Brevet FR3020966A1 — publié le 20151120

La présente invention concerne un procédé d'injection de biométhane dans un réseau de gaz naturel de type B et son installation correspondante. Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) du dioxyde de carbone (CO2), mais également de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres. Il est indispensable de développer différentes valorisations du biogaz pour répondre aux problématiques engendrées par le réchauffement climatique, tant global qu'à l'échelle régionale ainsi que pour accroître l'indépendance énergétique des territoires qui le produisent. Le biogaz peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité. Une purification plus poussée du biogaz permet de l'utiliser plus largement. En particulier, une purification plus poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel ; ce biogaz très purifié est appelé « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au coeur des territoires. Il est utilisable pour exactement les mêmes usages. L'injection de biométhane produit est en plein essor. Or, en France par exemple, deux types de réseaux de gaz naturel existent : le réseau de type H (haut pouvoir calorifique) et le réseau de type B (bas pouvoir calorifique). Les unités d'épuration de biogaz produisent un biométhane contenant 2,5% molaire de CO2 dans du CH4 principalement, avec de ce fait un pouvoir calorifique supérieur et un indice de Wobbe trop élevés pour être injecté dans les réseaux de type B. Dès lors, un problème qui se pose est de fournir un procédé amélioré d'injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel. Une solution de la présente invention est un procédé d'injection de biométhane dans un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X comprise entre X1 et X2, comprenant l'injection d'azote dans le réseau de biométhane avant l'injection du biométhane dans le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X de manière à abaisser le pouvoir calorifique du réseau de biométhane à une valeur comprise entre X1 et X2, avec l'azote issu du rétentat d'au moins un étage membranaire. Une solution particulière de l'invention est un procédé d'injection de biométhane dans un réseau de gaz naturel de type B, comprenant l'injection d'azote dans le réseau de biométhane avant l'injection du biométhane dans le réseau de gaz naturel de manière à abaisser le pouvoir calorifique supérieur du réseau de biométhane à une valeur comprise entre 9,5 et 10,5 kWh/Nm3, avec l'azote issu du rétentat d'au moins une membrane. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étage membranaire est alimenté par de l'air issu d'un réseau interne au procédé ou issu d'un compresseur d'air ; et l'on contrôle la quantité d'azote injectée dans le réseau de biométhane via une vanne de régulation située sur l'alimentation de l'étage membranaire ou via l'ajustement de la capacité de production du compresseur d'air. Dans le cas où une vanne de régulation est utilisée, la consigne du débit d'azote à injecter est calculée connaissant la teneur en méthane dans le gaz naturel, ainsi que son débit, ces deux paramètres permettant de déduire le PCS du gaz lorsque le CH4 est le seul combustible présent. Par « réseau interne » on entend de préférence de l'air utilisé pour le fonctionnement d'instruments mis en oeuvre dans le procédé tel que les vannes ; on peut parler également « d'air instrument » ; - le flux gazeux passant à travers l'étage membranaire est de l'air asséché de manière à ce que l'azote, rétentat de l'étage membranaire, mélangé au biométhane respecte les spécifications du réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X; et déshuilé à une pression supérieure ou égale à la pression du réseau de biométhane, en général comprise entre 5 et 15 bar. En général, l'air est asséché de manière à présenter un point de rosée en eau inférieur à - 5°C à la pression maximale du réseau d'injection ; - l'on contrôle la pureté de l'azote injecté dans le réseau de biométhane via une analyse de la concentration en oxygène dans le rétentat d'azote, ou par une mesure de la pression du rétentat. Pour cela, on utilise de préférence une boucle de régulation dont l'actionneur est une vanne de régulation installée sur le rétentat de la membrane, avec la vanne de régulation permettant d'ajuster la pression opératoire de la membrane. Un analyseur d'oxygène situé sur le rétentat d'azote permet de contrôler la pureté et constitue la mesure de la boucle de régulation. La pureté en oxygène peut aussi être déduite par la mesure de la pression du rétentat. La mesure de la boucle de régulation est alors constituée par un capteur de pression. - la membrane dont est issu le rétentat enrichi en azote produit également un flux enrichi en oxygène. - le flux enrichi en oxygène est injecté dans un digesteur produisant du biogaz ou en amont de filtres à charbons actifs d'une unité d'épuration de biogaz. Par « digesteur» on entend une production anaérobie de biogaz. Cette injection de flux enrichi en oxygène facilite la désulfuration du biogaz à l'intérieur même des digesteurs, ou lorsque le flux enrichi en oxygène est injecté dans une unité d'épuration de biogaz il facilite l'abattement de l'H2S par les charbons actifs. La présente invention a également pour objet une installation d'injection de biométhane dans un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X, comprenant : - une unité de production de biométhane ; - un réseau de biométhane ; - un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X; - une membrane sélective à l'azote, permettant la production d'un rétentat enrichi en azote à partir d'un flux d'air ; - un système de production d'air à une pression supérieure ou égale à la pression du réseau de biométhane ; - un premier moyen d'injection du rétentat de la membrane dans le réseau de biométhane ; - un deuxième moyen d'injection du biométhane issu du réseau de biométhane dans le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X, avec le deuxième moyen d'injection en aval du premier moyen d'injection suivant le sens de circulation du biométhane dans le réseau de biométhane. Une installation particulière selon l'invention est une installation d'injection de biométhane dans un réseau de gaz naturel de type B, comprenant : - une unité de production de biométhane ; - un réseau de biométhane ; - un réseau de gaz naturel de type B; - une membrane sélective à l'azote, permettant la production d'un rétentat enrichi en azote à partir d'un flux d'air ; - un système de production d'air à une pression supérieure ou égale à la pression du réseau de biométhane ; -un premier moyen d'injection du rétentat de la membrane dans le réseau de biométhane ; - un deuxième moyen d'injection du biométhane issu du réseau de biométhane dans le réseau de gaz naturel de type B, avec le deuxième moyen d'injection en aval du premier moyen d'injection suivant le sens de circulation du biométhane dans le réseau de biométhane. Selon le cas, l'installation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - ladite installation comprend un analyseur de concentration en oxygène situé sur le rétentat de la membrane en amont du premier point d'injection ; un capteur de pression situé sur le rétentat de la membrane en amont du premier moyen d'injection, et une vanne de régulation située sur le rétentat de la membrane en aval de l'analyseur et en amont du premier moyen d'injection. - ladite installation comprend une vanne de régulation sur le débit d'alimentation de la membrane. - le système de production d'air comprimé comprend successivement dans le sens de circulation de l'air une arrivée d'air, un compresseur d'air, un système de refroidissement du gaz comprimé, un séparateur de condensats, un filtre à charbon actif permettant d'enlever les particules d'huile résiduelles, un filtre à particules permettant d'enlever les particules de charbon actif, un sécheur et un réservoir de stockage d'air comprimé. L'invention va être décrite plus en détail à l'aide des figures 1, 2 et 3. La figure 1 représente une installation selon l'invention lorsque l'air utilisé pour produire l'azote est pris sur un réseau d'air instrument. La figure 2 représente une installation selon l'invention lorsque l'air utilisé pour produire l'azote est produit par un compresseur dédié. Dans les 2 cas de figure le flux d'air 1 alimente un étage de membrane constitué d'une ou plusieurs membranes en parallèle 2 et permettant la production de l'azote sous pression. On récupère de la membrane un rétentat 3 enrichi en azote. Selon la quantité d'oxygène tolérée dans le réseau de biométhane, un azote plus ou moins pur est produit. Afin de contrôler cette pureté de l'azote, le rétentat passe dans un analyseur 4 mesurant la concentration en oxygène et la pureté de l'azote injecté dans le réseau de biométhane 6 est contrôlée via une vanne de régulation 5. Le débit d'azote produit est contrôlé 15 en ajustant le débit d'air entrant dans l'étage de membranes, soit par une vanne de régulation 16 (figure 1), soit par ajustement de la capacité de production du compresseur d'air 17 (figure 2); un débitmètre ainsi qu'un analyseur de CH4 sur le biométhane permettent de contrôler que le PCS est conforme à la spécification d'injection. La figure 3 détaille ce que peut être le système de production d'air : l'air peut être comprimé à une pression supérieure à 5 bar dans un compresseur d'air 7, puis refroidi 8. Le flux d'air ainsi comprimé et refroidi est introduit dans un séparateur de condensats 9, avant de passer successivement dans un adsorbeur 10 comprenant du charbon actif de manière à éliminer les particules d'huile résiduelles et dans un filtre à particules 11 de manière à éliminer les particules de charbon actif. On récupère ensuite un flux d'air comprimé et purifié qui peut être stocké 12 avant d'alimenter la membrane 2. Les tableaux 1 et 2 ci-dessous illustrent la nécessité d'injection d'azote pour se conformer à la spécification d'injection de biométhane du point de vue du PCS et de l'indice de Wobbe dans les réseaux de gaz B: Composition du biométhane Sans N2 Avec N2 N2 % mol. 0,0% 6,0% 02 % mol. 0,0% 0,0% CO2 % mol. 2,5% 2,5% CH4 % mol. 97,5% 91,5% Total 100,0% 100,0% PCS kWh/Nm3 10,81 10,15 Indice de Wobbe kWh/Nm3 14,22 13,06 Tableau 1 Spécification GRT gaz B PCS max kWh/Nm3 10,5 Indice de Wobbe max kWh/Nm3 13,06 Tableau 2 REVENDICATIONS1. Procédé d'injection de biométhane dans un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X comprise entre X1 et X2, comprenant l'injection d'azote dans le réseau de biométhane avant l'injection du biométhane dans le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X de manière à abaisser le pouvoir calorifique du réseau de biométhane à une valeur comprise entre X1 et X2, avec l'azote issu du rétentat d'au moins un étage membranaire. 2. Procédé d'injection de biométhane selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X est un réseau de gaz naturel de type B et X1= 9,5 kWh/Nm3 et X2 = 10,5 kWh/Nm3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que : - l'étage membranaire est alimenté par de l'air issu d'un réseau interne au procédé ou issu d'un compresseur d'air ; et - l'on contrôle la quantité d'azote injectée dans le réseau de biométhane via une vanne de régulation située sur l'alimentation de l'étage membranaire ou via l'ajustement de la capacité de production du compresseur d'air. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le flux gazeux passant à travers l'étage membranaire est de l'air : - asséché de manière à ce que l'azote, rétentat de l'étage membranaire, mélangé au biométhane respecte les spécifications du réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X ; et - déshuilé à une pression supérieure ou égale à la pression du réseau de biométhane. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on contrôle la pureté de l'azote injecté dans le réseau de biométhane via une analyse de la concentration en oxygène dans le rétentat d'azote, ou par une mesure de la pression du rétentat. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane dont est issu le rétentat enrichi en azote produit également un flux enrichi en oxygène. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flux enrichi en oxygène est injecté dans un digesteur produisant du biogaz ou en amont de filtres à charbons actifs d'une unité d'épuration de biogaz. 8. Installation d'injection de biométhane dans un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X, comprenant : - une unité de production de biométhane ; - un réseau de biométhane ; - un réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X; - une membrane sélective à l'azote, permettant la production d'un rétentat enrichi en azote à partir d'un flux d'air ; - un système de production d'air à une pression supérieure ou égale à la pression du réseau de biométhane ; - un premier moyen d'injection du rétentat de la membrane dans le réseau de biométhane ; - un deuxième moyen d'injection du biométhane issu du réseau de biométhane dans le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X, avec le deuxième moyen d'injection en aval du premier moyen d'injection suivant le sens de circulation du biométhane dans le réseau de biométhane. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le réseau présentant un pouvoir calorifique supérieur de valeur X est un réseau de gaz naturel de type B. 10. Installation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que ladite installation comprend : - un analyseur de concentration en oxygène situé sur le rétentat de la membrane en amont du premier point d'injection, - un capteur de pression situé sur le rétentat de la membrane en amont du premier moyen d'injection, et - une vanne de régulation située sur le rétentat de la membrane en aval de l'analyseur et en amont du premier moyen d'injection. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite installation comprend une vanne de régulation sur le débit d'alimentation de la membrane. 12. Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que le système de production d'air comprimé comprend successivement dans le sens de circulation de l'air : - une arrivée d'air, - un compresseur d'air, - un système de refroidissement du gaz comprimé, - un séparateur de condensats, - un filtre à charbon actif permettant d'enlever les particules d'huile résiduelles, - un filtre à particules permettant d'enlever les particules de charbon actif, - un sécheur, - un réservoir de stockage d'air comprimé.25