Introduction à la chaîne de valeur de la production de biométhane

Le biométhane comme alternative à l'e-mobilité

Et si l'on pouvait se rendre d'un point A à un point B en toute sérénité, sans nuire au climat ? La première idée qui vient à l'esprit est de se procurer une voiture électrique. Cependant, la fabrication des batteries nécessite des terres rares comme le dysprosium ou le néodyme. D'autres éléments comme le lithium ou le cobalt doivent également être utilisés pour la production des batteries. En règle générale, ces éléments sont peu disponibles et présentent en outre des fournisseurs problématiques, comme la Chine pour les terres rares ou le Congo pour le cobalt. (Dicks, 2020)

Alors que faire ?

Existe-t-il une alternative qui soit à la fois respectueuse de l'environnement et qui permette de gagner du temps en faisant le plein ?

La réponse est clairement OUI ! Ce carburant s'appelle le biométhane. Cet article explique ce qu'est exactement le biométhane, comment il est produit et quelles sont les étapes nécessaires pour arriver au produit final.

Dicks, H. (9 décembre 2020). Le biométhane - un carburant attractif pour le tournant de la mobilité.

Etape n°1 : Culture/production de biométhane

Origine du biométhane

La question qui se pose ici est la suivante : comment les effluents d'élevage (lisier/fumier) et les matières premières renouvelables (NaWaRo's) sont-ils transformés en carburant écologique ?

Tout d'abord, les résidus, les matières premières renouvelables, le lisier/fumier et les déchets des exploitations agricoles et des entreprises de production sont collectés par des collecteurs, qui sont généralement des commerçants ou des fournisseurs, puis transportés vers l'installation de biogaz. Cette étape est illustrée dans la figure 1.

Figure 1 : 1ère étape de la chaîne de valeur (agriportance GmbH, 2022)

Processus dans l'installation de biogaz

Dans cette installation, une fermentation de ces substances a lieu. Lors de la formation de méthane, des micro-organismes dégradent la matière organique dans un milieu sans oxygène (anaérobie) en libérant du biogaz. Il s'agit d'un mélange de gaz saturé de vapeur d'eau, composé essentiellement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Outre la vapeur d'eau, d'autres composants sont des gaz à l'état de traces comme, entre autres, l'azote, l'oxygène, l'hydrogène, le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac. Dans les installations de biogaz et de gaz d'épuration, ces processus de fermentation anaérobie sont appliqués techniquement et un biogaz utilisable à des fins énergétiques est produit avec une efficacité maximale.

Les étapes du processus de l'installation de biogaz peuvent être expliquées par Grob en quatre étapes :

Hydrolyse : au cours de la première étape de la formation de méthane, les bactéries aérobies surtout dégradent les substances organiques complexes telles que les protéines, les glucides ou les graisses en molécules individuelles à l'aide d'enzymes. Ces produits sont entre autres des acides aminés, des acides gras ou des sucres.
Acidogenèse : directement après, des bactéries acidogènes, anaérobies facultatives, se chargent de la suite de la dégradation dans la phase d'acidification, principalement en hydrogène, dioxyde de carbone, acides gras et alcools. Dans le cas des substrats riches en huile et en graisse, cette phase produit également du H2S et du NH3.
Acétogenèse : les produits de l'acidogenèse sont dégradés par des bactéries productrices d'acide acétique au cours de l'acétogenèse. Il en résulte de l'acide acétique, du CO2 et du H2.
Méthanogenèse : à partir de l'acide acétique, du CO2 et du H2, des archées hydrogénotrophes et méthanogènes forment du méthane, du CO2 et de l'eau (Martin Kaltschmitt, 2016).

Ces processus sont à nouveau illustrés dans la figure 2.

Figure 2 : Dégradation anaérobie de la matière organique en biogaz (G fermenteur, AB bactéries acétogènes, HAB bactéries homoacétogènes, SAO oxydants synthropes d'acétate, AM méthanogènes acétoclastiques, HM méthanogènes hydrogénotrophes) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energie de la biomasse. Springer.

Étape n° 2 : Transformation en biogaz puis injection dans le réseau de gaz naturel.

Étapes du processus Biogaz jusqu'à l'injection dans le réseau

Pour obtenir du biométhane à partir du biogaz, le mélange gazeux doit être purifié. C'est ce qui se passe dans les installations de traitement du biogaz. Cette étape de la chaîne de valeur est illustrée dans la figure 3.

Figure 3 : Étape 2 de la chaîne de valeur du biométhane (agriportance GmbH. (juin 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Différents procédés sont utilisés lors du traitement, comme le lavage aux amines, l'adsorption à pression alternée ou le lavage à l'eau sous pression (DWW) :

Lavage aux amines

Dans le cas du lavage aux amines en tant que procédé d'absorption chimique, l'épuration est similaire à celle du lavage à l'eau sous pression. Ici, le biogaz traverse à contre-courant une solution amine-eau sous une pression légèrement plus élevée, le CO2 réagissant avec la solution de lavage et passant dans celle-ci. La solution d'amine atteint une charge plus élevée que l'eau, ce qui réduit la quantité de détergent à faire circuler. L'air évacué ne contient que de faibles quantités de méthane, raison pour laquelle il n'est généralement pas nécessaire de procéder à une épuration des gaz faibles. Il est recommandé de procéder à une désulfuration fine afin de maintenir la capacité de lavage à long terme. Le lavage aux amines est très gourmand en énergie, car la régénération de la solution d'amines nécessite de grandes quantités de chaleur industrielle (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Lavage à l'eau sous pression

Le procédé du DWW utilise la solubilité différente du méthane et du dioxyde de carbone dans l'eau lorsque la pression varie. Le biogaz, préalablement comprimé, traverse la colonne d'absorption de bas en haut. Celle-ci est généralement conçue comme un réacteur à lit fluidisé dans lequel l'eau traverse le gaz à contre-courant. Cela permet de dissoudre les composants basiques et acides du biogaz, notamment le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, et de séparer les éventuelles poussières et micro-organismes. Le gaz purifié sort de la colonne avec une pureté de 90 à 99 % en volume de méthane. L'air évacué contient, outre le CO2, environ 1 % de méthane en volume, qui doit être séparé par un traitement des gaz faibles. Le besoin en électricité est élevé par rapport aux autres procédés de séparation du CO2, en raison de la circulation de l'eau de lavage et de la compression nécessaire du biogaz. Un séchage préalable du gaz n'est pas nécessaire (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Adsorption à pression alternée

Dans le cas de l'adsorption modulée en pression (DWA), les mélanges de gaz sont séparés par adsorption sur des charbons actifs, des tamis moléculaires ou des tamis moléculaires de carbone. Avant le DWA, un séchage, une désulfuration fine et une compression du biogaz sont nécessaires. Le gaz refroidi et déshydraté traverse ensuite l'adsorbant (tamis moléculaire ou charbon actif), sur lequel le CO2 s'adsorbe. Le gaz produit riche en méthane est ensuite détendu et dirigé vers une deuxième colonne dans laquelle l'adsorption est répétée avec introduction d'air ambiant. La régénération de l'absorbant est réalisée par une réduction de la pression à l'aide d'une pompe à vide. Le gaz aspiré, riche en CO2, contient encore du méthane et doit donc être soumis à un traitement ultérieur des gaz faibles (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Conditions préalables à l'injection de biométhane

Avant de pouvoir être injecté dans le réseau de gaz naturel, le biométhane désormais purifié par ces procédés doit toutefois remplir différentes conditions :

Teneur énergétique : les exigences en matière de teneur énergétique sont définies par l'indice de Wobbe, qui est utilisé pour caractériser la qualité des gaz combustibles par combustion contrôlée. Il doit être compris entre 11 et 13 kWh/m3 pour le gaz L et entre 13,6 et 15,7 kWh/m3 pour le gaz H.
Teneur en sulfure d'hydrogène : la teneur en sulfure d'hydrogène (H2S) doit être réduite à 5 mg/m3.
Densité relative : la densité du gaz doit être comprise entre 0,55 et 0,75 kg/m3.

En théorie, chaque installation de biogaz peut injecter son biométhane issu du biogaz dans le réseau de gaz naturel. Dans la pratique, la construction de l'installation d'injection, ainsi que des conduites vers le réseau de gaz, doit être vérifiée par l'exploitant du réseau concerné. Comme les coûts de construction des installations d'injection et des conduites doivent être supportés par les quantités de gaz vendues, l'injection n'a généralement de sens que pour celles qui sont situées à proximité du réseau de gaz naturel. Pour l'injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel et son utilisation comme carburant, des directives selon DVGW et DIN définissent des indices correspondants. Par conséquent, avant de pouvoir être injecté dans le réseau de gaz naturel, le biométhane doit être amené à la qualité de gaz naturel requise sur le site concerné. Ces qualités varient selon les régions, notamment en ce qui concerne le pouvoir calorifique et la pression requis (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (juin 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Le biométhane maintenant purifié et répondant aux conditions requises peut maintenant être utilisé par le consommateur.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Bases techniques et méthodologiques du bilan GES du biométhane . DBFZ.

agriportance GmbH. (juin 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

A quoi peut servir le biométhane ?

Comme nous l'avons vu en introduction, le biométhane peut être utilisé pour le transport. Même si le monde automobile devient plus électrique : Le gaz naturel ou GNC est et restera une alternative plus écologique à l'essence et au diesel. Le choix de modèles de véhicules est toutefois limité (voitures neuves équipées de GNC/gaz naturel "départ usine" : Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) et le réseau de stations-service peut être étendu (figure 4). Comme le pétrole et le charbon, le gaz naturel fait partie des matières premières organiques combustibles. Il est composé d'environ 85 % de méthane. On trouve du gaz naturel comprimé (CNG, Compressed Natural Gas) et du gaz naturel liquéfié (LNG, Liquefied Natural Gas). Ce dernier est liquéfié à moins 164 degrés Celsius et n'est utilisé que pour les véhicules utilitaires. Le GNC gazeux est le plus courant pour les voitures particulières. Le biogaz est également de plus en plus utilisé dans les stations-service. Il est stocké dans le véhicule dans des réservoirs avec une pression de service de 200 bars. En Allemagne, il existe environ 820 stations-service qui proposent du GNC. Le biogaz est une variante particulièrement respectueuse de l'environnement. En augmentant la part de méthane, il peut être amené au même niveau de qualité que le gaz naturel. Un tel biométhane peut être utilisé sans restriction comme carburant pour les véhicules au gaz naturel. De nombreuses stations de gaz naturel en Allemagne proposent déjà du biométhane pur ou mélangé à du gaz naturel comme carburant (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft ?, 2022).