METHANISATION
La méthanisation (digestion anaérobie) est un processus de dégradation de la matière organique, sans besoin d’oxygène, ni de lumière, avec intervention de micro-organismes. La matière organique est alors transformée en deux résidus : le biogaz, composé à 60 % de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O), et le digestat qui est constitué de matière organique non dégradée et de minéraux. Cette transformation naturelle (les micro-organismes intervenant dans ce processus sont déjà présents dans le substrat) peut être utilisée pour le traitement des déchets. Le digestat peut être répandu sur les cultures comme engrais, tandis que le biogaz peut être valorisé de différentes manières : il peut être transformé en électricité ou en chaleur.
Les différentes phases de la méthanisation : La méthanisation est un processus engageant des bactéries : les bactéries hydrolytiques, acidogènes, acétogènes et méthanogènes. Ces trois types de bactéries assurent l’ensemble du processus qui peut être divisé en quatre parties qui sont : l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse.
Lors de la première phase (hydrolyse et acidogénèse), les bactéries hydrolytiques transforment la matière organique complexe comme les protéines, les lipides, des sucres tels que la cellulose ou l’amidon en composés plus simples comme les acides gras volatils, ou encore des alcools. Il y a alors production de gaz (H2 et CO2). Lors de l’acétogénèse, les produits sont transformés en acide acétique et en hydrogène. Pendant la dernière phase, le CO2 est en partie transformé en méthane par les bactéries méthanogènes hydrogénophiles et l’acétate est transformé en méthane par les bactéries méthanogènes acétoclastes. Les produits finaux de la méthanisation sont alors le dioxyde de carbone, le méthane et du digestat.
LA PYROLYSE DU BOIS
L’élévation progressive de la température d’un composé organique en l’absence d’un apport externe d’oxygène libre a pour effet de dégazer dans son voisinage les composés qu’ils renferment sous forme de gaz : l’eau qui devient vapeur par exemple, mais aussi les composés organiques volatiles. Ces réactions de séchage (jusqu’à 100 °C) et de désorption des composés volatils (jusqu’à 280 °C) sont endothermiques. Avec l’élévation de la température au-delà de 280 °C, les macromolécules se cassent pour fournir des molécules plus courtes à l’état de gaz, de liquides ou de solides suite à une décomposition spontanée du bois qui libère de l’énergie (réaction exothermique).
A la fin de ce processus et en l’absence d’oxygène, il ne reste plus que du carbone pourvu de la fraction minérale contenue dans la biomasse : le coke ou le char, un gaz constitué d’hydrocarbures (méthane, éthylène, éthane, propylène…) mais aussi de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone , des huiles condensables complexes comportant entre autre des composés aromatiques, des alcools, des aldéhydes, des furanes, des cétones des phénols, des sucres…Ces huiles sont instables, sensibles à la température et à la lumière.
LA METHANISATION OU LE PROCESSUS INDUSTRIEL DE FABRICATION DE BIOGAZ
Les traitements biologiques de dégradation de la biomasse et de ses déchets s’appliquent à la matière organique biodégradable, dite fermentescible : les micro-organismes vivent et prolifèrent sur les déchets organiques qu’ils assimilent. Le procédé biologique comporte une unité agricole ou industrielle visant à contrôler et à optimiser les paramètres opératoires.
Les produits obtenus qu’ils soient solides (compost) ou gazeux (biogaz), présentent théoriquement une valeur marchande. Utilisés comme amendements, les composts doivent répondre à des normes et s’insérer dans un marché. Quant au biogaz issu de la méthanisation des déchets, il est soit injecté dans le réseau de gaz, soit brulé en chaudière pour fournir de la vapeur aux industriels du voisinage, soit destiné à alimenter un générateur électrique ou des véhicules (autobus à Lille). Principe de la méthanisation : Certaines unités de méthanisation emploient une «préfermentation»: les déchets, subissent une fermentation aérobie, avant d’effectuer la digestion anaérobie, pendant 2 à 3 jours afin d’élever la température . C’est aussi un moyen de disposer d’un stock de tampon et de neutraliser les quelques fermentations lactiques amorcées dans les bases de collecte. La méthanisation s’opère en quatre phases:
Avec l’hydrolyse, les polymères se dégradent en monomères. Des petites molécules solides assimilables par les bactéries apparaissent, la cellulose se transforme en glucose et en cellobiose. La transformation des monomères en gaz carbonique et en acides organiques constituent l’acidogénèse ou fermentation. Il apparait alors des acétates, de l’éthanol, de l’ammoniac, de l’hydrogène et des acides gras volatils (AGV) comportant de 2 à 5 atomes de carbone. Cette catégorie de micro-organismes a la possibilité de se développer en cas d’enrichissement de son alimentation et de produire rapidement plus d’acides gras volatils. Les micro-organismes des phases 3) et 4) ne réagissent que beaucoup plus lentement. Les AGV s’accumulent et génèrent une acidification du milieu qui inhibe les micro-organismes de 3) et 4) : la digestion anaérobie peut alors se bloquer.
Au moment de l’acétogénèse, les micro-organismes transforment les AGV et alcool de l’étape précédente en hydrogène, gaz carbonique et acétates. L’hydrogène sulfuré se trouve générer lors de cette phase de transformation.
Les bactéries méthanogènes interviennent ensuite pour élaborer le méthane (méthanogénèse) à partir de l’hydrogène, du gaz carbonique et des acétates.
PRODUCTION DU METHANE A PARTIR DES MINES DE CHARBON
Présence de méthane dans les gisements de charbon
Le gaz présent à l’état naturel dans les gisements de charbon est principalement le méthane (avec concentration généralement comprise entre 80 et 95 %) et des proportions plus modestes d’hydrocarbures gazeux d’azote et de gaz carbonique. Ce mélange de méthane, de vapeur d’eau, d’air et de produits d’oxydation que l’on rencontre dans les mines de charbon est généralement appelé « gaz de couche ». La formation de méthane dans les gisements de charbon est le résultat d’un certain nombre de réactions chimiques qui se sont produites au moment de la formation du charbon dans le sous-sol. Des déchets végétaux, comme ceux que l’on trouve dans les marécages, se transforment lentement, passant de l’état de déchets organiques humides à l’état de charbon, lorsqu’ils sont enterrés à une profondeur suffisante et une période suffisamment longue ; c’est le processus de houillification. Plus la température, la pression et la durée de l’enfouissement du charbon sont élevées, plus la maturation géologique du charbon est longue (et le charbon de rang élevé) et plus la quantité de gaz est importante.
Le méthane est présent à une concentration beaucoup plus élevée dans le charbon que dans d’autres types de roches en raison du phénomène d’adsorption, qui permet aux molécules de s’accumuler dans le charbon à une densité proche de celle du liquide.
Captage du méthane
Les différences de configuration géologique et minière des bassins houillers du monde ont entrainé l’élaboration de différentes techniques de captage. Les méthodes de captage du méthane sont mises en œuvre avant (en amont de) ou après (en aval de) l’extraction. Dans le captage en amont, on extrait le méthane de la veine avant l’extraction du charbon, tandis que le captage en aval consiste à récupérer non seulement le méthane mais aussi d’autres gaz provenant de veines avoisinantes par suite du déplacement de la roche, de l’allégement des contraintes et de la perméabilisation des couches suite à l’extraction. Le captage en aval, lorsqu’il est correctement mis en œuvre, permet de récupérer de 50 % à 80 % du gaz émis par un quartier de longue taille dans les conditions géologiques normales. Dans la plupart des cas, un objectif de récupération de 50 % sur l’ensemble de la mine semble réaliste. Il est possible de récupérer au moins de 30 % du méthane par captage en aval, quelques soient les conditions géologiques, sauf si ces dernières sont exceptionnellement difficiles ; le captage en amont permet de récupérer 60 % du méthane libéré par l’extraction minière.
LE BIOGAZ DES DECHARGES
Le biogaz est produit par la décomposition anaérobie des déchets organiques contenus dans les déchets ménagers. On ne le trouve donc que dans les centres de stockage de classe 2 ou dans d’anciennes décharges recevant des déchets mélangés. La production s’effectue comme dans un biodigesteur en quatre phases : hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse. Ces réactions biochimiques s’opèrent à température inférieure à celle des biodigesteurs. La qualité du biogaz produit est nécessairement fonction du type de déchet : un calcul théorique permet d’établir que le biogaz des graisses comporte au mieux plus de 70 % de méthane.
Pratiquement, la plupart des observations conduisent à une production moyenne de biogaz comprise entre 50 et 150 m 3/TMS. Le captage s’opère au moyen de drains verticaux en tubes de polyéthylène percés entourés de graviers pourvus d’un anneau en argile en partie supérieure afin de suivre les tassements ou de drains horizontaux disposés dans des tranchées de graviers régulièrement espacées à différentes hauteurs. La production n’est pas instantanée : un délai de latence est observé entre la mise en décharge et les premières émissions de biogaz. La production peut durer plusieurs dizaines d’années et continue bien après la fermeture du site d’enfouissement tout en se réduisant fortement avec le temps. Il est possible d’accélérer la production de biogaz en jouant sur le mode opératoire : broyage, injection d’eau ou couverture semi-perméable, exploitation des casiers en couches minces. On peut aussi différer cette production par une mise en balles préalable des déchets, la mise en place d’une couverture étanche ou de couvertures intermédiaires, par un compactage important.
Contrairement à la production du biogaz issu de déchets fermentescibles en réacteur spécifique (le biodigesteur), le biogaz de décharge est extrait du site en imposant une légère dépression (de l’ordre de 60 mbar). Cette dépression par rapport à l’air ambiant a pour effet d’induire des traces d’azote et d’oxygène dans le biogaz produit du fait de la non étanchéité absolue à l’air des alvéoles de stockage.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE GAZ METHANE
I.1 HISTORIQUE
I.2 DEFINITION ET FORMATION
I.3 PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES
I.4 UTILISATION
CHAPITRE II : PROCEDES ARTISANAUX DE PRODUCTION DU GAZ METHANE
II.1 METHANISATION
II.1.1 Définition
II.1.2 Les différentes phases de la méthanisation
II.1.3 Procédés de fonctionnement : cas d’un digesteur discontinu
II.2 LA PYROLYSE DU BOIS
II.2.1 Principe
II.2.2 Procédés utilisés : Pyrolyse à basse température
CHAPITRE III : PROCEDES INDUSTRIELS DE PRODUCTION DU GAZ METHANE
III.1 LA METHANISATION OU LE PROCESSUS INDUSTRIEL DE FABRICATION DE BIOGAZ
III.1.1 Définition
III.1.2 Principe de la méthanisation
III.1.3 Réacteurs de méthanisation
III.2 PRODUCTION DU METHANE A PARTIR DES MINES DE CHARBON
III.2.1 Présence de méthane dans les gisements de charbon
III.2.2 Captage du méthane
III.2.2.1 Captage en amont : principe de bases
III.2.2.2 Captage en aval : concepts de base
III.4 GAZEIFICATION DU BOIS
III.4.1 Définition et principe
III.4.2 Procédés utilisés : Exemple des lits fluidisés
III.5 EXPLOITATION DU GAZ NATUREL
III.5.1 La formation des gisements de gaz naturel
III.5.2 Principe d’extraction du gaz naturel
Figure 1 : Technique d’extraction du pétrole ou du gaz (w5)
III.6 LA PYROLYSE DU CHARBON
III.6.1 Procédé de cokéfaction de la houille
III.6.2 Traitement des effluents
CHAPITRE IV : IMPACTS DU GAZ METHANE SUR L’ENVIRONNEMENT
IV.1 UN GAZ A EFFET DE SERRE
IV.2 METHANE ET OZONE
IV.3 ORIGINE DES EMISSIONS
IV.4 LES PUITS DE METHANE
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
