Brevet FR3043689A1 — publié le 20170519

La présente invention est relative à une installation et à un procédé de production d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique. La cogénération consiste à produire en même temps et dans une même installation de l'énergie thermique (chaleur) et de l'énergie mécanique transformée en énergie électrique grâce à un alternateur. Un combustible utilisé pour la cogénération est le 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. Comme expliqué ci-dessus le biogaz est produit par méthanisation. Lors de la méthanisation, plus la matière initiale est accessible aux micro-organismes, plus ces derniers les dégradent et plus la production de 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 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 3043689 2 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-ci les dégradent. Ainsi, la matière lignocellulosique ne l'est pas facilement. Des prétraitements existent dans le but de la rendre plus assimilable. 5 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 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 micro- 10 organismes 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. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une solution améliorée pour la production d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique. 15 Une solution de la présente invention est une installation de production d'énergie électrique et d'énergie thermique 2 à partir de biomasse lignocellulosique 1 comprenant au moins : - un méthaniseur 3 permettant la production de biogaz 4, - un système de cogénération 5 du biogaz associé à un alternateur permettant la production d'énergie thermique et d'énergie électrique 2 et le rejet de dioxyde de carbone 10, 20 - un ensemble compresseur-condenseur-vanne de détente 6 - 7 - 8 permettant la production de neige carbonique 11 à partir du dioxyde de carbone 10 rejeté par le système de cogénération, - 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 25 introduction dans le méthaniseur 3. Un cryobroyeur 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. 3043689 3 L'utilisation d'un cryo-broyeur et de neige carbonique permet de mieux dégrader 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 : 5 - le système de cogénération 5 est choisi entre un moteur à gaz et moteur dual-fuel. - le compresseur 6 est apte à comprimer le dioxyde de carbone 10 à une pression supérieure à 40 bar, soit 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 transformée en neige carbonique (11) à 10 une pression atmosphérique est à une température de -78°C. Dans le cadre de l'invention, deux types de moteur de cogénération du biogaz peuvent être utilisés : - le moteur à gaz qui ne fonctionne qu'au biogaz, et - le moteur dual-fuel dans lequel l'injection d'une petite quantité de fioul (10% de l'énergie 15 consommée) est utilisée pour enflammer le mélange air/biogaz. Ce type de moteur est couteux à l'investissement et engendre des frais d'achat et de stockage de fioul, mais le rendement électrique est meilleur que pour un moteur à gaz surtout pour les petites puissances. La présente invention a également pour objet un procédé d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en oeuvre une installation selon 20 l'invention et comprenant les étapes successives suivantes : a) cryo-broyage 9 de biomasse lignocellulosique 1 au moyen de neige carbonique 11, b) méthanisation 3 de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz 4, c) cogénération 5 du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire de l'énergie thermique et de l'énergie électrique 2 et à rejeter du dioxyde de carbone 10, 25 d) compression 6 du dioxyde de carbone 10 rejeté 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). 3043689 4 Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - à l'étape c) la cogénération du biogaz utilise comme combustible du biogaz ou un mélange biogaz - fioul. 5 - 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 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 10 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 forestier. La paille est la partie de la tige de certaines céréales (dites céréales à paille) coupée lors de la moisson. - l'énergie électrique 2 récupérée à l'étape c) est envoyée dans un réseau électrique. 15 - l'énergie thermique récupérée à l'étape c) est utilisée pour le chauffage ou la production d'eau chaude. L'énergie thermique peut par exemple être utilisée pour chauffer les serres agricoles. Dans le cadre de l'invention, le dioxyde de carbone en sortie d'épuration membranaire est sous forme gazeuse, à pression 40 bar. Il serait comprimé (passage de 1 à 40 bar environ), puis condensé (grâce par exemple à un 20 aéroréfrigérant) et détendu. A la sortie du détendeur, la température serait de - 78 °C. 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 d'énergie électrique et d'énergie thermique 25 Dans le cas d'un méthaniseur traitant 25 000 tonnes de biomasse agricole par an dont 6250 tonnes sont de la biomasse lignocellulosique, on obtient la production de 92 kilo de neige carbonique par heure. Ceux-ci permettent de traiter la biomasse lignocellulosique et d'augmenter ainsi la production d'énergie de 9 %. REVENDICATIONS1. Installation de production d'énergie électrique et d'énergie thermique (2) à partir de biomasse lignocellulosique (1) comprenant au moins : - un méthaniseur (3) permettant la production de biogaz (4), - un système de cogénération (5) du biogaz associé à un alternateur permettant la production d'énergie thermique et d'énergie électrique(2) et le rejet 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 (10) rejeté par le système de cogénération, - 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 de cogénération (5) est choisi entre un moteur à gaz et moteur dual-fuel. 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 d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir de biomasse lignocellulosique, mettant en oeuvre une installation selon l'une des revendications 1 à 4 et comprenant les étapes successives suivantes : 3043689 6 a) cryo-broyage (9) de biomasse lignocellulosique (1) au moyen de neige carbonique (11), b) méthanisation (3) de la biomasse lignocellulosique broyée de manière à produire du biogaz (4), c) cogénération (5) du biogaz produit à l'étape b) de manière à produire de l'énergie thermique 5 et de l'énergie électrique (2) et à rejeter du dioxyde de carbone (10), d) compression (6) du dioxyde de carbone (10) rejeté 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) la cogénération du biogaz utilise comme combustible du biogaz ou un mélange biogaz - fioul 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la neige carbonique (11) 15 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 20 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 forestier. 25 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'énergie électrique (2) récupérée à l'étape c) est envoyée dans un réseau électrique. 11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que l'énergie thermique récupérée à l'étape c) est utilisée pour le chauffage ou la production d'eau chaude.