Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation

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1 Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation Cyril Lejeune Formation EFE Biomasse pour les usages énergétiques Paris, 19 juin 2008

2 Sommaire 1.) Caractérisation des biogaz de méthanisation 2.) Présentation de la technologie «moteurs à gaz» 3.) Valorisation de la chaleur 4.) Qualité de biogaz requise / Traitements 5.) Approche réglementaire et administrative 6.) Exemples de réalisations en France et à l étranger

3 1.) Caractérisation des biogaz de méthanisation

4 Différents types de biogaz de méthanisation Type de déchets Teneur en Teneur en Teneur en Teneur en méthanisés CH 4 (%) CO 2 (%) H2 S (%) Si (mg/m 3 ) Ordures Ménagères, FFOM 55 à à 45 0 à 0,5 0 à 50 Boues de STEP urbaines 60 à à 40 0 à 1 0 à 20 Effluents industriels 55 à à 45 0 à 1 0 Déchets agro-alimentaires 60 à à 40 0 à 0,5 0 Effluents agricoles (lisiers, cultures énergétiques) 50 à à 50 0 à 1 0 Humidité relative du biogaz : toujours 100%!!! Composition biogaz de décharge (pour information): 40 à 50% de CH4, 25 à 40% de CO2, 10 à 25% de N2, 0 à 3 % de O2, 0 à 0,5% de H2S, 0 à 50 mg/m3 de Si

5 Production de biogaz en fonction des déchets Huiles de friture Paille de mais Résidus graisseux Biodéchets Pulpe de fruits Résidus flottaison (abbatoirs) Fumier porcin (frais) Fumier de cheval (frais) Déchets verts Effluents de brasserie Lisier de volailles Déchets d abbatoirs Restes de pommes de terre Déchets de cuisine Fumier bovin (frais) Production de biogaz moyenne (m3/t) Abats porcins Lisier porcin Lisier bovin

6 Mélange de différents biogaz Mélange de biogaz tout à fait possible avant valorisation dans un moteur à gaz En cas de production de deux types de biogaz sur un site, mélange et homogénéisation du mélange avant le moteur à gaz (stockage de gaz, mélangeur au niveau de l installation de valorisation) Nombreux exemples d unités de méthanisation construites sur des sites d enfouissement de déchets (CET) en Europe (Allemagne, Espagne, Portugal,...)

7 2.) Présentation de la technologie «moteurs à gaz»

8 Valorisation du biogaz de méthanisation Digesteur / Stockage de gaz Compresseur, traitement de gaz et torchère Station de cogénération (moteur à gaz) Transformateur

9 Caractéristiques des moteurs au biogaz Moteur pour biogaz Technique utilisée Plage de puissance Vitesse de rotation Température d échappement Coefficient Lambda Alternateur Teneur en méthane minimum Pression d alimentation du gaz Moteur 4 temps à mélange pauvre de 20 à kw él ou tr/min de 350 à 500 o C de 1,45 à 1,6 synchrone 40 % en général environ 100 mbar

10 Principe de fonctionnement du moteur à gaz Régulateur Gaz M Températures des chambres de combustion Air G Mélangeur gaz / air Turbo Refroidisseur Mélange Vanne d'admission Moteur Alternateur

11 Station de valorisation en version conteneurisée ca Sortie d'air Silencieux d'échappement Aéroréfrigérants Entrée d'air Rampe de gaz Ensemble (Moteur et alternateur) Compartiment Machines Station d'huile Compartiment contrôle ca (3.000)* ca (4.350)* * Valeurs entre () pour conteneurs spéciaux Anlagentechnik GmbH H.-M. Schleyer-Str Willich Tel /488-0 Plan d ensemble Conteneur

12 Gamme de puissance et rendements Technologie P électrique Moteur au biogaz de 20 à kw él P thermique récupérable de 30 à kw th Rendement électrique de 34 à 42 % Rendement thermique de 40 à 50 % Rendement global de 75 à 90 %

13 Émissions des moteurs à gaz Emissions; NO x, CO, HC [ppm] Cat. CO 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Lambda [ - ] Combustion à mélange pauvre NO x COVNM

14 Limites d émissions pour les moteurs biogaz Limites d émission dans les gaz d échappement données par la circulaire du : - Moteur avec une puissance primaire < 2 MWth: Pas de VLE (Valeurs Limites d Emission) - Moteur avec une puissance primaire > 2 MWth: VLE en SO 2 : Pas de VLE VLE en NOx: 525 mg/m 3 VLE en poussières: 150 mg/m 3 VLE en COVNM: 50 mg/m 3 VLE en CO: 1200 mg/m 3

15 Maintenance et durée de vie Maintenance des moteurs au biogaz avec des intervalles très rapprochés (en comparaison avec un moteur fonctionnant au gaz naturel) Révision générale du moteur nécessaire au bout de heures de fonctionnement La base de durée de vie d un moteur pour biogaz se situe sur une période de ans ou heures de fonctionnement (avec révisions générales du moteur prévues sur cette période), soit la durée du contrat de rachat de l électricité produite par EDF

16 Avantages d un moteur à gaz Rendement électrique élevé Coûts d investissement assez faibles par rapport aux autres technologies (microturbine par exemple) Technologie qui a fait ses preuves dans le domaine du biogaz Pas nécessité d une haute pression du gaz Gamme très complète pour des puissances jusqu à 2 MWél: pas besoin de multiplier les modules

17 Ordres de coûts installation de cogénération biogaz Moteur à gaz jusqu à 500 kw él de 500 à kw él Coûts d investissement de 800 à /kw él de 500 à 800 /kw él Coûts d exploitation de 1,5 à 3,0 ct /kwh de 1,0 à 2,0 ct /kwh Ordres de coûts (investissement et exploitation) pour des unités de cogénération avec moteurs au biogaz (sans compression ni traitement de biogaz)

18 Dimensionnement de l installation de valorisation Paramètres de dimensionnement: - débit de biogaz produit - teneur en méthane du biogaz - rendement électrique du moteur Étudier la nécessité de mettre un traitement en place: - Séchage de biogaz : recommandé - Traitement H2S et siloxanes: difficile à déterminer car teneurs exactes souvent inconnues Aspect important : prise en compte de la valorisation de la chaleur!!!

19 3.) Valorisation de la chaleur

20 Utilisation de la chaleur du moteur à gaz Deux sources de chaleur sur le moteur à gaz: 1- l eau de refroidissement 2- les gaz d échappement Diverses utilisations possibles de cette chaleur: - Sous forme d eau chaude: circuit d eau chaude pour le chauffage des digesteurs ou des bâtiments, réseau de chaleur, traitement des lixiviats (CET),... - Production de vapeur à partir des gaz d échappement pour le traitement des produits à méthaniser ou issus de la méthanisation, utilisation dans un process,... - Utilisation dans une installation ORC (Organic Rankine Cycle) pour une production complémentaire d électricité

21 Production d eau chaude

22 Organic Rankine Cycle (ORC) PROCÉDÉ ORC Pompe Évaporateur Machine à expansion (turbine) Pompe MOTEUR Condenseur (air)

23 4.) Qualité du biogaz requise / Traitements

24 Les principaux polluants et leurs effets nocifs Le soufre et ses composés (H 2 S notamment): Corrosion des équipements, dépôt sur les équipements Les condensats: Corrosion des équipements L ammoniaque (NH 3 ): Corrosion des équipements Les composés halogénés (F, Cl,...): Corrosion des équipements Le silicium et ses composés: Dépôt de silice sur les pièces du moteur et usure prématurée

25 Exemples de dommages dus aux polluants Dépôt de silice sur un piston Corrosion et dépôt sur un échangeur du au soufre

26 Séchage de biogaz par refroidissement C.E.T. Chaleur évacuée CH 4 CO 2 Biogaz de méthanisation Gaz traité Condensats

27 Désulfuration biologique du biogaz Désulfuration, station de cogénération et stockage de gaz

28 Traitement au charbon actif Prestations: - Traitement de gaz (500 m³/h) - Fourniture et récupération du charbon actif - Changements du charbon actif

29 5.) Approche réglementaire et administrative

30 Les nouveaux tarifs de rachat d électricité (en ct /kwh) Jusqu à 150 kwél De 150 kwél à2 MWél Au-delà de 2 MWél Tarif de base 9,0 interpolation 7,5 Bonus Méthanisation 2,0 Bonus Cogénération Jusqu à 3,0 en fonction du rendement V de l installation Rendement V Jusqu à 40% De 40 à75 % Au-delà de 75% Bonus Cogénération 0 interpolation 3,0

31 Les différentes démarches administratives Permis de construire: - inclus dans le permis de construire de l installation globale - Interlocuteur: Mairie + Préfecture Déclaration / DAE au titre des installations classées : - incluse dans l autorisation de l installation globale - Interlocuteur: DRIRE Raccordement au réseau électrique: - Durée de 8 à 12 mois entre demande et raccordement définitif - Interlocuteur : ERDF (anciennement EDF ARD) Rachat de l électricité produite: - Durée de 1 à 2 mois après la demande - Interlocuteur : EDF Energie (Achat) Déclaration / DAE pour une installation de production d électricité: - Délai de 2 à 4 mois (selon déclaration ou autorisation) - Interlocuteur : DIDEME

32 Textes réglementaires Arrêté-type n 2910: «Arrêté du 25 juillet 1995 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées pour la protection de l environnement soumises à déclaration sous la rubrique n 2910 Combustion» (installations entre 2 et 20 MWth) Circulaire du 10 décembre 2003: «Circulaire du 10 décembre 2003 relatives aux installations classées : installations de combustion utilisant du biogaz» (installations entre 2 et 20 MWth)

3.) La préparation du biogaz

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