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RECORD 07-0226/1A Techniques de production d’électricité à partir de biogaz et

RECORD 07-0226/1A Techniques de production d’électricité à partir de biogaz et de gaz de synthèse janvier 2009 RECORD Etude RECORD n°07-0226/1A 2 Créée en 1989 à l’initiative du Ministère en charge de l’Environnement, l’association RECORD – REseau COopératif de Recherche sur les Déchets – est le fruit d’une triple coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L’objectif principal de RECORD est le financement et la réalisation d’études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions industrielles. Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des programmes d’études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés. 9 En Bibliographie, ce document sera cité sous la référence : RECORD, Techniques de production d'électricité à partir de biogaz et de gaz de synthèse, 2009, 253 p, n°07-0226/1A. 9 Ces travaux ont reçu le soutien de l’ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) www.ademe.fr www.record-net.org ETUDE N° 07-0226/1A TECHNIQUES DE PRODUCTION D'ELECTRICITE A PARTIR DE BIOGAZ ET DE GAZ DE SYNTHESE RAPPORT FINAL janvier 2009 Ch. COUTURIER – SOLAGRO Etude RECORD n°07-0226/1A – p. 3 / 253 RESUME L’objet de cette étude est de réaliser un état de l’art sur les techniques de production d’électricité (principalement moteurs et turbines) à partir de gaz de biomasse (biogaz et gaz de synthèse). Après une description succincte des différentes voies de production de gaz de biomasse, méthanisation et gazéification, l’étude présente la composition de ces gaz, leurs constituants, les facteurs caractérisant la combustion, pour terminer sur les émissions atmosphériques. On trouve ensuite les principes généraux et les paramètres de fonctionnement et de réglage des principales techniques de production d’électricité et leurs différentes associations possibles. Ce chapitre est conclu par une synthèse comparative sur les champs d’application et le stade de maturité de chaque technique. Le second chapitre fait la revue des différents procédés de traitement du biogaz et gaz de synthèse. On y trouve le principe de fonctionnement, des retours d’expériences, des éléments de coûts et le stade de développement. Le troisième chapitre est une évaluation économique, énergétique et environnemental des techniques de production d’électricité. Le quatrième chapitre est un guide technique. Il recueille les pratiques sur les sites d’exploitation, en terme de traitement, de conduites des machines. Il fait également la synthèse des difficultés rencontrées. L’étude des paramètres de dimensionnement d’une installation de valorisation de biogaz donne des éléments d’analyse économique et environnementale. Ce guide donne ainsi des informations pour aider les acteurs de ce domaine dans leurs décisions. Enfin, l’étude se termimne par une synthèse donnant les points bloquants des technologies et des axes de recherche, suivie d’une conclusion. Le dernier chapitre liste les ressources documentaires : bibliographie et résumé des brevets des 10 dernières années. En annexe, on trouve un annuaire des acteurs, tels que des constructeurs et des intégrateurs. MOTS CLES Biogaz, gaz de synthèse, gaz de biomasse, moteurs, turbines, production d’électricité. SUMMARY The aim of this study is to achieve a state of the art on the techniques of electricity production (mainly engines and turbines) from biomass gases (biogas and syngas). After a brief description of the various routes to produce gas from biomass, i.e. anaerobic digestion and gasification, the study shows the composition of these gases, their constituents, the factors characterizing combustion, to finish on air emissions. Then, there is a description of the general principles and parameters of operation and adjustment of the main electricity production techniques: and their various possible associations. This chapter is concluded by a comparative synthesis on the scopes and maturity of each technique. The second chapter is a review of different processes to remove contaminants of biogas and syngas. It gives operating principle, feedback, costs ans development. The third chapter is an economical, énergy and environmental analysis of the techniques of electricity production. The fourth chapter is a technical guide, with some praticals to operate a plant about treatment, functioning of machines. This is also a synthesis of difficulties. An economic and environmental analyse of biogas plants permits to compare differents choises. This guide gives information to actors in this field to make decisions. The study is finished by a synthesis with key points and research fields, followed by a conclusion. The last chapter lists resource materials: bibliography and patents of the last 10 years. Approvided in appendix, there is an annuaire about actors like equipment manufacturers or contractors operating. KEY WORDS Biogas, syngaz, biomasse gases, engines, turbines, electricity production. Etude RECORD n°07-0226/1A – p. 4 / 253 SOMMAIRE 1. REVUE DETAILLEE DES TECHNIQUES DE PRODUCTION DE GAZ DE BIOMASSE..............................................................................14 1.1 Historique 14 1.2 Description des principales technologies de production de gaz de biomasse 17 1.3 Les caractéristiques des gaz bruts de biomasse 25 1.4 Le raccordement au réseau électrique 44 1.5 Les grands principes thermodynamiques 46 1.6 Les moteurs à combustion interne 47 1.7 Les turbines à gaz 54 1.8 Les cycles de Rankine 60 1.9 Cycle stirling 65 1.10 Cycles couplés 66 1.11 Pile à combustible (PAC) 68 1.12 Chiffres clés : état actuel du développement 72 2. LES PROCEDES DE TRAITEMENT DU BIOGAZ ET GAZ DE SYNTHESE............................................................................................76 2.1 Synthèse 76 2.2 Revue détaillée des différentes techniques de traitement du biogaz 80 2.3 Techniques de traitement des goudrons issus de la gazéification : Le procédé OLGA 96 3. ÉTUDE ECONOMIQUE, ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE.........................................................................99 3.1 Méthodologie 99 3.2 Exemple de bilan 106 3.3 Étude de l’influence de la puissance installée 111 3.4 Étude de l’influence du rendement de la machine 114 3.5 Étude de l’influence de la disponibilité du biogaz et des machines 115 3.6 Comparaison avec et sans traitement du biogaz amont 116 3.7 Étude de l’influence de la valorisation thermique 118 3.8 Comparaison entre moteurs et microturbines 119 3.9 Comparaison entre un moteur à gaz et un moteur dual fuel 121 3.10 Seuil de rentabilité 123 3.11 Conclusions 124 4. GUIDE TECHNIQUE......................................................................125 4.1 Quelques généralités sur les machines 125 4.2 Spécifications à appliquer aux gaz et aux machines 128 Etude RECORD n°07-0226/1A – p. 5 / 253 4.3 Les procédés de traitements préalables 129 4.4 Conduite des machines 131 4.5 Aide à la décision 134 5. SYNTHESE : POINTS BLOQUANTS ET AXES DE RECHERCHES138 5.1 Points bloquants 138 5.2 Axes de recherches 138 6. CONCLUSION ...............................................................................140 7. BIBLIOGRAPHIE...........................................................................141 7.1 Tableau de synthèse hors brevet 141 7.2 Fiches de lecture bibliographique 144 7.3 Inventaire des brevets dans le domaine 182 8. TABLE DES ILLUSTRATIONS .....................................................198 8.1 Table des figures 198 8.2 Table des tableaux 200 9. ANNEXES......................................................................................201 9.1 Annuaires des acteurs : fiches acteurs 201 9.2 Retour des enquêtes 248 Etude RECORD n°07-0226/1A – p. 6 / 253 TABLE DES MATIERES 1. REVUE DETAILLEE DES TECHNIQUES DE PRODUCTION DE GAZ DE BIOMASSE..............................................................................14 1.1 Historique 14 1.1.1 La gazéification 14 1.1.2 La méthanisation 14 a ) Principales dates clés 14 b ) La méthanisation domestiquée : le biogaz et ses applications 15 1.2 Description des principales technologies de production de gaz de biomasse 17 1.2.1 Méthanisation 17 a ) Principe 17 b ) Les facteurs théoriques influençant la digestion 17 c ) Stations d’épuration urbaines 18 d ) Méthanisation des effluents industriels 18 e ) Méthanisation des biodéchets municipaux 18 f ) Méthanisation d’effluents d’élevage 19 g ) Co-digestion 19 h ) Installation de stockage de déchets (ISD) : méthanisation en décharge 19 1.2.2 La gazéification 19 a ) Principe 19 b ) Les principaux facteurs de bonne conduite 21 c ) Les applications de gazéification 21 d ) Gazéification et production d’électricité 22 e ) Les projets existants en gazéification 23 f ) Retour d’expérience de l’installation de gazéification de Moissannes 23 1.3 Les caractéristiques des gaz bruts de biomasse 25 1.3.1 Composition moyenne 25 a ) Le biogaz 25 b ) Le gaz issu de la gazéification 27 1.3.2 Les facteurs déterminant de la combustion et les caractéristiques du combustible 28 a ) Caractérisation d’un combustible 28 b ) Pouvoir calorifique 28 c ) Pouvoir comburivore 28 d ) Indice de Wobbe 28 e ) Indice méthane 28 f ) Limite d’auto-ignition ou auto-inflammabilité ou TC (température critique) 29 g ) Volatilité 29 h ) Coefficient de richesse Phi ou dosage de la combustion 29 i ) Vitesse de propagation de flamme 29 1.3.3 Les principaux composés et leurs problématiques pour la valorisation 30 a ) Les caractéristiques des principaux composés 30 b ) Le méthane : CH4 30 c ) L’oxygène : O2 30 d ) Le dioxyde de carbone : CO2 30 Etude RECORD n°07-0226/1A – p. 7 / 253 e ) L’hydrogène : H2 30 f ) Le monoxyde de carbone : CO 31 g ) Les composés azotés 31 h ) Le méthanol 31 i ) L’eau : H2O 31 j ) Les composés soufrés 31 k ) Les hydrocarbures condensables 32 l ) Les composés organiques volatiles (COV) 32 m ) Le silicium et ses composés : les siloxanes 32 n ) Synthèse 36 1.3.4 Emissions atmosphériques 37 a ) Les oxydes d’azote 37 b ) Le uploads/Industriel/ techniques-de-production-d-x27-electricite-a-partir-de-biogaz-et-de-gaz-de-synthese.pdf