Production de biogaz à partir des cultures énergétiques 

Techniques de production de biogaz

Le biogaz est le produit de la fermentation bactérienne de toute matière organique en l’absence d’oxygène. La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s’agit par exemple des glucides, des protides et lipides. En plus du carbone qui est le composant essentiel, la MOcontient aussi l’hydrogène (H), l’oxygène (O), l’azote (N), le phosphore (P), le fer (Fe), le soufre (S)…. Au cours de sa production, le méthane est la plupart du temps mélangé à du gaz carbonique et d’autres gaz en petites quantités, ce mélange est appelé le biogaz. Le méthane est riche en énergie et il confère au biogaz son pouvoir calorifique qui est directement proportionnel à sa teneur. Le pourcentage de méthane peut varier de 40 à plus de 80 % selon la nature du substrat et des conditions expérimentales, le reste étant principalement du CO2 (dioxyde de carbone)(20 à 60 %), de l’H2S (sulfure d’hydrogène) (env. 1 %) et de la vapeur d’eau. Ce processus se déroule naturellement dans des milieux anaérobies comme les marécages, les panses des bovins, les décharges d’ordures, les lagunes d’eaux usées suffisamment profondes (> 3 m). Dans ce cas le méthane et le gaz carbonique sont libérés et constituent des gaz à effet de serre. Par contre la méthanisation peut se passer dans des réacteurs encore appelés digesteurs où le les gaz produits sont captés et utilisés à d’autres fins. Les matières organiques fermentent grâce à des ensembles de bactéries en quatre étapes que sont l’hydrolyse, l’acidogenèse, l’acétogenèse et la méthanogenèse. La digestion anaérobie se déroule à différentes températures (d’environ. 10 à 55 °C) avec toutefois deux optimums : – la fermentation mésophilique à 35 °C, – la fermentation thermophile à 55 °C. On parle de fermentation psychrophile pour les températures inférieures à environ 20 °C. Tous les substrats ne sont pas méthanisables, le pH doit se maintenir (naturellement ou par l’ajout de neutralisants) entre 6,5 et 7,5 dans le digesteur. Dans les procédés traditionnels (digesteur complètement mélangés), les substrats doivent séjourner assez longtemps dans le digesteur pour que les bactéries puissent se multiplier et digérer la matière organique. Le biogaz est valorisé pour la production de chaleur, d’électricité et dans le gaz de réseau. La comparaison du pouvoir calorifique du biogaz avec celui des combustibles usuels permet d’énoncer les équivalents approximatifs suivants : – 1 m3 de biogaz équivaut, du point de vue énergétique, à 1,25 kWh (kilowattheure) ; – Sa combustion produit une quantité d’énergie équivalente à celle de 0,7 L de pétrole ou 0,6 L de gasoil [Ali.11].

 Les caractéristiques des différents composés du biogaz 

Le biogaz est composé des 5 éléments de base C, H, O, N et S, provenant directement de la transformation de la matière organique dont il est issu. Ces éléments se retrouvent principalement sous la forme d’un mélange de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), dont le rapport varie avec le substrat. À ce mélange saturé en eau viennent s’ajouter des éléments à l’état de traces et en quantités variables selon les substrats. Il s’agit de l’azote, de l’hydrogène, de l’hydrogène sulfuré (H2S), des mercaptans (R-SH), des composés organiques volatiles (alcanes, hydrocarbures aromatiques, composés organo-halogénés…). Ces derniers sont principalement présents dans le gaz de décharge.

 Le méthane

 Le méthane est le plus simple des hydrocarbures, et plus précisément du premier terme de la famille des alcanes. Il est assez abondant dans le milieu naturel, ce qui en fait un combustible à fort potentiel. Cependant, le fait qu’il se présente à l’état gazeux aux CNTP nécessite de le liquéfier pour le transporter. D’énormes quantités de méthane sont enfouies dans le sous-sol sous forme de gaz naturel, de grandes quantités difficiles à évaluer sont également présentes sur le plancher océanique sous forme d’hydrates de méthane, stables à basse température et haute pression. Du méthane est également produit de façon anaérobie par les archées dites méthanogènes. Le méthane est naturellement présent dans l’atmosphère terrestre à des concentrations très faibles et présente une durée de vie assez brève (moins de dix ans). C’est un gaz à effet de serre considérablement plus puissant que le CO2, responsable, au niveau actuel de sa concentration, de quelques pourcents de l’effet de serre total à l’œuvre dans notre atmosphère. En effet, un kilogramme de méthane a un potentiel de réchauffement global (PRG) 23 fois supérieur à celui d’un kilogramme de gaz carbonique mais a une durée de plus faible. Le méthane est ainsi le seul hydrocarbure classique qui peut être obtenu rapidement et facilement grâce à un processus biologique naturel. Voici quelques propriétés physico-chimiques du méthane : – La combustion du méthane dans l’oxygène pur produit du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O avec une importante libération d’énergie : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O: ΔH = 891 kJ⋅mol-1 . (1-1) – La température d’ignition du méthane à pression atmosphérique en présence d’une flamme ou étincelle est de 550°C, son auto inflammation n’est donc pas spontanée. – 1 m³ de méthane à 15 °C (gaz naturel) libère une énergie de 9,89 kWh (35,6 MJ)[Ali.11]. 3 – Le méthane brûle avec une flamme bleue lorsque sa combustion est complète. – Seuls 3 cm3 de méthane seront dissouts dans 100 cm3 d’eau à 20 o C et à une pression de 10 kPa [Ali.11]. – A l’état pur le méthane est incolore et inodore. La figure I-1 nous montre le potentiel d’un mètre cube de méthane du point de vue énergétique et sa comparaison aux autres sources énergétiques notamment le gaz naturel qui est très utilisé au Sénégal. Figure I-1 : Valeurs comparatives du méthane[Ali.11].

Le dioxyde de carbone : CO2 

La présence de CO2 est inhérente aux gaz de biogaz, actuellement cité parmi les gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique mais est beaucoup moins puissant que le méthane. Il ne participe pas au processus de combustion mais fait accroître l’indice de méthane lorsque son pourcentage dans la composition du biogaz n’est pas trop important ; on parlera d’enrichissement du biogaz, une méthode qui consiste à enlever le gaz carbonique du biogaz afin de lui conférer une qualité de gaz comparable à celui du gaz naturel qui est d’une qualité légèrement supérieure comme le montre la figure comparative du biogaz ci-dessus.

 Le dihydrogène : H2 

L’hydrogène contribue à la réduction significative de l’indice méthane. L’hydrogène est un combustible dont la vitesse de propagation de flamme est extrêmement élevée : 260 cm/s (dans les conditions standards), des précautions particulières d’emploi doivent être prises 4 pour sa valorisation. A titre de comparaison, celle du gaz naturel (assimilé à du méthane) est de 37 cm/s [Ali.11].

 Les composés azotés 

La présence de NH3 dans le biogaz accélère et amplifie la combustion entraînant des contraintes thermiques pouvant entraîner la fonte des pistons et un échauffement des injecteurs, surtout à des valeurs de pH supérieures à 8,3. La solution souvent apportée est une meilleure conception de l’installation, le contrôle du pH dans le digesteur, le filtrage du gaz par du charbon actif. En refroidissant le biogaz, les condensats entraînent le NH3. Un effet du NH3 est d’être totalement oxydé en NO lors de la combustion, ce qui peut impacter sensiblement les émissions polluantes. I-1-2-5. La vapeur d’eau : H2O A la sortie, le biogaz est saturé de vapeur d’eau et la quantité d’eau augmente avec la température du gaz. Les problèmes prévisibles sont : la vapeur d’eau réagit avec le H2S pour former les acides sulfureux (nuisibles pour les vannes), la formation des poches d’eau dans les conduites de gaz, l’augmentation des pertes de charge au niveau du filtre, une baisse du rendement du moteur due à la compression de l’eau contenue dans le biogaz. Il y a également une possibilité de condensation de l’eau, dans le cas d’un moteur, dans la conduite après la suralimentation. Cela entraîne le passage en phase liquide de différents composés traces et provoque de la corrosion.

 Les composés soufrés

 Le biogaz contient toujours du sulfure d’hydrogène (H2S) dont la proportion peut atteindre en fonction du substrat les valeurs de 20 000 ppm[Ali.11].La production de H2S n’est pas continue. De nombreux problèmes sont liés à la présence d’H2S dans le biogaz. Cela provoque notamment la corrosion des conduites, des équipements de valorisation (moteurs, turbine..) et des échangeurs de chaleur sur les fumées. Cette corrosion dépend de plusieurs facteurs : la teneur en H2S, l’humidité, le type de matériau, le temps et le mode d’exposition (gazeux ou aqueux).Les solutions consistent à désulfurer le gaz par voie biologique, réaction avec l’hydroxyde de fer, ou encore par filtration sur du charbon actif. On conseille aussi d’agiter continuellement le substrat dans le digesteur et de disposer les conduites de gaz en série entre le digesteur et le local de post-digestion. Il faut aussi noter que c’est ce produit qui confère au biogaz son odeur « d’œuf pourri » 

 Le silicium et ses composés : les siloxanes

 Les siloxanes volatiles sont composés de plusieurs constituants chimiques sous forme gazeuse silicium, oxygène, chaîne carbonée. Communément utilisés pour la fabrication de cosmétiques, d’huiles et de peintures, ils se retrouvent principalement dans le gaz de décharge et dans une moindre mesure dans les gaz de digesteurs. Quand le biogaz est brûlé pour produire de l’électricité, les siloxanes se transforment en dioxyde de silicium (SiO2), qui peut se déposer sur les différents équipements en contact avec le gaz brûlé, sous forme de dépôt blanchâtre apparenté à de la céramique. Il existe une grande variété de siloxanes. La concentration de siloxanes est généralement plus haute dans les gaz de digesteur que dans les gaz de décharge. De ce fait, il est parfois plus facile de quantifier les siloxanes dans les gaz de digesteur. Depuis plusieurs années, on remarque que la présence de siloxanes dans le biogaz provoque des dégâts considérables sur les équipements de production d’électricité (moteurs, micro turbines, piles à combustible…) et ainsi une augmentation de la maintenance et une baisse de performance. Les constructeurs préconisent donc un seuil limite de concentration de siloxanes dans le biogaz pour l’utilisation de leurs équipements. 

 Le monoxyde de carbone : CO 

La teneur importante en monoxyde de carbone (gaz inodore et incolore) entraîne une toxicité des gaz de gazogènes. Même en faible concentration, il peut remplacer l’oxygène dans le processus de respiration et provoquer l’asphyxie. 

 Le dioxygène : O2 

La présence d’oxygène est essentiellement liée au mode opératoire de production du gaz de biomasse. Pour le biogaz, la présence d’oxygène révèle un défaut d’étanchéité (introduction d’air) dans le procédé d’extraction du gaz produit. On en retrouve principalement dans le gaz de décharge, qui est un mélange de biogaz et d’air. La proportion de ces deux gaz dépend des conditions d’exploitation de la décharge, principalement de la mise en dépression du réseau de captage. Le biogaz de digesteur ne contient en principe pas d’oxygène étant donné ses conditions de formation et de transport vers l’utilisateur. Les sources différentes de production conduisent à des compositions spécifiques, étant donné la variabilité et la diversité des gaz de biomasse il s’avère délicat d’afficher une composition moyenne du biogaz car elle est spécifique pour chaque type de substrat. Le tableau I-1 donne la variation en pourcentage des différents constituants du biogaz et en ppm pour le sulfure d’hydrogène. Le méthane demeure toujours le composé dominant quel que soit le produit utilisé, il est suivi du gaz carbonique ensuite vient la vapeur d’eau et le sulfure d’hydrogène. Les autres gaz comme le monoxyde de carbone, le dioxygène, le dihydrogène et les composés du silicium sont présents en faible quantité ou sous forme de trace.