Développement d un procédé d épuration biogaz adapté aux petites unités

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1 Développement d un procédé d épuration biogaz adapté aux petites unités Procédé G-PUR Valentin Fougerit Marc-André Théoleyre Touhami Smaoui Julien Lemaire Moncef Stambouli Laboratoire de Ge nie des Proce de s et Mate riaux, CentraleSupe lec, Universite de Paris-Saclay, Route de Bazancourt Pomacle 10/02/16 1

2 Procédé innovant d épuration biogaz par contacteurs à Principe du contacteur à 3. Développement du procédé G-PUR 4. Modélisation pour changement d échelle 5. Conclusions 10/02/16 2

3 Lancée en Axes de recherches Membre central du Centre Européen de Biotechnologie et Bioéconomie Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec Techniques séparatives Modélisation Implantée dans un tissu agroindustriel riche Chamtor Transformation du blé ARD Centre de recherche agroressources BioDémo Démonstrateur industriel Cristal Union Raffinerie sucre de betterave Biomatériaux Biotransformation Cristanol Production éthanol 1G Air Liquide Production de CO2 Soliance Cosmétiques biosourcés CEBB Centre de recherche académique Bioraffinerie de Pomacle-Bazancourt (51) 10/02/16 Procéthol 2G Project FUTUROL Production éthanol 2G 3

4 La valorisation du biogaz Substrat (chauffage digesteur) Méthanisation Biogaz Epuration Chaudière Cogénération Biométhane > 97 % CH 4 Chaleur Electricité Réseau Gaz Carburant (biognv) Biométhane Substitution aux carburants fossiles Valorisation énergétique optimale Complémentaire des autres ENR 4

5 Recherche d une technologie adaptée aux petits débits Gisement Déjections élevage 22 Résidus de culture 22,8 Total 55,9 Gisement mobilisable en 2030 (TWh) Source : ADEME 2013 Epuration chère pour les petits débits Lavage à l eau Lavage amines Lavage solvants PSA Perméation gazeuse Gisement agricole dispersé en milieu rural Pour une unité de 250 Nm 3 /h biogaz Investissement spécifique /(Nm 3 /h) Coût opérationnel 0,12 /Nm 3 Sources : SGC 2013, Vienna IT 2012 Unités agri < 250 Nm 3 /h Source : SGC 2013 Besoin de technologies d épuration adaptées au gisement 5

6 Objectifs du projet Biométhane «réseau» Contraintes off-gaz > 97 % CH 4 Limite de teneur CH 4 Biogaz Epuration Biométhane Allemagne 0,5 % Suède 2 % Off-gaz Limite rejets 1-2 % Limite valorisation % Teneur CH4 off-gaz Rejets Zone à éviter Valorisation en chaudière Rendement CH4 6

7 Principe du contacteur à Source : Membrana Interface pour le transfert gaz-liquide Aire interface Membrane hydrophobe : maîtrise distincte des 2 phases Compact, modulable Plusieurs types de polymères Gaz chargé en CO2 Eau chargée en CO2 Gaz épuré Eau propre 7

8 Epuration du biogaz Force motrice écart à l équilibre Loi de Henry P i x i L H i solv T CO 2 25 fois plus soluble que le méthane (P atm, 20 C) H i eau (bar) S i (mol/l) Comparable aux tours de lavage Aire interface Ajout d une résistance de transfert (membrane) Flexibilité opérationnelle Adaptable aux petites unités CO ,9 x 10-2 CH ,4 x 10-3 Source : Sander

9 Pilote épuration Biogaz 60 % CH4 40 % CO2 Pilotage + Analytique Absorption Pilotage + Analytique Dégazage Off-gaz Bio-méthane > 96 % CH4 CHASSIS GAZ Mélangeur 2 voies Q = NL/h CHASSIS EAU Q = L/h Instrumentation gaz Débitmètre massique thermique Micro GC Contacteurs à 1,4 m 2 Polypropylène fibres = 220 /300µm 9

10 Un développement en 3 étapes 1. Evaluation du contacteur pour l épuration 2. Intégration d un recyclage eau 3. Amélioration du rendement Procédé Modélisation Conclusions 10/02/16 10

11 Concentration sortie épurateur (%) Produire un biométhane «réseau» Biogaz % Evolution de la composition du gaz de sortie en fonction du débit de gaz 99,5 95,9 88,4 81, CH4 50 CO2 Biométhane Absorption Eau propre ,2 11,6 4,1 Débit biogaz entrée 0, NL/h Le contacteur à permet de produire du biométhane 11

12 Intégration dans un circuit fermé 150 Nl/h 59,7 % CH 4 Biogaz Architecture 1 Dégazage Off-gaz 75 Nl/h 20 % CH 4 75 Nl/h 97 % CH 4 Biométhane Absorption Eau propre Rendement CH 4 [%] Procédé Bilan énergétique [kwh / Nm 3 biogaz] Etat de l art 82 0,25 0,2-0,3 V eau < 2L Off-gaz valorisable en chaudière 12

13 Améliorer le rendement Biogaz 60 % CH 4 Biométhane 92 % CH 4 Architecture 2 Epuration Off-gaz < 5 % CH 4 Rendement CH 4 [%] Procédé Bilan énergétique [kwh / Nm 3 biogaz] Etat de l art > 95 0,21 0,2-0,3 Etude de brevetabilité Faible teneur en méthane dans les évents 13

14 Essais biogaz digesteur GAEC du Château d Etrépigny (Ardennes) 80 vaches laitières 60 kw el + réseau de chaleur PRE-FOSSE 40 Nm 3 /h 58 % CH 4 MOTEUR COGENERATION DIGESTEUR PISTON DIGESTEUR FOSSE FOSSE STOCKAGE 100 m m m 3 14

15 Essais biogaz digesteur Validation points expérimentaux Essais sur 7h Architecture 1 Production continue biométhane «réseau» Architecture 2 Off-gaz riche (5% CH 4 ) Rendement > 95 % 15

16 Procédé G-PUR Avantages : Confinement du gaz (valorisation CO 2 ) Bonne résistance chimique de la membrane Compact Faible volume d eau en circulation Flexibilité opérationnelle Modulable Perspectives Evaluation de nouveaux contacteurs Etude solvant 16

17 Validation à l échelle Unité de démonstration Développement d une modélisation pour aider le changement d échelle Modèle résistance en série R tot = R l + R m + R g Loi de Henry adimensionnelle k cc H T = c aq i g. c i Source : Khaisri

18 eau Profils de simulation biométhane Coupe dans l axe du contacteur biogaz Circulation gaz Circulation eau 10/02/16 18

19 Conclusions Procédé d épuration répondant au contexte agricole Validé sur site agricole Simple à mettre en œuvre Compact et modulable Economique Plusieurs axes de recherche Optimisation procédés (contacteurs, solvants) Modélisation/Simulation Développement démonstrateur (10-40 m 3 /h) 19

20 Merci de votre attention 10/02/16 20