- Les solutions Verdesis -

1. Valorisation électrique de biogaz de 30kW à 1MW
2. Système de compresseurs biogaz à palettes pour les microturbines
3. Solutions de traitement de siloxanes du biogaz pour moteurs/turbines
4. Solutions de traitement de H2S du biogaz pour moteurs/turbines
5. Solutions pour augmenter le taux de méthane dans le biogaz : Enrichissement de méthane
6. Montage de projets clés en main
7. Prise en charge de la logistique et de la maintenance

- Valorisation énergétique du biogaz -

1 - Qu'est-ce-que le biogaz ?

La décomposition anaérobique des matières organiques végétales ou animales, sous l'action des bactéries et après passage en différentes phases (hydrolyse, acidogénèse et méthanogénèse) aboutit à la formation d'un gaz de fermentation, majoritairement composé de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2) mais comprenant également d'autres composants gazeux comme de l'oxygène (O2), de l'azote, de l'hydrogène sulfuré (H2S) ainsi que des traces d'eau ou d'autres composés aromatiques, organiques volatiles ou particules de siloxanes voire de composés soufrés, chlorés ou fluorés.

C'est ainsi que les déchets domestiques et industriels banals sont transformés dans les Centres d'Enfouissement Technique (CET) en un biogaz comprenant de 45 à 55% de CH4, alors que la méthanisation des boues de stations d'épuration et de la biomasse agricole produit, elle, un gaz plus énergétique, comprenant de 55% à 70% de CH4.

Un gaz nocif pour l'environnement Le CH4 est plus de 21 fois plus nocif que le CO2 pour l'environnement en terme d'effet de serre, depuis la conclusion des accords de Kyoto (décembre 1997), il faut faire un effort particulier pour le contrôle et la diminution des émissions de méthane. C'est entre autres depuis lors que la plupart des pays Européens contraignent les exploitants de décharges à récupérer le biogaz et à le traiter (au moins par élimination en torchère).

Haut de page

2 - Le biogaz, une énergie verte

Par ailleurs, le fait que le biogaz (de torchère comme de méthanisation) contienne, souvent, au moins pour moitié du méthane, permet de considérer sa valorisation sous forme énergétique par injection en moteurs ou turbines pour la production d'une électricité qui, du fait du caractère " renouvelable " de l'énergie utilisée pour sa production, revêt un caractère vert et devient éligible aux subventions gouvernementales y afférentes, qu'il s'agisse de conditions d'achat (contrats de durée, conditions de raccordement…) ou de tarifs de rachat (prix de rachat, certificats verts, certificats CO2).

Haut de page

3 - De l'électricité à partir du biogaz

D'un pouvoir calorifique intrinsèque élevé (plus de 50.000 kJ/kg), le méthane est aisément transformable en énergie secondaire (vapeur ou électricité) par son injection en moteurs gaz et , dans la mesure où les biogaz comportent au moins 45% de CH4, nombre de sites sont équipés en moyen de valorisation énergétique et ce, depuis le début des années '90, que ce soit en Italie comme en Allemagne ou en Grande-Bretagne où l'on compte maintenant sur ces seuls trois pays, plus de 900 MW de capacité installée.

Les moteurs à gaz qui ont permis ce développement sont devenus de plus en plus performants et, qu'il s'agisse des moteurs Jenbacher, Deutz, Caterpillar, M.A.N. ou Waukesha, ils sont aptes à traiter des biogaz de bonne qualité. La course au rendement pour les moteurs électriques impose des normes de plus en plus strictes de traitement de biogaz.

Haut de page

4 - Les limites des moteurs à gaz

Cependant, deux grandes limitations existent à la valorisation énergétique des biogaz par moteurs : la taille minimale des installations et la teneur minimale admissible en méthane des biogaz traités :

• les technologies moteurs étant éprouvées et matures, leur coût d'investissement est relativement modéré, en particulier pour les équipements de taille moyenne et supérieure (>500 kW) ; par contre, compte tenu des complexités du mode opératoire du biogaz (et donc de la variabilité importante des taux de disponibilité des installations) et du nombre élevé de pièces mobiles que comporte un moteur gaz, les coûts d'exploitation de ces moteurs sont élevés car relativement indépendants de la taille des installations et peuvent atteindre plusieurs cents d'€ par kWh dans le cas d'installations < 500 kW ; • plus rédhibitoire encore est la contrainte d'avoir un biogaz contenant au moins de 40 à 45% de CH4 pour pouvoir le valoriser au moyen de moteurs : en-deçà d'une teneur de 45% de CH4, les arrêts sont fréquents, les rendements faibles et, en-deçà de 40%, les moteurs ne fonctionnent plus dans des conditions acceptables.

Ceci explique évidemment que les sites biogaz aujourd'hui valorisés sont ceux, en activité ou non où les gisements sont importants et de bonne qualité ; pour tous les autres, qu'ils s'agissent des petits sites (et par là on peut inclure nombre de stations d'épuration des eaux de moins de 100.000 équivalents-habitants - soit une grande majorité des stations de taille moyenne) ou des décharges vieillissantes ou fermées où quantité de biogaz et teneur en méthane chutent au fil des années et où, après quelques années de valorisation énergétiques, les sites sont abandonnés, faute de savoir les exploiter et où, dans le meilleur des cas le biogaz est détruit en torchère, dans le pire des cas - et bien trop fréquemment encore - il est simplement évacué dans l'atmosphère.

Haut de page

5 - Les réponses Verdesis

Verdesis a développé une expertise très forte sur la valorisation électrique de biogaz par des microturbines. Tous les composants de cette transformation font l'objet de produits spécifiés par Verdesis et donc uniquement disponible auprès de Verdesis : les traitements des siloxanes, le système de compression et de dés-humidification du biogaz, l'option échangeur de chaleur.

C'est, de manière prioritaire à ces sites que l'offre Verdesis s'adresse : la capacité des micro-turbines à fonctionner avec des gaz à faible pouvoir énergétique - et, par là, à accepter des teneurs en méthane aussi faibles que 30 à 32%, ainsi que leurs coûts de maintenance réduits au minimum, ce qui peut entre d'autres s'expliquer par le fait que, dans le cas des turbines Capstone par exemple, il n'y a q'une seule pièce mobile, en fait un moyen privilégié pour valoriser les biogaz de ces sites , moyens que l'expertise des équipes de Verdesis a pu mettre en œuvre par une maîtrise des auxiliaires (déshumidificateurs, compresseurs et filtres) nécessaires à une optimisation de l'exploitation par turbines.On peut rajouter que la capacité des micro-turbines à produire des émissions particulièrement faibles en NOx permet, dans les sites à urbanisation dense, de valoriser des biogaz dans des conditions acceptables pour les populations attenantes. Ci-dessous, une référence de Capstone avec 50 microturbines à Lopez Canyon dans la ville de Los Angeles.

Ce qui est d'ailleurs également valable quant aux normes anti-bruit (les turbines Capstone, avec une garantie de 65 dBA à 10 mètres sont déjà moins bruyantes que des moteurs capotés.

Haut de page

- Traitement - Filtration du biogaz -

Les solutions de traitement des siloxanes de Aplied Filter Technology/Verdesis ont prouvé sur plus de 55 sites aux Etats-Unis une économie grâce aux augmentations des intervalles de vidange/maintenance et un accroissement des revenus électriques en raison de la meilleure disponibilité des équipements. Le temps de retour est de 2 ans à 5 ans pour des équipements avec une durée de vie supérieure à 15ans.

Installation Verdesis de 2 microturbines avec système de filtration biogaz

Les résultats des mesures de siloxanes sur le premier site en exploitation en Belgique montre un taux de siloxanes permanent inférieur à 0,005mg/m3 alors que 45mg/m3 de siloxanes sont présents dans le biogaz brut. Le système de traitement permet en outre d'adsorber la quasi totalité des Composants Organiques Volatiles, (V.O.C.) ceci permet d'avoir un gaz après traitement proche du gaz naturel vue du point de vue du moteur et donc de suivre les recommandations de maintenance prévues pour les moteurs/microturbines gaz naturel.

Les solutions de traitement de soufre proposées par Verdesis sont à base d'éponges ferrugineuses. La valeur ajoutée de Verdesis est dans la mise en œuvre du procédé qui permet de doubler la capacité d'absorption des composés soufrés. Le coût complet de ce type de système est 2,5 à 3 fois moins cher que l'ancienne méthode à base de charbon actifs imprégnés.

Installation de Verdesis de séchage et de désulfuration

Les services proposés par Verdesis sont: une offre personnalisée site par site, une conception clé en main, une garantie de performance (unique en Europe), un financement éventuel.

1 - Pourquoi filtrer le biogaz

Le biogaz, de décharge comme résiduel de la fermentation de biomasses, contient, outre du méthane (CH4) et du gaz carbonique (CO2), d'autres composants gazeux comme l'azote (N), le monoxyde de carbone (CO), l'hydrogène sulfuré (H2S) ou encore l'oxygène (O2).

Mais, plus pernicieux encore pour l'environnement ou simplement pour le bon fonctionnement des équipements, on trouve aussi, à l'état de traces certes, des composants aromatiques, aliphatiques ou cycliques, ainsi que des siloxanes et silanes.

Les uns et les autres présentent en effet des nuisances à des titres divers :

Haut de page

2 - Les siloxanes

On insistera tout particulièrement sur ces dernières dont l'impact était pratiquement inconnu il n'y a guère et qui, depuis maintenant quelques années, sont au cœur des préoccupations de tous les exploitants d'unités de valorisation énergétique, qu'il s'agisse de sites de bio méthanisations ou de décharges.

Installation de Verdesis de traitement de siloxanes

En effet, bien qu'on ne sache pas l'origine précise de la présence de ces molécules, composites de silicium, de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, on a pu détecter leur importance croissante dans les pays du Nord plus que ceux du Sud, dans les zones urbaines pus que les campagnes et surtout sur les sites les plus récents.

Ces molécules, qui sont responsables de la formation de silices en combustion sont aujourd'hui principalement éliminées, de manière incomplète, par des solutions de séchage ou de lavage ou de filtration par charbon actif, relativement inefficaces parce que soit très coûteuses (saturation rapide des charbons actifs et donc nécessité de remplacer les charbons très souvent), soit inefficaces (en effet les composés silanol ne sont pas retenus par les charbons actifs en outre, s'il n'y a pas de tests fréquents sur le seuil des siloxanes avant injection dans les moteurs, on ne saura pas que les filtres ne sont plus efficaces et on aura des dépôts abondants de silices).

Haut de page

3 - Les contraintes de maintenance

Aujourd'hui, et avant que les solutions développées par Verdesis puissent être adoptées, l'une des seules réponses à ce problème est de procéder à de fréquentes vidanges et de piéger une partie des silices dans les huiles: c'est ainsi qu'au lieu de tendre vers des vidanges toutes les 1000 heures (biogaz à faible - ou non teneur en siloxanes), beaucoup d'exploitants, confrontés à ce problème, procèdent à des vidanges rapprochées, souvent même toutes les 250-à 350 heures, tout en continuant d'ailleurs, pour beaucoup d'entre eux, à ne pas pouvoir tenir les seuils minima en teneur de siloxanes exigés par les fabricants (15-30mg/kg d'huile moteur).

C'est à la suite de recherches liées au traitement de ces problèmes dans le cadre de l'optimisation de l'exploitation des micro-turbines dans le cadre des applications biogaz que Verdesis a pu mettre au point, en liaison avec Applied Filter Technology des solutions applicables à l'ensemble des unités de valorisation énergétique du biogaz.

Haut de page

4 - Des solutions de traitement

Les motoristes, confrontés aux problèmes des seuils d'émissions pour les émanations de NOx ont développé des solutions propres, qu'il s'agisse du Leanox de Jenbacher ou d'autres procédés de post-combustion, plus ou moins inspirés des solutions moteurs diesel et des efforts poursuivis dans l'automobile ; on citera les Caterpillar équipés des systèmes ACERT®, ou d'autres solutions de réductions catalytiques.

Cependant, et malgré les améliorations constantes en ce domaine, les taux les plus bas constatés à la suite de la mise en place de ces systèmes restent de l'ordre de 100 mg/m3 à 400mg/m3 @5%02, soit somme toute assez loin de ce qu'on peut obtenir avec des micro-turbines, comme ont pu le démontrer les équipes de Verdesis, en association avec EDF R&D.

AA ces traitements avals, on a ajouté, depuis quelques années des actions de traitement amont, pour lesquelles les équipes de Verdesis se sont directement impliquées, en association avec EDF R&D ou non.

On évoquera ainsi :

Il est à noter d'ailleurs que ces solutions, pour lesquelles Verdesis est en train de monter les premières réalisations en Europe s'adressent aussi bien à des sites équipés de moteurs que de micro-turbines puisque les silices résiduelles de la combustion incomplète des siloxanes/silanes endommagent tout autant les moteurs que les turbines. C'est d'ailleurs à l'occasion d'études sur les moyens de protéger efficacement les turbines contre ce type d'agression que les équipes de Verdesis, en contact rapproché avec Applied Filter Technology, de Snohomish (WA, Etats-Unis), ont mis au point des solutions de traitement de ces polluants, applicables aussi bien sur des sites " simples " comme les stations d'épuration d'eau que sur des sites plus complexes comme les décharges où les qualités de biogaz varient énormément non seulement dans le temps mais également d'une partie de la décharge à l'autre.

Haut de page