Comment injecter un gaz respectant les normes dans le rĂ©seau tout en optimisant le coĂ»t de lâĂ©puration ? Quelles techniques choisir entre lavage Ă lâeau, Ă©puration membranaire, PSA, lavage aux amines ou cryogĂ©nisation ? Un guide Ă©laborĂ© par le groupe de travail « industrialisation » fait le point sur les obligations et les choix dâĂ©puration du biogaz en vue de lâinjection. Extraits choisis.
Lâun des moyens de diminuer les coĂ»ts de la brique technique « Ă©puration du biogaz/rĂ©cupĂ©ration du CO2 » est la « standardisation » des installations. Le sous-groupe « industrialisation compĂ©titivitĂ© » du GT « biogaz » a rĂ©digĂ© un « Guide pour lâĂ©laboration des documents techniques de consultation dâappels dâoffres dâune unitĂ© dâĂ©puration du biogaz en vue de lâinjection de biomĂ©thane ». Ce document a pour objectif de dĂ©finir un cadre, un rĂ©fĂ©rentiel commun et cohĂ©rent sur lequel constructeurs, fournisseurs, bureaux dâĂ©tudes et porteurs de projets peuvent se baser dĂšs les Ă©tapes de conception prĂ©liminaires. Pour les constructeurs et les fournisseurs, ce document reprend des Ă©lĂ©ments standard dâinstallations dâĂ©puration et de purification basĂ©es sur des Ă©quipements courants et des configurations standard. Il liste aussi les Ă©quipements ou demandes non standard qui entraĂźneraient des surcoĂ»ts. Pour les bureaux dâĂ©tudes et les porteurs de projets, ce document permet dâintĂ©grer ces standards dans les projets dĂšs la phase de dĂ©veloppement afin de gagner du temps. Il permet de dĂ©finir les fournitures qui sortent des standards des constructeurs et induisent des surcoĂ»ts Ă©vitables. Adopter un standard constructeur permet de limiter les risques liĂ©s aux conceptions spĂ©cifiques et donc de sĂ©curiser le projet dans la durĂ©e, mais aussi vis-Ă -vis des investisseurs, des banques et des assurances.
Du biogaz au gaz injecté
Le biogaz brut se compose des Ă©lĂ©ments suivants, qui varient en proportion selon les intrants et les techniques : mĂ©thane (CH4, de 50 Ă 75 %), dioxyde de carbone (CO2, de 25 Ă 45 %), eau (H2O), azote (N2), oxygĂšne (O2), hydrogĂšne sulfurĂ© (H2S), ammoniac (NH3) et des Ă©lĂ©ments traces (organo-halogĂ©nĂ©s, siloxanes, mĂ©taux lourdsâŠ). LâĂ©puration du biogaz consiste Ă Ă©liminer du biogaz brut les substances indĂ©sirables et les traces de polluants (ammoniac, Ă©lĂ©ments soufrĂ©s, minĂ©rauxâŠ) et Ă augmenter sa teneur en mĂ©thane (par retrait du CO2 et dâautres composĂ©s gazeux) pour produire un gaz comparable au gaz naturel. Le biomĂ©thane ainsi obtenu constitue du biogaz Ă©purĂ© et enrichi, dotĂ© dâun pouvoir calorifique Ă©quivalent Ă celui du gaz naturel.
Lors de lâĂ©laboration dâun projet, le porteur de projet est amenĂ© Ă dĂ©finir les quantitĂ©s, mais aussi la qualitĂ© du biogaz quâil prĂ©voit de produire, de façon Ă Ă©tablir les bases de la conception de son projet ainsi que son plan financier prĂ©visionnel. Pour lâĂ©puration, chaque projet doit ĂȘtre analysĂ© Ă partir des valeurs qui lui sont propres et des technologies choisies, et chaque fournisseur doit pouvoir produire un bilan des flux correspondant au projet et Ă son offre.
Cette analyse comporte une dĂ©finition des intrants et de leur pouvoir mĂ©thanogĂšne et une Ă©tude de la capacitĂ© dâinjection ou des modalitĂ©s de valorisation du biomĂ©thane. En fonction des intrants, mais aussi du processus de mĂ©thanisation, la composition mĂȘme du biogaz peut varier. Ces Ă©lĂ©ments quantitatifs et qualitatifs doivent figurer au cahier des charges pour dĂ©finir les flux entrants (biogaz brut) et sortants (biomĂ©thane et Ă©vent riche en CO2 pouvant Ă©ventuellement ĂȘtre valorisĂ©).
ParamÚtres influençant la qualité du biogaz
Les paramĂštres suivants doivent ĂȘtre Ă©tudiĂ©s attentivement dĂšs la conception des installations afin que le biogaz produit soit compatible avec les technologies dâĂ©puration.
âąâLe taux dâazote dans le biogaz est un facteur limitant, car il a une influence sur lâindice Wobbe (qui permet de comparer, pour les diffĂ©rents types de combustibles gazeux, les niveaux de production dâĂ©nergie pendant leur combustion). Or lâazote peut ĂȘtre rĂ©duit par certaines technologies, mais pas totalement Ă©liminĂ©. Câest pourquoi, lorsquâune installation est destinĂ©e Ă produire du biomĂ©thane, il est souvent recommandĂ© de privilĂ©gier lâinjection dâO2 pur Ă lâinjection dâair â qui apporte de lâazote â dans les ciels gazeux pour la dĂ©sulfuration. Ce choix implique lâajout dâune unitĂ© de production dâoxygĂšne Ă la place dâun simple systĂšme dâinjection dâair, mais sĂ©curise partiellement la teneur en azote, car lâoxygĂšne injectĂ© est pur Ă 80 % en gĂ©nĂ©ral.
âąâPour certains rĂ©seaux, ce sera lâoxygĂšne qui sera un facteur limitant (dĂ©rogations non systĂ©matiques). Certains procĂ©dĂ©s permettent de rĂ©duire la teneur en O2 du biomĂ©thane, mais cette capacitĂ© et son coĂ»t dĂ©pendent de la concentration initiale. Les autres procĂ©dĂ©s dâĂ©puration conservent ou augmentent lâoxygĂšne dans le flux de biomĂ©thane. Il faut donc limiter le plus possible lâajout dâoxygĂšne en cours de processus â par exemple, Ă©viter dâinjecter de lâoxygĂšne dans les filtres Ă charbon actif, Ă©viter dâutiliser un traitement biologique aĂ©robie de lâH2S (biofiltres externes), intĂ©grer une rĂ©gulation de lâinjection dâO2 dans le ciel gazeux des digesteurs.
âąâPour les installations traitant des boues de stations dâĂ©puration ou des intrants ou effluents majoritairement ou exclusivement industriels, la fourchette des teneurs en CH4 est plus Ă©tendue (45 Ă 75 %) et la teneur en CO2 est inversement proportionnelle. En outre, de telles installations peuvent prĂ©senter des teneurs en COV et siloxanes importantes. Des COV peuvent Ă©galement ĂȘtre Ă©mis dans le biogaz lors du traitement dâintrants spĂ©cifiques, mĂȘme en infimes quantitĂ©s (dĂ©chets dâagrumesâŠ).
âąâTeneur en O2 : sur les sites existants, on observe des teneurs en oxygĂšne (O2) allant jusquâĂ 1 %, les teneurs supĂ©rieures Ă 0,5 % pouvant engendrer des non-conformitĂ©s Ă lâinjection. De plus, les dĂ©rogations actuelles risquent de diminuer, car cela pose un problĂšme avec lâaugmentation des raccordements dâunitĂ©s de biogaz aux rĂ©seaux de distribution et de transport â et aux stations de rebours. En consĂ©quence, les teneurs en O2 dans le biogaz brut doivent ĂȘtre maĂźtrisĂ©es et rĂ©gulĂ©es au plus juste.
Dâune maniĂšre gĂ©nĂ©rale, si le biogaz prĂ©vu est en dehors des spĂ©cifications « standard », il convient dâenvisager des solutions alternatives (recettes, prĂ©traitements) pour tenter de rester dans ce standard ou des prĂ©traitements spĂ©cifiques. Si ce nâest pas possible, le porteur du projet peut sâattendre Ă des surcoĂ»ts du lot Ă©puration.
La teneur en H2S, COV et autres substances indĂ©sirables (siloxanes) est le facteur dimensionnant des prĂ©traitements du biogaz brut et dĂ©pend directement de la recette initiale : lâintĂ©rĂȘt dâune matiĂšre dans la recette doit ĂȘtre Ă©tudiĂ© sous lâangle des dĂ©penses induites en traitement de biogaz autant que sous celui des recettes possibles. En consĂ©quence, lorsque le porteur de projet Ă©tablira son cahier des charges, nous rappelle le guide, il tĂąchera dâanticiper au mieux la composition du biogaz prĂ©vu tout en incluant les inconnues possibles (COV et siloxanes notamment) et en restant attentif aux impacts de cette composition sur la conception et le dimensionnement de lâensemble de son installation.
Spécifications générales des réseaux de gaz français
Le fort dĂ©veloppement du biogaz sur les territoires français et europĂ©en diversifie les demandes de qualitĂ© en fonction du type de rĂ©seau et de plus en plus dâexigences spĂ©cifiques apparaissent. Cependant, bien quâil existe une norme française et europĂ©enne sur le gaz de type H (NF EN 16726+A1, juillet 2018), complĂ©tĂ©e par une norme française sur le biomĂ©thane destinĂ© Ă lâinjection (NF EN 16723â1, 26 mai 2016), on observe dans la pratique des variations sur les spĂ©cifications du biomĂ©thane en fonction des rĂ©seaux. En outre, les diffĂ©rents acteurs se concertent actuellement au niveau français et europĂ©en pour tenter dâaboutir Ă un accord sur une norme commune basĂ©e sur le gaz de type H, le gaz de type B Ă©tant vouĂ© Ă disparaĂźtre Ă lâhorizon 2029. Ă noter, la norme NF EN 16726+A1 sur le biomĂ©thane injectĂ© indique une exigence dâabsence dâhuile de compresseur dans le biomĂ©thane au point dâinjection.
Prétraitement du biogaz
Le prĂ©traitement du biogaz sert Ă Ă©liminer les impuretĂ©s et Ă©lĂ©ments incompatibles avec la technologie dâĂ©puration du biomĂ©thane retenue pour :
âąâsĂ©cher le gaz ;
âąâabaisser la teneur en H2S Ă un niveau acceptable ;
âąâĂ©liminer les COV, les siloxanes ou encore lâammoniac ;
âąâchauffer/refroidir le gaz pour obtenir une tempĂ©rature adaptĂ©e en dĂ©but de processus ;
âąâcomprimer le gaz pour obtenir une pression adaptĂ©e en dĂ©but de processus.
Les prétraitements nécessaires en fonction des technologies sont à ajuster en fonction des intrants et de la qualité prévisionnelle du biogaz (notamment sa teneur en H2S, COV, NH3, siloxanes).
Les technologies dâĂ©puration
Une unitĂ© dâĂ©puration du biogaz est un assemblage dâĂ©lĂ©ments, souvent livrĂ©s prĂ©montĂ©s et testĂ©s en usine, ce qui limite les alĂ©as du montage sur site, Ă installer sur une dalle en bĂ©ton et/ou des longrines :
âąâun ou plusieurs conteneurs compartimentĂ©s comprenant une salle Ă©lectrique, isolĂ©e et climatisĂ©e et une ou plusieurs salles techniques contenant des Ă©quipements qui dĂ©pendent de la technologie (exemple : membranes, compresseurâŠ) ainsi que lâinstrumentation, gĂ©nĂ©ralement sensible aux alĂ©as climatiques. Le choix des matĂ©riaux Ă©lectriques et non Ă©lectriques doit prendre en compte le zonage ATEX3 ;
âąâdes Ă©quipements extĂ©rieurs, individuels ou montĂ©s sur « SKID » (non conteneurisĂ©s), qui dĂ©pendent de la technologie, des prĂ©traitements nĂ©cessaires ou encore des conditions climatiques. Dans ce cas, le porteur de projet doit vĂ©rifier avec le fournisseur les conditions dâinstallation adaptĂ©es et les contraintes (ATEX, installation, maintenanceâŠ).
Plusieurs technologies matures dâĂ©puration du biogaz permettent la production de biomĂ©thane compatible avec les spĂ©cifications des rĂ©seaux : lavage Ă lâeau, Ă©puration membranaire, PSA (Pressure Swing Adsorption), lavage aux amines et cryogĂ©nie. Cependant, le lavage aux amines et la cryogĂ©nie par exemple sont des technologies spĂ©cifiques Ă certains contextes (dĂ©bits Ă©levĂ©s, biogaz trĂšs polluĂ©) et sont Ă ce jour peu adaptĂ©es Ă la mĂ©thanisation agricole ou territoriale. Dâautres solutions dâĂ©puration existent, telles que des combinaisons de procĂ©dĂ©s telles que lavage Ă lâeau plus membrane.
Lavage Ă lâeau
Il consiste Ă retirer le CO2 par un phĂ©nomĂšne dâabsorption par lâeau, les gaz Ă©tant rĂ©cupĂ©rĂ©s et lâeau rĂ©gĂ©nĂ©rĂ©e par un jeu de pressions. Lors du contact entre lâeau et le biogaz dans les tours dâabsorption, le CO2 est transfĂ©rĂ© vers lâeau, car il est plus soluble dans lâeau que le CH4. Lâeau sâenrichit avec du CO2 et, une fois saturĂ©e, elle nĂ©cessite une rĂ©gĂ©nĂ©ration. La rĂ©gĂ©nĂ©ration permet de sĂ©parer le CO2 de lâeau et de rĂ©utiliser cette derniĂšre dans la tour dâadsorption.
SchĂ©ma du lavage Ă lâeau du biogaz. Source : https://www.gunt.de/images/download/absorption_french.pdf
Avantages : le sĂ©chage du biogaz, le prĂ©traitement de lâH2S, des COV et des siloxanes sont inutiles avant le lavage Ă lâeau. En effet, le gaz passe Ă travers des colonnes dâeau â donc peu importe son humiditĂ© initiale â et la plupart des Ă©lĂ©ments indĂ©sirables tels que lâH2S sont dissous dans lâeau de lavage. Câest lâune des raisons de la bonne adaptation de cette technologie au traitement du biogaz chargĂ© en indĂ©sirables, sous rĂ©serve de compatibilitĂ© des taux dâazote et dâoxygĂšne avec les contrats dâinjection.
Il sâagit dâune technologie Ă©prouvĂ©e et connue, avec une exploitation facile et un CAPEX intĂ©ressant en grandes capacitĂ©s. Elle est assez insensible aux impuretĂ©s dans le biogaz, et traite gĂ©nĂ©ralement trĂšs bien H2S, COV, siloxanes et une partie du NH3 (adaptĂ© aux biogaz chargĂ©s en impuretĂ©s en permanence ou en pics). Elle limite les besoins en traitement au charbon actif. PlutĂŽt adaptĂ©e aux grandes capacitĂ©s, elle nĂ©cessite des colonnes de traitement assez encombrantes, soit en hauteur, soit horizontales. Il faut faire attention Ă lâencrassement des colonnes (dĂ©veloppement bactĂ©rien, dĂ©pĂŽts). AprĂšs ce traitement, le sĂ©chage du biomĂ©thane est obligatoire avant injection.
LâĂ©puration membranaire
Une membrane se compose de plusieurs fibres polymĂšres creuses rĂ©unies dans un cylindre dans lequel passe le gaz sous pression. Le gaz Ă traiter est alimentĂ© dâun cĂŽtĂ© de la membrane, Ă moyenne pression. La sĂ©paration membranaire est basĂ©e sur la vitesse de permĂ©ation des diffĂ©rentes molĂ©cules prĂ©sentes dans le biogaz. Cette vitesse est rapide pour des molĂ©cules comme lâH2O, lâH2 et le CO2, et plus lente pour les molĂ©cules dâO2, de CH4 et de N2. Câest ce qui permet dâavoir dans le rĂ©tentat un biomĂ©thane riche en CH4. En revanche, il existe une compĂ©tition entre les molĂ©cules dâazote et de mĂ©thane qui fait quâau-delĂ dâune certaine concentration en azote (N2 > 1,5 %) la conformitĂ© du biomĂ©thane nĂ©cessite une recirculation plus intense, une pression plus importante et donc une consommation Ă©lectrique plus Ă©levĂ©e.
Ces installations sont compactes et Ă©volutives en capacitĂ©, avec une exploitation aisĂ©e. La rĂ©cupĂ©ration de chaleur est possible sur les compresseurs et la rĂ©cupĂ©ration de CO2 facile. Le retour dâexpĂ©rience sur les membranes commence Ă ĂȘtre significatif (plus de 10 ans) et cette technologie est trĂšs rĂ©pandue en France.
Points nĂ©gatifs : elle est sensible (plus ou moins selon les membranes) Ă lâH2S, au NH3, aux COV et autres impuretĂ©s pour certaines marques de membranes. Il nây a pas de sĂ©paration entre azote et mĂ©thane. Les CAPEX sont parfois non compĂ©titifs sur les dĂ©bits les plus importants et le biogaz nĂ©cessite un prĂ©traitement avant lâĂ©tape de sĂ©paration membranaire (sĂ©chage du biogaz par condensation pour Ă©liminer lâhumiditĂ© qui risque de saturer le charbon actif).
Le PSA (Pressure-Swing Adsorption)
La technique PSA ou technique dâadsorption modulĂ©e en pression utilise des adsorbants solides (tamis molĂ©culaires) et des diffĂ©rences de pression pour capturer le CO2 et Ă©purer ainsi le biogaz. AprĂšs lâadsorption sous haute pression, le matĂ©riau adsorbant chargĂ© est rĂ©gĂ©nĂ©rĂ© par une diminution progressive de la pression.
SchĂ©ma de lâĂ©puration. Source : CSF MĂ©thanisation â Ăpuration du biogaz et purification du CO2. Nouveaux systĂšmes Ă©nergĂ©tiques, comitĂ© stratĂ©gique de filiĂšre. © PSA
Avantage, les tamis molĂ©culaires bĂ©nĂ©ficient de retours dâexpĂ©riences de 12 Ă 15 ans selon les constructeurs, qui montrent une absence dâaltĂ©ration des performances (pas de nĂ©cessitĂ© de changer le tamis). Si besoin est, le procĂ©dĂ© PSA peut Ă©liminer une partie de lâO2 et du N2 du biogaz vers lâĂ©vent. Mais cette capacitĂ© dâĂ©limination dĂ©pend du cahier des charges. Celui-ci permettra lâĂ©laboration dâun mĂ©dia adaptĂ© aux exigences attendues en termes dâĂ©puration.
Cette technologie nĂ©cessite une capacitĂ© tampon pour lâĂ©vent en cas de valorisation du CO2 pour lisser la production dâĂ©vent (dĂ©bit non constant), avec des pertes de CH4 dans lâĂ©vent un peu plus importantes que pour les membranes. Le prĂ©traitement est indispensable en amont du procĂ©dĂ© PSA pour Ă©liminer les COV par charbons et lâH2s avec charbons actifs, lâhumiditĂ© du biogaz par condensation et/ou par adsorption sur charbon actif, le NH3 Ă©ventuellement par charbon actif ou tour de lavage. Il est possible dâutiliser des compresseurs « oil free » sous certaines conditions, ce qui permet de rĂ©cupĂ©rer un biomĂ©thane et un CO2 sans traces dâhuile.
Lavage aux amines
Le lavage aux amines est un procĂ©dĂ© dâabsorption qui permet dâĂ©liminer aussi bien le CO2 que lâH2S et dâautres polluants du biogaz, sans prĂ©traitement (pas de nĂ©cessitĂ© de prĂ©traitement au charbon actif). Les amines sont utilisĂ©es comme solvant pour amĂ©liorer les performances dâĂ©puration et sont rĂ©gĂ©nĂ©rĂ©es au cours du processus pour ĂȘtre rĂ©utilisĂ©es. Lâexploitation est rĂ©putĂ©e comme Ă©tant un peu compliquĂ©e, mais trĂšs rĂ©active quant Ă la composition du biogaz, avec un rendement de rĂ©cupĂ©ration de CH4 proche de 100 % (pertes proches de 0 %) et une puretĂ© du biomĂ©thane proche de 100 % Ă©galement. En revanche, la rĂ©gĂ©nĂ©ration des amines est trĂšs consommatrice dâĂ©nergie (chaleur : 120 Ă 160 °C). La conception et lâexploitation nĂ©cessitent des prĂ©cautions particuliĂšres liĂ©es aux risques chimiques â pour le personnel et lâenvironnement. Ce procĂ©dĂ© sera envisagĂ© de prĂ©fĂ©rence en prĂ©sence dâun biogaz riche en polluants (hors standard) et sur un site disposant de chaleur excĂ©dentaire en quantitĂ© suffisante (type site industriel).
Cryogénie
En cryogĂ©nie, le mĂ©thane (CH4) et les autres gaz constituant le biogaz, en particulier le dioxyde de carbone (CO2), sont sĂ©parĂ©s par un jeu successif de compression (jusquâĂ 40 bars), refroidissement, dĂ©tente qui permet dâabaisser trĂšs fortement la tempĂ©rature (jusquâĂ ââ120 °C). Le mĂ©thane et le dioxyde de carbone sortent alors tous les deux sous forme liquide. Cette technologie nĂ©cessite un sĂ©chage trĂšs poussĂ© en amont, Ă plusieurs Ă©tapes et onĂ©reux, mais est adaptĂ©e Ă la production de bioGNL. Les pertes en CH4 proches de 0 % et la rĂ©cupĂ©ration de CO2 sous forme liquide, gĂ©nĂ©ralement assez pur, stockable et transportable, est trĂšs facile Ă partir de cette technologie. Mais lâexploitation est complexe et les besoins en Ă©nergie (supĂ©rieurs Ă 1 kWh/Nm3 de CH4) trĂšs importants.