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La recherche et le développement de sources d'énergie alternatives se poursuivent sans relâche et les résultats sont souvent prometteurs. Alors que les entreprises énergétiques et les gouvernements collaborent pour minimiser la combustion de combustibles fossiles afin d'atténuer les effets néfastes du changement climatique, leur mission inclut non seulement la faisabilité de sources alternatives, mais aussi l'optimisation de ces substituts afin qu'ils soient efficaces, rentables et adaptés au transport comme au stockage. Alors que le biogaz – longtemps une source de combustible pour le chauffage et la cuisine – assume un rôle plus important en tant que moyen d'énergie verte, les techniques et méthodes sont affinées pour le traiter en vue d'une application plus large et plus facile.
Comprendre la formation du biogaz est essentiel pour saisir pourquoi sa valorisation est pratique et nécessaire. La plupart des gens ont déjà eu une certaine expérience du biogaz, ne serait-ce que par l'odorat. Lorsque la matière organique subit une décomposition, ses composants se dégradent soit en présence d'oxygène, soit en son absence, par exemple dans une décharge, ou sous un grand tas de tontes de gazon ou de fumier de vache. Dans ce dernier cas, des bactéries spécifiques décomposent les substances en une série de composés chimiques sur plusieurs stades de décomposition. Le méthane (CH₄) et le dioxyde de carbone (CO₂) dominent parmi les composés finaux restants. Ceux-ci se combinent avec d'autres composés pour former le biogaz. En plus du CO₂ et du CH₄, des gaz en quantités plus faibles restent présents. Bien que modestes en proportion, ces composés traces ont un impact négatif en rendant le biogaz inutilisable et même dangereux. Des composés organiques volatils comme les terpènes et les siloxanes peuvent altérer le biogaz, tout comme la vapeur d'eau et les composés soufrés. Le sulfure d'hydrogène (H₂S), en particulier, n'est pas seulement dangereux pour la santé humaine, mais endommage également les pipelines et les réservoirs de stockage. Au-delà de ces problèmes, le CO₂ lui-même diminue considérablement l'efficacité énergétique du biogaz. L'idéal est donc de produire le méthane sous une forme aussi pure que possible.
L'objectif de la valorisation du biogaz est de créer un gaz naturel renouvelable (RNG), c'est-à-dire adapté au transport par pipeline et utilisable partout où le gaz naturel conventionnel est employé. La principale différence est que le RNG — ou biométhane — est facilement renouvelable comparé au gaz naturel obtenu à partir de gisements géologiques. Le biométhane peut être liquéfié ou compressé pour l'alimentation des véhicules. De plus, il est conforme aux exigences du Renewable Fuel Standard fédéral établies par l'Environmental Protection Agency (EPA). En bref, l'utilisation du RNG réduit considérablement les émissions de gaz à effet de serre.
La vapeur d'eau peut saturer le biogaz collecté à partir d'un digesteur anaérobie, représentant jusqu'à 12 pour cent du poids du gaz, bien que moins d'un pour cent du contenu. Cette vapeur pourrait se condenser lors du passage dans les pipelines, les corrodant ainsi. Il est donc important d'éliminer l'H₂O avant le transport. La vapeur ne se condensera en H₂O liquide qu'au point de rosée. Il est possible d'y parvenir par plusieurs moyens. D'une part, le gaz peut être refroidi à la température correspondant au point de rosée. Ceci est souvent réalisé en enfouissant la conduite de gaz sous le sol et en installant un siphon pour l'eau condensée. Un autre scénario implique l'utilisation de gel de silice dans le système de valorisation du biogaz pour piéger la vapeur et permettre au biogaz de passer à un raffinage ultérieur.
Juste un peu de sulfure d'hydrogène (H₂S) peut causer beaucoup de problèmes. En plus de menacer la santé respiratoire des humains, des animaux et des plantes, ce composé — parfois appelé gaz d'égout — est connu pour infliger une corrosion débilitante aux réservoirs de stockage et aux pipelines. Bien que sa présence soit à peine perceptible dans la plupart des biogaz, il y en a néanmoins suffisamment pour poser de terribles conséquences s'il n'est pas éliminé. Une façon d'atténuer sa présence dans le biogaz est d'ajouter des composés de fer au digesteur anaérobie avant d'ajouter le substrat, c'est-à-dire la matière organique. Les composés soufrés sont ensuite laissés avec le digestat après l'extraction du biogaz. Souvent, cependant, une action anticipée ne suffit pas à elle seule. Le charbon actif peut réagir avec l'H₂S pour l'oxyder et lier les molécules à la surface du solide carboné. Une autre procédure d'élimination consiste à faire circuler le gaz à travers une solution d'hydroxyde de sodium ou à travers des solides traités avec de l'oxyde de fer.
Outre le méthane, le dioxyde de carbone est le composé le plus abondant dans le biogaz. Malheureusement, le CO₂ prive le biogaz de sa valeur énergétique et de son efficacité en tant que carburant. L'une des méthodes les plus courantes pour réduire la teneur en CO₂ consiste à injecter du biogaz sous pression absorbé dans un grand réservoir cylindrique rempli d'eau pendant 20 à 40 jours. Les contaminants sont ensuite décomposés et le gaz purifié est pompé. D'autres techniques incluent des membranes qui piègent le méthane mais permettent au dioxyde de carbone de s'écouler, ainsi que l'adsorption par des milieux chimiquement réactifs.
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