Brevet FR3133859A1 — publié le 20230929

La présente demande concerne un dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte : Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, de préférence de l’ordre de 70°C, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène, Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile, Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles, permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane. Figure : Fig 1 DISPOSITIF DE MICRO-HYDRO-MÉTHANISATION COMPARTIMENTÉ EN VOIE VISQUEUSE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un dispositif de Micro-Hydro Méthanisation Compartimenté, en voie Visqueuse, également dénommé « MHMCV », permettant la production de biométhane à partir de déchets organiques. ETAT DE LA TECHNIQUE La méthanisation ou fermentation anaérobie des effluents (substrats liquides) et déchets (substrats solides) 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 systèmes de fermentation sont des systèmes discontinus ou continus. Dans les systèmes discontinus, on introduit le substrat dans la cuve de fermentation, celui-ci fermente sur un temps de séjour selon la nature du substrat, 40 jours par exemple. A l’issue de la période on extrait le substrat tout en gardant un pied de cuve pour l’ensemencement bactérien du nouveau substrat chargé. L’hydrolyse du substrat suivi de la méthanisation sont concomitantes. Les systèmes continus consistent à introduire quotidiennement une quantité de substrat, correspondante au temps de séjour hydraulique, de 20 à 40 jours par exemple. Le fermenteur adapté à ce système peut être subdivisé en cuves de fermentation correspondant à l’hydrolyse, à l’acidogénèse, l’acétogénèse et à plusieurs étapes de la méthanogénèse. Le fermenteur est maintenu en température soit mésophile (de l’ordre de 37 °C), ou thermophile (de l’ordre de 55°C) ou hyperthermophile (de l’ordre de 70°C). La demande de brevet européen EP3642321 décrit un procédé et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé dit « VHBM » pour Visco-Hydro-Bio-Méthane de production de biométhane en réacteur compartimenté en voie visqueuse. La complexité des installations d’hydrométhanisation nécessite des installations de tailles importantes pour bénéficier des effets d’échelles et amortir les coûts de construction. Ceci rend ce type de dispositifs décrits dans EP3642321 incompatibles avec de petites installations décentralisées. La collecte des déchets, substrats de ces installations, a généralement lieu loin du site de traitement, ce qui engendre du transport et donc des dépenses d’énergie et émissions de gaz à effet de serre, ce qui doit être évité du point de vue environnemental. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. La présente invention est relative à un dispositif de Micro-Hydro-Méthanisation Compartimenté en voie Visqueuse, également désigné « MHMCV » organisé en petites installations locales. Ce dispositif est constitué de panneaux préfabriqués, intégrant les équipements s’y rattachant, constitutifs des différentes étapes de l’hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse, avec notamment un premier compartiment (1) réservé à l’hydrolyse thermo-enzymatique en température hyperthermophile à 70°C environ et d’au moins deux compartiments de méthanisation (2), de préférence en température thermophile 55°C, suivi d’un compartiment (3) 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 dispositif permet de mettre en oeuvre le procédé Visco-Hydro-Bio- Métha ou VHBM dans de petites installations d’hydrométhanisation locales et décentralisées. En particulier, la présente invention concerne un dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte : Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, de préférence de l’ordre de 70°C, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène, Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile, de préférence de l’ordre de 55°C, Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane. DESCRIPTION DES FIGURES Dispositif Micro-Hydro-Métha-Plaques ou MHMP – Représentation d’un module de base La représente le module de base du dispositif MHMCV 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 compartiment (1) est destiné à l’hydrolyse ; les compartiments (2) sont les compartiments de méthanisation ; et le compartiment (3) est destiné à l’hydrométhanisation. La flèche (a) indique le lieu de l’introduction du substrat ; la flèche (c) indique le sens de passage du substrat d’un compartiment à l’autre ; la flèche (d) le lieu de sortie du substrat. Les ronds dans le compartiment (1) représentent les buses de brassage. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre. Le montage de l’ensemble est fait à partir de panneaux préfabriqués qui ont été livrés. Par exemple : Le module de base présente un volume total de 87 m3, pour un volume utile de 61 m3. 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, largeur : 1,98 m soit volume total de : 15,4 m3 - 2°, 3°, 4° compartiment méthanisation : Largeur : 1,98 m, hauteur : 2,81 m Longueur totale : 11,67 m (3 x 3,89 m) soit : 65 m3 5° compartiment d’hydrométhanisation : Longueur : 1,11 m, Hauteur : 2,81 m, Largeur : 1,98 m Soit : 6,20 m3 Dispositif Micro-Hydro-Métha-Plaques ou MHMP – Représentation de deux modules de bases couplés Seule la largeur du dispositif est doublée en deux modules de base. Largeur : 3,96, Hauteur : 2,81 m, Longueur totale : 15,56 m Volume total : 173 m3. Volume utile : 121 m3. Le compartiment (1) est destiné à l’hydrolyse ; les compartiments (2) sont les compartiments de méthanisation ; et le compartiment (3) est destiné à l’hydrométhanisation. La flèche (a) indique le lieu de l’introduction du substrat ; la flèche (c) indique le sens de passage du substrat d’un compartiment à l’autre ; la flèche (d) le lieu de sortie du substrat. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre. Schéma d'un seul compartiment à partir de plaques préfabriquées en usine et montées sur site. a. Introduction du substrat. b. Sortie du gaz au-dessus des compartiments. c. Passage régulé du substrat d'un compartiment à l'autre d. Sortie du substrat. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre. Schémas avec doubles compartiments et le transfert entre ces compartiments. a. Introduction substrat. c. Passage régulé du substrat d'un compartiment à l'autre d. Sortie du substrat. Les flèches à l’intérieur du dispositif représentent le trajet du substrat au sein du dispositif. Les carrés traversés par les flèches représentent les vannes de transfert d’un compartiment à l’autre. EXEMPLES Le tableau 1 ci-dessous indique toutes les caractéristiques chiffrées du module de base illustré sur la . Mètres Mètres Mètres Volume TSH Longueur Hauteur Largeur Vol. total m 3 / Vol utile Total 14 Jours 15,56 2,81 1,98 87 / 61 Hydrolyse 3 Jours 2,78 2,81 1,98 15 / 11 1°, 2°, 3° compartiment 10 Jours 11,67 2,81 1,98 65 / 45 Hydrométhanisation 1 Jour 1,11 2,81 1,98 6 / 4,3 La représente le doublement de l’installation en juxtaposant 2 modules. Le tableau 2 ci-dessous indique toutes les caractéristiques chiffrées du module illustré sur la . Mètres Mètres Mètres Volume TSH Longueur Hauteur Largeur Vol. total m 3 / Vol utile Total 14 Jours 15,56 2,81 3,96 173 / 121 Hydrolyse 3 Jours 2,78 2,81 3,96 31 / 22 1°, 2°, 3° compartiment 10 Jours 11,67 2,81 3,96 130 / 91 Hydrométhanisation 1 Jour 1,11 2,81 3,96 12 / 8,6 Les figures 3A et 3B représentent : Les compartiments (1) (2) et (3) et le passage du substrat régulé par des vannes de transfert (carrés traversés par les flèches), 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 (b) au-dessus des compartiments ( ) Les buses d’arrivée du gaz sous pression sous des plaques de dérivation représentées par des ronds blancs dans le compartiment (1) ( ) Le transfert du substrat d’un compartiment à l’autre selon la irection indiquée par la flèche c. ( et 3B) Le passage du substrat régulé par des vannes de transfert. (carrés traversés par les flèches). ( et 3B) Tableau 3. BILAN SUBSTRAT ENERGIE DIMENSIONNEMENT. Ce bilan indicatif sert de base pour préciser le processus et le volume des micro-fermenteurs installés par assemblage de plaques préfabriquées en usine. Le tableau 3 ci-dessous présente le bilan en substrat et en énergie consommée, ainsi que la production de biogaz. MO : matière organique ; MS : matière sèche. Substrat introduit. Production de biogaz Dilution Taux MO M 3 /t M 3 /j Tx CH4 M 3 CH4 T. Jour MS T. MS Taux MO T. MO 16% Dégrad Dégradée Dégrad Biogaz 2,40 25% 0,60 85% 0,51 3,75 70% 0,36 850 303 50% 152 CO2 CH4 M3 C02 CH4 net CO2 net Besoin H2 M 3 H2 M 3 H2 Red. CO2 M 3 CH4 M 3 CH4 Taux CO2 M3 bio- - 10% - 10% /jour Endogène Exogène Par H2 Supplé. /JOUR CH4 Résiduel Méthane 152 137 137 546 221 325 92% 126 262 96% 11 273 Volume du fermenteur de base estimé à 87 m3, volume utile de 61 m3 utile. 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. La production volumique est de 3,19 m3 de biométhane produite / m3 fermenteur. Le tableau 4 ci-dessous donne un exemple de fonctionnement d’un dispositif selon l’invention : VOLUME FERMENTEUR T. Jour MS MO TSH Taux MS Substrat Vol Vol Substrat 25% 85% Total Entrant Entrant M3 utile Total 2,40 0,60 0,51 16 16% 3,75 60 86 Les gabarits établis par les règlementations routières et ferroviaires sont les suivants (les dimensions sont en mètre ou mètre cube): - WAGON SNCF : Hauteur/Largeur /Longueur /Tare /Volume 2,81 /1,98 /15,55 /18,6 /86,5 - Gabarit routier : Largeur / Longueur /Train Routier /Hauteur 2,5 / 12 / 18 /4,3 Dispositif de micro-hydro-méthanisation compartimenté en voie visqueuse destiné à la production de biométhane à partir de déchets organiques, consistant en un fermenteur compartimenté construit à partir de panneaux préfabriqués, caractérisé en ce qu’il comporte : Un compartiment d’hydrolyse thermo-enzymatique (1) maintenu à une température hyperthermophile, adapté pour la déstructuration desdits déchets organiques et la production d’hydrogène, Au moins deux compartiments de méthanisation (2) maintenus à une température thermophile, Un compartiment d’hydrométhanisation (3), d’un volume de l’ordre de 1/12 environ du volume cumulé des compartiments (1) et (2), contenant un support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique biodégradable adapté pour le renouvellement des bactéries hydrogénophiles, permettant la réduction du CO2 par l’hydrogène en méthane. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits panneaux préfabriqués sont montés sur le site d’installation du dispositif, lesdits panneaux préfabriqués incluant des réservations pour recevoir et fixer les équipements, notamment les appareils de mesure et de contrôle, et étant dotés d’un système d’emboitement. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel dans le premier compartiment d’hydrolyse (1), le pH est régulé à 5,5 environ, grâce à la température hyperthermophile. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant des moyens pour re-introduire le biogaz produit dans les compartiments d’hydrolyse (1) et de méthanisation (2) dans le dernier compartiment d’hydrométhanisation (3). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant des moyens pour ajuster la pression partielle du dioxyde de carbone dans le ciel de gaz fermé du dernier compartiment d’hydrométhanisation (3) recevant le biogaz recirculé, composé notamment de CH4, de CO2 et d’hydrogène, auquel on rajoute éventuellement de l’hydrogène exogène. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant des moyens pour renouveler chaque jour un tiers du support bactérien fait de digestat appauvri en matière organique dans le compartiment d’hydrométhanisation (3). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend des plaques de dérivation réparties sur l’ensemble des planchers de chaque compartiment, permettant l’injection de biogaz comprimé. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte un système de contrôle qui intègre les données mesurées ou évaluées de production de gaz, d’hydrogène, de CO2, qui régule 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. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits panneaux préfabriqués présentent des dimensions permettant leur transport par camion ou en train. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites dimensions sont de l’ordre de: - largeur : entre 1,60 m et 2,10 m ; - hauteur utile : entre 1,90 m et 3 m ; - longueur inférieure à 16 m.