Abhatoo - Centre Nationale de Documentation

L’épuration du biogaz est une voie de valorisation de la filière méthanisation indispen-sable à la transition énergétique, permettant la substitution du gaz naturel d’origine fossile par une énergie renouvelable pour diverses applications. Mais la faible rentabilité économique pour de petites échelles de production, typiques d’une installation agricole de taille moyenne, et pourtant plus acceptables sur le plan sociétal et environnemen-tal, représente aujourd’hui un frein à son développement. Ce travail a pour objectif le développement d’un procédé d’épuration, le lavage à l’eau sous pression en colonne d’ab-sorption, permettant de répondre aux exigences de la filière et d’atteindre une rentabilité économique. Des approches de modélisation inédites ont été développées pour identifier des pistes d’améliorations. Ces modélisations prennent notamment en considération l’ab-sorption concomitante du dioxyde de carbone et du méthane et la réduction du débit volumique de gaz qui se produit dans la colonne d’absorption, ainsi que les étapes de ré-génération de l’eau pour un fonctionnement en circuit fermé. La précision des prédictions obtenues par les simulations a été évaluée par une étude de sensibilité puis les résultats ont été validés par comparaison avec des résultats expérimentaux. Les simulations ont mis en évidence l’importante amélioration de la pureté en méthane lorsque l’eau est régénérée sous un vide primaire plutôt qu’à pression atmosphérique grâce à une désorption accrue
du gaz contenu dans l’eau. L’eau présente alors une concentration en gaz dissous plus faible qui se traduit par une absorption plus importante dans la colonne d’absorption, et donc une teneur en méthane plus importante dans le biométhane produit. Des estimations de consommation énergétique ont permis de définir une plage de vide optimale, entre 0,2 et 0,5 bar absolu, permettant d’atteindre les meilleures performances d’absorption pour une consommation énergétique réduite. Par ailleurs, l’intégration d’une désorption de l’eau sous pression intermédiaire, entre la colonne d’absorption et la régénération finale de l’eau sous vide, permet de recirculer une fraction importante du méthane dissous dans la colonne d’absorption et ainsi d’augmenter son taux de récupération, et donc les perfor-mances économiques et environnementales de l’installation. Une pression optimale peut être définie, correspondant à un maximum de récupération de méthane ne perturbant pas le fonctionnement de la colonne d’absorption. Cette pression, qui dépend également des autres paramètres opératoires, se situe généralement entre 3 et 4 bars. Cette désorption à pression intermédiaire conduit à la formation d’un mélange gaz-liquide duquel le gaz doit être récupéré. Un GLCC, « Gas Liquid Cylindrical Cyclone », séparateur cyclonique de mélange gaz-liquide, peut avantageusement être mis en œuvre en remplacement des bal-lons de séparation classiques afin de réduire les coûts du système. Ces innovations ont été intégrées à la fabrication d’un prototype d’épuration à pleine échelle élaboré pendant la durée du projet avec des partenaires industriels. Le prototype, dimensionné pour l’épura-tion d’un débit de biogaz de 20 à 40 N m3/h, a été mis en place sur le site de méthanisation de la ferme de Lamothe à Seysses, en France, pour une campagne d’expérimentation qui a permis de confirmer les résultats des simulations et valider le fonctionnement du procédé en conditions de fonctionnement réelles. Les innovations ont permis d’obtenir un biomé-thane respectant les spécifications pour l’injection dans le réseau (et donc aussi la qualité
carburant véhicule) avec un taux de méthane supérieur à 97 % pour une consommation énergétique équivalente aux valeurs données dans la littérature. L’optimisation des pa-ramètres opératoires, couplée à l’amélioration du transfert de matière dans la colonne d’absorption grâce à un garnissage évolutif, permet d’atteindre une pureté du biométhane de 97 % et un taux de récupération du méthane de 98 % pour une consommation d’élec-tricité moyenne de 0,25 kW h/N m3 de biogaz brut. Une étude économique, complétée par une analyse de cycle de vie, a montré la pertinence du procédé développé pour l’épuration du biogaz sur ces petites échelles de production.