Brevet FR3111911A1 — publié le 20211231

Installation de production de biogaz comprenant un digesteur 1 et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte 2 renfermant la biomasse 4, caractérisée en ce que la paroi latérale de l’enceinte 2 est tapissée au moins en partie d’un matériau M 5 conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone. Digesteur de biomasse comprenant une paroi tapissée d’un matériau conducteur d’électricité et comprenant du carbone La présente invention est relative à une installation et un procédé pour la production de biogaz. Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l’absence d’oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s’agir d’une dégradation naturelle – on l’observe ainsi dans les marais ou les décharges d’ordures ménagères – mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, et dont les conditions sont contrôlées, appelé méthaniseur ou digesteur, puis dans un post-digesteur, similaire au digesteur et permettant de pousser plus loin la réaction de méthanisation. On appellera biomasse tout groupement de matières organiques pouvant se transformer en énergie à travers ce processus de méthanisation, par exemple les boues de station d'épuration, fumiers/lisiers, résidus agricoles, déchets alimentaires... Le digesteur, c’est-à-dire le réacteur dédié à la méthanisation de la biomasse, est une enceinte fermée, chauffée ou non (opération à une température fixée, entre la température ambiante et 55°C) et dont le contenu constitué de la biomasse est brassé, en continu ou séquentiel. Les conditions dans le digesteur sont anaérobies et le biogaz généré se retrouve dans l'espace de tête du digesteur (ciel gazeux), où il est prélevé. Les post-digesteurs sont similaires aux digesteurs. De par ses constituants principaux – méthane et dioxyde de carbone – le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d’énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles. Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH 4 ) et du dioxyde de carbone (CO 2 ) dans des proportions variables en fonction du mode d’obtention et du substrat, mais peut également contenir, en moindres proportions de l’eau, de l’azote, de l’hydrogène sulfuré (H 2 S), de l’oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l’état de traces, dont le H2S, entre 10 et 50,000 ppmv. 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 CO 2 , 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 cœur 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 (bioGNL)… À l'heure actuelle la filière industrielle de la méthanisation est face à un défi: obtenir une meilleure conversion de la biomasse en biogaz lors de la digestion anaérobie. Cela peut notamment être obtenu en ajoutant des additifs dans la biomasse afin de favoriser les activités biologiques et limiter certaines inhibitions. Une solution couramment envisagée est l'ajout de ces additifs sous forme de granulés ou de poudres directement dans la trémie. Un des inconvénients potentiels de ce type d'ajout est que les additifs traversent trop rapidement les réacteurs et que les communautés microbiennes qui les ont colonisées, potentiellement intéressantes pour accélérer le procédé de digestion anaérobie, soient lixiviées. De plus, il est difficilement envisageable de récupérer sélectivement en sortie de méthanisation ces matériaux afin de les recirculer. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation permettant une meilleure conversion de la biomasse en biogaz et ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus. Une solution de la présente invention est une installation de production de biogaz comprenant un digesteur 1 et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte 2 renfermant la biomasse 4, caractérisée en ce que la paroi latérale de l’enceinte 2 est tapissée au moins en partie d’un matériau M 5 conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone. Le matériau M sera ainsi lors du fonctionnement du digesteur et/ou du post-digesteur et/ou de la cuve de stockage totalement immergé et donc au contact de la biomasse. L’intérêt des matériaux conducteur d’électricité et comprenant du carbone est d’améliorer la thermodynamique, la cinétique de la digestion anaérobie, mais également la capacité adaptative du procédé à des stress environnementaux (acidose, alcalose, rapide changement de température). Les principaux mécanismes identifiés à l’heure actuelle sont les suivantes : (i) ces matériaux peuvent servir de support physique pour la croissance de communautés microbiennes électroactives qui sont capables d’échanger directement des électrons via ces matériaux. Cela accélère grandement les échanges d’électrons entre les bactéries fermentaires et les méthanogènes permettant une conversion plus rapide des substrats en biogaz ; (ii) ces matériaux peuvent aider à dégrader les polluants organiques ou minéraux, potentiels inhibiteurs de la digestion anaérobie ; (iii) ces matériaux peuvent adsorber les acides gras volatils et l’ammoniac limitant leurs impacts sur les communautés microbiennes (iv) ces matériaux peuvent diminuer le potentiel d’oxydo-réduction du milieu, ce qui a tendance à favoriser les activités microbiennes anaérobies. Cette solution, en assurant le maintien du matériau de carbone dans l’enceinte, permet de garantir au cours du temps les bénéfices sur la méthanisation cités ci-dessus via notamment la préservation des populations microbiennes colonisatrices. Autrement dit, la solution selon l’invention permet d’améliorer les rendements, d’accélérer la production de biogaz, de rendre plus stable le procédé et ainsi rendre le fonctionnement des méthaniseurs plus rentable. Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : le sol de l’enceinte est tapissé au moins en partie du matériau M, le volume de l’enceinte est réparti entre le matériau M, la biomasse et le ciel gazeux et en ce que le matériau de carbone est entièrement immergé dans la biomasse, Par « ciel gazeux » on entend l'espace dans le digesteur, post-digesteur ou la cuve de stockage contenant du gaz (par opposition à l'espace ou volume utile qui contient le liquide, c’est-à-dire la biomasse), le matériau M est du feutre ou un tissu à base de fibre de carbone, le matériau M est collé sur la paroi latérale de l’enceinte et/ou sur le sol de de l’enceinte. le matériau M est maintenu contre la paroi latérale de l’enceinte et/ou contre le sol de l’enceinte à l’aide d’une structure, de préférence une structure grillagée. À titre d’exemple, le matériau M sera maintenu à l'aide de chevillage, à l'aide d'une structure grillagée ou de tout autres systèmes permettant un maintien efficace au cours du temps entre le béton et ce matériau carboné. la teneur en matériau M dans l’enceinte est comprise entre 0,1 et 10 g/L de volume utile de l’enceinte ; le matériau M comprend au moins 50% de carbone, de préférence au moins 60% de carbone, encore plus préférentiellement au moins 90% de carbone. La illustre une installation selon l’invention. La représente un digesteur 1 comprenant une enceinte en béton 2. L’enceinte en béton renferme le ciel gazeux 3 et la biomasse 4. A la fin de la méthanisation la biomasse aura été transformée en biogaz et en digestat. Le biogaz se retrouvera dans le ciel gazeux et le digestat remplacera la biomasse. On voit le matériau M 5 positionné contre la paroi et le sol de l’enceinte en béton. La référence 6 souligne la limite entre la biomasse et le ciel gazeux. La présente invention a également pour objet un procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’invention, comprenant : L’injection de biomasse dans le digesteur et Le brassage de la biomasse dans le digesteur. L’invention pourra comprendre préférentiellement l’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur. De préférence, le brassage de la biomasse est réalisé de manière à favoriser un transfert du gaz d’oxydation vers la paroi interne de l’enceinte, autrement dit vers le matériau M. Le gaz d’oxydation sera de préférence de l’oxygène ou de l’air ou de l’air enrichi. Les avantages de la solution selon l’invention par rapport aux solutions mettant en œuvre uniquement l’introduction d’une poudre de matériau de carbone dans la biomasse sont : Temps de résidence du matériau de carbone dans l’enceintepar rapport au temps de résidence de la poudre de carbone, ce qui permet la colonisation des microorganismes sur le long terme, Pas d'ajout régulier de matériau de carbone nécessaire puisque le matériau de carbone est fixé dans l’enceinte, Effet isolant supplémentaire permettant un meilleur maintien en température du digesteur. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail à l’aide de l’exemple ci-dessous se concentrant sur la modification d'un digesteur et l'utilisation de feutre de carbone. Un méthaniseur se composant d'un digesteur, post-digesteur et d'une cuve de stockage voit son digesteur modifié selon notre invention. Le digesteur a un volume utile de 2000 m 3 , la concentration en feutre de carbone souhaitée est de 1 g/L utile de réacteur (ici cela correspond à 2 tonnes). Cette quantité de feutre de carbone permet d'envisager une augmentation de l'activité méthanogène au sein du digesteur et une meilleure stabilité du procédé en lien avec les mécanismes décrits auparavant. L'augmentation du rendement méthane du procédé est comprise entre 1 et 30%. L'opérateur peut également accroître jusqu'à 25% la charge organique appliquée préalablement définie comme optimale sans risque majeur d'inhibition de la digestion anaérobie. Le digesteur a la structure circulaire suivante: une hauteur en liquide de 8 mètres et un rayon de 8,92 mètres, celui-ci a donc une paroi intérieure de 448 m2 et un fond de 250 m2. Du feutre de carbone de densité 0,14 g/cm3 est ici utilisé. En recouvrant le fond de l’enceinte et les parois, cela représente une surface d'environ 700 m2 avec une épaisseur d'environ 2 centimètres (représente un volume d'environ 14 m3). Avec un coût estimé entre 20 et 30 dollars par kilo pour le feutre de carbone, cette solution coûterait en matière première entre 40k€ et 60k€. Il faudrait également rajouter le coût de la fixation qui pourrait être similaire en coût à la pose d'isolant en bâtiment 20-30 euros/m2 (main d'oeuvre et taxes comprises). Ainsi l'installation en termes de CAPEX serait entre 54k€ et 81k€. Si on se base sur la même durée de vie que l'exploitation (20 ans), cela correspond à un CAPEX annualisé entre 2,7 et 4,05k€. Sur un méthaniseur de taille moyenne à 160 Nm 3 /h de biométhane (8200 heures de fonctionnement) et un tarif de rachat pessimiste de 60 euros/MWh, la revente du biométhane permet un revenu approchant 800k€/an. Les augmentations de rendement méthane du procédé grâce à cette installation permettent de rendre cet exemple rentable (environ 0,3-0,5% minimum d'augmentation de la production de méthane sont nécessaire pour la rentabiliser). Installation de production de biogaz comprenant un digesteur (1) et/ou un post-digesteur de biomasse et/ou une cuve de stockage comprenant une enceinte (2) renfermant la biomasse (4), caractérisée en ce que la paroi latérale de l’enceinte est tapissée au moins en partie d’un matériau M (5) conducteur d’électricité et comprenant au moins 30% de carbone. Installation de production de biogaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sol de l’enceinte est tapissé au moins en partie du matériau M. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le volume libre de l’enceinte est réparti entre le matériau M, la biomasse et le ciel gazeux et en ce que le matériau de carbone est entièrement immergé dans la biomasse. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau M est le feutre de carbone ou un tissu à base de fibre de carbone. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau M est collé sur la paroi latérale de l’enceinte et/ou sur le sol de l’enceinte. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau M est maintenu contre la paroi latérale de l’enceinte et/ou contre le sol de l’enceinte à l’aide d’une structure, de préférence une structure grillagée. Installation de production de biogaz selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la teneur en matériau M dans l’enceinte est comprise entre 0,1 et 10 g/L de volume utile de l’enceinte. Installation selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau M comprend au moins 50% de carbone, de préférence au moins 60% de carbone, encore plus préférentiellement au moins 90% de carbone. Procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant : L’injection de biomasse dans le digesteur et Le brassage de la biomasse dans le digesteur. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’elle comprend l’injection d’un gaz d’oxydation en tête du digesteur. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le gaz d’oxydation est de l’oxygène ou de l’air ou de l’air enrichi.