FR3133859A1

FR3133859A1 - Dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse

Info

Publication number: FR3133859A1
Application number: FR2202643A
Authority: FR
Inventors: Michel Bonhomme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-29

Abstract

La présente demande concerne un dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte : Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, de préférence de l’ordre de 70°C, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène, Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile, Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles, permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane. Figure : Fig 1

Description

DISPOSITIF DE MICRO-HYDRO-MÉTHANISATION COMPARTIMENTÉ EN VOIE VISQUEUSE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif de Micro-Hydro Méthanisation Compartimenté, en voie Visqueuse, également dénommé « MHMCV », permettant la production de biométhane à partir de déchets organiques.

ETAT DE LA TECHNIQUE

La méthanisation ou fermentation anaérobie des effluents (substrats liquides) et déchets (substrats solides) pour produire de l’énergie sous forme de biogaz concerne de nombreux substrats organiques biodégradables tels que les substrats de ferme, le fumier, les boues de station d’épuration, la partie fermentescible des déchets ménagers et les substrats organiques issus de l’industrie agro-alimentaire.

Les systèmes de fermentation sont des systèmes discontinus ou continus.

Dans les systèmes discontinus, on introduit le substrat dans la cuve de fermentation, celui-ci fermente sur un temps de séjour selon la nature du substrat, 40 jours par exemple. A l’issue de la période on extrait le substrat tout en gardant un pied de cuve pour l’ensemencement bactérien du nouveau substrat chargé. L’hydrolyse du substrat suivi de la méthanisation sont concomitantes.

Les systèmes continus consistent à introduire quotidiennement une quantité de substrat, correspondante au temps de séjour hydraulique, de 20 à 40 jours par exemple. Le fermenteur adapté à ce système peut être subdivisé en cuves de fermentation correspondant à l’hydrolyse, à l’acidogénèse, l’acétogénèse et à plusieurs étapes de la méthanogénèse. Le fermenteur est maintenu en température soit mésophile (de l’ordre de 37 °C), ou thermophile (de l’ordre de 55°C) ou hyperthermophile (de l’ordre de 70°C).

La demande de brevet européen EP3642321 décrit un procédé et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé dit « VHBM » pour Visco-Hydro-Bio-Méthane de production de biométhane en réacteur compartimenté en voie visqueuse.

La complexité des installations d’hydrométhanisation nécessite des installations de tailles importantes pour bénéficier des effets d’échelles et amortir les coûts de construction. Ceci rend ce type de dispositifs décrits dans EP3642321 incompatibles avec de petites installations décentralisées. La collecte des déchets, substrats de ces installations, a généralement lieu loin du site de traitement, ce qui engendre du transport et donc des dépenses d’énergie et émissions de gaz à effet de serre, ce qui doit être évité du point de vue environnemental. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

La présente invention est relative à un dispositif de Micro-Hydro-Méthanisation Compartimenté en voie Visqueuse, également désigné « MHMCV » organisé en petites installations locales. Ce dispositif est constitué de panneaux préfabriqués, intégrant les équipements s’y rattachant, constitutifs des différentes étapes de l’hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse, avec notamment un premier compartiment (1) réservé à l’hydrolyse thermo-enzymatique en température hyperthermophile à 70°C environ et d’au moins deux compartiments de méthanisation (2), de préférence en température thermophile 55°C, suivi d’un compartiment (3) réservé à l’hydro-méthanisation de réduction du CO2 du biogaz par de l’hydrogène endogène produit dans le 1° compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique, complété éventuellement par de l’hydrogène exogène produit sur le site pour produire du biométhane.

Les panneaux intègrent différentes réservation et fixations pour les vannes de transferts du substrat en fermentation d’un compartiment à l’autre, pour les buses d’injection du biogaz comprimé et les plaques de dérivation du biogaz pour le brassage du substrat dans chaque compartiment, pour le système d’ouverture-fermeture du gaz plus ou moins comprimé dans le ciel de gaz du fermenteur et autres équipements d’assemblage, de pilotage et de contrôle.

Ce dispositif permet de mettre en oeuvre le procédé Visco-Hydro-Bio- Métha ou VHBM dans de petites installations d’hydrométhanisation locales et décentralisées.

En particulier, la présente invention concerne un dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte :

Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, de préférence de l’ordre de 70°C, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène,
Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile, de préférence de l’ordre de 55°C,
Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

La maîtrise des étapes du processus d’hydro-méthanisation fait appel à des moyens prenant en considération les interactions entre le pilotage de la biochimie et son interaction avec la mécanique des fluides, notamment la maîtrise de la viscosité des mélanges et l’évitement de la séparation de phases liquide et solide.

Cette complexité rend économiquement la technologie d’hydro-méthanisation incompatible avec de petites installations de méthanisation performantes reposant sur la maîtrise des étapes du processus d’hydro-méthanisation à partir d’un substrat visqueux. Cette complexité induit des volumes de fermentation importants nécessitant le transport des substrats (déchets organiques) plus ou moins éloignés du site de fermentation, des fermenteurs nécessitant une structure complexe pour les ancrer au sol, le transport du digestat comme engrais ou amendement sur un large territoire. Tout ceci s’accompagnant d’une production importante de gaz à effets de serre, notamment lors du transport des substrats vers les usines de méthanisation.

Dans un système de méthanisation selon l’invention, comprenant notamment une étape ou phase réservée à l’hydrolyse et à l’acidogénèse en température de préférence hyperthermophile, de l’ordre de 70°C, et plusieurs étapes réservées à l’acétogénèse et à la méthanogénèse en température notamment thermophile 55°C, la cinétique et le taux de dégradation sont fortement améliorées.

Le procédé VHBM décrit dans la demande de brevet EP3642321 vise à contrôler les différentes étapes du processus. Ce procédé intègre dans un premier compartiment les étapes d’hydrolyse et d’acidogénèse, puis dans un second compartiment l’étape d’acétogénèse, puis dans un ou deux compartiments l’étape de la méthanogénèse, puis dans un dernier compartiment l’étape d’hydrométhanisation consistant à réduire le CO2 du biogaz par l’hydrogène endogène produit dans l’hydrolyse, celui-ci pouvant être complété par de l’hydrogène exogène produit sur le site par électrolyse de l’eau ou vaporeformage.

L’hydrolyse engendre un processus de décomposition de la matière organique complexe en composés simples, solubles par plusieurs groupes de bactéries hydrolytique et produit un gaz essentiellement composé de CO2 et d’hydrogène qui sera avantageusement utilisé dans le processus d’hydrométhanisation. Elle favorise l’activité enzymatique et la solubilité du substrat.

L’acidogénèse se déroule dans le même compartiment que l’hydrolyse. Les substrats sont des déchets organiques qui sont métabolisés en des produits de fermentation, alcools, acides organiques, CO2 et hydrogène.

L’acétogénèse transforme les produits issus de la phase acidogène par les bactéries acétogènes. Le métabolisme de ces bactéries est majoritairement orienté vers la production d’acétate.

La méthanogénèse transforme l’acétate, l’hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane selon deux voies :

La méthanogénèse acétoclaste : acétate + H2 → CO2 + CH4
La méthanogénèse hydrogénophile : CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H20

Le 1° compartiment (1) d’hydrolyse thermo-enzymatique maintenu à une température hyperthermophile, de l’ordre de 70°C environ, est dimensionné pour un temps de séjour hydraulique moyen de 2 à 3 jours, afin d’hydrolyser la matière organique et de produire des acides gras volatils et de favoriser ainsi un pH de l’ordre de 5,5. Ce qui permet d’avoir un pH de l’ordre de 7 à 7,5 dans les étapes suivantes de la méthanisation et de maintenir au bout du processus un substrat avec un pH inférieur à 8 afin d’éviter la production de gaz inhibiteurs de la méthanogénèse, tels que l’H2S.

Les 2° et 3° compartiment de la méthanogénèse (2) sont dimensionnés pour un temps de séjours hydraulique entre 9 et 12 jours, ledit temps de séjour pouvant être adapté par le niveau de remplissage des cuves.

Un dernier compartiment d’hydrométhanisation (3) contient un support bactérien. Dans ce compartiment, on recycle le biogaz contenant de l’hydrogène qui a été produit dans le compartiment d’hydrolyse (1). Le biogaz est introduit par des rampes microporeuses situées sur le plancher du compartiment. Le volume du compartiment est dimensionné pour que le temps de séjour hydraulique soit de l’ordre de 24 heures.

La compartimentation du fermenteur est essentielle pour respecter les étapes du processus d’hydro-méthanisation. Elle permet, notamment, de piloter l’évolution du pH au cours du processus. Le pH doit être régulé selon l’étape de fermentation, notamment par la régulation de la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz du dernier compartiment d’hydrométhanisation (3).

Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif selon l’invention est constitué de panneaux préfabriqués, qui sont montés sur le site d’installation du dispositif, lesdits panneaux préfabriqués incluant des réservations pour recevoir et fixer les équipements, notamment les appareils de mesure et de contrôle, et étant dotés d’un système d’emboitement (constitué d’un bord mâle et d’un bord femelle), ceci permettant de supprimer les ponts thermiques.

Au sens de l’invention, on entend par « réservations », des éléments intégrés aux panneaux permettant de les relier entre eux et de fixer les équipements sur ces panneaux, notamment les équipements permettant de mesurer les pressions, les débits notamment de gaz, ou de contrôler les injecteurs de gaz sous pressions sur les panneaux constitutifs des planchers.

Avantageusement, ces panneaux préfabriqués sont des panneaux isolants.

Ces panneaux sont fabriqués en usine puis transportés sur le lieu de montage.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif est constitué de panneaux préfabriqués présentant des dimensions permettant leur transport par camion ou en train, c’est-à-dire répondant aux normes et aux gabarits établis par les règlementations routières et ferroviaires.

De préférence, ces dimensions sont de l’ordre de :

- largeur : entre 1,60 m et 2,10 m ;

- hauteur utile : entre 1,90 m et 3 m ;

- longueur : inférieure à 16 mètres.

L’emboitement de ces panneaux permet de répondre aux dimensions du fermenteur, aussi bien dans le sens de la largeur que de la longueur.

Selon une mise en œuvre particulière, dans le premier compartiment d’hydrolyse (1) du dispositif, le pH est régulé à 5,5 environ, grâce à la température hyperthermophile.

La maîtrise du pH évite la production de gaz inhibiteurs dans la méthanogénèse. Il faut souligner l’importance de la compartimentation des fermenteurs permettant de fonctionner à des températures différentes et de conserver la flore bactérienne adaptée au compartiment.

Le pilotage du système prend en compte le différentiel de solubilité entre le dioxyde de carbone et le dihydrogène. La solubilité du dioxyde de carbone dépend de sa sous-saturation dans le substrat support de la fermentation et de la régulation de la pression partielle dans le ciel de gaz pour maintenir l’équilibre au fur et à mesure que le dioxyde de carbone solubilisé est réduit par l’hydrogène pour produire du méthane.

Les technologies de production de biogaz reposent le plus souvent sur des installations qui nécessitent économiquement des quantités importantes de substrat devant être acheminées sur le site de méthanisation, ce qui engendre des volumes de fermentation importants et la collecte de substrats venant de nombreux sites de production.

De petites installation de méthanisation reposant sur des substrats fermentescibles de proximités existent sur un mode extensif, avec une technologie basique de méthanisation dans une cuve isolée où l’on introduit du substrat nouveau chaque jour, tout en gardant un pied de cuve pour conserver les bactéries méthanogènes. Les volumes de fermentation sont importants, mais le taux de dégradation de la matière organique est limité.

La production de biométhane avec un taux de méthane élevé de plus de 90% nécessite une épuration du CO2 du biogaz produit contenant de l’ordre de 50% à 60% de méthane.

La technologie VHBM, Visco-Hydro-Bio-Métha, permet le cheminement de la matière épaisse en fermentation jusqu’à son extraction du fermenteur, en mode piston ou semi-piston, tout en conservant la flore bactérienne appropriée à chacune des étapes. Ceci implique la maîtrise des transferts du substrat en fermentation d’un compartiment à l’autre.

Le substrat est introduit à un taux de matière sèche suffisant, (15% de matière sèche par exemple), afin d’éviter une séparation de phase liquide, solide trop rapide, ce qui nécessiterait des agitations trop fréquentes et la déstabilisation de la flore bactérienne. Un taux de concentration de la matière organique plus élevé permet de produire plus de biogaz par volume de fermenteur.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif comporte des moyens permettant de renouveler chaque jour environ un tiers du support bactérien présent dans le compartiment d’hydrométhanisation (3), fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable.

Lesdits moyens sont notamment des moyens permettant d’extraire chaque jour un tiers du volume utile du dernier compartiment de méthanisation pour l’introduire dans une cuve de fermentation annexe, ceci permettant d’appauvrir le digestat en matière organique biodégradable, et des moyens pour réintroduire l’équivalent d’une matière organique très appauvrie en matière organique biodégradable.

Le renouvellement du substrat support de l’hydrométhanisatio dans le compartiment d’hydrométhanisation (3) pour 1/3 par jour environ permet apporter l’azote et les oligo-éléments nécessaires au développement et au renouvellement des bactéries notamment hydrogénophile.

En synthèse l’hydrométhanisation nécessite :

D’avoir un support bactérien fait de digestat pauvre en matière organique biodégradable
De renouveler ce support d’un tiers par jour environ pour apporter l’azote nécessaire au renouvellement des bactéries hydrogénophile pour réduire le CO2 par l’H2 pour produire du méthane.
Que le système soit en voie épaisse pour éviter la séparation de phases liquide, solide. Le système de brassage proposé est adapté à un substrat épais, dit visqueux, état intermédiaire entre la voie sèche et la voie liquide.
Un système d’agitation d’une matière épaisse adapté à la particularité d’un flux gazeux qui s’élargit dans son ascension et laisse la partie basse du substrat à brasser en dehors du mouvement d’agitation.
La régulation du pH par la gestion de la pression partielle.

Nous savons que la viscosité d’un substrat diminue avec l’augmentation de la température et la diminution du pH, notamment grâce à l’influence de l’hydrolyse thermo-enzymatique à 70°C environ. Nous savons qu’un pH acide autour de 5,5 en fermentation hyperthermophile favorise la production d’hydrogène nécessaire à la méthanisation hydrogénotrophe. Nous savons que le pH du milieu diminue par l’augmentation du dioxyde de carbone soluble. Le calcul et le pilotage de la pression partielle du CO2 participe au bon fonctionnement du système. La régulation du pH permet le maintien du système dans une plage de pH favorable à l’activité bactérienne et l’évitement de la forme carbonate qui précipite.

Cette régulation est rendue possible par la compartimentation du fermenteur, la maîtrise des transferts d’un compartiment à l’autre, les échanges biochimiques entre les phases aqueuse et soluble des métabolites introduits et produits, la dissolution et la solubilisation des éléments dans l’eau libre.

L’efficacité du système dépend de la convergence entre le contrôle de la viscosité, la maîtrise des températures, du pH et de la pression partielle du dioxyde de carbone.

L’équilibre du système de fermentation dépend notamment :

Du pilotage du transfert d’un compartiment à l’autre compatible avec le maintien des équilibres biochimique des étapes de la méthanisation et de l’hydrométhanisation.
De la subdivision du fermenteur en secteurs d’agitation nécessaire pour le brassage d’un substrat épais dans des volumes de fermentation importants. La perte de charge due au frottement sur les parois favorise la décantation des éléments à plus forte densité. Ce qui diminue progressivement le volume utile de fermentation.

- De la régulation du pH dans une plage favorable à l’activité méthanogène entre 6,8 et 7,3 par exemple, grâce notamment à la dissolution du dioxyde de carbone dans le substrat de fermentation. Quand on double la pression partielle du CO2 on constate une diminution du pH de l’ordre de 0,3 unités. La maîtrise du pH permet, notamment, d’éviter la forme carbonate qui précipite.

- De l’évacuation de l’azote minéralisé et des sels produits. Leur concentration progressive s’accompagne d’une augmentation du pH avec, notamment, la formation d’ammoniac, élément pouvant être toxique de la méthanogénèse.

En augmentant la pression totale et la pression partielle de chaque composant du gaz dans le ciel de gaz on augmente leur solubilité.

Le pH est partiellement régulé par le pilotage du temps de séjour hydraulique.

Le dihydrogène endogène nécessaire à la réduction du CO2 du biogaz est produit à une température hyperthermophile de l’ordre de 70°C dans le premier compartiment d’hydrolyse et d’acidogénèse. Cette température peu favorable à la méthanogénèse permet l’obtention d’un pH de l’ordre de 5,5. Le différentiel de solubilité entre le CO2 et l’H2 est réduit par le jeu des pressions et grâce à la forme biochimique du dioxyde de carbone dépendant du pH.

Le dihydrogène, gaz le plus léger, pour être solubilisé doit être diffusé par des rampes de diffusion qui empêche sa coalescence et son évacuation dans le ciel de gaz.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif comprend des plaques de dérivation réparties sur l’ensemble des planchers de chaque compartiment, qui permettent l’injection de biogaz comprimé.

Selon une autre mise en œuvre de l’invention, le dispositif comprend des moyens pour réintroduire le biogaz produit dans les compartiments d’hydrolyse (1) et de méthanisation (2) dans le dernier compartiment d’hydrométhanisation (3).

Lesdits moyens sont notamment des rampes de diffusion intégrées au plancher recevant le biogaz recirculé et surpressé et diffusé par une multitude de micro trous.

Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif comprend des moyens pour ajuster la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé du dernier compartiment d’hydrométhanisation (3) recevant le biogaz recirculé, composé notamment de CH4, de CO2 et d’hydrogène, auquel on rajoute éventuellement de l’hydrogène exogène.

Lesdits moyens sont notamment un appareil de mesure de la pression partielle des gaz CH4, CO2 et H2, dans le compartiment d’hydrométhanisation, intégrant la mesure de la composition du gaz, couplé à un calculateur de volume du ciel gazeux permettant d’ajuster le volume d’hydrogène exogène rajouté pour réduire le CO2 du biogaz par l’hydrogène endogène et exogène en méthane selon le rapport C02 + 4 H2 = CH4 + 2 H20.

La réduction du dioxyde de carbone par le dihydrogène ne peut être effective que si le substrat dans lequel les gaz se solubilisent est homogène, donc homogénéisé régulièrement par le brassage par du gaz comprimé ou tout autre moyen adapté.

L’ensemble du processus d’hydrométhanisation est piloté par un système de contrôle-commande qui intègre le suivi du pH, le calcul de la pression partielle du CO2, la pression dans le ciel de gaz nécessaire pour favoriser la solubilisation du CO2 et faciliter notamment sa réduction par l’hydrogène endogène produit dans l’hydrolyse et l’hydrogène exogène pour produire directement du biométhane.

Plus spécifiquement, le dispositif selon l’invention comporte un système de contrôle (commande) qui intègre les données mesurées ou évaluées de production de gaz, d’hydrogène, de CO2, qui régule les pressions dans le ciel de gaz, notamment du dernier compartiment d’hydrométhanisation (3), qui régule les transferts d’un compartiment à l’autre et le taux de renouvellement du digestat support de l’hydrométhanisation, qui calcule et optimise la pression partielle des compartiments par la commande des vannes de régulation sur les sorties de gaz et qui ajuste les débits, la durée et la fréquence d’agitation et d’homogénéisation du substrat dans chaque compartiment.

DESCRIPTION DES FIGURES

Dispositif Micro-Hydro-Métha-Plaques ou MHMP – Représentation d’un module de base

La représente le module de base du dispositif MHMCV qui peut être démultiplié par autant de modules que de substrats disponibles. Il fait apparaître 5 compartiments d’un volume total de 87 m3 et d’un volume utile de l’ordre de 61 m3. Le compartiment (1) est destiné à l’hydrolyse ; les compartiments (2) sont les compartiments de méthanisation ; et le compartiment (3) est destiné à l’hydrométhanisation.

La flèche (a) indique le lieu de l’introduction du substrat ; la flèche (c) indique le sens de passage du substrat d’un compartiment à l’autre ; la flèche (d) le lieu de sortie du substrat. Les ronds dans le compartiment (1) représentent les buses de brassage. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre.

Le montage de l’ensemble est fait à partir de panneaux préfabriqués qui ont été livrés.

Par exemple :

Le module de base présente un volume total de 87 m3, pour un volume utile de 61 m3.

Le taux de remplissage est approximativement de l’ordre de 70% soit : 61 m3

Dimension des panneaux :

Largeur : 1,98, Hauteur : 2,81, Longueur totale : 15,56 m.

Celui-ci est subdivisé est cinq compartiments :

- 1° compartiment d’hydrolyse : Longueur : 2,78 m, hauteur :2,81m, largeur : 1,98 m soit volume total de : 15,4 m3

- 2°, 3°, 4° compartiment méthanisation :

Largeur : 1,98 m, hauteur : 2,81 m Longueur totale : 11,67 m (3 x 3,89 m) soit : 65 m3

5° compartiment d’hydrométhanisation :

Longueur : 1,11 m, Hauteur : 2,81 m, Largeur : 1,98 m Soit : 6,20 m3

Dispositif Micro-Hydro-Métha-Plaques ou MHMP – Représentation de deux modules de bases couplés

Seule la largeur du dispositif est doublée en deux modules de base.

Largeur : 3,96, Hauteur : 2,81 m, Longueur totale : 15,56 m

Volume total : 173 m3. Volume utile : 121 m3.

Le compartiment (1) est destiné à l’hydrolyse ; les compartiments (2) sont les compartiments de méthanisation ; et le compartiment (3) est destiné à l’hydrométhanisation.

La flèche (a) indique le lieu de l’introduction du substrat ; la flèche (c) indique le sens de passage du substrat d’un compartiment à l’autre ; la flèche (d) le lieu de sortie du substrat. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre.

Schéma d'un seul compartiment à partir de plaques préfabriquées en usine et montées sur site.

a. Introduction du substrat. b. Sortie du gaz au-dessus des compartiments.

c. Passage régulé du substrat d'un compartiment à l'autre d. Sortie du substrat.

Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre.

Schémas avec doubles compartiments et le transfert entre ces compartiments.

a. Introduction substrat.

EXEMPLES

Le tableau 1 ci-dessous indique toutes les caractéristiques chiffrées du module de base illustré sur la .

				Mètres	Mètres	Mètres	Volume
		TSH		Longueur	Hauteur	Largeur	Vol. total m³/ Vol utile
Total		14	Jours	15,56	2,81	1,98	87 / 61
Hydrolyse	3	Jours	2,78	2,81	1,98	15 / 11
1°, 2°, 3° compartiment	10	Jours	11,67	2,81	1,98	65 / 45
Hydrométhanisation	1	Jour	1,11	2,81	1,98	6 / 4,3

La représente le doublement de l’installation en juxtaposant 2 modules.

Le tableau 2 ci-dessous indique toutes les caractéristiques chiffrées du module illustré sur la .

				Mètres	Mètres	Mètres	Volume
		TSH		Longueur	Hauteur	Largeur	Vol. total m³/ Vol utile
Total		14	Jours	15,56	2,81	3,96	173 / 121
Hydrolyse	3	Jours	2,78	2,81	3,96	31 / 22
1°, 2°, 3° compartiment	10	Jours	11,67	2,81	3,96	130 / 91
Hydrométhanisation	1	Jour	1,11	2,81	3,96	12 / 8,6

Les figures 3A et 3B représentent :

Les compartiments (1) (2) et (3) et le passage du substrat régulé par des vannes de transfert (carrés traversés par les flèches), qui ne s’ouvrent qu’une fois par jour par exemple lors du chargement par du substrat nouveaux. Ces vannes sont ainsi fermées lors du brassage des compartiments afin d’éviter la non- maîtrise du flux entre les compartiments.
Les sorties de gaz (b) au-dessus des compartiments ( )
Les buses d’arrivée du gaz sous pression sous des plaques de dérivation représentées par des ronds blancs dans le compartiment (1) ( )
Le transfert du substrat d’un compartiment à l’autre selon la irection indiquée par la flèche c. ( et 3B)
Le passage du substrat régulé par des vannes de transfert. (carrés traversés par les flèches). ( et 3B)

Tableau 3. BILAN SUBSTRAT ENERGIE DIMENSIONNEMENT.

Ce bilan indicatif sert de base pour préciser le processus et le volume des micro-fermenteurs installés par assemblage de plaques préfabriquées en usine.

Le tableau 3 ci-dessous présente le bilan en substrat et en énergie consommée, ainsi que la production de biogaz. MO : matière organique ; MS : matière sèche.

Substrat introduit.			Production de biogaz
				Dilution	Taux	MO	M³/t	M³/j	Tx CH4	M³CH4
T. Jour	MS	T. MS	Taux MO	T. MO	16%	Dégrad	Dégradée	Dégrad	Biogaz
2,40	25%	0,60	85%	0,51	3,75	70%	0,36	850	303	50%	152
	CO2	CH4
M3 C02	CH4 net	CO2 net	Besoin H2	M³H2	M³H2	Red. CO2	M³CH4	M³CH4	Taux	CO2	M3 bio-
	- 10%	- 10%	/jour	Endogène	Exogène	Par H2	Supplé.	/JOUR	CH4	Résiduel	Méthane
152	137	137	546	221	325	92%	126	262	96%	11	273

Volume du fermenteur de base estimé à 87 m3, volume utile de 61 m3 utile.

2,4 tonnes de substrat à 25% de MS ramené à 16% de MS en entrée après dilution par du jus issue du digestat et ou avec de l’eau, soit 3,75 tonnes à 16% de MS.

Sur la base d’un taux de matière organique de 85%, d’un taux de réduction de la matière organique de 70% et une production de 850 m3 de biogaz par tonne dégradée, la production de biogaz est de l’ordre de 304 m3/jour (CH4 : 152 m3, CO2 : 152 m3). Avec 10% d’autoconsommation et pertes, on a 274 m3 de biogaz composés de 137 m3 de CH4 et de 137 m3 de CO2 environ. Cette autoconsommation peut paraître faible à priori. Mais elle se rapporte à une production de gaz très supérieure à ce que l’on rencontre habituellement.

Le dernier compartiment d’hydrométhanisation reçoit le biogaz recirculé, composé de CH4, de CO2 et d’H2, produit dans le compartiment d’hydrolyse à 70°C environ, à travers des rampes de diffusion microporeuses installées sur le plancher de ce dernier compartiment.

La production d’hydrogène endogène dans l’hydrolyse à 70°C est de l’ordre de 221 m3. Pour produire du biométhane à 96% de CH4 environ, on a besoin de 546 m3 d’hydrogène.

On produit le complément de l’ordre de 325 m3 sur le site par électrolyse ou par reformage.

Sur la base de 4 m3 d’H2 pour réduire 1 m3 de CO2 et d’un rendement de 92%, on produit 126 m3 de CH4 qui rajouté au 137 m3 de méthane nets du biogaz fait un total de 263 m3 de méthane. Le CO2 résiduel de l’ordre de 11 m3 donne un taux de CH4 sur le biométhane de 96% environ.

Dans ce dernier compartiment, le biogaz ainsi produit contenant du méthane, de l’hydrogène et du CO2 est recirculé à un débit équivalent à un temps de séjour hydraulique de l’ordre de 24 heures. Le dimensionnement de ce dernier compartiment est adapté à cette durée. Ce compartiment doit être refroidi pour fonctionner à 35°C environ. Cette chaleur est avantageusement utilisée dans le préchauffage du compartiment d’hydrolyse.

Dans ce processus le CO2 du biogaz est réduit par l’hydrogène endogène complété éventuellement, par de l’hydrogène exogène, sur un support bactérien fait de digestat pauvre en matière organique biodégradable, suffisamment renouvelé pour apporter l’azote nécessaire au développement des bactéries hydrogénophiles productrice de méthane selon la réaction C02+ 4 H2 = CH4 + 2 H2O.

Le renouvellement du substrat servant de support bactérien est renouvelé pour un tiers par jour. Ce qui permet d’apporter l’azote nécessaire et la conservation des bactéries hydrogénophile dont la vitesse théorique de division est de quelques heures.

La production volumique est de 3,19 m3 de biométhane produite / m3 fermenteur.

Le tableau 4 ci-dessous donne un exemple de fonctionnement d’un dispositif selon l’invention :

VOLUME FERMENTEUR
T. Jour	MS	MO	TSH	Taux MS	Substrat	Vol	Vol
Substrat	25%	85%	Total	Entrant	Entrant	M3 utile	Total
2,40	0,60	0,51	16	16%	3,75	60	86

Les gabarits établis par les règlementations routières et ferroviaires sont les suivants (les dimensions sont en mètre ou mètre cube):

- WAGON SNCF :

Hauteur/Largeur /Longueur /Tare /Volume

2,81 /1,98 /15,55 /18,6 /86,5

- Gabarit routier :

Largeur / Longueur /Train Routier /Hauteur

2,5 / 12 / 18 /4,3

Claims

Dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte :
Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène,

Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile,

Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles, permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits panneaux préfabriqués sont montés sur le site d’installation du dispositif, lesdits panneaux préfabriqués incluant des réservations pour recevoir et fixer les équipements, notamment les appareils de mesure et de contrôle, et étant dotés d’un système d’emboitement.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel dans le premier compartiment d’hydrolyse (1), le pH est régulé à 5,5 environ, grâce à la température hyperthermophile.
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant des moyens pour re-introduire le biogaz produit dans les compartiments d’hydrolyse (1) et de méthanisation (2) dans le dernier compartiment d’hydrométhanisation (3).
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant des moyens pour ajuster la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé du dernier compartiment d’hydrométhanisation (3) recevant le biogaz recirculé, composé notamment de CH4, de CO2 et d’hydrogène, auquel on rajoute éventuellement de l’hydrogène exogène.
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant des moyens pour renouveler chaque jour un tiers du support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique dans le compartiment d’hydrométhanisation (3).
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend des plaques de dérivation réparties sur l’ensemble des planchers de chaque compartiment, permettant l’injection de biogaz comprimé.
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte un système de contrôle qui intègre les données mesurées ou évaluées de production de gaz, d’hydrogène, de CO2, qui régule les pressions dans le ciel de gaz, notamment du dernier compartiment d’hydrométhanisation, qui régule les transferts d’un compartiment à l’autre et le taux de renouvellement du digestat support de l’hydrométhansation, qui calcule et optimise la pression partielle des compartiments par la commande des vannes de régulation sur les sorties de gaz et qui ajuste les débits, la durée et la fréquence d’agitation et d’homogénéisation du substrat dans chaque compartiment.
Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits panneaux préfabriqués présentent des dimensions permettant leur transport par camion ou en train.
Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites dimensions sont de l’ordre de:
- largeur : entre 1,60 m et 2,10 m ;
- hauteur utile : entre 1,90 m et 3 m ;
- longueur inférieure à 16 m.