Production d'électricité et de chaleur par cogénération

1. Principe général

Après l'étape préliminaire d’épuration, le biogaz peut être envoyé dans une unité de cogénération. Cette dernière brûle le biogaz pour produire de l’électricité et de la chaleur. Cette valorisation se fait dans un conteneur spécialement dédié (voir figure ci dessous). Pour la cogénération, on peut utiliser soit des moteurs à gaz soit des turbines à gaz. Nous choisirons la première solution car les moteurs à gaz ont de meilleurs rendements électriques pour des biogaz riches en méthane comme c'est le cas ici (Couturier, 2009). Ils présentent également des coûts d'investissements plus faibles (Lejeune 2008).

Schéma de la station de valorisation du biogaz
(Lejeune, 2008)

L’unité de cogénération se compose d’un moteur à gaz, d’un alternateur et de circuits de récupération de la chaleur. Le gaz est brûlé dans le moteur puis l’énergie mécanique du moteur est transformée en électricité par l’alternateur. L’énergie thermique produite par le moteur sur les circuits d’échappement, d’eau de refroidissement et d’huile de lubrification sont récupérables pour une utilisation thermique ou industrielle (voir figure ci-dessous).

Circuits de récupération de la chaleur du moteur à gaz
(Haushalter, 2007)

 

2. Dimensionnement

Pour le dimensionnement de l'unité de valorisation du biogaz nous utilisons les données trouvées dans la partie "dimensionnement des procédés de digestion anaérobie" :

  • Calcul de l’énergie pouvant être produite par le biogaz en un an

Elle se calcule à partir du PCI du méthane. Il est de 9,94 kWh/m3 dans des conditions normales de température et de pression (Couturier, Berger, & Héraul, 2001).

$$E_{tot} = PCI_{CH4} \times V_{CH4} = 9,94 \times 437  058 = 4  344  357  kWh$$

  • Calcul de l’énergie valorisable produite en un an

On admet 5% de pertes d’énergie afin d’être sûr que le moteur soit plutôt sur-alimenté que sous-alimenté (solagro 2001). L’énergie valorisable par le moteur est donc la suivante :

$$E_{valo} = 0,95 \times E_{tot} = 0,95 \times 4  344  357 = 4  127  139  kWh$$

  • Calcul de l’énergie fournie par le biogaz en une heure et choix du moteur

$$E_{t=1h} = \frac{E_{valo}}{(365 \times 24)} = 471  kWh/h = 471  kW$$

Un moteur est conçu pour fonctionner entre 50% et 100% de sa charge nominale, avec un rendement optimal autour de 75%. On recherche donc un moteur d’une puissance d'environ 628 kW pour être proche de cet optimum (Lukaszczyk, 2013).

Le constructeur EneriaCat propose toute une gamme de moteur. Nous proposons de choisir le modèle MG-250 dont la puissance est de 657 kW. Nous aurons ainsi une charge de 72%. Le constructeur indique pour ce moteur un rendement thermique de 45.5 %, un rendement électrique de 38,5 % et un taux de pertes de 16 % (rendement total de la cogénération : 84 %). De cela découle la puissance électrique : 253 kWe et la puissance thermique : 299 kW (EneriaCat, 2015).

Moteur cogénération MG-250
(EneriaCat, 2015)

  • Calcul de la production annuelle

Nous pouvons donc calculer la production annuelle d’électricité et de chaleur.

$$E_{el} = E_{valo} \times 0,385 = 1 588 948  kWh_{el}$$

$$E_{th} = E_{valo} \times 0,455 = 1  877  848  kWh_{th}$$

En conclusion, pour valoriser le biogaz produit par le digesteur en cogénération, il faut installer un moteur dont les caractéristiques sont les suivantes :

Ce moteur sera installé dans un conteneur. Les conteneurs proposés par le groupe EneriaCat contiennent ainsi le moteur insonorisé, les tableaux de commandes, et les systèmes de refroidissement, de lubrification et de ventilation. On compte environ 15 m² de prise au sol.

  • Calcul de la consommation d’énergie par l’unité de méthanisation

On doit maintenant retirer la consommation pour le chauffage du digesteur et l’autoconsommation de l’unité de méthanisation en électricité. Pour trouver l'électricité qui pourra être vendue et la chaleur qui pourra être utilisée.

La consommation d'électricité pour le brassage du digesteur (environ 100 000 kWhel) et la quantité de chaleur pour le chauffage du digesteur sont données par la partie "dimensionnement des procédés de digestion anaérobie". La quantité de chaleur requise par le digesteur a été estimée dans la partie dimensionnement de la digestion anaérobie à 29,75 kW.

En prenant aussi en compte la consommation électrique de la cogénération, on estime que l'auto-consommation électrique représente 10% de l'énergie produite.

$$E_{el}(vente) = E_{el} \times 0,9 = 1 430 054  kWel$$

$$E_{th}(valorisation) = E_{th} - 274 188 = 1 617 238  kWth$$

Il sur un an nous avons donc 1 430 000 kWel et 1 617 000 kWth à valoriser.

 

3. Valorisation thermique

Il existe diverses utilisations possibles de la chaleur produite par la cogénération (Lejeune, 2008) :

  • 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.

Dans notre cas, ni le compost ni la STEP n’ont besoin de chaleur. De plus, la mise en place d’un système de chaleur urbain n’est pas envisageable car la température moyenne à la Réunion et de 25°C avec peu de variation entre l’été et l’hiver. Il n’est donc pas nécessaire de chauffer les maisons.

Nous pouvons envisager deux possibilités de valoriser notre chaleur : la mise en place d’une installation ORC ou la vente à des industriels. Par exemple, l’usine sucrière qui se trouve à côté de la STEP pourrait être intéressée pour nous acheter la chaleur. Ils pourraient alors s’en servir dans leur procédé et économiser de l’énergie qu’ils produisent par ailleurs par la combustion des bagasses. La chaudronnerie Protem, située près de la station d’épuration pourrait aussi être intéressée par notre chaleur.

Le cycle ORC avec une micro turbine est également envisageable et c’est l'hypothèse que nous allons développer. Le principe de la turbine fonctionnant sur le cycle Rankine Organique est de convertir de la chaleur en électricité. Cela se fait grâce à un fluide organique qui a un poids moléculaire important. La chaleur fournie par le cogénérateur chauffe le fluide, cela produit de la vapeur sous pression qui fait tourner une turbine et produit de l’électricité.

La société Enogia a développé récemment une micro-turbine particulièrement adaptée aux petites unités de méthanisation. Ce système permet de récupérer la chaleur pour la transformer en électricité, à partir de 50 kWth. Dans notre cas, nous désirons valoriser 185 kWth, la micro-turbine est donc adaptée à notre situation. La mise en place de ce type de de turbine permet de transformer 5% à 10% de la chaleur en électricité.

Puissance thermique disponible :

$$1 617 238  kWhth/an = 185  kWth$$

Puissance électrique de la turbine :

$$0,07\times185 = 12,9  kWe$$

Electricité produite en 1 an :

$$0,07\times 1 617 238 = 113 207  kWhel$$

Cette production se rajoute à la production de la cogénération. On obtient ainsi une production d’électricité de 1 543 260 kWhél.

 

4. Analyse environnementale

Nous désirons maintenant donner quelques informations sur les impacts environnementaux de notre projet. En utilisant les données fournies par (Couturier C., 2009), nous évaluerons l’énergie et les émissions économisées par la cogénération du biogaz par rapport à la production d’électricité et de chaleur en utilisant du gaz naturel.

  • Énergie économisée

Pour calculer l’énergie finale économisée, on considère que pour produire notre électricité avec des ressources fossiles, on aurait utilisé une chaudière ayant 50% de rendement. A cela, on ajoute 10% d’énergie consommée en plus pour l’extraction, le traitement et le transport du gaz naturel. Ce résultat sera discuté lors de la comparaison avec la valorisation du biométhane.

  • Émissions évités

On considère que la production d’un GJ d’électricité à partir de gaz naturel émet 57 kg de CO2. Avec la cogénération du biogaz, on évite l’émission de 316 677 kg CO2.

Grâce à ce projet qui permet une économie d’émission de CO2, nous contribuons à l’objectif de l’Agence Régionale de l’Energie de la Réunion qui est d’arriver à 0% d’émission de CO2 en 2025. Avec l’économie de ressources fossiles ce projet contribue aussi aux objectifs d’indépendance énergétique de l’île.

 

Bibliographie

ATEE/Club Biogaz. 2015, Tarifs 2011 et contrat d'achat d'électricité issue de biogaz .
Récupéré sur ATEE/Club Biogaz: http://atee.fr/biogaz/tarifs-2011-et-contrat-dachat-d%C3%A9lectricit%C3%A9-issue-de-biogaz

Couturier, C., Berger, S., & Héraul, I., 2001, La digestion anaérobie des boues urbaines. Toulouse: Solagro.

Couturier, C.,2009, Techniques de production d'électricité à partir de biogaz et de gaz de synthèse. Record/Solagro.

 

Chopy, X., & Bachmann, N. 2012, La digestion des boues d’épuration : situation et potentiel d’optimisation. Lausanne: EREP SA.

EneriaCat. 2015, Gamme BIOGAZ-MG.
Récupéré sur EneriaCat: http://www.eneria.fr/wp-content/uploads/2012/09/Gamme-GE-Biogaz-MG_FR_STdC.pdf

Haushalter, J. 2007, Dimensionnement d'une cogénération biomasse. Mulhouse: Wartsilä

Ingremeau, C. 2014, Accopagnement et aides financière aux projets de méthanisation sur le territoire français. ATEE/Club Biogaz

Lejeune, C. 2008, Valorisation électrique et thermique du biogaz de méthanisation. Paris: Formation EFE – Biomasse pour les usages énergétiques

Lukaszczyk, M. 2013, Déterminer la charge d’un moteur électrique est primordial pour l’efficacité énergétique.
Récupéré sur PEI-France: https://www.pei-france.com/article/determiner-la-charge-dun-moteur-electrique-est-primordial-pour-lefficacite-energetique

Molettat, R. 2008, Méthanisation de la biomasse - Méthanisation de la matière organique.

Vienna University of Technology. 2012, Du biogaz au biométhane, revue technique