FR3111910A1 - Digesteur de biomasse comprenant une structure flottante à la surface de la biomasse sous laquelle est attaché un matériau comprenant du carbone - Google Patents

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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 structure flottante 5 à la surface de la biomasse sous laquelle est attaché un matériau M 7,9 conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Digesteur de biomasse comprenant une structure flottante à la surface de la biomasse sous laquelle est attaché un matériau 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 ce que l’enceinte comprend au moins une structure flottante 5 à la surface de la biomasse sous laquelle est attaché un matériau M 7, 9 conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone.
Le matériau M sera ainsi lors du fonctionnement du digesteur et/ou du post-digesteur et/ou de la cuve de stockage totalement immergé et donc au contact de la biomasse.
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 :
  • La structure flottante est réalisée dans un matériau capable de flotter, non sensible à l’environnement de la digestion anaérobie, mais également non toxique pour le procédé de méthanisation. Ainsi cela pourra être par exemple des structures en plastique (creuses ou pleines), en bois (non traité, traité ou réticulé). La forme et le dimensionnement de ces structures leur permettra de pouvoir flotter même quand le matériau M aura été colonisé par les microorganismes.
  • la structure flottante est percée. La structure pourra ainsi laisser le biogaz s’échapper librement à travers elle.
  • le matériau M est lesté.
  • le matériau M est maintenu sous la structure flottante dans un cadre rigide ou un filet attaché à la structure flottante. Cela permettra aux structures de rester droite et éventuellement éviter que le matériau M flotte à la surface. Le cadre rigide sera plus adapté au cas où le matériau M est du feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone. Le filet sera plus adapté au cas où le matériau M est du biochar. Le filet aura des mailles assez fines pour ne pas laisser tomber le biochar et en même temps le laisser circuler. Le filet pourra être lesté afin que le biochar ne flotte pas.
  • le matériau M est du feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone ou du biochar.
  • le matériau M est du feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone de longueur comprise entre 10 et 300 centimètres.
  • la teneur en matériau M dans l’enceinte est comprise entre 0,1 et 10 g/L de volume utile de l’enceinte. Dans le cas où le matériau M sera du feutre de carbone ou de la fibre de carbone, la teneur en matériau M dans l’enceinte sera de préférence comprise entre 0,4 et 0,6 g/L de volume utile de l’enceinte, idéalement autour de 0,5 g/L. Dans le cas où le matériau M sera du biochar, la teneur en matériau M dans l’enceinte sera de préférence comprise entre 0,5 g/L et 1,5 g/L de volume utile de l’enceinte, idéalement autour de 1 g/L .
  • le matériau M comprend au moins 50% de carbone, de préférence au moins 60% de carbone, encore plus préférentiellement au moins 90% de carbone.
Les structures flottantes pourront être installées lors de la construction du digesteur, du post-digesteur ou de la cuve de stockage ou lors d’une phase de maintenance avec démontage du toit. Elles pourront être relié entre elles, en utilisant par exemples des cordes, afin de les maintenir dans une configuration spatiale donnée.
Les figures 1 à 3 illustrent une installation selon l’invention.
La figure 1 représente un digesteur 1 comprenant une cuve en béton 2. La cuve 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 à la surface de la biomasse les structures flottantes 5. Sous chaque structure flottante est fixé un cadre rigide 6 permettant de maintenir sous la structure flottante des fibres de carbone 7 préparées selon une méthode se rapprochant du macramé.
La figure 2 se différencie de la figure 1 en ce que les fibres de carbone sont tissées ou sous forme de feutre 7 maintenues sous les structures flottantes 5 par l’intermédiaire des cadres rigides 6.
La figure 3 se différencie des figures 1 et 2 en ce que sous chaque structure flottante 5 sont fixés des filets 8 permettant de maintenir sous la structure flottante du biochar non broyé 9.
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 ;
  • L’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur ; et
  • Le brassage de la biomasse dans le digesteur.
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.
Nous donnons ici deux exemples de réalisation. Dans le cas d'un digesteur de 2000 m3 ayant une hauteur en liquide de 8 mètres et un rayon de 8,92 mètres, celui-ci a une surface de digestat de 250 m2.
Exemple 1
Du tissu de fibre de carbone de densité 200 g/m2 est utilisé. Si nous voulons une concentration en feutre de carbone de 0,25g/L utile de réacteur alors nous devons utiliser 500 kilos de tissu de fibres carbone ce qui représente 2500 m2 de tissu de fibre de carbone. Cette quantité de matériau conducteur 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.
Dans le cas où des morceaux de tissu de fibre de carbone de 1 mètre de large par 2 m de long sont utilisés et espacés par 3 cm de distance. À raison de 34 morceaux par cadre, cela nécessiterait environ 37 structures flottantes carrées de dimension 1m/1m. Elle couvrirait 15% de la surface du digestat.
Avec un coût estimé entre 20 et 30 dollars par kilo pour le tissu de fibre de carbone, cette solution coûterait en matière première entre 40k€ et 60k€. Il faudrait également rajouter le coût de construction des structures et leur pose au sein du digesteur environ 500 euros/structures. Ainsi l'installation en termes de CAPEX serait entre 60k€ et 80k€. Si on se base sur la même durée de vie que l'exploitation (20 ans), cela correspond à un CAPEX annualisé entre 3 et 4k€. Sur un méthaniseur de taille normale produisant 160 Nm3/h (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 0,4-0,5% minimum d'augmentation de la production de méthane sont nécessaire pour la rentabiliser).
Exemple 2
Du biochar de densité 500 g/l est utilisé. Si nous voulons une concentration en biochar de 1g/L utile de réacteur alors nous devons utiliser 2 tonnes de biochar ce qui représente 4 m3 de biochar. Cette quantité de matériau conducteur 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.
Dans le cas où des filets de 40L sont utilisés. À raison de 4 filets par structure flottante, cela nécessiterait environ 25 de ces structures.
Avec un coût estimé de 1 dollar par kilo pour le biochar, cette solution coûterait en matière première 2k€. Il faudrait également rajouter le coût de construction des structures et leur pose au sein du digesteur environ 500 euros/structures. Ainsi l'installation en termes de CAPEX serait environ de 15k€. Si on se base sur la même durée de vie que l'exploitation (20 ans), cela correspond à un CAPEX annualisé de 750€. Sur un méthaniseur de taille normale produisant 160 Nm3/h (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 0,1% minimum d'augmentation de la production de méthane sont nécessaire pour la rentabiliser).

Claims (11)

  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 structure flottante (5) à la surface de la biomasse sous laquelle est attaché un matériau M (7) (9) conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure flottante est une structure en bois ou en matière plastique.
  3. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la structure flottante est percée.
  4. Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau M est lesté.
  5. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau M est maintenu sous la structure flottante dans un cadre rigide ou un filet lesté et attaché à la structure flottante.
  6. Installation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau M est du feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone ou du biochar.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le matériau M est du feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone de longueur comprise entre 10 et 300 centimètres.
  8. Installation 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 ;
    • L’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur ; et
    • Le brassage de la biomasse dans le digesteur.
  11. Procédé selon la revendication 10, 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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