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Valorisation du biogaz
Pourquoi est-il vert d'éliminer
le CO2 du biogaz ?
Le
biogaz est le résultat de la méthanisation ou
digestion anaérobie de
déchets fermentescibles.
Chaque m3 de biogaz issu de la méthanisation a participé
à éviter le rejet dans l’atmosphère de 2,3 kg de dioxyde
de carbone (CO2) responsable du réchauffement climatique.
Cependant, il faut avoir présent à l’esprit que la
méthanisation produit toujours avec le méthane
entre 20 et 40% de CO2 soit entre 3 kg et 6 kg par
m3 qui sont finalement rejetés à l’atmosphère, soit
lors de la purification en biométhane par les techniques
concurrentes, soit dans l'utilisation du biogaz sans
purification.
Ainsi
une unité de méthanisation de 2 MW électrique, par
le principe de la méthanisation, permet ainsi d’éviter
l’émission d’environ 9 000 t de CO2 dans l’atmosphère.
Mais cette même unité de méthanisation de 2 MW et
qui a consommé environ 4 Mm3 de biogaz a malgré tout
émis entre 800 et 1 600 t de CO2 dans l’atmosphère
selon la nature des substances méthanisées.
Le
chiffre d'affaire de la valorisation énergétique
du biogaz a été de 600 M€ en 2016.
Le marché français du biogaz devrait
atteindre 920 millions d'euros en 2020, contre 390
M€ en 2015, estime une étude réalisée
par Xerfi.
Il
n’existe pas un biogaz mais différents biogaz dont
la composition va dépendre de la matière à partir
de laquelle ils ont été produits et des conditions
de la méthanisation (débit d’alimentation, agitation,
temps de séjour, température,…).
Dans tous les cas, le biogaz est constitué en grande
majorité de deux gaz: le méthane CH4 (gaz très énergétique)
et le dioxyde de carbone CO2 (gaz inerte qui appauvrit
le contenu énergétique du biogaz mais qui n’empêche
pas sa combustion).
Le
potentiel énergétique d’un biogaz ou d'un autre combustible
est donné par son PCI (Pouvoir calorifique inférieur)
qui représente l’énergie que peut fournir une quantité
donnée de combustible.
-
1 000 m3 de méthane = 9 900 kWh = 0,85 Tep (Tonne
équivalent pétrole)
-
1m3
de biogaz ( 60% méthane ) = 6 kWh
-
Pour comparaison : 1 litre de fioul = 10 kWh
Pour
mémoire, le kgW est une unité de puissance
qui désigne la capacité de production électrique.
Le kgWh permet de mesurer une quantité d’énergie.
Afin
d'améliorer le pouvoir calorifique il est nécessaire
d'en éliminer le CO2 dont les taux varient
entre 20 et 40% selon la nature du biogaz.
-
des
moteurs à combustion externe (turbine à vapeur);
-
des
moteurs à combustion interne (turbine à gaz et
moteurs thermiques).
Actuellement,
le choix entre les différents procédés de purification
dépend principalement de la puissance de l’installation.
Une
purification poussée du biogaz est nécessaire
pour les applications à plus forte valeur ajoutée,
comme son utilisation dans les véhicules ou pour
l’injection dans le réseau de distribution .
-
Pureté minimum pour un carburant : 86% de CH4
(conformité à la norme ISO 15 403)
-
Pureté
minimum pour injection : équivalente minimum à
97% de CH4
La
purification d'un biogaz représente une option
plus durable et respectueuse de l'environnement que
la conversion de l'énergie en électricité.
Les pertes d'énergie provenant de la production
d'électricité ainsi que les pertes de
transport de l'électricité sont en général
plus élevées que pour l'utilisation
directe du gaz comme carburant.
La
technologie pour la mise à niveau du biogaz
est relativement nouvelle et des améliorations
constantes sont apportées aux processus de
mise à niveau des biogaz, notamment pour réduire
les pertes de méthane et améliorer l'efficacité
énergétique.
Comment éliminer le CO2 du biogaz
?
Le
biogaz doit donc être amélioré
pour la qualité du gaz naturel pour l'utilisation
comme gaz naturel renouvelable, mais dans le cadre
du processus de mise à niveau, il faudra éliminer
le dioxyde de carbone (CO2) du biogaz.
Ce gaz amélioré peut également
être utilisé pour le chauffage résidentiel
et comme carburant pour le véhicule, de sorte
qu'il existe de nombreuses bonnes raisons pour éliminer
le CO2.
Le
CO2 se trouvera toujours dans le biogaz du fait que
pendant la
digestion anaérobie (c'est-à-dire
la dégradation en l'absence d'oxygéne),
la matiére organique est décomposée
par des bactéries formant un mélange
de CO2 et de CH4 avec des traces de H2S et de la vapeur
d'eau à la pression de saturation.
Quel
que soit le procédé, chaque traitement comprend au
moins les trois étapes suivantes :
-
La déshydratation, qui enlève l’eau.
-
La
désulfuration, qui enlève le H2S,
-
La
décarbonatation qui enlève le CO2.
Les
méthodes communes utilisées pour éliminer
le CO2 des biogaz sont:
-
Perméation
par séparation membranaire
La séparation du CO2 du biogaz est due à la différence
de perméabilité des membranes vis-à-vis des composés
du biogaz : le dioxyde de carbone traverse plus
vite la membrane que le méthane, ce qui permet de
concentrer le méthane d’un côté du module.
-
-
Le Pressure Swing Adsorption ou PSA (adsorption
par variation de pression)
PSA permet d’épurer le biogaz en fixant les
molécules qui le composent sur des supports
(l’adsorbant étant des filtres moléculaires
ou zéolithes).
Selon la pression de traitement (variant généralement
entre 4 et 7 bar), différents composés sont
séparés du gaz (le CO2, l’eau, l’H2S et l’oxygène)
-
Le
Temperature Swing Adsorption ou TSA (adsorption
par variation de température)
VeloxoTherm comporte
une architecture brevetée de sorbant structuré
et de conception pour capturer économiquement
le CO2 des flux de gaz de fumée industriels
ou d'autres sources.
-
Adsorption
physique (lavage à l’eau sous pression)
L’épuration
est assurée dans ce cas par le contact à contre
courant du biogaz avec l'eau qui absorbe le CO2
et les autres gaz solubles.
-
Absorption
physico-chimique (lavage aux solvants, aux amines…)
Selon la nature du solvant utilisé, le CO2 sera
séquestré
Ces
systémes réduisent également
généralement le contenu H2S et H2O.
Les systémes de traitement du biogaz doivent
également inclure la compression du biogaz
brut non pressurisé.
Procédé
GASWASH et Biogaz / Biométhane
Le
procédé GASWASH participe à la lutte contre les émissions
de CO2.
Le
Procédé GASWASH, une toute nouvelle
technologie issue de PTC
System, est actuellement en développement
pour la purification des biogaz.
Ce
procédé repose sur le lavage physico-chimique
du biogaz avec une solution aqueuse d'une molécule
organique qui
agit sur le polluant en le transformant en composé
organique bio-disponible
-
Les
polluants sont des Composés Inorganiques Volatils
(CIV)
-
Les polluants sont des Composés Organiques Volatils
fonctionnels (COV)
Dont
les effluents liquides sont par la suite digérés par le
processus de bio-épuration aérobie en station d'épuration.
Cette
toute nouvelle technique
est très prometteuse pour la simplification du processus
de purification des biogaz qui s'effectue dès lors
en une seule opération. Dans sa conception, elle
répond pleinement au concept d'une économie
circulaire.
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Le
cycle d'élimination durable des polluants
La
boucle P.T.C. system
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Ce
système est actuellement le seul connu pour
éliminer durablement le CO2 et qui peut être
recyclé
en filière industrielle.
Dans une période particulièrement propice au développement
des énergies alternatives aux ressources fossiles,
la perspective d'intégration des biogaz dans le paysage
énergétique français est d'un intérêt certain d'un
point de vue politique, économique et environnemental.
En effet, la valorisation des résidus organiques domestiques,
industriels et agricoles ou le traitement des eaux
usées satisfont aux notions de développement durable
et d'énergie renouvelable, clairement explicitées
dans les récents engagements et accords internationaux.
L'impact environnemental de la mise en oeuvre de filières
de valorisation de biogaz résulte en une diminution
conséquente des gaz à effet de serre rejetés.
Les
récentes fluctuations des coûts liés à l'importation
d'énergies fossiles ont également influencé favorablement
le regain d'intérêt économique pour la production
d'énergie à partir de biogaz, qu'elle soit directement
sous la forme de gaz à haute pureté en méthane ou
sous forme d'électricité.
Le
prix de revient du biométhane complètement épuré par
le procédé GASWASH est de 0,054€ / kWh.
quand le prix de revient dans les systèmes concurrents
se situe vers 0,15€ / kWh.
Le
procédé GASWASH. permet un coût de production
de biométhane 3 fois moins cher que la concurrence
et permet donc de réduire l'écart de coût entre
le méthane d'origine fossile et le biométhane pour
l'incorporer dans le réseau.
D'autre part, la technologie GASWASH permet un équipement
de purification des biogaz extrêmement simple dont
le coût d'investissement est sans commune mesure avec
les procédés actuellement existants.
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Valorisation