lexique.

définitions. la centrale du biogaz à échelle industrielle.

Le processus technologique d’une unité industrielle pour la dégradation biologique de la matière organique en absence de l’air (digestion anaérobie) peut être catégorisé en quatre grandes phases :

  1. Le prétraitement et la préparation des entrants/substrats,
  2. La fermentation/la digestion anaérobie, la production du biogaz,
  3. La valorisation énergétique du biogaz : de l’électricité, de la chaleur, de la vapeur et du combustible,
  4. Le post-traitement du digestat.
schéma biogaz.

schéma biogaz.

la phase de prétraitement.

Selon le type du substrat utilisé, des différentes étapes de prétraitement peuvent être appliquées afin de l’homogénéiser et de l’humidifier :

  • Tri mécanique ou/et manuel ;
  • Enlèvement des pierres, plus généralement de la matière inerte et non-organique, les impuretés comme plastiques, grains, sable, métaux et verres afin de protéger les pompes et les agitateurs en aval du processus ;
  • Meulage et broyage pour réduire la taille du grain du substrat (de la paille de fumier, des os, etc.) ;
  • Extrusion/compression (bio-extrusion) de la matière organique au niveau cellulaire, pour augmenter la surface d’attaque bactérienne afin de faciliter l’accès bactériale, spécialement pour les lignocelluloses, les tiges et pailles (structure à la plante), les plumes, etc.
  • Nouveaux développements dans le domaine de prétraitement :
    1. Traitement physique : broyage, concassage, extrusion, meulage, compression, ultrasons ;
    2. Traitement thermique : exposition à la chaleur, et/ou à la vapeur (déchets d’abattoirs) ;
    3. Traitement chimique : Ajout de solvants, oxydants, acides et bases ;
    4. Traitement biologique : Ajout des enzymes ;
    5. Combinaison de plusieurs types de traitement.
  • Les substrats solides sont dosés et pesés dans une trémie de chargement/doseur pour maintenir la recette ;
  • On ajoute de l’eau ou d’autre types de liquides dans des unité de mixage, afin d’amener le taux de la matière sèche (MS) au niveau désiré. Y compris sont des déjections liquides, la fraction liquide du digestat ou le digestat circulé, des eaux usées traitée ou des boues des eaux usées.
  • MultiMix® de WELTEC Biopower, en amont du doseur, sert premièrement à inoculé le nouveau substrat avec la biomasse pour activer le processus de la fermentation plus rapidement, deuxièmement à broyer dans le macérateur les matières fibreuses déjà lors de l’incorporation des substrats et troisièmement à enlever les corps étrangers comme les pierres et les pièces métaux.
  • La hygiénisation ou pasteurisation de certains substrats tels que les sous-produits animaux sera obligatoire pour réduire les agents pathogènes (les réglementations de l’UE se réfèrent généralement à une heure à 70 ° C). La hygienisation se fait soit en amont ou en aval de la fermentation et régulièrement utilise la chaleur de la cogénération.

fermentation. digestion anaérobie DA.

Ces deux expressions sont employées de façon interchangeable ; se réfèrent à la dégradation biologique et la décomposition de la matière organique (des molécules plus grandes, comme le sucre) en composés plus basiques (tels que les acides, l’eau, des gaz) sous des conditions anaérobies.

Cette digestion anaérobie s’est fait grâce à des micro-organismes/bactéries/biomasse qui prospèrent uniquement en l’absence de l’oxygène. On distingue quatre étapes : l’hydrolyse, l’acidogenèse, l’acétogenèse et la méthanogenèse. Chaque étape implique des types de bactéries différents ; avec de fonctions et besoins spécifiques. Les phases se superposent l’une sur l’autre et les micro-organismes s’adaptent à vivre en cohabitation harmonique dans le digesteur, les produits d’une famille sont les nutriments de l’autre. A lire plus sur digestion anaérobie.

C’est la stabilité biologique qui est primordial pour la digestion anaérobie ; c’est elle qui garantisse un bon rendement du méthane ! La biomasse s’adaptera et trouvera l’équilibre ; les quatre stage et familles de micro-organismes travaillent main dans la main. Pour maintenir cet équilibre tous paramètres concernant la composition des intrants, la température, la valeur de pH, etc. ne changeront jamais, pour éviter des perturbations et l’accumulation de substances intermédiaires indésirables. L’instabilité peut tuer une ou plusieurs familles de biomasse, entraîner l’inhibition et arrêter la production du biogaz.

lexique biogaz.

La conception et le dimensionnement d’une unité de biogaz dépendent à la composition physique et le volume du substrat et de certains facteurs économiques.

Fermentation (DA) par voie humide ou sèche : En fait ils sont toutes deux humides, l’une est juste plus humide que l’autre (MS<15%). Dans une unité humide de production de biogaz, le substrat est pompable, c’est-à-dire qu’il soit bien liquéfié, mélangé et homogénéisé. Dans une unité sèche de production de biogaz (MS>20%) le substrat est moins homogène avec un taux élevé de MS, le mixage et l’homogénéisation deviennent difficiles et à forte consommation énergétique.

Fermentation (DA) continues ou discontinues : la DA continue se réfère au substrat alimenté et drainé du digesteur en continue (tous les jours/heures). La DA discontinue/en long chargement se réfère au digesteur étant chargé et vidé une fois puis à nouveau rempli quand la dégradation biologique est terminée.

A l’échelle industrielle, la plupart des unités humides de production de biogaz sont en continue. La plupart des fermenteurs sec sont discontinus (MS~30%), digesteur de garage, sans mixage.

Le digesteur à écoulement piston : Dans un cylindre gisant le substrat sec est lentement mélangé et pousser en avant, l’entrée sur une coté, sortie sur l’autre, en continue.

DA agitée et non agitée : la DA humide est constamment mélangée. Par contre dans les fermenteurs secs, le substrat est rarement mélangé comme son agitation devient plus consommatrice d’énergie.

Température mésophile (35°40°C) ou thermophile (50°C- 65°C) : la plupart des fermenteurs humides sont mésophiles, le processus est plus facile à contrôler, plus stable, plus lent et mois consommateur d’énergie. Dans la digestion thermopile, la dégradation biologique se déroule jusqu’à 6 fois plus vite que dans un environnement mésophile, contrôler la biologie devient plus difficile, des petits erreurs peuvent entraîner une déstabilisation, la production des substances intermédiaires indésirables avec de problèmes potentiels suivants : l’inhibition.

Les fermenteurs secs sont souvent thermophiles et ils atteignent un rendement élevé de biogaz pour un temps de rétention court. La digestion thermophile sert également à l’hygiénisation en éliminant les agents pathogènes, ceci se passe simultanément avec le processus de fermentation. La règlementation de l’UE oblige l’hygiénisation des sous-produits animaux (les déchets d’abattoirs et la fraction organique des déchets ménagers).

Choisir entre une DA mésophile et thermophile est souvent lié à la question si l’opérateur a de l’expérience nécessaire pour gérer un système plus délicat pour pouvoir en tirer les bénéfices de la DA thermophile ou non.

Unité de DA chauffée ou non chauffée : la plupart des fermenteurs industriels sont chauffés pour maintenir la température nécessaire est donc la stabilité biologique du procédé pour un rendement maximum de biogaz. Il existe deux technique pour chauffer le substrat :

  • centralement où le substrat est circulé par pompage de la cuve de fermentation vers l’échangeur thermique et retour à la cuve tout au long de la journée ;
  • soient par des tubes de chauffage, qui sont placées le long des parois intérieures de la cuve, qui circule de l’eau chaude chauffée par la cogénération.

La consommation parasitique de la chaleur est une fonction des conditions climatiques, elle s’élève jusqu’à 20% (de la chaleur de la cogénération) dans le cas de la DA mésophile, et jusqu’à 30% et plus dans le cas de la fermentation thermophile.

La chaleur est produite dans la cogénération (production de chaleur et d’électricité dans un moteur de gaz), ou alternativement par une chaudière/bruleur en biogaz.

Ce qui reste en chaleur doit être utiliser ailleurs : la hygiénisation du substrat, un procès industriel de pasteurisation, besoin de l’eau chaude, chaleur pour séchage, chauffage de bâtiment et des étables, etc.

Fermentation en seule phase ou multiples phases : Parfois, la fermentation dans une seule phase est économiquement préférable ; certainement elles est simple ; l’inconvénient c’est que le substrat ne puisse pas se dégrader complètement. Par contre la fermentation en multi-phases veut dire que différents procédés tels que l’hydrolyse, la fermentation et la post-fermentation se produiront en cuves séparées. Ça entrainera un rendement global élevé en biogaz ; et la question sera si cette production supplémentaire, atteint grâce à un temps de rétention totale élevé, paye pour de cuves et d’équipement supplémentaires ou non.

Matériel de construction : Les digesteurs/cuves sont construits en utilisant des matériaux de construction tels que le béton, les briques, métal inox, même le bois et le plastique; tout ayant des avantages et des inconvénients.

Un béton de bonne qualité pourrait être une option pas chère et satisfaisante. Cependant le biogaz qui se forme dans le digesteur contient du sulfure d’hydrogène et de l’ammoniac. Ces composants chimiques agressifs attaquent les éléments non protégés, et le béton de faible qualité. Pour qu’une installation durera plus de 20 ans, et pour que les opérations seront propres, ce soit à dire sans fuites de biogaz dans l’atmosphère, seulement l’acier inoxydable de meilleure qualité est recommandé. Une structure en inox léger sera idéalement modulaire et rapidement construit. Comme celle que nous offrons grâce à notre partenaire WELTEC Biopower.

Isolation : Habituellement les fermenteurs sont isolés à l’extérieur ; l’isolation en polystyrène gardera la chaleur à l’intérieur. Un bardage protège l’isolant contre la tempête, la pluie, les rayons ultraviolets. Les réservoirs de stockage pour le digestat n’ont pas d’isolation, puisque le substrat est déjà dégradé.

Co-digestion se réfère à des effets positifs sur le rendement de biogaz et de la fourniture de nutriments manquants pour les microorganismes. Des différents substrats complémentaires génèrent en combinaison un meilleur rendement de biogaz ; l’effet de la synergie.

Stockage de biogaz : Le biogaz produit est stocké sous un gazomètre, un toit à double membrane au-dessus de la cuve de fermentation. L’espace entre les deux membranes est gonflé avec de l’air, à l’aide d’un ventilateur, pour stabiliser le toit contre les influences météorologiques (pluie, vent), indépendant de la quantité du biogaz à intérieur. Le biogaz a l’intérieur est sous légère pression seulement.

Les réservoirs de stockage du digestat pourraient être couverts pour capturer la production de gaz résiduel.

Unité facultative de stockage de gaz : Au cas de besoin, une unité de stockage supplémentaire peut être installée, cela permet de poussez l’utilisation/combustion du biogaz par quelques heures.

Comme le biogaz est produit en permanence 24/7, il sert à fournir la charge de base. Avec un stockage cette production de l’électricité peut être déplacée vers les horaires de pointes lorsque les prix soient élevés, ou quand l’électricité est nécessaire dans l’installation hors réseau.

Torchère de sécurité : L’installation d’une torchère pour des raisons de sécurité est obligatoire. L’activité biologique ne peut pas être arrêtée, ainsi tout gaz produit doit être brûlé.

biogaz. usage. valorisation.

Constituant de biogaz : le biogaz produit est composé de 50%-60% de méthane et 35%-45% de CO2. Il contient également de la vapeur d’eau et des gaz comme hydrogène de sulfure H2S et autres : N2, O2, CO, H2.

Déshumidification par sécheur de gaz, ça se fait par voie du refroidissement du biogaz qui permet l’élimination du condensat, le gaz sera donc réchauffé avant la sortie du déshumidificateur.

La désulfuration est primordial. Le hydrogène de sulfure H2S se forme quotidiennement quant on produit du biogaz. Dans les unité de traitements de eaux usées, ou les unité de traitements des déchets, la concentration en H2S peut atteindre 2000 à 3500ppm, les installations qui traite le pulpe de papier ou la vinasse de la production d’éthanol peut voir des concentrations encore plus élevées jusqu’à 15000ppm et plus.

L’H2S, c’est un gaz inflammable, très corrosif, à l’odeur nauséabonde d’œuf pourri et très toxique. Rarement il y a des vrais dangers pour la santé humaine quant on prend des précautions, l’hydrogène de sulfure néanmoins détruit l’équipement et surtout le moteur de la cogénération.

La désulfuration se fait en deux étapes :

  1. à traverse un réacteur chimique ou biologique les grosses charges en H2S sont enlevées jusqu’au mois de 200ppm,
  2. par moyen d’un filtre de nettoyage du biogaz au charbon actif, un finissement sera rendu jusqu’au moins de 20ppm.

Déshumidification et désulfuration sont des processus primordiaux d’épuration de gaz qui sont réalisés avant que le biogaz soit brulé dans un moteur de cogénération. Ceci est essentiel pour protéger les engins et des valves de la corrosion ; ça augment la durée de vie du moteur et réduit de la maintenance et évite des coûts de réparations.

Pour savoir plus sur les différentes voies de valorisation de biogaz, voyez énergie.

post traitement. l’utilisation de digestat:

Durée moyenne de rétention : Le substrat restera dans les cuves de fermentation pendant une période de temps prédéfinie. Dans les systèmes continus cela se réfère à la durée moyenne de rétention DMR, c’est une valeur statistique. Le total de DMR sera entre 20 et 120 jours, très régulièrement 40 à 45 jours, dépendant du système de digestion, de la qualité et le type de substrat, des procédés de prétraitement, et surtout les économies. Le dimensionnement de l’installation sera directement proportionnelle à la DMR est donc à l’ampleur de la dégradation du substrat.

Digestat : Toute matière qui entre dans les cuves de fermentation sous forme du substrat/stock d’alimentation/entrants sortira sous forme du digestat/résidu, avec une légère réduction du volume de 10% à 15%. Le digestat a une plus forte teneur en liquide que le substrat; il se compose de la matière organique dégradée, da la matière organique non-digérable comme les lignines et de la biomasse morte (bactéries minéralisées).

Les bilans massiques et l’économie peuvent imposer l’étape d’hygiénisation/pasteurisation juste après la dernière cuve de fermentation. Ce qui semble normal, comme le résidu de la fermentation soit bien liquide et homogénéisée et déjà sur température mésophile. C’est la chaleur produite au niveau de l’unité de cogénération qui sera à nouveau utilisée pour la désinfection obligatoire habituellement à 70 ° C pendant une heure.

Dans le cas de la DA humide, le résidu est pompé à partir des cuves de fermentation finales jusqu’à les réservoirs de stockage ou les bassins, qui pourraient être couverts ou ouverts.

Le digestat est bien liquide et contient pratiquement les mêmes nutriments, N, P, K et d’autres, qu’avant la digestion. Le digestat constitue un liquide riche en nutriment, de haute qualité, un engrais naturel qui sera épandu directement sur les champs de l’agriculture.

Néanmoins régulièrement il suit une séparation mécanique des phases solides/liquides. A l’aide d’une presse filtrante à vis, la fraction solides (MS=25% à 30%) sera séparée de la fraction liquide (MS=1%). Cela permettra un stockage et séchage ultérieur de la fraction solide.

Le compostage, le traitement aérobie pendant 2 mois, un repos naturel pour la matière sèche, améliore encore notre produit, qui par la suite pourra être mélangée avec du compost naturel ou de l’engrais minéral (produits de combo). Voir notre rubrique de fertilisant.

La fraction liquide représente une eau pour l’irrigation, riche en nutriments. Une partie de ce liquide est fréquemment recyclée dans le système de la fermentation.

résumé.

On doit répondre à trois questions primordiales et le succès d’une centrale de biogaz dépendra à leur résolution :

  1. D’où viendra la matière organique (et de quel type sera le substrat) ?
  2. Qui utilisera le biogaz ou les énergies dérivées produites ?
  3. Où iront les résidus ?