Brevet FR3123363A1 — publié le 20221202

Ajouter ici un court résumé de l’invention DISPOSITIF DE MICRO-HYDRO-METHANISATION COMPARTIMENTE EN VOIE VISQUEUSE OU MHMCV. DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION. La présente invention concerne un procédé et dispositif de Micro-Hydro Méthanisation Compartimenté, en voie Visqueuse ou MHMCV, reposant sur l’interaction entre un système de fabrication et de construction modulaire de compartiments constitutifs de l’installation, à partir de panneaux préfabriqués en usine et des équipements s’y rattachant montés sur le site de l’installation, d’un gabarit conforme au transports sur route ou par chemin de fer et l’intégration des différentes étapes de l’hydro-méthanisation compartimentée en voie visqueuse dans le dispositif avec notamment l’hydrolyse thermo-enzymatique à 70°C environ, les différentes phases de la méthanisation thermophile à 55°C et la phase d’hydrométhanisation de réduction du CO2 du biogaz par de l’hydrogène endogène produit dans l’hydrolyse thermo-enzymatique pouvant être complété par de l’hydrogène exogène produit sur le site, pour réaliser des micro-installations décentralisées de production de biométhane dans des volumes de fermentation réduits. ETAT DE LA TECHNIQUE La méthanisation ou fermentation anaérobie des effluents et déchets pour produire de l’énergie sous forme de biogaz concerne de nombreux substrats organiques biodégradables tels que les substrats de ferme, le fumier, les boues de station d’épuration, la partie fermentescible des déchets ménagers et les substrats organiques issus de l’industrie agro-alimentaire. Les principales étapes du processus d’hydrométhanisation sont l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse, la méthanogénèse et l’hydrométhanisation. L’hydrolyse est un processus de décomposition de la matière organique complexe en composés simples, solubles par plusieurs groupes de bactéries hydrolytique. L’acidogénèse métabolise les substrats en des produits de fermentation différents, alcools, acides organiques, CO2 et hydrogène. L’acétogénèse transforme les produits issus de la phase acidogène par les bactéries acétogène. Le métabolisme de ces bactéries est majoritairement orienté vers la production d’acétate. La méthanogénèse consiste à transformer l’acétate, l’hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane selon deux voies : La méthanogénèse acétoclaste : acétate + H2 → CO2 + CH4 La méthanogénèse hydrogénophile : CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H20 Au regard de ces deux voies on voit l’intérêt d’orienter le processus de fermentation vers la voie hydrogénotrophe qui produit directement du méthane sans dioxyde de carbone. Une 1° étape en température hyperthermophile favorise la solubilité. Elle s’accompagne d’une production d’acides gras volatils, ce qui engendre une diminution du pH. Nous savons qu’un pH acide autour de 5,5 en fermentation hyperthermophile favorise la production d’hydrogène nécessaire à la méthanisation hydrogénotrophe. Nous savons que la viscosité d’un substrat diminue avec l’augmentation de la température et la diminution du pH, notamment grâce à l’influence de l’hydrolyse thermo-enzymatique à 70°C environ - Conjonction de la température et de l’action enzymatique des bactéries. Nous savons que le pH du milieu diminue par l’augmentation du dioxyde de carbone soluble. La régulation du pH doit permettre le maintien du système dans une plage de pH favorable à l’activité bactérienne et l’évitement de la forme carbonate qui précipite. L’équilibre de la fermentation dépend notamment : Des échanges biochimiques entre la phase aqueuse et la phase soluble grâce à l’eau libre permettant la dissolution et la solubilisation des métabolites introduits et produits. Du maintien d’un milieu homogène liquide solide favorable aux échanges biochimiques. De la régulation du pH dans une phase favorable à l’activité méthanogène entre 6,8 et 7,3 par exemple, notamment par dissolution du dioxyde de carbone dans le substrat de fermentation. De l’évacuation de l’azote minéralisé et des sels produits. Du pilotage du transfert d’un compartiment à l’autre compatible pour maintenir les équilibres biochimiques. La subdivision du fermenteur en secteurs d’agitation est nécessaire pour le brassage d’u substrat épais dans des volumes de fermentation importants. Les transferts entre compartiments doivent être pilotés. L’efficacité du système dépend de la convergence entre le contrôle de la viscosité, la maîtrise des températures, du pH et de la pression partielle du dioxyde de carbone. Le substrat doit apporter l’azote et les oligo-éléments nécessaires au développement et au renouvellement des bactéries notamment hydrogénophile. La maîtrise du procédé passe par le pilotage de la pression partielle du dioxyde de carbone qui agit notamment sur sa solubilité et la régulation du pH selon les étapes du processus d’hydrométhanisation. Cette régulation est rendue possible par la compartimentation du fermenteur et la maîtrise des transferts d’un compartiment à l’autre. Les technologies de production de biogaz reposent le plus souvent sur des installations qui nécessitent économiquement des quantités importantes de substrat devant être acheminées sur le site de méthanisation, ce qui engendre des volumes de fermentation importants et la collecte de substrats venant de nombreux sites de production. De petites installation de méthanisation reposant sur des substrats fermentescibles de proximités existent sur un mode extensif, avec une technologie basique de méthanisation dans une cuve isolée où l’on introduit du substrat nouveau chaque jour, tout en gardant un pied de cuve pour conserver les bactéries méthanogènes. La production de biogaz rapportée à la matière organique est limitée et les volumes de fermentation importants. La production de biométhane avec un taux de méthane élevé de plus de 90% nécessite une épuration du CO2 du biogaz produit contenant de l’ordre de 50% à 60% de méthane. Dans un système de méthanisation composé de plusieurs étapes, notamment d’une étape ou phase réservée à l’hydrolyse et à l’acidogénèse en température de préférence hyperthermophile, de l’ordre de 70°C et plusieurs étapes réservées à l’acétogénèse et à la méthanogénèse en température notamment thermophile 55°C, la cinétique et le taux de dégradation sont fortement améliorées. Une 1° étape en température hyperthermophile favorise l’activité enzymatique et la solubilité du substrat. Elle s’accompagne d’une production d’acides gras volatils, ce qui engendre une diminution du pH du substrat à une valeur de l’ordre de 5,5 par exemple. Ce qui permet d’avoir un pH de l’ordre de 7 à 7,5 dans les étapes suivantes de la méthanisation. Celui-ci augmente avec la diminution du taux de matière organique biodégradable. La maîtrise du pH évite la production de gaz inhibiteurs dans la méthanogénèse. D’où l’importance, de la compartimentation des fermenteurs pouvant fonctionner à des températures différentes et conserver la flore bactérienne adaptée à chacune des étapes. La technologie doit permettre le cheminement de la matière épaisse en fermentation jusqu’à son extraction du fermenteur, en mode piston ou semi-piston, tout en conservant la flore bactérienne appropriée à chacune des étapes. Ceci implique la maîtrise des transferts du substrat en fermentation d’un compartiment à l’autre. Le système de brassage proposé doit être adapté à un substrat épais, dit visqueux, état intermédiaire entre la voie sèche et la voie liquide. La principale difficulté est d’agiter une matière épaisse avec du gaz, forcément de bas en haut, dans un grand volume de fermenteur. La particularité d’un flux gazeux est de s’élargir dans son ascension et de laisser la partie basse du substrat à brasser en dehors du mouvement d’agitation. La perte de charge due au frottement sur les parois favorise la décantation des éléments à plus forte densité. Ce qui diminue progressivement le volume utile de fermentation. En augmentant la pression totale et la pression partielle de chaque composant du gaz dans le ciel de gaz on augmente leur solubilité. L’équilibre du système de fermentation dépend notamment : Des échanges biochimiques entre la phase aqueuse et la phase solide grâce à l’eau libre permettant la dissolution et la solubilisation des métabolites introduits. Du maintien d’un milieu homogène liquide solide favorable aux échanges biochimiques. De la régulation du pH dans une plage favorable à l’activité méthanogène entre 6,8 et 7,3 par exemple, grâce notamment à la dissolution du dioxyde de carbone dans le substrat de fermentation. Le pH du milieu diminue par l’augmentation du dioxyde de carbone soluble. Quand on double la pression partielle du CO2 on constate une diminution du pH de l’ordre de 0,3 unités. La maîtrise du pH permet, notamment, d’éviter la forme carbonate qui précipite. De l’évacuation de l’azote minéralisé et des sels produits. Leur concentration progressive s’accompagne d’une augmentation du pH avec, notamment, la formation d’ammoniac, élément pouvant être toxique de la méthanogénèse. Du pilotage du transfert d’un compartiment à l’autre compatible avec le maintien des équilibres biochimique des étapes de la méthanisation et de l’hydrométhanisation. Dans l’idéal un bon système de méthanisation en continu en voie épaisse serait d’avoir un fermenteur indépendant pour chacune des étapes que sont l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse pouvant être elle-même divisée en deux étapes. La compartimentation du fermenteur est essentielle pour respecter les étapes du processus de d’hydro-méthanisation. Elle permet, notamment, de piloter l’évolution du pH au cours du processus. Le dihydrogène endogène nécessaire à la réduction du CO2 du biogaz est produit à une température hyperthermophile de l’ordre de 70°C dans le premier compartiment d’hydrolyse et d’acidogénèse. Cette température peu favorable à la méthanogénèse permet l’obtention d’un pH de l’ordre de 5,5. La réduction du dioxyde de carbone par le dihydrogène ne peut être effective que si le substrat dans lequel il se solubilise est homogène. Le différentiel de solubilité entre le CO2 et l’H2 est réduit par le jeu des pressions et grâce à la forme biochimique du dioxyde de carbone dépendant du pH. Le dihydrogène, gaz le plus léger, pour être solubilisé doit être diffusé par des rampes de diffusion qui empêche sa coalescence et son évacuation dans le ciel de gaz. Le pilotage du système prend en compte le différentiel de solubilité entre le dioxyde de carbone et le dihydrogène. La solubilité du dioxyde de carbone dépend de sa sous-saturation dans le substrat support de la fermentation et de la régulation de la pression partielle dans le ciel de gaz pour maintenir l’équilibre au fur et à mesure que le dioxyde de carbone solubilisé est réduit par l’hydrogène pour produire du méthane. Le substrat, support de l’hydrométhanisation, doit être partiellement et régulièrement renouvelé pour apporter suffisamment d’azote et des oligo-éléments nécessaires au développement et au renouvellement des bactéries hydrogénophiles. Le pH doit être régulé selon l’étape de fermentation. Notamment par la régulation de la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz du dernier compartiment. L’hydrométhanisation nécessite d’avoir un support bactérien d’hydrométhanisation fait de digestat pauvre en matière organique biodégradable et de renouveler ce support d’un tiers par jour environ, pour éviter la compétition avec les bactéries acétoclaste et pour apporter l’azote nécessaire au renouvellement des bactéries hydrogénophile indispensables à la réduction du CO2 par l’H2 et la nécessité que l’ensemble du processus de l’hydrolyse à l’hydrométhanisation dans un système compartimenté soit en voie épaisse pour éviter la séparation de phases liquide, solide. La complexité du processus fait appel à de moyens prenant en considération les interactions entre le pilotage de la biochimie et son interaction avec la mécanique des fluides, notamment la maîtrise de la viscosité des mélanges et l’évitement de la séparation de phase, liquide, solide. Cette complexité rend économiquement la technologie incompatible avec de petites installations de méthanisation performantes reposant sur la maîtrise des étapes du processus d’hydro-méthanisation à partir d’un substrat visqueux. Elle induit des volumes de fermentation importants nécessitant le transport des substrats plus ou moins éloignés du site, des fermenteurs nécessitant une structure complexe pour les ancrer au sol, le transport du digestat comme engrais ou amendement sur un large territoire. Tout ceci s’accompagnant d’une production importante de gaz à effets de serre. OBJET DE L’INVENTION La présente invention est relative à un dispositif de Micro-Hydro-Méthanisation Compartimenté en voie Visqueuse ou MHMCV pour réaliser de petites installations locales. Elle repose sur le montage sur site de panneaux préfabriqués en usine, intégrant les équipements s’y rattachant, constitutifs des différentes étapes de l’hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse, avec notamment un 1° compartiment réservé à l’hydrolyse thermo-enzymatique en température hyperthermophile à 70°C environ et deux ou trois compartiments de méthanisation, de préférence en température thermophile 55°C, suivi d’un compartiment réservé à l’hydro-méthanisation de réduction du CO2 du biogaz par de l’hydrogène endogène produit dans le 1° compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique, complété éventuellement par de l’hydrogène exogène produit sur le site pour produire du biométhane. Les panneaux intègrent différentes réservation et fixations pour les vannes de transferts du substrat en fermentation d’un compartiment à l’autre, pour les buses d’injection du biogaz comprimé et les plaques de dérivation du biogaz pour le brassage du substrat dans chaque compartiment, pour le système d’ouverture fermeture du gaz plus ou moins comprimé dans le ciel de gaz du fermenteur et autres équipements d’assemblage, de pilotage et de contrôle. Ce type de dispositif permet la construction d’installation de Micro-Hydro-Méthanisation-Compartimenté- en Voie-Visqueuse, MHMCV, décentralisées à fort potentiel de biométhane et économiquement performantes. Ce dispositif est compatible avec le procédé Visco-Hydro-Bio- Métha ou VHBM. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES (Schémas 1 – 2 et 3.). La représente le module de base le plus simple qui peut être démultiplié par autant de modules que de substrats disponibles. Il fait apparaître 5 compartiments d’un volume total de 87 m3 et d’un volume utile de l’ordre de 61 m3. Le montage de l’ensemble est fait à partir des panneaux préfabriqués qui peuvent être transportés aussi bien dans des wagons SNCF qu’en transport routier. Par exemple : Le module de base de 87 m3 de volume. Le taux de remplissage est approximativement de l’ordre de 70% soit : 61 m3 Dimension des panneaux : Largeur : 1,98, Hauteur : 2,81, Longueur totale : 15,56 m. Celui-ci est subdivisé est cinq compartiments : 1° compartiment d’hydrolyse : Longueur : 2,78 m, hauteur : 2,81m, volume total de : 15 m3 2°, 3°, 4° compartiment méthanisation : Longueur : 11,67 m hauteur : 2,81 m, largeur : 1,98 m soit : 65 m3 5° compartiment d’hydrométhanisation : Longueur : 1,11 m, hauteur : 2,81 m, largeur : 1,98 m Soit : 6,20 m3 La représente le doublement du schéma de base. Volume. 173 m3. Seule la largeur est doublée en deux modules de base : 3,96 m. Largeur : 3,96 Hauteur, largeur 3,96, Longueur totale : 15,56 m Volume utile : 121 m3, volume total : 173 m3. La comporte deux schémas A et B. Ceux-ci-ci représentent : Les compartiments et le passage du substrat régulé par des vannes de transfert (c, rond noir), qui ne s’ouvrent qu’une fois par jour par exemple lors du chargement par du substrat nouveaux. Ces vannes sont ainsi fermées lors du brassage des compartiments afin d’éviter la non- maîtrise du flux entre les compartiments. Les sorties de gaz au-dessus des compartiments. Schéma A. Les buses d’arrivé du gaz sous pression sous des plaques de dérivation. Schémas A et B. Le transfert du substrat d’un compartiment à l’autre. Schémas A et B. Le passage du substrat régulé par des vannes de transfert. (Ronds noirs). Ce bilan indicatif sert de base pour préciser le processus et le volume des micro-fermenteurs à partir des plaques préfabriquées en usine. Tableau 1. Volume du fermenteur de base estimé à 87 m3, volume utile de 61 m3 utile. 1.2. 2,4 tonnes de substrat à 25% de MS ramené à 16% de MS en entrée après dilution par du jus issue du digestat et ou avec de l’eau, soit 3,75 tonnes à 16% de MS. Sur la base d’un taux de matière organique de 85%, d’un taux de réduction de la matière organique de 70% et une production de 850 m3 de biogaz par tonne dégradée, la production de biogaz est de l’ordre de 304 m3/jour (CH4 : 152 m3, CO2 : 152 m3). Avec 10% d’autoconsommation et pertes, on a 274 m3 de biogaz composés de 137 m3 de CH4 et de 137 m3 de CO2 environ. Cette autoconsommation peut paraître faible à priori. Mais elle se rapporte à une production de gaz très supérieure à ce que l’on rencontre habituellement. Le dernier compartiment d’hydrométhanisation reçoit le biogaz recirculé, composé de CH4, de CO2 et d’H2, produit dans le compartiment d’hydrolyse à 70°C environ, à travers des rampes de diffusion microporeuses installées sur le plancher de ce dernier compartiment. La production d’hydrogène endogène dans l’hydrolyse à 70°C est de l’ordre de 221 m3. Pour produire du biométhane à 96% de CH4 environ, on a besoin de 546 m3 d’hydrogène. On produit le complément de l’ordre de 325 m3 sur le site par électrolyse ou par reformage. Sur la base de 4 m3 d’H2 pour réduire 1 m3 de CO2 et d’un rendement de 92%, on produit 126 m3 de CH4 qui rajouté au 137 m3 de méthane nets du biogaz fait un total de 263 m3 de méthane. Le CO2 résiduel de l’ordre de 11 m3 donne un taux de CH4 sur le biométhane de 96% environ. Dans ce dernier compartiment, le biogaz ainsi produit contenant du méthane, de l’hydrogène et du CO2 est recirculé à un débit équivalent à un temps de séjour hydraulique de l’ordre de 24 heures. Le dimensionnement de ce dernier compartiment est adapté à cette durée. Ce compartiment doit être refroidi pour fonctionner à 35°C environ. Cette chaleur est avantageusement utilisée dans le préchauffage du compartiment d’hydrolyse. Dans ce processus le CO2 du biogaz est réduit par l’hydrogène endogène complété éventuellement, par de l’hydrogène exogène, sur un support bactérien fait de digestat pauvre en matière organique biodégradable, suffisamment renouvelé pour apporter l’azote nécessaire au développement des bactéries hydrogénophiles productrice de méthane selon la réaction C02+ 4 H2 = CH4 + 2 H2O. Le renouvellement du substrat servant de support bactérien est renouvelé pour un tiers par jour. Ce qui permet d’apporter l’azote nécessaire et la conservation des bactéries hydrogénophile dont la vitesse théorique de division est de quelques heures. Le schéma 2 représente le doublement de l’installation en juxtaposant 2 modules. Dispositif et procédé de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse, MHMCV, pour la production de biométhane dans un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués en usine montés sur le site production, caractérisé en ce qu’il comporte : Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique en régime hyperthermophile de préférence, de l’ordre de 70°C, déstructurant le substrat et produisant notamment de l’hydrogène. Temps de séjour hydraulique de l’ordre de 2 à 3 jours. Deux ou trois compartiments de méthanisation en régime thermophile de préférence pour produire plus de biogaz et mieux réduire la matière organique. Temps de séjour hydraulique indicatif de l’ordre de 9 jours. Un compartiment d’hydrométhanisation, d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé d’hydrolyse et de méthanisation, équivalent à un temps de séjour hydraulique de l’ordre de 24 heures contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable apportant l’azote nécessaire au renouvellement des bactéries hydrogénophile, pour réduire le CO2 par l’hydrogène en méthane. Dispositif selon la revendication 1 de fabrication de panneaux isolants fabriqués en usine et transportés et montés sur le site constituant les compartiments de fermentation, incluant les réservations pour recevoir et fixer les équipements, les appareils de mesure et de contrôle et dotés d’un système d’emboitement pour supprimer les ponts thermiques. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on régule dans le premier compartiment d’hydrolyse le pH à 5,5 environ grâce à la température hyperthermophile pour produire du dihydrogène et pour déstructurer les fibres du substrat. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on recycle le biogaz produit dans les compartiments d’hydrolyse et de méthanisation contenant du dihydrogène dans le dernier compartiment d’hydrométhanisation contenant le support bactérien. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le volume du compartiment d’hydrométhanisation correspond à un temps de séjour hydraulique ou de transfert de moins de 24 heures prenant en considération la vitesse de renouvellement des bactéries hydrogénophile qui est de quelques heures. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on ajuste la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé du dernier compartiment d’hydrométhanisation recevant le biogaz recirculé, composé notamment de CH4, de CO2 et d’hydrogène, auquel on rajoute éventuellement de l’hydrogène exogène. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique est renouvelé chaque jour pour 1/3 environ afin d’apporter l’azote nécessaire au développement des bactéries hydrogénophile qui produisent du méthane selon la réaction C02+ 4 H2 = CH4 + 2 H2O. Dispositif selon la revendication 1 de mélange du substrat en fermentation dans chaque compartiment par du biogaz comprimé injecté sous des plaques de dérivation réparties sur l’ensemble des planchers de chaque compartiment. Procédé et dispositif selon la revendication 1 de pilotage par un système de contrôle commande qui intègre les données mesurées ou évaluées de production de gaz, d’hydrogène, de CO2, qui commande les pressions dans le ciel de gaz, notamment du dernier compartiment d’hydrométhanisation, qui régule les transferts d’un compartiment à l’autre et le taux de renouvellement du digestat support de l’hydrométhansation, qui calcule et optimise la pression partielle des compartiments par la commande des vannes de régulation sur les sorties de gaz et qui ajuste les débits, la durée et la fréquence d’agitation et d’homogénéisation du substrat dans chaque compartiment par du gaz comprimé dans un caisson de gaz sous pression libéré à chaque agitation. Dispositif selon la revendication 1 de fabrication en usine de panneaux constitutifs des fermenteurs, dont la dimension est de l’ordre d’une largeur de 2,81 m et d’une hauteur utile de 1,98 m pour être transportés en gabarie routier ou par wagons SNCF.