Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation

Valorisation électrique et thermique
du biogaz de méthanisation
Cyril Lejeune
Formation EFE – Biomasse pour les usages énergétiques
Paris, 19 juin 2008
Sommaire
1.) Caractérisation des biogaz de méthanisation
2.) Présentation de la technologie « moteurs à gaz »
3.) Valorisation de la chaleur
4.) Qualité de biogaz requise / Traitements
5.) Approche réglementaire et administrative
6.) Exemples de réalisations en France et à l´étranger
Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation
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1.) Caractérisation
des biogaz de méthanisation
Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation
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Différents types de biogaz de méthanisation
Type de déchets
Teneur en Teneur en Teneur en
Teneur en
méthanisés
CH4 (%)
CO2 (%)
H2S (%)
Si (mg/m3)
Ordures Ménagères, FFOM
55 à 60
40 à 45
0 à 0,5
0 à 50
Boues de STEP urbaines
60 à 65
35 à 40
0à1
0 à 20
Effluents industriels
55 à 75
25 à 45
0à1
0
Déchets agro-alimentaires
60 à 70
30 à 40
0 à 0,5
0
Effluents agricoles (lisiers,
cultures énergétiques)
50 à 55
45 à 50
0à1
0
Humidité relative du biogaz : toujours 100%!!!
Composition biogaz de décharge (pour information): 40 à 50% de CH4, 25 à 40%
de CO2, 10 à 25% de N2, 0 à 3 % de O2, 0 à 0,5% de H2S, 0 à 50 mg/m3 de Si
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Production de biogaz en fonction des déchets
Huiles de friture
Paille de mais
Résidus graisseux
Biodéchets
Pulpe de fruits
Résidus flottaison (abbatoirs)
Fumier porcin (frais)
Fumier de cheval (frais)
Déchets verts
Effluents de brasserie
Lisier de volailles
Déchets d´abbatoirs
Restes de pommes de terre
Production de biogaz
moyenne (m3/t)
Déchets de cuisine
Fumier bovin (frais)
Abats porcins
Lisier porcin
Lisier bovin
0
100
200
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300
400
500
600
700
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Mélange de différents biogaz
• Mélange de biogaz tout à fait possible avant valorisation
dans un moteur à gaz
• En cas de production de deux types de biogaz sur un site,
mélange et homogénéisation du mélange avant le moteur à
gaz (stockage de gaz, mélangeur au niveau de l´installation
de valorisation)
• Nombreux exemples d´unités de méthanisation construites sur
des sites d´enfouissement de déchets (CET) en Europe (Allemagne, Espagne, Portugal,...)
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2.) Présentation de la
technologie « moteurs à gaz »
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Valorisation du biogaz de méthanisation
Digesteur / Stockage de gaz
Compresseur, traitement de gaz
et torchère
Station de cogénération
(moteur à gaz)
Transformateur
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Caractéristiques des moteurs au biogaz
Moteur pour biogaz
Technique utilisée
Moteur 4 temps à mélange pauvre
Plage de puissance
de 20 à 2.000 kWél
Vitesse de rotation
1.000 ou 1.500 tr/min
Température d´échappement
Coefficient Lambda
Alternateur
de 350 à 500 oC
de 1,45 à 1,6
synchrone
Teneur en méthane minimum
40 % en général
Pression d´alimentation du gaz
environ 100 mbar
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Principe de fonctionnement du moteur à gaz
Régulateur
Températures des chambres de combustion
M
Gaz
G
Air
Mélangeur
gaz / air
Turbo
Refroidisseur
Vanne
Mélange
d'admission
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Moteur
Alternateur
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Station de valorisation en version conteneurisée
Aéroréfrigérants
ca. 10.000
Sortie d'air
Com partim ent
M achines
Com partim ent contrôle
ca. 2.500 (3.000)*
Rampe de gaz
Entrée d'air
Station
d'huile
Ensemble
(Moteur et alternateur)
ca. 3.000 (4.350)*
Silencieux d'échappement
12.000
*
Valeurs entre () pour conteneurs spéciaux
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A nlagentechnik Gm bH
H .-M . Schleyer-Str. 8
47877 W illich
Tel. 02154/488- 0
Plan d´ensem ble
Conteneur
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Gamme de puissance et rendements
Technologie
Moteur au biogaz
P électrique
de 20 à 2.000 kWél
P thermique récupérable
de 30 à 2.500 kWth
Rendement électrique
de 34 à 42 %
Rendement thermique
de 40 à 50 %
Rendement global
de 75 à 90 %
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Émissions des moteurs à gaz
Emissions; NOx, CO, HC [ppm]
6.000
5.000
4.000
3.000
Combustion
à mélange pauvre
2.000
Cat.
NOx
1.000
CO
COVNM
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
Lambda [ - ]
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Limites d´émissions pour les moteurs biogaz
Limites d´émission dans les gaz d´échappement données par la
circulaire du 10.12.2003:
- Moteur avec une puissance primaire < 2 MWth:
Ö Pas de VLE (Valeurs Limites d´Emission)
- Moteur avec une puissance primaire > 2 MWth:
Ö VLE en SO2:
Pas de VLE
Ö VLE en NOx:
525 mg/m3
Ö VLE en poussières: 150 mg/m3
Ö VLE en COVNM:
50 mg/m3
Ö VLE en CO:
1200 mg/m3
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Maintenance et durée de vie
• Maintenance des moteurs au biogaz avec des intervalles très
rapprochés (en comparaison avec un moteur fonctionnant au
gaz naturel)
• Révision générale du moteur nécessaire au bout de 40.000 –
60.000 heures de fonctionnement
• La base de durée de vie d´un moteur pour biogaz se situe sur
une période de 15-20 ans ou 120.000 heures de fonctionnement (avec révisions générales du moteur prévues sur cette
période), soit la durée du contrat de rachat de l´électricité produite par EDF
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Avantages d´un moteur à gaz
• Rendement électrique élevé
• Coûts d´investissement assez faibles par rapport aux autres
technologies (microturbine par exemple)
• Technologie qui a fait ses preuves dans le domaine du
biogaz
• Pas nécessité d´une haute pression du gaz
• Gamme très complète pour des puissances jusqu´à 2 MWél:
pas besoin de multiplier les modules
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Ordres de coûts installation de cogénération biogaz
Moteur à gaz
Coûts
d´investissement
Coûts
d´exploitation
jusqu´à 500 kWél
de 500 à 2.000 kWél
de 800 à 2.000 €/kWél
de 500 à 800 €/kWél
de 1,5 à 3,0 ct€/kWh
de 1,0 à 2,0 ct€/kWh
Ordres de coûts (investissement et exploitation) pour des unités de cogénération
avec moteurs au biogaz (sans compression ni traitement de biogaz)
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Dimensionnement de l´installation de valorisation
• Paramètres de dimensionnement:
- débit de biogaz produit
- teneur en méthane du biogaz
- rendement électrique du moteur
• Étudier la nécessité de mettre un traitement en place:
- Séchage de biogaz : recommandé
- Traitement H2S et siloxanes: difficile à déterminer car
teneurs exactes souvent inconnues
• Aspect important : prise en compte de la valorisation de la
chaleur !!!
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3.) Valorisation de la chaleur
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Utilisation de la chaleur du moteur à gaz
• Deux sources de chaleur sur le moteur à gaz:
1- l´eau de refroidissement
2- les gaz d´échappement
• Diverses utilisations possibles de cette chaleur:
- Sous forme d´eau chaude: circuit d´eau chaude pour le
chauffage des digesteurs ou des bâtiments, réseau de
chaleur, traitement des lixiviats (CET),....
- Production de vapeur à partir des gaz d´échappement
pour le traitement des produits à méthaniser ou issus de
la méthanisation, utilisation dans un process,....
- Utilisation dans une installation ORC (Organic Rankine
Cycle) pour une production complémentaire d´électricité
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Production d´eau chaude
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Organic Rankine Cycle (ORC)
PROCÉDÉ ORC
Pompe
Évaporateur
Machine à expansion
(turbine)
Pompe
MOTEUR
Condenseur (air)
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4.) Qualité du biogaz requise /
Traitements
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Les principaux polluants et leurs effets nocifs
• Le soufre et ses composés (H2S notamment):
Ö Corrosion des équipements, dépôt sur les équipements
• Les condensats:
Ö Corrosion des équipements
• L´ammoniaque (NH3):
Ö Corrosion des équipements
• Les composés halogénés (F, Cl,...):
Ö Corrosion des équipements
• Le silicium et ses composés:
Ö Dépôt de silice sur les pièces du moteur et usure prématurée
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Exemples de dommages dus aux polluants
Dépôt de silice sur un piston
Corrosion et dépôt sur un
échangeur du au soufre
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Séchage de biogaz par refroidissement
C.E.T.
Chaleur évacuée
CH4 CO2
Biogaz de méthanisation
Gaz traité
Condensats
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Désulfuration biologique du biogaz
Désulfuration, station
de cogénération et
stockage de gaz
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Traitement au charbon actif
Prestations:
- Traitement de gaz (500 m³/h)
- Fourniture et récupération du
charbon actif
- Changements du charbon actif
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5.) Approche réglementaire
et administrative
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Les nouveaux tarifs de rachat d´électricité
(en ct€/kWh)
Jusqu´à
150 kWél
De 150 kWél
Au-delà de
à 2 MWél
2 MWél
9,0
interpolation
7,5
Tarif de base
Bonus „Méthanisation“
2,0
Bonus „Cogénération“
Jusqu´à 3,0 en fonction du rendement V de l´installation
Rendement V
Jusqu´à
40%
De 40
Au-delà de
à 75 %
75%
0
interpolation
3,0
Bonus „Cogénération“
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Les différentes démarches administratives
• Permis de construire:
- inclus dans le permis de construire de l´installation globale
- Interlocuteur: Mairie + Préfecture
• Déclaration / DAE au titre des installations classées :
- incluse dans l´autorisation de l´installation globale
- Interlocuteur: DRIRE
• Raccordement au réseau électrique:
- Durée de 8 à 12 mois entre demande et raccordement définitif
- Interlocuteur : ERDF (anciennement EDF ARD)
• Rachat de l´électricité produite:
- Durée de 1 à 2 mois après la demande
- Interlocuteur : EDF Energie (Achat)
• Déclaration / DAE pour une installation de production d´électricité:
- Délai de 2 à 4 mois (selon déclaration ou autorisation)
- Interlocuteur : DIDEME
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Textes réglementaires
•
Arrêté-type n°2910:
« Arrêté du 25 juillet 1995 relatif aux prescriptions générales
applicables aux installations classées pour la protection de
l´environnement soumises à déclaration sous la rubrique
n°2910 Combustion » (installations entre 2 et 20 MWth)
• Circulaire du 10 décembre 2003:
« Circulaire du 10 décembre 2003 relatives aux installations
classées : installations de combustion utilisant du biogaz »
(installations entre 2 et 20 MWth)
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