Introduction Générale
2. Une problématique concrète
C’était le souhait de deux exploitants agricoles, Denis Brosset et Jean-Louis Vrignaud, sur le GAEC du Bois Joly implanté à la Verrie en Vendée. Ces éleveurs de lapin et bovin possèdent leur propre unité de méthanisation. Elle a été mise en service en Avril 2008 et est
alimentée d’une part par les déjections animales de la ferme et d’autre part par des déchets extérieurs (déchets de marché, déchets horticoles, …). Les quatre digesteurs en voie sèche fonctionnent en discontinu. Le biogaz produit contient entre 55 et 65% de méthane et permet d’alimenter un moteur de cogénération de 28 kW électrique. Mais, surdimensionnés au départ, les méthaniseurs du GAEC peuvent aujourd’hui produire plus de biogaz que prévu. Les agriculteurs se trouvent alors contraint de faire fonctionner leur installation à demi-charge
Chauffage 3% (Propane/Butane)Gaz 8% Transport 62% Electricité 16% Autres 11%
bien que la matière organique soit disponible. En effet, fort de son expérience de terrain, les éleveurs estiment à 600 Nm3/jour la production de biogaz qu’il pourrait atteindre quand le cogénérateur n’en consomme qu’environ 400 Nm3/jour. La perspective de produire du bio- GNV avec le surplus de biogaz est alors devenu une évidence pour ces deux exploitants agricoles.
Voici tout l’enjeu du programme de recherche entre S3d et l’école des mines de Nantes dont le but a été de trouver une solution adaptée à la problématique de ces agriculteurs.
Afin d’établir l’état actuel des recherches sur le sujet, un premier chapitre a été consacré à la synthèse bibliographique sur les technologies de traitement du biogaz pour la production de bio-GNV. Ainsi, la problématique économique que pose la filière de production de bio-GNV à l’échelle individuelle a été mise en évidence. Ce constat a conduit à la nécessité de proposer une solution innovante et peu couteuse permettant l’accès à ce carburant quelle que soit la taille de l’unité de méthanisation. Afin de réduire les coûts d’investissement et d’exploitation, ces travaux ont porté sur l’étude de la possibilité d’utiliser les réactions de :
carbonatation accélérée pour enrichir le biogaz en biométhane : La capture du CO2 serait assurée par réaction de précipitation avec des oxydes métalliques pour produire des carbonates ;
sulfuration du fer pour désulfurer le biogaz brut : La capture d’H2S serait réalisée par réaction de précipitation avec des oxydes de fer conduisant à la formation de sulfure de fer.
Les deuxième et troisième parties de ce chapitre bibliographique ont alors été consacrées à ces deux réactions. Elles ont tout d’abord été abordées du point de vue mécanistique et technologique. Puis, les travaux de la communauté scientifique sur l’utilisation de différents matériaux alcalins, déchets ou co-produits industriels, pour capter le CO2 atmosphérique par
carbonatation ont été analysés. Cet état de l’art a permis d’identifier les matériaux les plus réactifs ainsi que le design de réacteur le plus pertinent pour l’enrichissement du biogaz.
Mais comment produire du bio-GNV à partir de biogaz agricole à cette échelle tout en assurant une rentabilité économique à l’unité ?
Concernant la désulfurisation du biogaz, la sulfuration du fer par l’H2S a semblé présenter
deux avantages : des performances de capture élevées et la possibilité d’utiliser des déchets ou co-produits à faible valeurs ajoutées contenant du fer. La conclusion de cette synthèse bibliographique a permis de mettre en lumière les techniques et les matériaux intéressants pour la mise en œuvre de la carbonatation accélérée et de la sulfuration du fer.
Les deuxième et troisième chapitres de ce manuscrit ont ensuite porté sur les études expérimentales menées en laboratoire sur, respectivement, la carbonatation accélérée et la sulfuration du fer. Dans les deux cas, la méthode employée a consisté en la mise en place de deux approches expérimentales :
en réacteur statique : les mélanges de gaz contenant le gaz à traiter ont été placés dans des réacteurs fermés en contact avec le matériau alcalin sélectionné. Les résultats obtenus ont permis la modélisation cinétique de la réaction mise en jeu et une pré- étude paramétrique ;
en colonne dynamique : le matériau alcalin sélectionné a été placé en lit fixe dans une colonne à l’échelle du laboratoire par rapport au cas d’étude. Le suivi en dynamique de la composition du gaz traité en sortie du lit a permis d’établir et d’optimiser les performances de capture du matériau vis-à-vis du CO2 et d’H2S.
Suite aux résultats obtenus en laboratoire et en conditions contrôlés, une étude de faisabilité technique et économique a été réalisée sur la base du cas réel du GAEC du Bois Joly. Présentée dans le quatrième chapitre, cette étude s’est découpée en trois temps :
une partie expérimentale : la capture de l’H2S par sulfuration du fer sur les matériaux
alcalins sélectionnés a été testée en conditions réelles sur le biogaz du GAEC. Cette étape a permis de valider la faisabilité d’utiliser les dits matériaux à l’échelle individuelle ;
la conception théorique d’une filière complète de production de bio-GNV comprenant la désulfurisation sur le matériau alcalin sélectionné, l’enrichissement du biogaz en biométhane et le conditionnement du biométhane en bio-GNV ;
cette filière a ensuite fait l’objet d’une évaluation économique. Les investissements et les flux de trésorerie ont été estimés pour réaliser l’analyse économique du cas d’étude. Plusieurs scenarios ont été imaginés pour aider à conduire à la rentabilité d’un tel projet.