué de 7 % après 4 jours de stockage. 2 Enfin, après deux semaines de stockage aérobie simple des biodéchets, le rendement méthane est réduit entre 20-32% dû à la perte de matière organique par oxydation. 3 Dans cette dernière étude, la durée maximale recommandée de stockage de déchets alimentaires est de 7 jours. Ainsi, au vu de ces différents résultats, il est probable qu'avec les conditions de stockage actuelles des biodéchets, le rendement méthane soit significativement réduit dès 3 ou 4 jours de stockage.
Partant de là un problème qui se pose est de fournir un moyen de stockage amélioré permettant de limiter la réduction du rendement en méthane.
Une solution de la présente invention est une installation de production de biométhane comprenant :
  • Une structure de stockage de déchets alimentaires ou biologiques,
  • Un digesteur permettant de recevoir les déchets issus de la structure de stockage et de produire un flux de biogaz,
  • Un épurateur permettant de produire du biométhane à partir du flux de biogaz sortant du digesteur, et
  • Un moyen d’inertage de la structure de stockage.
Par inertage on entend l’ajout d’un gaz ou d’un mélange de gaz dans la cuve de stockage qui permette l’inhibition des bactéries aérobies comprises dans les déchets alimentaires et biologiques. Ces bactéries pourraient se développer et consommer de la matière organique facilement biodégradable (acides gras volatils, sucres…) par leur respiration, baissant ainsi la quantité de méthane produite par la suite.
Notons que le digesteur pourra éventuellement associé à un post-digesteur.
Ainsi, dans la solution de l’invention il s’agit de coupler un système d’inertage pour le stockage des déchets alimentaires ou biologiques au procédé de méthanisation (digesteur et épurateur). Les déchets alimentaires ou biologiques étant des intrants extrêmement sensibles à l’oxydation, cette stratégie permettra de préserver au maximum leurs rendements méthane et ainsi d’améliorer la performance énergétique du digesteur. Un autre avantage de la solution de l’invention est de limiter les potentielles odeurs de déchets alimentaires ou biologiques.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
  • le moyen d’inertage comprend un moyen d’injection d’un gaz d’inertage ; l’injection pourra se faire en un point unique ou en différents endroits de la structure de stockage,
  • le gaz d’inertage est choisi parmi le dioxyde de carbone, l’azote ou un mélange de ces composés ;
  • Le gaz d’inertage correspond à un gaz d’échappement sortant de l’épurateur;
  • l’épurateur comprend une sortie d’un gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone, de préférence comprenant plus de 95% de dioxyde de carbone, encore plus préférentiellement comprenant plus de 98% de dioxyde de carbone ;
  • l’installation comprend une tuyauterie reliant la structure de stockage et l’épurateur au niveau de la sortie de gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone ; de préférence la tuyauterie est étanche et est accompagnée d’un système de vannes permettant de contrôler l’injection du gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone sortant de l’épurateur dans la zone de stockage ; la tuyauterie sera en matériau compatible avec le biogaz, sans besoin de surpresseur.
  • l’installation comprend une tuyauterie reliant la structure de stockage et une arrivée d’un gaz d’inertage;
  • la structure de stockage est partiellement étanche ou totalement étanche.
  • l’épurateur est une installation de séparation membranaire ;
  • la structure de stockage est à une température ambiante ou de préférence à une température inférieure à 15°C ;
  • la structure de stockage est choisi parmi une cuve, une fosse, un bâtiment fermé, un conteneur, un casier et un sac à gravats,
  • l’installation comprend au moins deux structures de stockage,
  • la taille de la structure de stockage sera adaptée aux déchets alimentaires ou biologiques. Elle sera dimensionnée en se basant sur la réception et la consommation journalière en biodéchets du site. Elle sera comprise entre un et plusieurs centaines de mètres cubes,
  • le moyen d’inertage permet d’obtenir une teneur en oxygène recherchée dans l’atmosphère de la structure de stockage comprise entre 10 et 0%, de préférence entre 2 et 0%,
La présente invention a également pour objet un procédé de production de biométhane mettant en œuvre une installation selon l’invention et comprenant :
  1. Une étape de stockage de déchets alimentaires ou biologiques dans la structure de stockage ;
  2. Une étape d’inertage de la structure de stockage ;
  3. Une étape d’introduction des déchets alimentaires ou biologiques dans le digesteur ;
  4. Une étape de digestion anaérobie dans le digesteur de manière à produire du biogaz ;
  5. Une étape d’épuration du biogaz de manière à produire du biométhane.
Notons que l’étape d) de digestion pourra être accompagnée d’une éventuelle étape de post-digestion.
Selon le cas le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
  • l’étape b) d’inertage est réalisée par injection d’un gaz d’inertage dans la structure de stockage,
  • le gaz d’inertage est choisi parmi le dioxyde de carbone, l’azote ou un mélange de ces composés,
  • Le gaz d’inertage correspond à un gaz d’échappement sortant de l’épurateur;
  • l’étape d’épuration permet de produire un gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone,
  • l’étape b) d’inertage est réalisée par injection du gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone produit lors de l’étape d’épuration,
  • l’étape d’épuration e) est réalisée par séparation membranaire,
  • l’étape d’inertage b) est réalisée ponctuellement ou de manière continue. Lorsque l’étape d’inertage est réalisée ponctuellement, cette étape est réalisée lors du remplissage de la structure de stockage en déchets alimentaires ou biologiques, lors de la fermeture de la structure de stockage ou avant toute conservation de déchets alimentaires ou biologiques dans la structure de stockage. L’étape d’inertage b) pourra également être réalisée à intervalles réguliers.

Claims (15)

  1. Installation de production de biométhane comprenant :
    • Une structure de stockage de déchets alimentaires ou biologiques,
    • Un digesteur permettant de recevoir les déchets issus de la structure de stockage et de produire un flux de biogaz,
    • Un épurateur permettant de produire du biométhane à partir du flux de biogaz sortant du digesteur, et
    • Un moyen d’inertage de la structure de stockage.
  2. Installation de production de biométhane selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d’inertage comprend un moyen d’injection d’un gaz d’inertage.
  3. Installation de production de biométhane selon la revendication 2, caractérisée en ce que le gaz d’inertage est choisi parmi le dioxyde de carbone, l’azote ou un mélange de ces composés.
  4. Installation de production de biométhane selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l’épurateur comprend une sortie d’un gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone.
  5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu’elle comprend une tuyauterie reliant la structure de stockage et l’épurateur au niveau de la sortie de gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone.
  6. Installation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la structure de stockage est partiellement étanche ou totalement étanche.
  7. Installation selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l’épurateur est une installation de séparation membranaire.
  8. Installation selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la structure de stockage est à une température ambiante ou de préférence à une température inférieure à 15°C.
  9. Procédé de production de biométhane mettant en œuvre une installation selon l’une des revendications 1 à 8 et comprenant :
    1. Une étape de stockage de déchets alimentaires ou biologiques dans la structure de stockage ;
    2. Une étape d’inertage de la structure de stockage ;
    3. Une étape d’introduction des déchets alimentaires ou biologiques dans le digesteur ;
    4. Une étage de digestion anaérobie dans le digesteur de manière à produire du biogaz ;
    5. Une étape d’épuration du biogaz de manière à produire du biométhane.
  10. Procédé de production de biométhane selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’étape b) d’inertage est réalisée par injection d’un gaz d’inertage dans la structure de stockage.
  11. Procédé de production de biométhane selon la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz d’inertage est choisi parmi le dioxyde de carbone, l’azote ou un mélange de ces composés.
  12. Procédé de production de biométhane selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l’étape d’épuration permet de produire un gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone.
  13. Procédé de production de biométhane selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’étape b) d’inertage est réalisée par injection du gaz comprenant majoritairement du dioxyde de carbone produit lors de l’étape d’épuration.
  14. Procédé de production de biométhane selon l’une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que l’étape d’épuration e) est réalisée par séparation membranaire.
  15. Procédé de production de biométhane selon l’une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que l’étape d’inertage b) est réalisée ponctuellement ou de manière continue.
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