La valorisation du biogaz par cogénération

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1 La valorisation du biogaz par cogénération EREP SA Chemin du Coteau 28 CH Aclens Tél. : Fax : Courriel : info@erep.ch

2 Objectifs Comprendre les aspects techniques de la valorisation du biogaz par cogénération Savoir les avantages et inconvénients des différents moteurs permettant la cogénération Appréhender les solutions possibles de valorisation de l électricité Envisager des pistes de valorisation de la chaleur EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 2

3 Contenu 1. L épuration du biogaz 2. La cogénération Principe Les moteurs Les équipements annexes 3. La valorisation de l électricité 4. La valorisation de la chaleur 5. La trigénération 6. Exercice d application 7. Points clés EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 3

4 Le prétraitement requis par la cogénération est EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 4

5 L épuration du biogaz relativement simple car il faut traiter : La vapeur d eau Le H2S Les siloxanes (si effluents de STEP) EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 5

6 Comment fonctionne la cogénération? 6

7 La cogénération - Principe Production simultanée d électricité et de chaleur par combustion du méthane Nécessite un consommateur de chaleur important + à proximité Cogénération sur place ou transport du biogaz (proximité utilisateur chaleur) Utilisation de l électricité sur place ou injection dans un réseau de distribution Deux types de moteurs possibles : moteur à gaz / dual fuel (couplages chaleur-force CCF) ou turbine EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 7

8 La cogénération Les moteurs Moteurs à gaz : Moteurs adaptés pour le fonctionnement avec un gaz plus pauvre que le gaz naturel (principe de fonctionnement d un moteur à essence) Puissances électriques de 20 kw à + de 2 MW Rendement électrique entre 30 et 40% Rendement thermique entre 40 et 50% EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 8

9 La cogénération Les moteurs Moteurs à gaz : AVANTAGES - Rendements importants, surtout pour les grandes puissances (>500 kwél) - Technologie connue et éprouvée - Longue durée de vie si entretiens réguliers - Respect des normes d émissions - Bonne disponibilité en fonction de la qualité du biogaz INCONVENIENTS - Prétraitement du biogaz important - Consommation d huile - Maintenance complexe - Pertes de rendement importantes si fonctionnement en charge partielle - Fonctionnement difficile si <50% de taux de charge EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 9

10 La cogénération Les moteurs Moteurs dual fuel : Moteurs avec injection de carburant pour combustion biogaz/air (principe de fonctionnement d un moteur à diesel) Puissances électriques de 20 kw à 500 kw Rendement électrique entre 30 et 45% Rendement thermique entre 35 et 45% 10

11 La cogénération Les moteurs Moteurs dual fuel : AVANTAGES - Technologie fiable - Rendement électrique élevé, même pour les petites puissances INCONVENIENTS - Faible durée de vie (5 ans) - Coûts de maintenance élevés - Emissions d échappement élevées - Consommation de carburant complémentaire - Sensibilité à la qualité du biogaz EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 11

12 La cogénération Les moteurs (Micro)turbine : Auto-consommation du mélange air/biogaz comprimé par la dépression du biogaz en chambre de combustion Besoin d un biogaz comprimé à 5 bars Puissances électriques de 5 MW à 300 MW (turbine) et de 30 kw à 200 kw (microturbine) Rendement électrique entre 30 et 35% (turbine) et entre 26 et 33% (microturbine) Rendement thermique d environ 50% (turbine) et entre 45 et 55% (microturbine) EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 12

13 La cogénération Les moteurs Microturbine : AVANTAGES - Maintenance simple et de faible coût - Longue durée de vie - Disponibilité importante - Pas d huile ou de liquide de refroidissement - Chaleur concentrée dans les fumées - Flexibilité sur les quantités et qualités de biogaz - Peu de bruit INCONVENIENTS - Compression du biogaz - Rendement électrique plus faible - Investissement plus élevé EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 13

14 La cogénération Les moteurs Comment choisir? Gammes de puissance Teneur en CH4 du biogaz Maintenance par l exploitant Entreprise assurant la maintenance (grands services ou en cas de panne) Garantie du fournisseur Coûts d investissements 14

15 La cogénération Les équipements annexes Torchère En cas d indisponibilité de l installation Gazomètre Plusieurs modèles possibles 15

16 La cogénération Les équipements annexes Equipements de mesure Débitmètre, calorimètre, Armoires électriques Système de récupération de la chaleur Autres Pompes, brasseurs, vannes, mélangeurs, hacheurs, séparateurs, aéro-refroidisseurs, détection gaz et incendie, arrêt d urgence, 16

17 L électricité produite à partir du biogaz est directement utilisable 17

18 La valorisation de l électricité Biogaz brut Moteur, turbine Electricité brute Autoconsommation Les équipements peuvent être très énergivores!! Autoconsommation entre 5 et 15% Electricité nette EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 18

19 La valorisation de l électricité Injection de l électricité dans un réseau de distribution : Autorisé dans le contexte local / national? Implication de l entreprise de distribution dans le projet? Tarif de reprise du kwh injecté? Puissance du réseau disponible? Taille et distance du transformateur? EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 19

20 La valorisation de l électricité Injection de l électricité dans le voisinage direct : Construction d un mini-réseau de distribution? Un / plusieurs consommateurs? Adaptations de l électricité entre l installation de méthanisation, le réseau et la fourniture aux consommateur? Tarif de reprise du kwh injecté? Implication des consommateurs d électricité (quels frais à la charge du projet)? EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 20

21 La production d électricité issue du biogaz engendre une certaine quantité de chaleur. Cette énergie renouvelable peut être utilisée de différentes façons EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 21

22 La valorisation de la chaleur Autoconsommation pour les besoin du/des digesteurs 30% trouver un/des consommateurs de chaleur Coûts élevés des conduites de transport de chaleur consommateur(s) à proximité Type de chaleur, durée et fréquence des besoins Régulation du moteur en fonction de la production de gaz Stock tampon à prévoir Sécurité d approvisionnement à prévoir La valorisation de la chaleur permet de rentabiliser un projet, mais représente aussi des investissements importants EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 22

23 La valorisation de la chaleur 23

24 La valorisation de la chaleur CCF - Chaleur de l huile et du circuit de refroidissement évacuée en continu aérorefroidisseur Microturbine - Totalité de la chaleur comprise dans les fumées sous forme d air chaud entre à 300 et 500 C - Chaleur sous forme d eau à 80 C EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 24

25 La valorisation de la chaleur Dans l industrie : Séchage agro-alimentaire : p.ex. herbes meubles/voitures : sécher des peintures scierie : sécher le bois Chauffage des bâtiments Production de vapeur Etc. Dans l agriculture : Séchage du foin Séchage batch des céréales Chauffage des bâtiments de l exploitation agricole et ceux du voisinage Production de vapeur dans les porcheries ou fromageries Etc. EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 25

26 Le biogaz peut aussi être transformé par trigénération 26

27 La trigénération Production d électricité + chaleur + froid : Utilisation de la chaleur issue de la cogénération pour produire du froid Système de production d'énergie à très haut rendement, dépassant généralement 80% à 95% Couplage d'un système de production de froid valoriser chaleur excédentaire de la cogénération, surtout en été. Concerne tous les consommateurs d une quantité suffisante et régulière de froid, qu ils consomment seulement du froid (entrepôts frigorifiques de conservation et de conditionnement des aliments) ou de la chaleur et de froid (abattoirs, industries pharmaceutiques, chimiques et agroalimentaires, immeubles de bureaux et certains parcs de logements). Maintenance réduite Peu d exemples. Exemples en France : entreprise Michelin et aéroport de Bordeaux 27

28 La trigénération Deux techniques pour produire le froid : Groupes frigorifiques à compression - Refroidit une source froide par compression électrique d'un fluide frigorigène - Coût investissement plus faible - Mobilise une partie de l'électricité produite par la cogénération Groupe à absorption - Absorption directe (utilisation d'un brûleur à gaz comme source chaude) ou indirecte (utilisation d'eau chaude ou de vapeur), par principe de l'affinité de la vapeur d'eau avec une solution aqueuse de bromure de lithium ou d'ammoniac - Coût investissement plus élevé 28

29 La trigénération Source : 2G Cenergy Powersystems Technologies Inc. 29

30 Exercice d application Organisation : Séparation des stagiaires en 3 groupes. Consigne : Distribuée sur papier. Chaque groupe désigne un rapporteur et écrit sur une feuille paperboard ses résultats et réflexions. Travail de groupe Restitution par question : Faite par le rapporteur d un groupe. Compléments des deux autres groupes et de l expert. Durée : 20 mn de réflexion/calculs + 10 mn d explications sur les résultats. EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 30

31 Points clés Pas besoin d enrichissement du biogaz en sortie de digesteur Une large gamme de moteurs ou turbines disponibles pour tout type de projets Cogénération valorisation de la chaleur en Tunisie? Tri-génération intérêt du froid en Tunisie, mais peu de références EREP SA, Ch. du Coteau 28, CH-1123 Aclens 31