Promotion of bio-methane and its market development through local and regional partnerships. A project under the Intelligent Energy Europe programme

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1 Promotion of bio-methane and its market development through local and regional partnerships A project under the Intelligent Energy Europe programme Contract Number: IEE/10/130 Deliverable Reference: W.P. 4-1 Date of Preparation: August 2011 (correction June 2012) French summary of the 1 st training the trainers of May 2011 The correction is on the slide n 66 AILE The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein..

2 LE LANCEMENT DU PROJET BIOMETHANE REGIONS SWEA (UK) Andy Bull Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 1 Cadre du projet Programme EIE(Energie Intelligente pour l Europe) : soutient les initiatives locales/régionales/nationales dans le domaine des énergies renouvelables, de l'efficacité énergétique, des aspects énergétiques du transport. Projet coordonné par SWEA (Severn Wye Energy Agency, agence locale de l énergie du Sud Ouest de l Angleterre et du Pays de Galles) 15 partenaires de 11 pays: Royaume-Uni (2), Allemagne (2), Autriche, Danemark, Belgique (2), France (2), Italie, Suède, Croatie, Hongrie et Slovénie 2 Deliverable WP.4.1 (correction) 1

3 Les partenaires 3 Objectifs du projet Favoriser le développement de l utilisation du biométhane Échange de connaissances et d expériences entre les différents partenaires Mise à niveau des compétences dans chaque pays pour développer l utilisation du biométhane 4 Deliverable WP.4.1 (correction) 2

4 Le lancement du projet mai 2011 au Pays de Galles (UK) 2 parties Échanges entre les partenaires du projet Conférences sur la méthanisation et la valorisation du biogaz À l université de Glamorgan 5 RÉSUMÉ DES CONFÉRENCES Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 6 Deliverable WP.4.1 (correction) 3

5 1-FONDEMENTS BIOCHIMIQUES DE LE MÉTHANISATION Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Professor Richard Dinsdale Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 7 Le principe Dégradation de la matière organique en l absence d oxygène, en dioxyde de carbone et méthane grâce à un consortium bactérien C x H y O z ---> CO 2 + CH 4 + biomasse bactérienne anaérobique Population bactérienne complexe Des interdépendances entre les espèces bactériennes Un rôle clé des bactéries méthanogènes Modélisation de la dégradation anaérobie en 4 étapes 8 Deliverable WP.4.1 (correction) 4

6 Processus de méthanisation Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Méthanogénèse Mélange de substrats Organiques Inorganiques Glucides Protéines Lipides Lignines Eau Métaux lourds, minéraux (P,K,Na, Ca ) En solution : Sucre (chaînes courtes) Acides aminés Acides gras Acides (chaînes courtes) Alcools CO 2 et H 2 Acides acétiques Alcools Homoacétogène CO 2 et H 2 Réduction des sulfates Produits de la dégradation protéique CH 4, CO 2 et H 2 O H 2 S NH 4,NH 3 Lignines Eau Métaux lourds, minéraux (P,K,Na, Ca ) Biogaz Digestat 9 Facteurs clés pour favoriser l activité des bactéries Hydrolyse Taille des particules (plus elles sont petites mieux c est!) Accessibilité des substrats (pour dégradation enzymatique, difficile avec lipides) Temps de séjour dans le réacteur Structure chimique des substrats (lignine pas dégradable) Teneur en MO des substrats Acidogénèse Influence du ph et de la concentration en H2 10 Deliverable WP.4.1 (correction) 5

7 Les facteurs de contrôle à surveiller La température (psychrophile, mésophile ou thermophile) Le ph compris entre 6,5 et 7,5 (inhibition en milieu acide) La teneur en nutriment (macro et micronutriments) recommandation : C ( )-N (15-20)-P (5)-S (3) Micronutriments : Ni,Fe,Co,SE,Mg La teneur en agents inhibiteurs (NH 4+, H 2 S, Ca/Na/K, détergents, solvants, métaux lourds ) Le temps de séjour (garantir un temps suffisant pour le régénération des bactéries) 11 Conclusion Digestion anaérobie dépend de l interaction entre un grand nombre de micro-organismes Processus naturel qui fonctionne depuis 3,5 milliards d années De nombreuses possibilités de disfonctionnement, nécessite une gestion méticuleuse 12 Deliverable WP.4.1 (correction) 6

8 2-SUIVI ET CONTRÔLE DES UNITÉS DE MÉTHANISATION Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Dr. Sandra Esteves Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 13 Volontés d un exploitant d unité de méthanisation Utiliser les substrats quand ils sont disponibles (attention aux excès surtout avec les co-substrats sur lesquels on touche une redevance de traitement ) Stabiliser le process Optimiser la production de biogaz Produire un digestat de qualité Minimiser les impacts environnementaux de l unité Compter sur un système de diagnostic et d automatisation des contrôles? 14 Deliverable WP.4.1 (correction) 7

9 Qu est-ce qui peut aider? Les connaissances de l exploitant L automatisation du suivi et du contrôle La flexibilité de l unité pour faciliter le suivi (conception astucieuse) L exploitant doit avoir des connaissances car les automates ne font pas tout et c est un processus vivant!! 15 Qu est-ce qui peut être contrôlé? Les substrats Gestion des stocks, MS, MO, ph, C:N:P:S, teneurs en métaux lourds Le digestat MO, ph, matières fertilisantes, odeurs, pathogènes Le biogaz Production de biogaz, teneur en CH 4, CO 2, H 2, H 2 S Le contenu du digesteur T, ph, pouvoir tampon (TAC), AGV, NH 4+, communauté microbienne Suivi hors ligne Suivi en ligne Suivi hors ligne Etapes clés : démarrage et changement de substrat dans la ration 16 Deliverable WP.4.1 (correction) 8

10 Instabilité du digesteur Exemple du suivi du contenu du digesteur Indicateurs d instabilité 17 Les principales techniques de mesures Chromatographie: séparation des substances par leur différence d affinité (solubilité, absorption, taille, charge) entre la phase mobile et la phase stationnaire AGV Électrochimie: mesure du potentiel électrique, du courant ou de la résistance en utilisant des électrodes T, ph, teneurs en 0 2, H 2 S Spectrométrie: mesure de l absorbance, de la diffusion ou de la fluorescence de radiations (UV, visible et IR) Teneurs en CH 4, CO 2 Titrimétrie: mesure de la quantité de réactif qui réagit avec la substance que l on cherche à mesurer AGV total, TAC, NH Deliverable WP.4.1 (correction) 9

11 Comment optimiser une unité de méthanisation? Gestion basée sur la caractérisation des substrats et des performances du digesteur Maintien des paramètres (T, ph, TAC ) du digesteur à des valeurs compatibles avec les microorganismes Adaptation de la charge organique appliquée et du temps de rétention Gestion des substrats Contrôle des macro et micronutriments (Fe, Co, Ni, Mo, Se, Ca, Mg, vitamine B ) Pré et post-traitement si nécessaire 19 Le suivi en ligne Les avantages Permet un contrôle automatique Suivi permanent des paramètres, anticipation Fiabilitédes informations sur le processus Les obstacles Coût des équipements Dépendance vis-à-vis des équipement (en cas de défaillance) Doit être utiliséactivement dans la gestion de l unitépour être justifié Intégration du suivi en ligne dans un système de supervision et de contrôle de l unité de méthanisation Supervision et acquisition de données Contrôle de l unité utilisant des algorithmes (encore en développement pour les unités de méthanisation «grandeur nature») 20 Deliverable WP.4.1 (correction) 10

12 21 Conclusion De la gestion et du contrôle des substrats et des performances du digesteur résultent une meilleure efficacité de traitement/récupération, et une haute qualité des produits améliore l économie de l unité. 22 Deliverable WP.4.1 (correction) 11

13 3- ORGANISATION D UNE UNITÉ DE MÉTHANISATION LokaleEnergieagentur LEA GmbH (Autriche) Karl Puchas Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 23 Les ateliers d une unité de méthanisation 24 Deliverable WP.4.1 (correction) 12

14 Unité de méthanisation caractéristique d Autriche 25 Unité de méthanisation industrielle 26 Deliverable WP.4.1 (correction) 13

15 Unité de méthanisation pour ordures ménagères (avec compostage) 27 Unité de méthanisation basée sur les substrats de la ferme (exemple autrichien) 28 Deliverable WP.4.1 (correction) 14

16 Unité de méthanisation en codigestion (le plus présent en France) 29 Stockage des substrats 30 Deliverable WP.4.1 (correction) 15

17 Système d alimentation À vise À piston 31 Systèmes de mélange 32 Deliverable WP.4.1 (correction) 16

18 Stockage de gaz double membrane Membrane de protection météorologique (extérieure) Membrane de stockage du gaz (intérieure) 33 4-LE BIOGAZ : CARACTÉRISTIQUES, TRAITEMENTS ET VALORISATION Vienna University of Technology(Autriche) Institute of Chemical Engineering Michael Harasek Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 34 Deliverable WP.4.1 (correction) 17

19 L émergence du «gaz-énergie» 35 Le biogaz, sa composition ÖVGW G31 : union autrichienne pour le gaz et l eau 36 Deliverable WP.4.1 (correction) 18

20 Epuration du biogaz 37 Les composés traces dans le biogaz brut Le biogaz brut peut contenir : Des composés organiques (alcanes, composés aromatique, thiols, AGV, alcools ) Des siloxanes(composés du Silicium) Des particules Des gouttelettes (condensation, aérosols ) Effets des composés traces : Corrosion Diminution des performances des équipements Usure prématurée des équipements 38 Deliverable WP.4.1 (correction) 19

21 Injection du biométhanedans le réseau de gaz naturel Législation UE de base : directive UE 2003/55/EC Pas de discrimination à l accès au réseau de gaz naturel pour le biogaz si respect des normes techniques et des standards sanitaires Chaque pays a ces propres particularités : Législatives Techniques WobbeIndex : rapport entre pouvoir calorifique supérieur du gaz et la racine carré de sa densité par rapport à l air, exprimé en kwh/m 3 Composition du gaz (H2S ) Se renseigner localement des exigences! 39 Les étapes d épuration du biogaz 40 Deliverable WP.4.1 (correction) 20

22 Absorption par oscillation de pression (PSA) - Opérations cycliques - Plusieurs valves, minutage précis nécessaires - Bonne efficacité énergétique 41 Lavage à l eau / absorption - Le gaz est saturé par l eau à une certaine pression - Opérations cycliques 42 Deliverable WP.4.1 (correction) 21

23 Absorption aux amines - Amines alcooliques utilisées pour l absorption du CO2 - Hautes températures pour une désorption dans les boucles de recyclage -Opération possible à basse pression 43 Infiltration des gaz (membranes) Principe : utilisation des différentes perméabilités du méthane et de ses composants pour les séparer Paramètre : le ratio de perméabilité Se déroule après la compression du gaz Possible avec 2 niveaux de membranes pour optimiser le taux de CH4 44 Deliverable WP.4.1 (correction) 22

24 Conclusion De nombreuses techniques d épuration disponibles adapter le traitement aux besoins! Bien définir les objectifs d épuration L épuration représente un investissement important, le projet doit donc être bien définit pour optimiser le résultat économique Il existe des système tout automatisé mais attention aux défaillances (moins de flexibilité) 45 5-GESTION DES SUBSTRATS ET PRÉTRAITEMENTS Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Gregg Williams & Des Devlin Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 46 Deliverable WP.4.1 (correction) 23

25 Une grande variétéde substrats disponibles pour la méthanisation cultures intermédiaires betterave à sucre ensilages biomasse herbacée déchets agricoles fientes de volaille déchets GMS lisiers bovins déchets de céréales lisiers porcins déchets d abattoir déchets municipaux boues de STEP déchets ménagers organiques Toutes matières composées de glucides, lipides ou protéines 47 qui demande des connaissances sur la qualité des substrats utilisés! Pour optimiser le dimensionnement et la ration Pour éviter d introduire des inhibiteurs dans le digesteur Pour adapter la gestion des substrats (prétraitement ou pas ) Pour assurer la production d un digestat de qualité 48 Deliverable WP.4.1 (correction) 24

26 Caractérisation des substrats Échantillonnage : Échantillon représentatif Échantillon frais (éviter long stockage) Échantillon de masse ou de volume adaptée à l analyse Les analyses de bases : MS, MO T, ph TAC Potentiel méthanogène et composition du biogaz 49 Caractérisation des substrats Les analyses chimiques : DCO Ammonium, carbohydrates, CHNSO Glucides/lipides/protéines AGV, fibres aux détergents acides et neutres (ADF, NDF) Nutriment et métaux lourds Pathogènes Présence de siloxanes, agents inhibiteurs L équation de Buswell Production théorique maximale de biogaz Hypothèses Ne prend pas en compte la solubilité des gaz, les inhibitions possibles Considère que toute la matière organique est converti Utile pour avoir des ordres de grandeurs 50 Deliverable WP.4.1 (correction) 25

27 Test de potentiel méthanogène En batch Digestion du substrat étudié en une trentaine de jours Non considération des interactions avec les autres substrats pas représentatif de l échelle 1 Analyse de la quantité et qualité du biogaz produit par ce substrat dans ces conditions En continue («mini- digesteur») Plus coûteux Analyses biogaz, digestat Équivalent à une unité de production à petite échelle représentatif des conditions réelles 51 Prétraitements mécaniques Déconditionnement Broyage Pulpeur(séparateur mécanique) Séparateur magnétique Tamis Homogénéisation Objectifs: tri des substrats (indésirables) et extraction de la matière organique 52 Deliverable WP.4.1 (correction) 26

28 Prétraitements chimiques Traitement à l acide Traitement alcalin Solvants organiques Oxydation Objectifs: pré-dégradationde la matière pour faciliter l action des bactéries rendre biodégradable l hémicellulose et la lignine (altération) solubiliser les protéines 53 Conclusion Nombreuses techniques disponibles Adaptation de la technique aux besoins de l unité => Bonne connaissance des substrats Composition des substrats Production théorique de biogaz Tests potentiel méthanogène Les prétraitements peuvent faciliter l action des bactéries et augmenter les production de biogaz 54 Deliverable WP.4.1 (correction) 27

29 6-CARACTÉRISTIQUES ET UTILISATIONS DU DIGESTAT Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Dr Julie Williams & Dr Sandra Esteves Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 55 Caractéristiques du digestat La qualité dépend des substrats utilisés et des conditions de digestion Faible taux de MS (en général < 10%) Matériel non digéré : lignine et débris de cellules Nutriments inorganiques (N et P principalement) Peut contenir des éléments potentiellement toxiques (métaux lourds ) Possibilité de séparer la phase solide de la phase liquide Classer en déchet ou non 56 Deliverable WP.4.1 (correction) 28

30 WRAP, 2008, Waste Protocole Project Anaerobic Digestate, partial financial impact assessment of the introduction of a quality Protocol for the production and use of anaerobic digestate ADEME, 2006, La méthanisation à la ferme 57 Utilisations possibles du digestat Fertilisant pour les parcelles agricoles (enrichissement du sol) Amendement pour les parcelles agricoles (structuration du sol) Compostage Substrat pour cultures végétales Projets de régénération de sols Matériaux de construction (pressé en bloc)? Combustible pour chaudière (après séchage)? 58 Deliverable WP.4.1 (correction) 29

31 Impacts lors du retour au sol Peu affecter l équilibre en nutriment du sol Risque de phytotoxicité(si métaux lourds) Lessivage des nitrates Émissions de méthane et d ammoniac Odeurs (H 2 S, NH 3, AGV ) Risque sanitaire (pathogènes, allergènes et éléments potentiellement toxiques) Peu affecter la microbiologie du sol Coût de transport (empreinte écologique) 59 Pathogènes microbiens E. coli [unités formant des colonies/g de matières fraîches] Data from Defra FIO-FARM project 60 Deliverable WP.4.1 (correction) 30

32 Contrôle des émission et des odeurs Couverture des cuves de stockage du digestat Transport du digestat dans des citernes (comme pour lisiers) Épandage avec matériel adapté (pendillards) 61 Devenir du digestat 62 Deliverable WP.4.1 (correction) 31

33 Techniques de séparation de phase sédimentatio n décantation filtration presse à courroie centrifugatio n Presse à vis + séchage ou évaporation de la phase solide 63 Efficacité de la séparation de phase Dépend de la technique mise en œuvre Presse à vis : > 1 mm Centrifugation : > 0.02 mm Dépend de la composition du digestat Taux MS et de lignine Taille des particules L efficacité peut être augmentée en utilisant des floculants (floculation des particules) % des éléments en phase solides par rapport à la quantité initiale = efficacité de la séparation 64 Deliverable WP.4.1 (correction) 32

34 Procédés de traitements de la phase liquide Chaque procédé permet de séparer des molécules de tailles différentes Fuchs & Drogs, 2010 Technologiebewertung von Garrestbehandlungs- und Verwertungskonzepten. Eigenverlag der Universitat fur Bodenkultur Wien 65 Exemple avec les flux de nutriments durant le traitement du digestat Exemple with a unit of 1MWe Fuchs et al, 2010, Digestate treatment: comparison and assessment of existing technologies. Third International Symposium on Energy from Biomass and Waste. Venice 66 Deliverable WP.4.1 (correction) 33

35 Conclusion Quelle débouché pour le digestat sur l unité? Possible alternative aux fertilisants chimiques Partition des éléments entre la phase solide et la phase liquide Adapter la solution technique qui répond le mieux aux besoins de l unité 67 Merci de votre attention Présentation réalisée à partir des interventions ayant eu lieu lors de la rencontre du projet européen EIE «Bio-MethaneRegions», les 26 et 27 mai 2011 au Pays de Galles Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 68 Deliverable WP.4.1 (correction) 34

36 Les contacts Contacts en Bretagne et Pays de la Loire : Armelle Damiano(armelle.damiano@aile.asso.fr) Gaëlle Le Guen(gaelle.le-guen@aile.asso.fr) Contact en Rhône-Alpes : Valérie Borroni(valerie.borroni@raee.org) Coordinateur, SWEA (UK) : Andy Bull (andy@swea.co.uk) Ce document est disponible auprès des 2 partenaires français. Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent. 69 Deliverable WP.4.1 (correction) 35