Brevet FR3050656A1 — publié le 20171103

La présente invention est relative à un procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique. 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)... Les modes de valorisation du biométhane sont déterminés en fonction des contextes locaux : besoins énergétiques locaux, possibilités de valorisation en tant que biométhane carburant, 3050656 2 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, industriels, pouvoirs publics), la production de biométhane aide les territoires à acquérir une plus grande autonomie énergétique. 5 La présente invention se propose de fournir un procédé simplifié de production de biométhane. Une solution de la présente invention est un procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique à partir d'un flux de biogaz 1 comprenant du méthane et du dioxyde de carbone comprenant : - une première étape de production de biométhane 4 par séparation cryogénique du flux de 10 biogaz 1 dans un régénérateur cryogénique 3, - une deuxième étape de liquéfaction du biométhane 4 dans un échangeur, avec la première et la deuxième étape mettant en oeuvre un circuit unique d'azote. Par « circuit unique d'azote » on entend un procédé dans lequel l'azote utilisé dans la première étape provient exclusivement de l'azote vaporisé dans la deuxième étape. 15 Par « régénérateur cryogénique » on entend un échangeur de type régénérateur opérant à température cryogénique. Selon le cas le procédé selon l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - la première étape de production de biométhane comprend les étapes successives suivantes: 20 i) introduction du biogaz 1 à une pression comprise entre 3 et 15 bar dans un régénérateur cryogénique, ii) refroidissement du biogaz 1 au contact de la matrice contenue dans le régénérateur cryogénique et préalablement refroidie par le flux d'azote 2 jusqu'à solidification du dioxyde de carbone, (la matrice a été préalablement refroidie de façon à présenter un profil de 25 température allant de la température ambiante à l'extrémité ou est injecté le biogaz jusqu'à une température inférieure à -90°C à l'extrémité où sort le biogaz) et iii) récupération d'un flux de biométhane gazeux 4, et la deuxième étape de liquéfaction du biométhane comprend les étapes successives suivantes : 3050656 3 iv) introduction du flux de biométhane gazeux 4 récupéré à l'étape iii) et du flux d'azote liquide (7) dans un échangeur 6, v) liquéfaction du flux de biométhane gazeux 4 dans l'échangeur 6 par échange thermique avec l'azote liquide 7, et 5 vi) récupération d'un flux de biométhane liquide 8. - le circuit d'azote liquide comprend un passage en série du flux d'azote liquide dans l'échangeur 6 puis dans le régénérateur cryogénique 3. - la température de l'azote liquide 7 à l'étape iv) est comprise entre -196°C et -190°C et la température de l'azote 2 à l'étape i) est comprise entre -196°C et -120°C. 10 - le régénérateur cryogénique comprend une première et une deuxième bouteille 3a et 3b, ledit procédé comprend une troisième étape de régénération, et la première bouteille 3a subit la première étape de production tandis que la deuxième bouteille 3b subit la troisième étape de régénération avant d'être inversées. - la troisième étape de régénération comprend un balayage de la deuxième bouteille 3b par un 15 flux d'azote 2 issu de l'échangeur à une pression comprise entre 1 bar et 3 bar jusqu'à sublimation du CO2 solidifié. - l'échangeur 6 fonctionne en continu. - le biométhane liquide 8 est envoyé dans un stockage. La présente invention va à présent être décrite plus en détail à l'aide de la figure 1. 20 L'installation représentée figure 1 comprend un régénérateur cryogénique 3 avec deux bouteilles, une première bouteille 3a et une deuxième bouteille 3b. La deuxième bouteille 3b subit la troisième étape de régénération. Autrement dit, la deuxième bouteille 3b est balayée par le flux d'azote 2 et la pression basse du flux d'azote comprise entre 1 et 3 bars permet la sublimation et l'évacuation du dioxyde de carbone solidifié et piégé dans la matrice. Ce 25 balayage d'azote permet également de refroidir la matrice comprise dans la deuxième bouteille 3b et d'obtenir un profil de température compris entre la température ambiante et une température inférieure à -90°C. Après ce refroidissement de la matrice comprise dans la deuxième bouteille, la première bouteille et la deuxième bouteille sont inversées ; autrement dit la deuxième bouteille 3b devient la première bouteille 3a et va subir l'étape de production 3050656 4 de biométhane et la première bouteille 3a devient la deuxième bouteille 3b et va subir à son tour l'étape de régénération. Cette inversion est rendue possible par un jeu de vannes. Le biogaz à une pression comprise entre 3 et 15 bars est introduit dans la première bouteille 3a et se refroidi à une température inférieure à -90°C au contact de la matrice refroidie lors de l'étape 5 de régénération. Ce refroidissement entraine la solidification du dioxyde de carbone qui reste alors piégé dans la matrice. On récupère en sortie de la première bouteille du biométhane gazeux 4 qui est ensuite liquéfié dans un échangeur 6 par échange thermique avec un flux d'azote liquide 7. Notons que le flux d'azote liquide correspond au flux amont du flux d'azote utilisé à l'étape de régénération. Un flux de biométhane liquide est récupéré en sortie de 10 l'échangeur. Notons que l'azote liquide 7 peut provenir d'un réservoir de stockage d'azote. Il faut 3 kg d'azote pour liquéfier 1 kg de biométhane. REVENDICATIONS1. Procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique à partir d'un flux de biogaz (1) comprenant du méthane et du dioxyde de carbone comprenant : - une première étape de production de biométhane (4) par séparation cryogénique du flux de biogaz (1) dans un régénérateur cryogénique (3), - une deuxième étape de liquéfaction du biométhane (4) dans un échangeur, avec la première et la deuxième étape mettant en oeuvre un circuit unique d'azote. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la première étape de production de biométhane comprend les étapes successives suivantes: i) introduction du biogaz (1) à une pression comprise entre 3 et 15 bar dans un régénérateur cryogénique (3), ii) refroidissement du biogaz (1) au contact de la matrice contenue dans le régénérateur cryogénique et préalablement refroidie par le flux d'azote (2) jusqu'à solidification du dioxyde de carbone, et iii) récupération d'un flux de biométhane gazeux (4), et - la deuxième étape de liquéfaction du biométhane comprend les étapes successives suivantes : iv) introduction du flux de biométhane gazeux (4) récupéré à l'étape iii) et du flux d'azote liquide (7) dans un échangeur (6), v) liquéfaction du flux de biométhane gazeux (4) dans l'échangeur (6) par échange thermique avec l'azote liquide (7), et vi) récupération d'un flux de biométhane liquide (8). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'azote liquide comprend un passage en série du flux d'azote liquide dans l'échangeur(6) puis dans le régénérateur cryogénique (3). 3050656 6 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la température de l'azote liquide (7) à l'étape iv) est comprise entre -196°C et -190°C et la température de l'azote (2) à l'étape i) est comprise entre -196°C et -120°C. 5 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que : - le régénérateur cryogénique (3) comprend une première et une deuxième bouteille (3a) et (3b), - ledit procédé comprend une troisième étape de régénération, et - la première bouteille (3a) subit la première étape de production tandis que la deuxième 10 bouteille (3b) subit la troisième étape de régénération avant d'être inversées. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la troisième étape de régénération comprend un balayage de la deuxième bouteille par un flux d'azote (2) issu de l'échangeur (6) à une pression comprise entre 1 bar et 3 bar jusqu'à sublimation du CO2 solidifié. 15 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'échangeur (6) fonctionne en continu. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le biométhane liquide (8) 20 est envoyé dans un stockage.