Brevet FR3032777A1 — publié le 20160819

Système de collecte de biogaz produit par une unité de méthanisation implantée dans une exploitation agricole 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de l'énergie. Plus précisément, l'invention concerne un système de production combinée d'énergies, et en particulier d'électricité, de gaz et d'énergie sous forme de chaleur, à partir de matières premières renouvelables et de déchets. 2. Etat de la technique L'augmentation du prix des énergies fossiles et la nécessité de lutter contre le réchauffement climatique en réduisant la production des gaz à effet de serre encourage le développement de techniques de production d'énergie alternatives respectueuses de l'environnement. On constate ainsi un intérêt grandissant pour l'utilisation des déchets agricoles et des déchets de l'industrie agroalimentaire, qui constituent une ressource énergétique disponible et renouvelable. On connait par exemple une technique de valorisation du lisier consistant à transformer partiellement le lisier en biogaz au sein d'une unité de méthanisation. Cette technique est désormais répandue dans les exploitations agricoles du nord de l'Europe. Un inconvénient de cette technique est qu'il faut prévoir de raccorder l'unité de méthanisation au réseau de gaz naturel, qui est souvent distant. Ceci engendre des coûts d'investissement importants et nécessite d'obtenir des autorisations administratives pour procéder aux travaux de raccordement, ce qui n'est pas sans poser de problèmes si la population riveraine se montre réservée ou hostile à la réalisation de ces travaux. On a pensé à associer un groupe de cogénération à une unité de méthanisation afin de produire de l'électricité et de la chaleur à partir du biogaz. Un inconvénient de cette technique connue associant méthanisation et cogénération est que son rendement énergétique global est faible. 3032777 2 Un autre inconvénient d'une installation couplant un groupe de cogénération à une unité de méthanisation est qu'on brûle le biogaz excédentaire produit dans une torchère pour réguler la production d'électricité en fonction des besoins, ce qui dégrade d'autant plus le rendement 5 énergétique global de l'installation. Encore un inconvénient est qu'il est nécessaire de disposer à proximité de bâtiments ou d'installations pour consommer l'électricité et la chaleur produite. 3. Objectifs de l'invention 10 L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. Plus précisément l'invention a pour objectif de fournir une technique de production combinée d'énergies qui permettent de garantir sensiblement l'indépendance énergétique d'un territoire de plusieurs kilomètres carrés, et 15 notamment d'une communauté de communes. Un objectif de l'invention est également de fournir une technique de production combinée d'énergies qui soit respectueuse de l'environnement. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de production combinée d'énergies qui soit fiable. 20 L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui simple à mettre en oeuvre et d'un coût de revient réduit. Encore un objectif de l'invention est de fournir une technique de production combinée d'énergies qui soit rentable à exploiter à moyen et/ou court terme. 25 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un système de production combinée d'énergies, notamment d'électricité, de gaz et d'énergie sous forme de chaleur, à partir notamment de matières premières renouvelables et/ou de déchets. 3032777 3 Selon l'invention, un tel système de production combinée d'énergies comprend : - au moins une unité de méthanisation alimentée en déchets organiques ; 5 - au moins une chaudière, notamment une chaudière à bois ou une chaudière à ordures ménagères, apte à assurer le chauffage des digesteurs de ladite unité de méthanisation et/ou l'hygiénisation ou le séchage d'au moins une partie des digestats issus de ladite unité de méthanisation ; 10 - un groupe de cogénération alimenté en biogaz par ladite unité de méthanisation, produisant de l'électricité et de la chaleur ; - une station de stockage d'au moins une partie du biogaz produit par ladite unité de méthanisation et épuré ; et - un dispositif de contrôle pilotant ladite unité de méthanisation, ledit 15 groupe de cogénération et ladite chaudière, configuré de sorte à optimiser la production des énergies au sein dudit système. Ainsi, l'invention propose d'associer, de façon inédite et particulièrement astucieuse, au moins une chaudière et une station de stockage de biométhane à une unité de méthanisation et un groupe de 20 cogénération de façon à pouvoir produire de façon combinée et optimisée de l'électricité, du biométhane et de la chaleur à partir de matières premières renouvelables et de déchets non valorisés. L'invention offre donc une solution pour produire différentes énergies qui présente une efficacité énergétique globale élevée et dont la part des 25 différentes énergies produites peut être adaptée en fonction notamment de l'évolution du prix de ces énergies. En outre, l'invention est particulièrement respectueuse de l'environnement. Elle permet en effet d'éliminer les déchets organiques générés par la consommation humaine (fraction fermentescible des ordures 30 ménagères, boues de stations d'épuration, rejets industriels, déjections 3032777 4 animales à la ferme, ...), de réduire les émissions de gaz à effet de serre (CH4, CO2, N20) et de coproduire un digestat utilisable comme amendement agricole, via la méthanisation, destiné à se substituer aux engrais chimiques. L'intégration d'une chaudière dans ce système est particulièrement 5 astucieuse. Cette chaudière permet en effet notamment d'assurer, via un circuit d'eau chaude reliant les digesteurs à la chaudière, le chauffage des digesteurs pendant la phase de mise en service de l'unité de méthanisation, par exemple suite à un arrêt de l'unité de méthanisation pour des raisons de maintenance, de sorte à porter la température au sein des digesteurs à un 10 niveau requis en régime mésophile ou en régime thermophile. Cette chaudière est avantageusement une chaudière utilisant une énergie renouvelable, à savoir le bois, ou une chaudière permettant de bruler des ordures ménagères. Il convient de noter que dans le cadre de l'invention, le biogaz épuré, ou biométhane, peut être stocké dans la station de stockage sous une forme 15 gazeuse et/ou sous une forme liquide. Le système selon l'invention peut par ailleurs comprendre plusieurs unités de méthanisation, chaudières, groupes de cogénération ou stations de stockage. Avantageusement, un tel système de production combinée d'énergies 20 comprend un réseau de transport de la chaleur produite par ledit groupe de cogénération et/ou ladite chaudière Il peut par exemple s'agir d'un réseau d'eau chaude ou d'un réseau de vapeur. Préférentiellement, le système de production combinée d'énergies tel 25 que décrit ci-dessus comprend une pluralité de véhicules aptes à utiliser ledit biogaz épuré comme carburant, destinés à transporter lesdites matières premières renouvelables et/ou lesdits déchets vers ladite unité de méthanisation et/ou les digestats de ladite unité de méthanisation vers une zone de compostage et/ou une zone de stockage provisoire avant épandage. 3032777 5 Selon un aspect avantageux de l'invention, ledit dispositif de contrôle comprend des moyens de gestion de la quantité de biogaz épuré stockée dans ladite station de stockage de biogaz. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de 5 l'invention, ledit dispositif de contrôle est configuré de sorte à maintenir la capacité de production d'électricité dudit groupe de cogénération entre 70 et 100% de sa capacité maximale. De façon préférentielle, le rendement électrique sur PCI dudit groupe de cogénération est au moins égal à 35%, de préférence est supérieur ou égal 10 à 37% et encore plus préférentiellement est supérieur ou égal à 40%. De façon avantageuse, ledit dispositif de contrôle est configuré de sorte à optimiser la production des énergies au sein dudit système en fonction des tarifs comparés de l'électricité et du gaz. Ainsi, on améliore la rentabilité économique dudit système. 15 Dans au moins un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite station de stockage de biogaz épuré, ou biométhane, est raccordée à un réseau de distribution de gaz naturel. Préférentiellement, lesdites matières premières renouvelables et/ou lesdits déchets comprennent des substances appartenant au groupe 20 comprenant au moins : - lisier ; - boues de station d'épuration ; - déchets organiques de l'industrie agro-alimentaire. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, un tel système 25 comprend au moins une unité de méthanisation supplémentaire implantée dans une exploitation agricole et au moins un véhicule apte à transporter du biogaz produit par ladite unité de méthanisation supplémentaire et épuré de ladite exploitation agricole vers ladite station de stockage. Ainsi, il n'est pas nécessaire de raccorder l'unité de méthanisation 30 supplémentaire au réseau de gaz naturel. 3032777 6 De préférence, ledit véhicule ou ladite exploitation agricole comprend des moyens de compression dudit biogaz épuré à une pression supérieure ou égale à 200 bars et de préférence sensiblement égale à 300 bars. L'invention concerne également un dispositif de contrôle d'un système 5 de production combinée d'énergies tel que décrit ci-dessus. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et 10 des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un système de production combinée d'énergies selon l'invention, sous une forme synoptique ; la figure 2 détaille la réception et le stockage des déchets 15 organiques alimentant l'unité de méthanisation ; la figure 3 illustre un autre exemple de mode de réalisation de système de production combinée d'énergie selon l'invention. 6. Description détaillée de l'invention 6.1. Exemple de mode de réalisation de l'invention 20 Le système de production combinée d'énergies 10 selon l'invention illustré sur la figure 1 comprend une chaufferie au bois 16 et une unité de méthanisation 11 composée de deux digesteurs 12 et d'un post-digesteur 13, reliée d'une part à un groupe de cogénération 14 et d'autre part à une station de stockage de biométhane pour véhicule 15. 25 Ce système de production combinée d'électricité, de biométhane et de chaleur 10 est dimensionné pour assurer une production en énergie électrique, en gaz et en chaleur équivalente aux besoins d'une commune d'environ 5000 habitants. Il est implanté sur un site unique aux abords de cette commune. 3032777 7 Les digesteurs 12 de l'unité de méthanisation 11 sont alimentés en substrats via une cuve de préparation 17 dans laquelle on a mélangé du lisier 19, des boues d'une station d'épuration 110 et des déchets 18 provenant de l'industrie agroalimentaire, dont des déchets inertes 181 de catégorie 3 qui 5 ont été broyés et hygiénisés au préalable. Comme on peut le voir sur la figure 2, qui est une représentation schématique de la zone de réception et de stockage des déchets organiques destinés à alimenter l'unité de méthanisation, ces déchets sont livrés par camion dans le bâtiment de stockage 21 ou amenés par canalisation 22. 10 Chacun de ces déchets est dirigé vers une cuve de stockage spécifique en fonction de sa nature. Ainsi, dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, les déchets solides humides 23, les matières pâteuses 24, telles que certaines boues d'épuration 110, les déchets graisseux 25, les déchets liquide 26, tels que le 15 lisier 19 et les déchets de catégorie 3 de l'industrie agroalimentaire 181 sont stockés dans cinq cuves respectives 27. Dans le bâtiment 21, maintenu en dépression, des trémies de réception dédiées 28 et 29 sont prévues pour recevoir respectivement les déchets de catégorie 3 de l'industrie agroalimentaire 181 et les déchets 20 solides humides 23. Les matières pâteuses 24 et une partie des déchets graisseux sont déversées dans des fosses de dépotage 210 et 211 reliées chacune à la cuve de stockage 27 destinée à recevoir cette substance. Les déchets liquides 26 acheminés par camion sont directement déversés dans la cuve de stockage 27 correspondante. 25 Il est par ailleurs prévu dans le bâtiment 21 un broyeur 213 et une cellule d'hygiénisation des déchets 181 de catégorie 3. Des déchets liquides sont prélevés dans la cuve de stockage de ces déchets par un conduit 212 afin d'assurer une dilution des matières pâteuses. La dilution des déchets de catégories 3 et des déchets solides humides est réalisée en utilisant des 30 digestats liquides 120. 3032777 8 La chaudière de la chaufferie bois 16 permet de chauffer et de maintenir la température dans les digesteurs à 32°C lors de la mise en route de l'unité de méthanisation 11, via un réseau de conduites de vapeur 111 reliant la chaudière aux digesteurs 12. 5 L'hygiénisation des déchets de catégorie 3 est également réalisée à partir de la chaleur fournie par la chaufferie bois. La chaufferie au bois 16 assure aussi le séchage et l'hygiénisation d'une partie de la fraction solide 119 des digestats dans le but d'obtenir de la matière fertilisante (MF) homologuée 118. Une autre partie des digestats est valorisée sous forme de compost 112 10 ou stockée sous forme liquide sur une zone de stockage 113 afin d'être épandue sur des terres agricoles de la commune ou de communes avoisinantes. De 10 à 30% de la fraction liquide 120 des digestats sont dirigés vers une cuve tampon 126, où ils sont prélevés dans le but de diluer les déchets 18 provenant de l'industrie agroalimentaire, le lisier 19 et les boues 15 de station d'épuration 110 ou d'être éliminés dans la station d'épuration de la commune, après avoir subi une combustion dans un oxydeur thermique 127. Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, il peut être envisagé d'utiliser au moins une partie des digestats solides séchés obtenus comme biocombustible, afin par exemple d'alimenter la 20 chaudière du système de production d'énergies et/ou pour se substituer à du combustible fossile. En outre, la chaudière de cette chaufferie 16 délivre en cas de besoin un complément de chauffage à l'eau chaude sortant de l'unité de cogénération 14 qui alimente le réseau de chaleur 115 de la commune. Elle permet 25 également de chauffer un bâtiment 114 hébergeant les bureaux de la société d'exploitation du système de production 10 et une salle de conférence. Il convient de noter que, dans ce mode de réalisation de l'invention, le bois utilisé dans la chaudière de la chaufferie 16 est du bois coupé sur la commune. Il peut notamment s'agir de bois d'élagage sous forme de bûches 30 ou de plaquettes forestières. 3032777 9 Dans des variantes de ce mode de réalisation de l'invention, il peut également être envisagé d'alimenter la chaudière avec des granulés compactés formés notamment de sous-produits de la transformation du bois, tels que de la sciure ou des copeaux. 5 On a également équipé le système de production 10 d'un biofiltre 116 et de deux laveurs chimiques acides 117 qui permettent de traiter les gaz produits par le stock de lisier 19, le stock de boues de station d'épuration 110 et les stocks de déchets 18 provenant de l'industrie alimentaire, ainsi que la matière fermentescible obtenue à partir des digestats. 10 Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, au moins 90% du biogaz brut extrait du post-digesteur 13 est conditionné dans une unité de pré-conditionnement 121, où il est désulfurisé et où la vapeur d'eau qu'il contient est éliminée par condensation, afin de pouvoir être utilisé par le moteur du groupe de cogénération 14. Le biogaz brut excédentaire est brulé 15 dans une torchère 122. Une partie 124 du gaz conditionné dans l'unité de pré-conditionnement 121 est épurée lors de son transit dans une installation de traitement 123, afin de fournir du biométhane qui est compressé dans la station de stockage 15 pour y être stocké. Les impuretés 127 issues de ce traitement sont 20 réinjectées dans le post-digesteur 13. La station de stockage 15 permet de ravitailler un flotte de camion roulant au GNV assurant le transport des déchets, du lisier et des boues d'épuration respectivement d'une usine agroalimentaire voisine, des exploitations agricoles et de la station d'épuration de la commune vers le site 25 d'implantation du système de production combinée d'énergie 10. Le surplus de biométhane stocké est injecté dans le réseau de distribution de gaz naturel 125, ce qui permet d'augmenter la rentabilité du système. L'électricité produite par le groupe de cogénération 14 est revendue à 30 un distributeur d'électricité. 3032777 10 Un dispositif de contrôle (non représenté sur la figure 1) pilote le groupe de cogénération 14. Il permet de maintenir la capacité de production d'électricité du groupe de cogénération 14 entre 70 et 100% de sa capacité maximale et le rendement électrique sur PCI du groupe de cogénération 14 5 entre 35% et 39%, dans ce mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif de contrôle centralisé pilote également l'unité de méthanisation 11, la chaudière de la chaufferie au bois 16 et les réserves de gaz de la station de stockage 15. Il est configuré de sorte à optimiser la production des énergies au sein du système 10 en fonction des tarifs 10 comparés de l'électricité et du gaz et présente un module de gestion de la quantité de biométhane stocké dans la station de stockage. Ainsi, par exemple lorsque le prix de l'électricité reste stable et le prix du gaz chute, le dispositif de contrôle privilégie une utilisation du biogaz produit par l'unité de méthanisation dédiée à la production électrique et un 15 stockage du biogaz excédentaire dans la limite de la capacité de la station de gaz. La capacité de production du groupe de cogénération est alors augmentée progressivement, par exemple jusqu'à 90% de sa capacité maximale, et le biogaz épuré restant est compressé pour être stocké dans la station de stockage, dans l'attente de le réinjecter dans le réseau de gaz 20 naturel, lorsque le cours du gaz augmentera à nouveau. 6.2. Autre exemple de mode de réalisation de l'invention On a représenté en référence à la figure 3 un autre exemple de système de production combinée d'énergies selon l'invention. Ce système de production combinée d'énergie 30 comprend un centre 25 énergétique territorial 35 équipé d'une chaudière à ordures ménagères 31, d'une unité de méthanisation 32, d'un groupe de cogénération 33 et d'une station de stockage de biométhane 34. Il comprend également deux unités de méthanisation supplémentaires 361 et 371 et leurs réservoirs de stockage de biométhane 362 et 372 30 implantées respectivement sur des exploitations agricoles 36 et 37. 3032777 11 Le biométhane produit par les unités de méthanisation est stocké sous une faible pression relative, d'environ 10 millibars, dans les réservoirs semisphériques de stockage 362 et 372. Le biométhane contenu dans les réservoirs de stockage 362 et 372 est de façon avantageuse acheminé vers la 5 station par un camion citerne 38 roulant au GNV. Le camion citerne 38 est à cet effet équipé d'un compresseur 300 bars permettant de charger un partie substantielle du biométhane des réservoirs 362 et 372 dans la citerne du camion 38 pour le transporter vers la station de stockage 34, où le biométhane contenu dans la citerne est injecté directement dans les cuves de 10 la station de stockage 34. REVENDICATIONS1. Système de collecte de biogaz produit par une unité de méthanisation (361;371) implantée dans une exploitation agricole (36;37) et épuré, caractérisé en ce qu'il comprend : - une station de stockage de biogaz épuré (34) raccordée à un réseau de distribution de gaz naturel ; et - au moins un véhicule (38) destiné à transporter ledit biogaz épuré de ladite unité de méthanisation (361;371) jusqu'à ladite station de stockage (34). 2. Système de collecte de biogaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit véhicule (38) est un camion citerne. 3. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit véhicule (38) est apte à utiliser ledit biogaz épuré comme carburant. 4. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compression dudit biogaz épuré à une pression supérieure ou égale à 200 bars, équipant ledit véhicule (38) ou ladite exploitation agricole (36;37). 5. Système de collecte de biogaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression dudit biogaz épuré sont aptes à comprimer ledit biogaz épuré à une pression sensiblement égale à 300 bars. 6. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression équipant ledit véhicule (38) sont destinés à comprimer une partie substantielle du biogaz produit par ladite unité de méthanisation (361;371) pour pouvoir le transporter jusqu'à ladite station de stockage (34) en un seul trajet. 7. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le biogaz épuré est stocké dans ladite station de stockage (34) sous une forme liquide. 3032777 13 8. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le biogaz épuré est stocké dans ladite station de stockage (34) sous une forme gazeuse. 9. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 8, caractérisé en ce que ladite station de stockage de biogaz (34) est reliée à un groupe de cogénération (33). 10. Système de collecte de biogaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de gestion de la quantité de biogaz épuré stockée dans ladite station de stockage de biogaz (34). 10