La méthanisation. ENSCM 2010 Romy-Alice GOY

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1 La méthanisation ENSCM 2010 Romy-Alice GOY

2 Sommaire A. La méthanisation comme 1. un procédé biologique complexe 2. un procédé de traitement des effluents 3. un projet de territoire et de bioraffinerie B. La méthanisation des micro et macro algues C. Travailler en R&D en PME et en Bureau d Etudes 2

3 La découverte du méthane Volta 1776 «Gaz des marais» 3

4 Le méthane : une source d énergie 1,15 litre d'essence 1,7 litre d'alcool à brûler 1 litre de mazout 1 m 3 de méthane 8570 kcal 1,3 kg de charbon 9.7 kwh d'électricité 0,94 m 3 de gaz naturel

5 La méthanisation autour de nous La méthanisation «naturelle» : Intestins des ruminants Rizières Intestins des termites Marais 5

6 La méthanisation : un procédé biologique naturel de dégradation de la Matière Organique La digestion anaérobie : Dégradation des matières organiques, en absence d oxygène, par une communauté microbienne produisant du biogaz, mélange de méthane et de dioxyde de carbone Matières organiques (CH 2 O) n Oxygène Processus naturel Cycle biogéochimique du carbone CH 4 + CO 2 6

7 Un procédé biologique complexe Macro-molécules B. hydrolytiques Monomères B. acidogènes Hydrolyse et Acidogénèse Acides organiques, alcools B. acétogènes Acétogénèse Acétate B. monoacétogènes CO 2 + H 2 B. méthanogènes acétoclastes B. méthanogènes hydrogénophiles Méthanogénèse CO 2 + CH 4 CH 4 7

8 Influence des paramètres physico-chimiques (1) Température : paramètre important de l activité biologique Psychrophile : 10 à 30 C Mésophile : 20 à 40 C Thermophile : 55 à 75 C ph Plage de tolérance de 4 à 9 Croissance maximale de 6,5 à 7,3 Hors plage, inhibition des populations et sélection Impact sur la diversité, les performances et l effet des toxiques. 8

9 Influence des paramètres physico-chimiques (2) Concentration en éléments nutritifs C, H, O, N, P -> 95 % de la masse cellulaire Importance du rapport C/N (idéalement entre 25 et 35 ) Eléments traces requis : K, Ca, Na, Mo, Co, Mg, Fe, Zn, Ni Attention aux seuils de toxicité Principaux inhibiteurs NH 3 forme basique : importance du ph et de la température Acide Gras Volatiles (à Longues Chaînes) forme acide : importance du ph 9

10 L étude de la méthanisation au laboratoire «Biochemical Methane Potential» = BMP => Détermination du potentiel méthane d un substrat donné. Boues : bactéries anaérobies Nutriments Oligo-éléments Solution tampon Eau Agitation à 35 C pendant 6 semaines Mesure de la quantité et de la qualité du biogaz produit Echantillon Témoin : eau 10

11 L étude de la méthanisation au laboratoire Suivi du BMP Mesure de la quantité de gaz produite Analyse de la qualité du gaz produit Volume de méthane produit au cours de l étude Dispositif de mesure du volume de biogaz 11

12 L étude de la méthanisation au laboratoire Résultats 12

13 L étude de la méthanisation au laboratoire Compteur biogaz Réacteur Bain Thermostaté Agitateur 13

14 L étude de la méthanisation au laboratoire Phase 1 : montée en charge Augmentation régulière du débit d alimentation (concrètement : du temps d alimentation réglé au timer) En fonction du suivi des paramètres opératoires Phase 2 : Stabilisation Maintien d une charge stable Paramètres suivis Au minimum ph T Débit gaz 14

15 L étude de la méthanisation au laboratoire Exemple de résultats 15

16 Sommaire : la méthanisation comme A. La méthanisation comme 1. un procédé biologique complexe 2. un procédé de traitement des effluents 3. un projet de territoire et de bioraffinerie B. La méthanisation des micro et macro algues C. Travailler en R&D en PME et en Bureau d Etudes 16

17 La méthanisation maîtrisée : traitement biologique de la pollution organique 17

18 Comparaison du traitement biologique aérobie et anaérobie 18

19 Comparaison du traitement biologique aérobie et anaérobie Influent AEROBIE Effluent 2-10 kg DCO Boues, kg Influent Biogaz 35 m 3 (285 kwh) 100 kg DCO ANAEROBIE Effluent kg DCO Boue, 5 kg 19

20 La méthanisation industrielle des effluents Type d industrie Nombre de méthaniseurs Brasserie et malterie 229 Distillerie 163 Transformation de fruits et légumes 98 Production de sucre 83 Soft drinks et thé 72 Transformation de pomme de terre 67 Laiterie et fromagerie 51 Production de levure 42 Confiserie 21 Abattoir, Transformation de la viande 22 Jus de fruit 16 Conserverie 14 Production d acide citrique 12 Vinification 10 Production de café 10 Industrie du poisson et produit de la mer 7 Production de glace 7 Source : Hervé Macarie (2000) 20

21 La méthanisation industrielle des effluents Objectif : mettre en contact les bactéries avec la matière organique à dégrader Bactéries Matière en suspension Biogaz Optimisation du contact entre les phases Rétention des bactéries Phase liquide Avec Matière en Suspension Milieu liquide Trois phases : solide/liquide/gaz 21

22 La méthanisation industrielle des effluents Réacteurs à biomasse libre Biogaz Sortie Réacteurs à supports Recirculation Biogaz Sortie Alimentation Alimentation Réacteur complètement mélangé Biogaz Réacteur à lit fixe ascendant Sortie Alimentation Réacteurs à boues granulaires Réacteur de type UASB 22

23 La méthanisation industrielle des effluents Exemple de réalisations industrielles 23

24 La méthanisation industrielle des effluents Exemple de réalisations industrielles Une centaine d installation Agroalimentaire : brasseries, conserveries, caves vinicoles, traitement des vinasses Chimie : production d acide, de ferments Papeterie : usines de production de pâtes à papier et de papier-carton 24

25 Sommaire : la méthanisation comme A. La méthanisation comme 1. un procédé biologique complexe 2. un procédé de traitement des effluents 3. un projet de territoire et de bioraffinerie B. La méthanisation des micro et macro algues C. Travailler en R&D en PME et en Bureau d Etudes 25

26 La méthanisation de substrats en en codigestion 26

27 La méthanisation de substrats en en codigestion Type de déchet kg nécessaire à la production de 1m3 de méthane résidus céréales 3 mélasse 4 graisse abattoir 6 résidus maïs 7 tontes de pelouse 8 déchets brasserie 13 pulpes de pomme de terre 20 fumier bovin 25 lisiers bovin 50 Pour produire l équivalent de l électricité consommée par un foyer de 4 personnes par an kwh soit 1031 m 3 de méthane méthanisation de : 4,2 tonnes de mélasse 13,4 tonnes de déchets de brasserie tonnes de lisiers

28 La méthanisation de substrats en en codigestion : projet de territoire Plateforme de méthanisation en co-digestion : un projet de territoire global Déchets : origine agricole, Industrie IAA, cantine, abattoirs Valorisation chaleur Valorisation électricité Digestats : valorisation agronomique 28

29 La méthanisation encodigestion à l échelle industrielle 29

30 La méthanisation en codigestionà l échelle industrielle Source de données : Solagro 30

31 Cas particuliers : ordures ménagères 31

32 Montage d un projet de méthanisation de territoire : les 4 piliers Les 4 piliers du développement d un projet Faisabilité technique Faisabilité économique Le gisement Quantité Qualité Contractualisation Le foncier Localisation Surface Constructible ICPE La valorisation de la chaleur Utilisation de la chaleur produite : coût de rachat d EDF! Le devenir des digestats Possibilité d épandage : surface, coût, contractualisation 32

33 Montage d un projet de méthanisation de territoire : chronogramme 33

34 La méthanisation au service de l écologie industrielle Matière première organique et minérale IND1 IND2 Zone industrielle Electricité Chaleur IND3 Objectifs : Valoriser au maximum les déchets pour produire de l énergie et limiter la consommation de matières premières Eau Effluents organiques Déchets organiques Intervenir intelligemment en écologie industrielle 34

35 La méthanisation au service de l écologie industrielle Matière première organique et minérale IND1 IND2 Zone industrielle Eau Electricité Chaleur IND3 Objectifs : DA Effluents organiques Déchets organiques Valoriser au maximum les déchets pour produire de l énergie et limiter la consommation de matières premières Eau chargée en minéraux Intervenir intelligemment en écologie industrielle 35

36 La méthanisation au service de l écologie industrielle Matière première organique et minérale IND1 IND2 Zone industrielle Effluents organiques Déchets organiques Eau Electricité Chaleur IND3 Objectifs : DA ++ Nutriments, minéraux Valoriser au maximum les déchets pour produire de l énergie et limiter la consommation de matières premières Intervenir intelligemment en écologie industrielle 36

37 Le concept de bioraffinerie 37

38 L arbre de Dow 38

39 Sommaire A. La méthanisation comme 1. un procédé biologique complexe 2. un procédé de traitement des effluents 3. un projet de territoire et de bioraffinerie B. La méthanisation des micro et macro algues C. Travailler en R&D en PME et en Bureau d Etudes 39

40 Exemples de micro-algues 40

41 Exemples de micro-algues Spiruline 41

42 La culture de micro-algues Photobioréacteur Raceways 42

43 Les caractéristiques du substrat micro-algues Espèces PROTEINES % LIPIDES 2 80 % Quelques µm à plusieurs dizaines SUCRES 5 30 % Conditions de croissance 43

44 Etudes réalisées Reactor Batch 11 L Substrate T ( C) HRT (d) Loading rate Methane productivity L CH 4 g VS -1 CH 4 (% vol) References Algae sludge (Chlorella Scenedesmus) (Golueke et al., 1957) Algal biomass Spirulina (Chen, 1987) Dunaliella Tretraselmis (fresh) CSTR 2-5 L Tretraselmis (dry) (Asinari Di San Marzano et al., 1982) Tretraselmis (dry) NaCl 35g/L Batch 5 L Chlorella vulgaris a (Sanchez and Travieso, 1993) Semi continous (daily fed) 10 L Spirulina maxima (Samson and LeDuy, 1982) Fed Batch 2 L Spirulina maxima (Samson and LeDuy, 1986) CSTR 4L Chlorella-Scenesmus (Yen and Brune, 2007) a estimated from data given in L CH4.gCOD-1 using a COD/VS ratio of 1.5xx 44

45 Limites identifiées Hétérogénéité des espèces Résistance différentielle des parois Fractionnement biochimique différent Concentration élevée en protéines -> problème NH 3 (Faible C/N) Toxicité potentielle du sodium Intérêt de la codigestion 45

46 La projet Symbiose 46

47 Le projet Salinalgues Dunaliella Salina Méthanisation des résidus Extraction de molécules à HVA 47

48 Le projet Winseafuel 48

49 Sommaire A. La méthanisation comme 1. un procédé biologique complexe 2. un procédé de traitement des effluents 3. un projet de territoire et de bioraffinerie B. La méthanisation des micro et macro algues C. Travailler en R&D en PME et en Bureau d Etudes 49

50 Etre ingénieur R&D en PME PME = multi-compétences multi-responsabilités adaptabilité, flexibilité Gestion d un projet de recherche de A à Z : Étude bibliographique Veille technique et règlementaire Etude de faisabilité technique : tests en laboratoire, conception de pilotes, planning des essais, suivi, encadrement de personnel, analyses de résultats, optimisations, modélisation Etude de faisabilité économique : consultation de fournisseurs Gestion du budget Rédaction de dossiers de demandes de subvention : recherches de partenaires, coordination de projets, rédaction de rapport Rédaction de brevets 50

51 Etre ingénieur R&D en PME 51

52 Etre ingénieur Bureau d Etudes en PME PME = multi-compétences multi-responsabilités adaptabilité, flexibilité Réalisation d études de faisabilité technico-économique de projets de méthanisation : Echanges avec le client : réunions, présentations, rapport Dimensionnement des unités (procédés) Choix des technologies adaptées (chaudières, pompes, centrifugeuses) Proposition de solutions originales adaptées aux contextes particuliers Consultations de fournisseurs Réalisation de bilans économiques à partir des coûts d investissement, d exploitation, des charges (Temps de Retour sur Investissement, Résultat Net ) Savoir respecter ce qui est écrit dans un devis (objectifs, temps à passer ) 52

53 Retour d expérience personnelle Retour d expérience de la PME/Start-up Avantages : impact très significatif de son travail multi-compétences = excellente formation sur le terrain chaque jour est différent! proximité avec les responsables management souvent plus flexible implication dans toutes les tâches de l entreprise Inconvénients : budgets serrés beaucoup de responsabilités = pression et investissement personnel important on s éparpille rapidement! avantages sociaux 53

54 Merci de votre attention Romy-Alice GOY