Brevet FR3043690A1 — publié le 20170519

La présente invention est relative à une installation et à un procédé de production de biométhane à partir de biomasse lignocellulosique. Dans le cadre de sa valorisation, le biométhane - en tant que substitut renouvelable au gaz naturel ayant les mêmes caractéristiques que celui-ci - peut être injecté dans un réseau de distribution ou de transport de gaz naturel qui permet de relier producteurs de gaz et consommateurs. Le biométhane est obtenu à partir de biogaz. Le biogaz est un gaz produit par la fermentation naturelle ou artificielle de matières organiques végétales ou animales (la méthanisation). Il contient majoritairement du méthane (CH4) du dioxyde de carbone (CO2), mais également - en moindre proportion - de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces. Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces. Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il 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 sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « 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 que le gaz naturel d'origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (GNL)... 3043690 2 Les modes de valorisation du biométhane sont déterminés en fonction des contextes locaux : besoins énergétiques locaux, possibilités de valorisation en tant que biométhane carburant, existence à proximité de réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel notamment. Créant des synergies entre les différents acteurs oeuvrant sur un territoire (agriculteurs, 5 industriels, pouvoirs publics), la production de biométhane aide les territoires à acquérir une plus grande autonomie énergétique. L'épuration du biogaz en biométhane consiste principalement en la séparation du CO2 et du CH4. Revenons-en à la production de biogaz. Comme expliqué ci-dessus le biogaz est produit par 10 méthanisation. Lors de la méthanisation, plus la matière initiale est accessible aux micro- organismes, plus ces derniers la dégradent et plus la productivité en biogaz augmente. La matière lignocellulosique est le constituant principal de la paroi cellulaire des plantes. Elle est la source de carbone renouvelable la plus abondante de la planète. Elle est constituée de trois éléments majeurs qui sont la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. Or la matière 15 lignocellulosique n'est pas facilement dégradable. Lors de la production de biogaz par méthanisation, de la matière végétale ou animale est traitée par fermentation anaérobie : des microorganismes dégradent la matière et produisent un gaz composé de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi que des composés à l'état de trace, ce gaz est nommé biogaz. Plus la matière initiale est accessible aux micro-organismes, plus ceux- 20 ci les dégradent. Ainsi, la matière lignocellulosique ne l'est pas facilement. Des prétraitements existent dans le but de la rendre plus assimilable. Ce prétraitement peut être réalisé de façon mécanique, grâce à un broyeur. C'est un procédé économiquement intéressant et déjà éprouvé au niveau industriel. Des traitements thermiques peuvent être appliqués à la matière. Bien qu'un peu moins rentable, ils permettent aussi de 25 dégrader les molécules complexes et de les rendre plus accessibles aux micro-organismes de la méthanisation. Le prétraitement biologique consiste à faire dégrader la matière par des microorganismes ou des enzymes particuliers. Sélectionner des souches de bactéries est économiquement intéressant. En revanche, l'intérêt économique de l'utilisation d'enzymes est moins grand, bien qu'existant. 3043690 3 Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une solution améliorée pour la production biométhane à partir de biomasse lignocellulosique. Une solution de la présente invention est une installation de production de biométhane 2 à partir de biomasse lignocellulosique 1 comprenant au moins : 5 - un méthaniseur 3 permettant la production de biogaz 4, - un système d'épuration 5 du biogaz permettant la production de biométhane 2 et de dioxyde de carbone 10, - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente 6 - 7 - 8 permettant la production de neige carbonique 11 à partir du dioxyde de carbone issu du système d'épuration du biogaz, 10 - un cryo-broyeur 9 permettant de broyer à l'aide de la neige carbonique 11 issue de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente 6 - 7 - 8 la biomasse lignocellulosique 1 avant son introduction dans le méthaniseur 3. Un cryo-broyeur est un broyeur équipé en amont de l'étape de cisaillement de la matière d'une rampe d'injection de gaz (azote liquide ou neige carbonique principalement). L'injection de gaz fragilise et permet un broyage plus efficace. 15 L'utilisation d'un cryo-broyeur et de neige carbonique permet de dégrader plus efficacement la biomasse lignocellulosique et donc d'augmenter la production de biogaz dans le méthaniseur. Selon le cas, l'installation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le système d'épuration 5 est choisi entre un système d'épuration membranaire et un système 20 d'épuration cryogénique. - le compresseur 6 est apte à comprimer le dioxyde de carbone 10 à une pression supérieure à 40 bar, soit à une température de saturation minimum de 5°C. - le condenseur 7 et la vanne de détente 8 sont tels qu'en sortie de l'ensemble compresseurcondenseur-vanne de détente le dioxyde de carbone transformé en neige carbonique 11 à 25 pression atmosphérique est à une température de -78°C. La présente invention a également pour objet un procédé de production de biométhane à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en oeuvre une installation selon l'invention et comprenant les étapes successives suivantes : a) cryo-broyage 9 de biomasse lignocellulosique 1 au moyen de neige carbonique 11, 3043690 4 b) méthanisation 3 de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz 4, c) épuration 5 du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire du biométhane (2) et du dioxyde de carbone 10, d) compression 6 du dioxyde de carbone 10 produit à l'étape c) à une pression supérieure à 40 5 bar, e) condensation 7 et détente 8 du dioxyde de carbone comprimé de manière à obtenir la neige carbonique 11 nécessaire à l'étape a). Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 10 - qu'à l'étape c) l'épuration 5 du biogaz est choisie entre une épuration membranaire et une épuration cryogénique. - la neige carbonique 11 obtenue à l'étape e) est à une température de -78°C. - à l'étape d) la compression 6 du dioxyde de carbone libère une énergie thermique qui est utilisée pour chauffer le méthaniseur 3 à une température supérieure à 30°C ou pour hygiéniser 15 la biomasse avant sa méthanisation. La température d'un méthaniseur doit être de manière générale maintenue à une température supérieure à 30°C. L'hygiénisation quant à elle consiste à réduire par chauffage les agents pathogènes à des taux acceptables. - la biomasse lignocellulosique 1 est de la paille ou des déchets de récoltes ou des déchets forestiers, La paille est la partie de la tige de certaines céréales (dites céréales à paille) coupée 20 lors de la moisson. - le biométhane 2 récupéré à l'étape c) est envoyé dans un réseau de gaz naturel. Dans le cadre de l'invention, l'épuration du biogaz s'effectue soit par épuration membranaire soit par épuration cryogénique. Dans le cas d'une épuration membranaire, le dioxyde de carbone en sortie d'épuration 25 membranaire est sous forme gazeuse, à pression atmosphérique et contient de 0.5 à 1% de méthane ainsi que des quantités infimes en sulfure d'hydrogène et en eau. Il serait comprimé (passage de 1 à 40 bar environ), puis condensé (grâce par exemple à un aéroréfrigérant) et détendu. A la sortie du détendeur, la température serait de - 78 °C. 3043690 5 La neige carbonique ainsi formée alimenterait un cryo-broyeur. Celui-ci broierait ainsi la paille ou autres déchets végétaux en morceaux de l'ordre du millimètre. La paille ainsi broyée alimenterait le méthaniseur et améliorerait la production de biométhane. Dans le cas d'un méthaniseur traitant 25 000 tonnes de biomasse agricole par an dont 6250 5 tonnes sont de la biomasse lignocellulosique, on obtient la production de 92 kilo de neige carbonique par heure. Ceux-ci permettent de traiter biomasse lignocellulosique et d'augmenter ainsi la production de biométhane de 9 %. En effet, la biomasse lignocellulosique ainsi traitée augmenterait de 30 % la production de méthane, or cette paille correspond à 30 % du tonnage de biomasse. Cette augmentation suffit à rendre rentable économiquement l'investissement et 10 l'utilisation d'un cryo-broyeur, en prenant l'hypothèse d'un biométhane valorisé à 85 E/MWh (cas de la France). En effet, d'après l'analyse économique d'un tel projet, une augmentation de la production de méthane de 1.8 % suffit à rendre intéressant économiquement le cryobroyage. Cela est sous l'hypothèse de la présence initiale d'un broyeur. Si la séparation entre le dioxyde de carbone et le méthane se fait par épuration cryogénique et 15 grâce à la différence de température d'ébullition de ces molécules (- 78 °C et - 160 °C respectivement) alors le dioxyde de carbone est à une température négative (vers - 60°C) et à une pression comprise entre 17 et 26 bar en sortie du système de séparation. Cela permet des coûts moins élevés de compression du gaz et une rentabilité plus importante. Cependant, le coût de l'épuration cryogénique est plus important que le coût de la séparation membranaire. 20 C'est seulement dans le cas où ce système de séparation cryogénique est déjà installé que l'on optera pour une séparation cryogénique plutôt que pour une séparation membranaire. 25 REVENDICATIONS1. Installation de production de biométhane (2) à partir de biomasse lignocellulosique (1) comprenant au moins : - un méthaniseur (3) permettant la production de biogaz (4), - un système d'épuration (5) du biogaz permettant la production de biométhane (2) et de dioxyde de carbone (10), - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6 - 7 - 8) permettant la production de neige carbonique (11) à partir du dioxyde de carbone issu du système d'épuration du biogaz, - un cryo-broyeur (9) permettant de broyer à l'aide de la neige carbonique (11) issue de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente (6 - 7 - 8) la biomasse lignocellulosique (1) avant son introduction dans le méthaniseur (3). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système d'épuration (5) est choisi entre un système d'épuration membranaire et un système d'épuration cryogénique. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le compresseur (6) est apte à comprimer le dioxyde de carbone (10) à une pression supérieure à 40 bar. 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le condenseur (7) et la vanne de détente (8) sont tels qu'en sortie de l'ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente le dioxyde de carbone transformée en neige carbonique (11) à pression atmosphérique est à une température de -78°C. 5. Procédé de production de biométhane à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en oeuvre une installation selon l'une des revendications 1 à 4 et comprenant les étapes successives suivantes : a) cryo-broyage (9) de biomasse lignocellulosique (1) au moyen de neige carbonique (11), 25 3043690 7 b) méthanisation (3) de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz (4), c) épuration (5) du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire du biométhane (2) et du dioxyde de carbone (10), 5 d) compression (6) du dioxyde de carbone (10) produit à l'étape c) à une pression supérieure à 40 bar, e) condensation (7) et détente (8) du dioxyde de carbone comprimé de manière à obtenir la neige carbonique (11) nécessaire à l'étape a). 10 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'à l'étape c) l'épuration (5) du biogaz est choisie entre une épuration membranaire et une épuration cryogénique. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la neige carbonique (11) obtenue à l'étape e) est à une température de -78°C. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape d) la compression (6) du dioxyde de carbone libère une énergie thermique qui est utilisée pour chauffer le méthaniseur (3) à une température supérieure à 30°C ou pour hygiéniser la biomasse avant sa méthanisation. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la biomasse lignocellulosique (1) est de la paille ou des déchets de récoltes ou des déchets forestiers. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le biométhane (2) récupéré à l'étape c) est envoyé dans un réseau de gaz naturel. 15 20