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La produzione di biometano rappresenta un’importante soluzione per l’economia circolare e la transizione energetica, incluso il discusso processo di decarbonizzazione. Per produrlo, il biogas generato dalle biomasse organiche deve subire un processo di purificazione dai contaminati in esso contenuto, altresì conosciuto col nome di upgrading. Esistono diverse tecnologie impiegate nella produzione di biometano, ognuna con caratteristiche specifiche e un determinato impatto sull’ambiente.

Le principali tipologie di impianti di purificazione e upgrading sono riconducibili all’adsorbimento a pressione oscillante (PSA), al lavaggio ad acqua sotto pressione (Pressure Water Scrubbing), al lavaggio chimico (MEA, DMEA), al lavaggio fisico con solventi organici ed ai diffusi metodi di separazione tramite membrane.

PSA

Il PSA si basa sul principio dell’adsorbimento selettivo dei gas, sfruttando la capacità di determinati materiali adsorbenti, come il carbonio attivo o le zeoliti, di trattenere specifici componenti presenti nel biogas. Durante il processo di PSA, il biogas viene fatto passare attraverso uno o più letti di adsorbente. Mentre alcune impurità, come l’acqua e l’anidride carbonica, vengono trattenute dall’adsorbente, il metano puro viene lasciato passare e raccolto come biometano.

MEA, DMEA

Le tecniche MEA (Monoetanolammina) e DMEA (Dimetiletanolammina) sono utilizzate nella produzione di biometano per rimuovere l’anidride carbonica (CO2) presente nel biogas. Queste tecniche, note come processi di assorbimento chimico, possono adattarsi a diverse condizioni operative, garantendo una purificazione efficace anche in presenza di fluttuazioni nel contenuto di CO2 nel biogas di alimentazione. Tuttavia, è importante considerare alcuni aspetti critici legati al loro utilizzo, come la corrosività e la tossicità degli assorbitori chimici usati. Sono infatti necessarie precauzioni appropriate per garantire la sicurezza degli operatori e la protezione dell’ambiente durante la gestione di tali sostanze chimiche.

Lavaggio fisico con solventi organici

Secondo questa tecnica, il biogas viene fatto passare attraverso una colonna di solvente organico selezionato, come l’etanolo o il metanolo. Durante il processo, il solvente assorbe selettivamente le impurità come la CO2 e l’acqua presenti nel biogas. Il risultato è un biometano purificato, con un contenuto di CO2 e umidità inferiore ai requisiti richiesti. Un vantaggio del lavaggio fisico con solventi organici è la possibilità di regolare il processo in base alle condizioni specifiche. È possibile controllare la temperatura, la pressione e la composizione del solvente, nonché di riutilizzare il solvente organico adoperato per ottimizzare l’efficienza  e i costi operativi del processo.

PWS

Una delle tecniche più efficaci ed efficienti, non solo a livello di costi ma anche di impatto ambientale, è il lavaggio ad acqua sotto pressione (Pressure water scrubbing). Durante questo processo, il biogas viene fatto passare attraverso una colonna d’acqua (colonna di lavaggio), dove il liquido assorbe impurità quali NH3, H2S, CO2 e CH4. Il risultato è un biometano con un contenuto di metano superiore al 98%.

L’importanza del lavaggio ad acqua sotto pressione nel processo di upgrading del biogas è fondamentale per la rimozione di quegli elementi che potrebbero danneggiare gli impianti e i motori che utilizzano il biometano. 

Il lavaggio ad acqua sotto pressione offre numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche di upgrading del biogas: un processo semplice, che non comporta eccessive manutenzioni e  con un’efficienza di rimozione delle impurità superiore al 99%. L’acqua utilizzata nel processo può essere poi facilmente rigenerata e riutilizzata, rendendo il lavaggio ad acqua sotto pressione una soluzione sostenibile.

CMA sostiene e promuove il PWS come principale tecnica di upgrading del biogas, efficiente ed efficace per ottenere un biometano di qualità elevata a costi ridotti e riducendo l’impatto sull’ambiente.

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Le processus de purification du biogaz ne se limite pas à séparer le méthane du dioxyde de carbone, mais comprend une série de procédés visant à éliminer les impuretés et les produits indésirables tels que le sulfure d’hydrogène (H₂S) et les composés organiques volatils (COV) tels que les siloxanes et les terpènes, ces derniers étant principalement présents dans le gaz de fermentation.

Dans le cadre de lavalorisation – le processus qui permet d’obtenir du biométhane à partir du biogaz – l’un des principaux acteurs pour les adeptes de la technologie membranaire est sans aucun doute le charbon actif. Pour devenir tel, le charbon de bois d’origine végétale ou minérale subit un processus d’activation – réalisé dans des fours spéciaux avec de la vapeur à haute température – qui provoque la formation de minuscules passages à l’intérieur des granules de charbon de bois (micropores) et dont la présence détermine leur activité.

En vertu de son pouvoir adsorbant élevé, le charbon actif est capable de retenir certains types de molécules dans sa porosité. Il est utilisé dans le processus d’épuration du biogaz pour éliminer les contaminants et traiter les odeurs.

Le charbon actif peut également être utilisé imprégné d’autres produits chimiques améliorant les performances, ou non imprégné (en particulier pour l’élimination des terpènes) ; l’important est de choisir le type de charbon actif en fonction de la concentration et de la nature de chaque polluant présent dans le biogaz.

Le charbon actif dans le processus de valorisation : pourquoi l’éviter ?

Bien que la filtration sur charbon actif puisse sembler nécessaire dans le cadre du processus de valorisation pour obtenir du biométhane, ce n’est pas toujours la méthode la plus appropriée ni la plus rentable.

Dans le cas de concentrations élevées de H₂S ou de COV, l’action filtrante du charbon actif ne sera pas suffisante pour éliminer les contaminants et devra être combinée à d’autres technologies telles que le lavage.

Le coût de l’entretien qui doit être effectué régulièrement sur les filtres (nettoyage, remplacement, etc.) est alors assez élevé. Par conséquent, en vue de réduire les coûts et d’optimiser les processus en les rendant plus légers et plus durables, l’élimination de la phase de prétraitement à l’aide de charbon actif devient une nécessité.

Ce n’est pas seulement l’entreprise, mais aussi l’environnement qui bénéficieront de l’exclusion du charbon actif du processus de valorisation. C’est pourquoi CMA a choisi de ne pas utiliser de charbon actif en prétraitement, offrant à ses clients une technologie qui préserve l’environnement et réduit les coûts d’entretien : le PWS.

Vous souhaitez en savoir plus sur le processus de mise à niveau mis en œuvre par la CMA ? Voir notre article dédié.

Le processus de valorisation – axé sur la purification du biogaz pour le transformer en biométhane– peut exploiter différentes technologies pour atteindre cet objectif. Un aperçu de ces derniers a été donné dans l’un de nos articles précédents, décrivant rapidement leurs avantages et leurs inconvénients.

La technologie la plus populaire, également utilisée par CMA en raison de ses nombreux avantages par rapport aux autres techniques de valorisation du biogaz, est appelée lavage à l’eau sous pression (Pressure Water Scrubbing – PWS).

Examinons ses principes de base, ses composants et ses caractéristiques.

Nettoyage à l’eau sous pression

Le lavage à l’eau sous pression est une méthode qui exploite la plus grande solubilité du CO2 par rapport au CH4, en particulier à basse température. Ce principe est à la base des installations PWS, qui sont similaires aux installations de lavage chimique et physique avec des solvants organiques, mais qui utilisent un matériau différent pour absorber le CO2.

Dans le cas des installations PWS, le gaz non purifié passe par une colonne de traitement remplie de corps de remplissage en PVC dont la fonction est d’augmenter la surface de contact entre le gaz et le liquide. Dans cette colonne, le gaz entre en contact avec un courant d’eau qui s’écoule dans la direction opposée. Le liquide sortant de la colonne sera donc riche en CO2, tandis que le gaz sortant sera principalement constitué de CH4.

Cette configuration permet de séparer efficacement le CO2 du gaz brut, garantissant ainsi un gaz purifié de haute qualité.

Colonnes de lavage

Le cœur du système de lavage à l’eau est une colonne verticale appelée« laveur » ou« colonne de lavage« , spécialement dimensionnée pour assurer le temps de contact nécessaire entre le gaz et l’eau de lavage. Cette colonne est traversée par un courant d’eau froide injecté par le haut et un courant de biogaz sous pression par le bas.

En raison de la loi de Henry mentionnée dans un article précédent, les composants tels que NH3, H2S, CO2 et CH4 se dissolvent dans l’eau au fur et à mesure que le gaz monte dans la colonne, de sorte qu’il n’est pas nécessaire de prétraiter le biogaz.

L’eau évacuée de la colonne de lavage est envoyée dans le réservoir de flash , où une partie du CH4 dissous dans l’eau de lavage est encore récupérée. Le CH4 obtenu à la fin du processus est séché et ses caractéristiques sont contrôlées afin de respecter les valeurs requises par le code de réseau SNAM.

Depuis le réservoir de flash, l’eau passe ensuite dans la colonne dite de régénération. Ici, le flux d’eau est traversé par un flux d’air généré par une soufflerie dont la tâche est de refroidir l’eau pompée par le bas et réinjectée par le haut dans la colonne de lavage via une pompe verticale.

Les avantages du lavage à l’eau

Le faible nombre de composants requis, qui sont faciles à entretenir et dont le fonctionnement exclut la phase de prétraitement du biogaz, fait de la technologie PWS un processus simple, durable et efficace. Contrairement à d’autres technologies d’amélioration, le lavage à l’eau sous pression nécessite des systèmes de contrôle moins complexes. Il en résulte des coûts d’exploitation plus faibles et une moindre dépendance à l’égard de la maintenance et du remplacement des composants sensibles. Enfin, le lavage à l’eau sous pression est également une méthode respectueuse de l’environnement pour l’épuration du biogaz. Le rinçage de l’eau permet de traiter jusqu’à 500 ppm de H2S en régime permanent et jusqu’à 1 000 ppm en période de pointe, jusqu’à 500 ppm de NH3 et jusqu’à 50 mg/NM3 de COV, sans nécessiter l’utilisation de produits chimiques ou de réactifs coûteux.

Cela permet non seulement de réduire les coûts, mais aussi l’impact environnemental global du processus.

Par rapport aux autres technologies présentes sur le marché, la principale différence du système proposé par CMA Srl réside dans la simplicité de sa gestion et dans sa durabilité (en s’appuyant exclusivement sur l’utilisation de l’eau en circuit fermé, sans introduire d’agents chimiques particuliers). Ce système convient aux installations les plus courantes, produisant entre un et trois mégawatts, et s’adresse principalement au secteur de l’agriculture et de l’élevage. Cependant, il peut également être exploité pour la production de biométhane à partir de déchets solides municipaux (FORSU).

En conclusion, la solution proposée par CMA peut rendre la production de biométhane simple et durable, en réduisant les coûts d’exploitation et de gestion et en permettant son utilisation dans diverses situations.

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Grâce au processus de valorisation décrit dans l’un de nos articles précédents, le méthane contenu dans le biogaz est séparé des autres gaz du mélange. Le biométhane obtenu peut ainsi être utilisé, commercialisé et transporté – sous forme gazeuse ou liquide – pour alimenter les véhicules à moteur comme alternative au gaz naturel d’origine fossile. Voyons en détail en quoi ces deux composés diffèrent et quels sont les avantages de leur production et de leur utilisation.

Les différences entre le biogaz et le biométhane

Le biogaz est un mélange de gaz (principalement du méthane, du dioxyde de carbone et de l’azote) produit par la digestion anaérobie de la biomasse (déchets de transformation agro-forestière et agro-industrielle, lisier de bétail, déchets organiques municipaux) par des bactéries appelées méthanigènes. Les niveaux de méthane dans le biogaz varient de 45% à 75% en volume, une variation qui affecte le contenu énergétique du biogaz lui-même. Dans des réservoirs circulaires spécialement couverts, le biogaz devient une source d’énergie utile pour la production d’électricité et de chaleur.

Le biométhane, quant à lui, est le produit du raffinage et de l’épuration du biogaz par valorisation. Avec une teneur en méthane de plus de 98 %, le biogaz peut remplacer totalement le gaz fossile et servir de carburant pour les transports et le gaz domestique.

En tant que sources renouvelables, le biogaz et le biométhane représentent un avantage important pour l’environnement, dont la production et l’utilisation ultérieure permettraient de réduire les émissions de GES (gaz à effet de serre) et de préserver les ressources énergétiques non renouvelables.

Incitations pour les producteurs de biométhane

Le décret sur le biométhane, publié le 15 septembre 2022 et disponible sur le site du GSE, n’est qu’un des moyens d’encourager la production d’énergie renouvelable. L’objectif de ce décret est de soutenir la production de biométhane injecté dans le réseau de gaz naturel et produit à la fois par des installations nouvellement construites (alimentées par des matrices agricoles et des déchets organiques) et par des installations de production d’électricité à partir de biogaz agricole faisant l’objet d’une conversion (totale ou partielle). Les installations de traitement des déchets agricoles et organiques qui respectent les règles d’application du décret peuvent participer à la procédure de mise en concurrence et bénéficier d’une aide en capital et d’une incitation au compte énergétique (tarif de rachat appliqué à la production nette de biométhane).

Biogaz et biométhane : les avantages

Le biogaz et le biométhane font légitimement partie des sources d’énergie renouvelables programmables, c’est-à-dire celles dont la disponibilité à des fins de production reste constante dans le temps.

Les deux composés sont flexibles et peuvent être utilisés à la fois pour la production d’électricité et de chaleur et comme carburant dans le secteur des transports.

Enfin, la production et l’utilisation de biogaz et de biométhane constituent un exemple vertueux d’économie circulaire, dans lequel les déchets (agricoles et d’élevage) sont transformés en ressource, ce qui améliore la durabilité environnementale, réduit les coûts de décarbonisation et soutient la revitalisation du secteur agricole.