Cogénération de biogaz / production combinée de chaleur d’électricité

Les biogaz proviennent de la fermentation anaérobie de matières organiques. Les micro-organismes se nourrissent de la matière organique, la décomposant et produisant du biogaz. Le produit de départ des digesteurs anaérobie peut provenir des déchets biodégradables, ou par l’intermédiaire de plantes énergétiques cultivées spécialement pour leur potentiel de formation de gaz. Le biogaz est un combustible renouvelable et son utilisation dans un moteur à gaz facilite la production d’énergie renouvelable sous la forme d’électricité et de puissance thermique utile dans les applications de cogénération / production combinée de chaleur et d’électricité. Les moteurs à gaz Jenbacher sont conçus pour un fonctionnement robuste avec les gaz difficiles tels que les biogaz. Cela est mesuré en termes d’efficacité et fiabilité électrique (heures d’utilisation par an).

Qu’est-ce que le biogaz ?

Cette section du site Web est consacrée aux biogaz produits dans les digesteurs anaérobie de l’agro-industrie et industrie des déchets. Elle contient les pages des marchés spécifiques des biogaz agricoles, biogaz issus des déchets, biogaz de distillerie, traitement biologique mécanique et méthanisation des déchets mixtes. Les autres formes de méthane produit biologiquement sont les gaz de décharge et les gaz d’épuration. Les gaz issus de la biodégradation sont considérés comme des carburants renouvelables car la matière organique a généralement été créée à partir du carbone présent dans l’atmosphère par les plantes au cours d’une période de croissance récente. Les gaz sont produits en tant que produits métaboliques de deux groupes de micro-organismes appelés bactéries et Archaea(archées). Ces micro-organismes se nourrissent d’hydrates de carbone, graisses et protéines, puis par une série complexe de réactions incluant l’hydrolyse, l’acétogénèse, l’acidogénèse et la méthanogenèse produisent du dioxyde de carbone et du méthane. Ce dernier est utilisé dans les moteurs à gaz pour générer de l’énergie sous la forme d’électricité et de puissance thermique.

Avantages

• Production d’énergie renouvelable par la cogénération
• Élimination des déchets problématiques
• Évitement de l’échappement des gaz de décharge et réduction des émissions de carbone
• Dérivation des déchets de la décharge
• Production d’engrais à faible teneur en carbone

Formation du biogaz

La création de biogaz est aussi appelée la biométhanisation. Les gaz d’origine biologique sont produits en tant que produits métaboliques de deux groupes de micro-organismes dits bactéries et Archaea. Ces micro-organismes se nourrissent de glucides, lipides et protéines, puis à travers une série complexe de réactions, y compris l’hydrolyse, acétogénèse, acidogénèse et la méthanogénèse produisent du biogaz constitué principalement de dioxyde de carbone et de méthane. Un diagramme circulaire montrant la composition du biogaz issu de matières premières agricoles.

Composition du biogaz

Le biogaz est constitué principalement de méthane (la source d’énergie au sein du combustible) et de dioxyde de carbone. Il peut aussi contenir de petites quantités d’azote ou d’atome d’hydrogène. Les contaminants dans le biogaz peuvent inclure du soufre ou des siloxanes, mais cela dépendra de la charge de digesteur.
Les pourcentages relatifs de méthane et de dioxyde de carbone dans le biogaz sont influencés par un certain nombre de facteurs, y compris :

• Le rapport des glucides, des protéines et des matières grasses dans la charge d’alimentation

• Le facteur de dilution dans le digesteur (le dioxyde de carbone peut être absorbé par l’eau)

La digestion anaérobie

La digestion anaérobie est un processus d’exploitation de la fermentation anaérobie des déchets et autres matériaux biodégradables. Les microbes anaérobies peuvent être exploités pour traiter les déchets problématiques, produire un engrais qui peut être utilisé pour remplacer les émissions élevée de carbone provenant d’engrais chimiques. C’est aussi le processus qui aboutit à la production de biogaz, qui peut être utilisé pour fournir de l’énergie renouvelable en utilisant des systèmes de cogénération du biogaz.

Un diagramme circulaire montrant la composition typique du biogaz provenant de déchets alimentaires. La digestion anaérobie peut se produire à des températures mésophiles (35-45˚ C) ou thermophiles (50-60˚ C). Les deux types de digestion exigent généralement des sources supplémentaires de chaleur pour atteindre leur température optimale. Cette chaleur est le plus souvent assurée par une unité de cogénération fonctionnant au biogaz et produisant de l’électricité et de la chaleur.

Souvent, les installations de biogaz pour traiter les déchets provenant de matières d’origine animale, nécessiteront également un matériau à traiter à haute température pour éliminer toute maladie causant des bactéries dans la suspension. Ces systèmes pasteurisent la suspension, généralement à 90 ° C pendant une heure, pour détruire les agents pathogènes et entraîner la fourniture propre d’engrais de qualité.

Moteurs biogas

Les moteurs biogaz Jenbacher sont conçus pour fonctionner sur différents types de biogaz. Ces moteurs à gaz sont reliés à un alternateur pour produire de l’électricité avec une efficacité élevée. La production d’électricité à haute efficacité permet à l’utilisateur final de maximiser la production électrique à partir du biogaz et donc d’optimiser la performance économique de l’usine de digestion anaérobie.

Sortie électrique du moteur biogas

Il y a 4 « types » de moteurs à gaz Jenbacher avec différents niveaux de puissance et de caractéristiques de rendement électrique / thermique.
• 249-​​330kWe – Type 2
• 499-1,065 kWe – Type 3
• 844-1189kWe – Type 4
• 1,600-3,000 kWe – Type 6

Cogénération biogas

Le gaz d’origine biologique peut être utilisé dans les moteurs de production de biogaz pour produire de l’énergie renouvelable grâce à la cogénération sous la forme d’électricité et de chaleur. L’électricité peut être utilisée pour alimenter le matériel environnant ou exportée vers le réseau national.

Chaleur à basse température des circuits de refroidissement du moteur à gaz généralement disponible lorsque l’eau chaude est sur une base de 70/90 ° C départ / retour. Pour les installations de digestion anaérobie qui utilisent un moteur de cogénération, il existe deux principaux types de chaleur :
• Qualité de chaleur comme gaz d’échappement du moteur (typiquement ~ 450 ° C)

La chaleur de faible qualité est généralement utilisée pour le chauffage des cuves de digestion à la température optimale pour le système biologique. Les digesteurs anaérobies mésophiles opèrent généralement à 35-40 ° C. Les digesteurs anaérobies thermophiles fonctionnent normalement à une température supérieure entre 49 et 60 ° C donc cela exige un chauffage plus élevé.

Vous pouvez en savoir plus sur l’efficacité de la cogénération en biogaz ici.

Une température élevée de la chaleur des gaz d’échappement peut être utilisée directement en chaudière à chaleur perdue séchoir ou en unité de cycle organique de Rankine. En variante, il peut être converti en eau chaude à l’aide d’une coquille et d’un échangeur de chaleur de gaz d’échappement tubulaire pour compléter la chaleur à partir des systèmes de refroidissement du moteur.

Les chaudières de récupération de chaleur produisent de la vapeur généralement à 8-15 bar. Les siccatifs peuvent être utiles pour réduire la teneur en humidité du produit de digestion afin d’aider à réduire les coûts de transport. Les turbines à cycle organique de Rankine sont capables de convertir le surplus de chaleur perdue en production électrique supplémentaire.

Dans le cas où la législation locale exige la destruction des agents pathogènes dans le digestat (tels que les règlements européens sous-produits animaux), il pourrait s’avérer nécessaire de traiter thermiquement les déchets par pasteurisation ou stérilisation. Ici, l’excédent de chaleur provenant du moteur à gaz peut être utilisé dans l’unité de pasteurisation.

La chaleur dégagée par le moteur de cogénération peut également être utilisée afin d’entraîner une machine à absorption pour donner une source de refroidissement de conversion du système à une installation de tri-génération.

Débit minimum

Le débit de gaz minimum pour faire fonctionner les petits moteur biogaz Jenbacher à pleine charge (J208 @ 249kWe) est de127Nm3/heure à 50% de méthane.

Secteurs

Nous avons des pages spécifiques liées à :
• Agriculture
• Déchets organiques
• Distilleries
•Traitement biologique et mécanique de la digestion anaérobie des déchets mixtes (MBT-AD)
• Gaz d’enfouissement
• Gaz d’égouts

Agents contaminants potentiels

Les gaz d’origine biologique peuvent inclure des agents contaminants comprenant l’eau, le sulfure d’hydrogène et les siloxanes. Veuillez contacter le bureau local de Clarke Energy pour discuter de vos attentes en termes de qualité du gaz. Clarke Energy fournit des directives spécifiques sur la qualité du gaz combustible dans les documents d’instruction technique.

Pollution de l’eau des biogaz

Les gaz biologiques contiennent de la vapeur d’eau étant donné la nature du substrat biologique qui produit du gaz. La quantité d’eau est associée à la température des biogaz et au procédé de production. L’eau peut être éliminée du gaz en utilisant :-

• Unités de déshumidification (séchage) des gaz.
• Déshydratation du tube souterrain.

Sulfure d’hydrogène

Le sulfure d’hydrogène (H₂S) est produit en tant que sous-produit du procédé de méthanisation des produits de départ à forte teneur en soufre tels que les acides aminés et les protéines. Lorsqu’il est brûlé dans un moteur à gaz, le sulfure d’hydrogène peut se condenser avec de l’eau pour former de l’acide sulfurique. L’acide sulfurique est corrosif pour les pièces des moteurs à gaz et doit donc être limité. Les procédés pour l’élimination du sulfure d’hydrogène incluent

• Filtres à charbon activés
• Dosage de faible niveau d’oxygène dans l’espace de tête de digesteur (généralement < 1% O₂)
• Tours de lavage biologique externes
• Dosage de chlorure ferrique dans le digesteur

Siloxanes

Dans certains cas, le biogaz contient des siloxanes. Les siloxanes sont formés à partir de la la décomposition anaérobie de matières trouvées communément dans les savons et les détergents. Durant la combustion des biogaz contenant des siloxanes, le silicium est libéré et peut être combiné avec des éléments sans oxygène ou divers autres dans les gaz de combustion. Des dépôts sont formés contenant principalement de la silice (SiO₂) ou des silicates (Si_xO_y). Ces dépôts minéraux blancs s’accumulent et doivent être éliminés par des moyens chimiques ou mécaniques.