Brevet FR2516539A1 — publié le 19830520

La présente invention a trait à un procédé et à un dispositif de fabrication de gaz combustible par fermen- tation d'un milieu constitué par des éléments végétaux en suspension dans l'eau L'invention s'applique notamment à la production de méthane par fermentation, ou digestion de déchets tels que la pulpe de betterave, résidu de la fabri- cation de sucre, mais peut s'appliquer à d'autres produits tels que le topinambour, les déchets de canne à sucre et autres produits organiques végétaux, résidus ou non L'in- vention englobe aussi la digestion (fermentation méthanique) anaérobie des eaux usées à forte charge en DBO (Demande Biologique d'oxygène). Conformément à la présente invention, la fermen- tation est effectuée dans une cavité souterraine, existante ou réalisée à cet effet, formée dans une roche imperméable ou une roche perméable saturée d'eau, en dessous du niveau de la nappe phréatique, la pression du milieu en réaction étant inférieure à la Pression hydrostatique de l'eau dans le massif perméable Avantageusement, la température est maintenue entre 30 et 40 de préférence au voisinage de 350 C. On peut ainsi réaliser des volumes de réaction de très grandes dimensions, pouvant soutenir des pressions élevées, à des prix de revient beaucoup plus bas qu'avec de la chaudronnerie classique Une application importante est constituée par la digestion de la pulpe de betterave produite dans les sucreries La digestion de la pulpe permet d'une part d'éliminer toute ou partie de celle-ci et d'autre part de produire un gaz combustible qui peut fournir une part importante de la consommation d'énergie de la sucrerie, par exemple de l'ordre de la moitié En général les cultures de betteraves se font dans des régions o la roche peut con- venir pour la réalisation de cavités souterraines Non seule- ment le prix de revient au mètre cube d'installation est compétitifs mais l'entretien de la cavité est peu coûteux, elle est peu sensible aux accidents ou aux tentatives de des- truction, quelle qu'en soit l'origine, et écologiquement, une telle installation ne modifie pas le paysage. Le gaz obtenu dans une telle fermentation est souvent dénommé Biogaz, il contient en moyenne 60 % de méthane et 40 % de gaz carbonique Le processus de fermentation est connu, il est inutile de le décrire ici. Les déchets agricoles, notamment les pulpes de betterave à sucre sortent de la sucrerie en suspension dans l'eau et une concentration favorable pour la digestion dans une cavité correspond à une teneur en matière sèche de l'or- dre de 4 à 10 % Cette concentration est obtenue facilement, en enlevant ou en ajoutant de l'eau aux produits sortant de la sucrerie. La pression est un grand avantage car le gaz étant produit sous pression, cela permet un stockage tampon très commode En situant la cavité à une profondeur de l'ordre de 50 à 100 m, on peut ainsi faire fonctionner la fermentation sous une pression de O à 6 bars sans aucune difficulté Dans une roche perméable on maintient la pression de travail in- férieure à la pression hydrostatique de façon à éviter la fuite de liquide ou de gaz dans le massif ainsi que la migra- tion des bactéries dans la roche (Les bactéries ne peuvent pas aller, à contre courant, dans un milieu froid et sans nourriture) On aura donc un courant d'eau ruisselant sur la surface de la cavité, eau qui vient s'ajouter au liquide en réaction, et qui sera extraite en même temps que le jus épuisé, et en constitue toujours une très faible proportion. Le débit d'eau de ruissellement dépend de l'écart entre la pression de travail dans la cavité, et la pression hydrosta- tique dans le massif On comprendra que plus l'écart est grand, plus le débit de ruissellement est important De toute façon, ce débit est du deuxième ordre par rapport au débit de jus fermentescible dans la cavité. Le volume de la cavité dépend du débit de résidus à traiter et du temps de séjour du jus dans la cavité. Un temps de séjour approprié est compris entre cinq et dix jours environ La digestion pourra être suffisam- ment poussée et l'eau résiduaire sera ainsi rejetée sans traitement de finition Si la digestion n'est pas complète les matièressèches résiduelles pourront être-utilisées com- me amendements, engrais, ou aliments pour animaux, ou encore pourront être réintroduits dans la cavité La quantité de gaz produite dépend des conditions de la réaction et du degré d'avancement de l'extraction auquel on désire parvenir compte tenu de l'utilisation éventuelle souhaitée pour le résidu. En moyenne, on pourra obtenir par jour un volume de gaz (ra- mené à 1 atmosphère) correspondant au volume de la cavité. Le volume de la cavité pourra être limité par le souci d'avoir des dimensions acceptables La section est li- mitée par la nature de la roche et les caractéristiques mé- caniques du terrain (état de contraintes, fissurations, etc). On pourra éventuellement former deux cavités ou plus pour une sucrerie importante en communication, ou indépendante En général, les pulpes de betterave d'une sucrerie moyenne pourront être traitées dans un volume de l'ordre de 50 000 mètres cube La profondeur de la cavité sera choisie en fonc- tion de la pression de fonctionnement désirée pour le gaz, et en fonction de la position de la nappe phréatique, de façon à avoir une pression hydrostatique supérieure à la pression maximale de service dans la cavité, et en tenant compte de la forme de la cavité (voir notamment brevet fran- çais n' 80 00546 du 11/01/1980) La partie supérieure de la cavité sera occupée par le gaz, qui pourra représenter 10 à 20 % du volume total. Ce volume tampon dépend des conditions d'utilisation du gaz. Dans le cas d'une sucrerie, le fonctionnement est permanent pendant environ cent jours, et la consommation de gaz est pratiquement constante La variation du volume de stockage est obtenue par action sur le pompage d'extraction du jus digéré En variante, le volume de gaz peut être plus impor- tant et servir de stockage. Bien que la température préférable soit comprise entre 30 et 40 'C, il est possible de conduite la réaction dans une autre plage de températures, autour de 550 C Mais d'une part, la réaction est plus sensible aux écarts de tem- pératures dans cette plage, et en outre, comme les parois de la cavité sont à la température géothermique, souvent en- 4 v viron 15 'C, on a dans le zones marginales un gradient de température, qui est beaucoup moins favorable pour une réac- tion pilotée à 550 C au'à 350 C. Un brassage peut être utile ou même nécessaire, selon la forme et la dimension de la cavité Il sera avantageusement obtenu par barbotage du gaz recueilli, refoulé par un compresseur dans un tube perforé. L'amorçage de la digestion peut être obtenu sim- plement par introduction de boues activées judicieusement choisies. D'autres caractéristiques de l'invention apparaî- tront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins ci-joints et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins montrent; figure 1, une coupe longitudinale d'une cavité de fermentation selon l'invention, et figures 2 à 4, des vues en plan schématique de formes possibles de cavités. Sur la figure 1, la cavité 1 est représentée rec- tiligne, mais elle peut avoir toute forme, comme par exemple représenté sur les figures 2, 3 et 4 On peut supposer que la coupe est effectuée par une surface verticale suivant la ligne médiane de la cavité Un puits 2 est situé au voisinage d'une extrémité de la cavité Il sert à l'extraction des déblais pendant le creusement de la cavité, et au passage de diverses canalisations utiles à la marche de l'installa- tion Le puits peut déboucher, à la surface 3 du sol dans une construction 4 abritant les têtes des tubes, la robinet- terie, les accessoires de régulation, etc On a représenté en 5 le niveau de la nappe phréatique Le puits 2 est-isolé de la cavité par un bouchon horizontal 8 ou vertical 8 ' tra- versé par les divers tubes et communique avec la cavité 1 par une galerie 7, aussi courte que possible On a représenté sur la figurei un bouchon horizontal 8 et un bouchon verti- cal 8 ', mais bien entrendu il n'y en a qu'un On a représenté en 9 le niveau de séparation entre le ciel gazeux 10 et le jus 11 en fermentation Le puits abrite une conduite de sortie 15 du gaz, au moins un tube 16 de passage de jus; l'entrée et la sortie peuvent être situées dans le même puits ou dans des puits différents Seul un tube est représenté pour simplifier le dessin La position du deuxième tube dé- pend de la forme de la cavité comme on l'expliquera ci-après. A titre d'exemple, les tubes d'introduction et d'extraction du jus peuvent avoir un diamètre de l'ordre de 15 cm Le tube de sortie du gaz peut avoir une dimension du même ordre. Comme le jus en digestion se déplace d'une extrémité de la cavité vers l'autre extrémité, il est possible de n'avoir qu'un seul puits 2 si les deux extrémités de la cavité sont proches l'une de l'autre (figures 2 et 3) Dans le cas d'une cavité rectiligne 1 ', comme représenté sur la figure 3, il peut y avoir deux puits 2 ' et 2 ", ou bien il peut n'y avoir qu'un puitset il est possible de placer une canalisation 35, qui parte du puits unique à une extrémité pour délivrer ou aspirer le jus à l'autre extrémité de la cavité. Le puits 2 abrite encore une descente 17 de gaz sous pression, pour alimenter une rampe 18 de dégagement de gaz en vue du brassage L'installation peut comporter des capteurs de pression et plusieurs sondes thermométriques 21, 22, etc, donnant les températures en différents points de la cavité, en différentes profondeurs et à différentes hau- teurs Les formes des figures 2 et 3 sont favorables thermi- quement: les massifs centraux 31, (figure 2)et 32 (figure 3) prenant une température supérieure La forme de la figure 3 est plus favorable du point de vue de la circulation On doit en effet éviter les zones sans mouvement o se forme une stagnation. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les mo- difier notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de gaz combustible par fermentation d'un milieu constitué d'éléments végétaux en suspension dans l'eau, caractérisé en ce que la fermentation est conduite dans une cavité souterraine ( 1), formée dans une roche imperméable ou dans une roche perméable saturée d'eau, en dessous du niveau ( 5) de la nappe phréatique, la pression du milieu en réaction étant inférieure à la pression hydrostatique de l'eau dans le massif perméable. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression du milieu en fermentation dans la cavité est comprise entre O et 6 bars au dessus de l'atmos- phère. 3. Procédé selon une des revendications l ou 2, caractérisé en ce que la température est maintenue entre 30 et 40 'C, de préférence au voisinage de 350 C. 4. Procédé selon une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le temps de séjour du milieu en fermentation est compris entre 5 et 10 jours. 5 Procédé selon une des revendications précé- dentes,caractérisé en ce que le milieu en fermentation est agité par dégagement, en fond de cavité de bulle du gaz pro- duit par fermentation et renvoyé par un compresseur. 6. Procédé selon une des revendications précé- dentes,caractérisé en ce que l'on maintient dans la cavité un ciel gazeux( 10) occupant 10 à 20 % du volume total de la cavité. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise la cavité pour stocker le gaz produit. 8 Cavité souterraine ( 1) pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications précédentes, caracté- riséeen ce qu'elle a une longueur horizontale grande par rapport à la section, qu'elle a une forme non rectiligne sui- vant sa longueur, et que les extrémités sont voisines l'une 36 de l'autre, et qu'un puits vertical ( 2) relie l'extérieur à une zone située au voisinage des deux extrémités voisines de la cavité. 9. Cavité souterraine pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications l à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une canalisation joignant le puits d'ex- ploitation à un point éloigné de ce puits dans la cavité. 10. Cavité souterraine selon une des revendica- tions 8 ou 9, caractériséeen ce qu'elle comporte le long du fond, une rampe ( 18) de distribution de gaz constituée par un tube perforé, connecté à un compresseur.