FR3044324A1 - Procede de regulation de la temperature d'un digesteur anaerobie, et installation de methanisation associee - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de régulation de la température d'un digesteur anaérobie d'une installation de méthanisation, cette dernière comprenant une chaudière dotée de moyens de chauffage du digesteur à partir du biogaz issu du digesteur, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination d'une valeur cible de la température de digestion, au moyen d'une étape de sélection d'au moins trois valeurs de température du digesteur dans un intervalle défini par une valeur seuil minimale et une valeur seuil maximale, et, pour chacune des valeurs de température sélectionnées, une étape de calcul du volume estimé de biogaz valorisable par soustraction du volume estimé de biogaz consommé au volume estimé de biogaz produit, la valeur cible de la température de digestion correspondant au plus grand des volumes de biogaz valorisable théorique. L'invention a également pour objet une installation de méthanisation pour la mise en oeuvre du procédé.

Description

PROCEDE DE REGULATION DE LA TEMPERATURE D’UN DIGESTEUR

ANAEROBIE, ET INSTALLATION DE METHANISATION ASSOCIEE

La présente invention se rapporte au domaine du traitement des substrats organiques et concerne en particulier un procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie de substrats organiques d’une installation de méthanisation, ainsi que l’installation de méthanisation pour la mise en œuvre du procédé.

De manière classique, les digesteurs anaérobies de substrats organiques dans une installation de méthanisation fonctionnent généralement à une température voisine de 37°C, cette dernière étant reconnue comme optimale pour l’activité des microorganismes méthanogènes mésophiles. Même s’il existe également un optimum à 55°C pour l’activité des microorganismes méthanogènes thermophiles, ainsi qu’un optimum à 15°C pour l’activité des micro-organismes méthanogènes psychrophiles, l’optimum mésophile est habituellement préféré car il permet une bonne stabilité de la digestion tout en assurant les performances généralement escomptées (40 à 50% de réduction des MV).

Il est par ailleurs connu qu’en Europe, les besoins énergétiques d’un digesteur mésophile de station d’épuration fonctionnant à sa charge optimale (1,5 à 2 kg MV/m3/j) représentent 30% de l’énergie générée à partir du biogaz qu’il produit.

Cependant, les digesteurs de stations d’épurations sont souvent sur-dimensionnés afin d’anticiper de nouveaux raccordements au réseau ou des extensions impliquant l’augmentation de la capacité de traitement de la filière « eau ». Us peuvent donc fonctionner pendant plusieurs années à une charge très inférieure à la charge optimale pour laquelle ils ont été conçus, soit entre 50 et 80% de cette charge.

Ceci implique des temps de séjour de la boue dans les digesteurs bien supérieurs aux 20 jours de dimensionnement. Or, la boue de station d’épuration, qu’elle soit primaire ou bien biologique, produit généralement 80% du biogaz potentiel en moins de 20 jours. Cela signifie que le temps de séjour supplémentaire de la boue dans le digesteur ne permet pas de produire suffisamment de biogaz pour compenser l’apport énergétique nécessaire à maintenir l’intérieur du digesteur à 37°C. La quantité de biogaz alors utilisée pour les besoins énergétiques du digesteur représente donc une plus grande proportion de l’énergie produite, ce qui diminue la quantité de biogaz valorisable, c’est- à-dire la quantité de biogaz destinée à alimenter d’autres boucles énergétiques que celle du digesteur, comme par exemple la production d’électricité, l’injection dans le réseau, etc ....

Il s’agit donc de proposer une solution pour exploiter des digesteurs anaérobie sous-chargés tout en optimisant leur bilan énergétique en temps réel.

La plupart des demandes de brevets relatifs aux digesteurs anaérobies portent majoritairement sur des procédés dédiés à la configuration des digesteurs et des systèmes d’alimentation ou de prétraitement des substrats. On y retrouve classiquement une boucle de régulation pour maintenir la température du digesteur constante. On trouve cependant certains documents mentionnant d’autres types de régulation.

Ainsi, le document WO 2010/019590 A2 propose de réguler l’alimentation du digesteur avec des substrats riches en carbone et/ou en azote pour contrôler le ratio C/N au sein du digesteur.

Le document US 2013/0309740 propose de contrôler les flux d’alimentation et de recirculation dans son procédé de digestion en deux phases en fonction des conditions opérationnelles des digesteurs. Ce procédé est destiné à travailler dans n’importe quelle gamme de température (psychrophile, mésophile ou thermophile, soit de 13°C à 70°C), mais une fois la température fixée, elle est maintenue constante tout au long de l’exploitation.

Le document US 2013/009546 Al propose de contrôler le pH dans les digesteurs.

Le document WO 2005/012191 A2 propose un système de régulation intégrant plusieurs digesteurs au sein d’un système de gestion avancé dont le but est d’améliorer le traitement de l’eau.

Le document EP 2559750 Al propose d’adapter la stratégie d’alimentation du digesteur en fonction de la nature du/des substrat/s disponibles. Cette stratégie est définie par un système expert tenant compte à la fois de paramètres classiques pour maintenir l’équilibre biologique, mais aussi du bilan en masse réalisé sur le digesteur au moyen d’un modèle dynamique, à partir des données sur les flux d’alimentation des semaines précédentes et des résultats de tests réalisés sur chaque substrat séparément. La finalité de cette stratégie est de pouvoir maximiser la production de biogaz tout en garantissant la stabilité biologique du digesteur et du post-fermenteur.

De manière générale, l’état de l’art actuel préconise de maintenir tous les paramètres opérationnels (température, temps de séjour, charge, concentration) les plus constants possible pour ne pas perturber la flore microbienne et ainsi éviter toute dérive des performances. Les études visant à observer les effets de la température sur les performances et l’acclimatation de la biomasse ne dérogent pas à cette règle, car une fois la nouvelle température fixée, elle est toujours maintenue constante dans le temps.

De plus, ces études d’optimisation ont pour finalité de maximiser la quantité de biogaz produite, sans tenir compte systématiquement du bilan énergétique du procédé dans son ensemble.

Allant à l’encontre des préjugés, l’invention propose de se fonder sur un nouvel indicateur de performance, soit le volume de biogaz valorisable, au lieu du volume de biogaz produit. L’invention recherche en effet avant tout l’optimisation énergétique des digesteurs anaérobies et plus particulièrement la régulation de leur température en fonction de leur charge organique et de la nature du substrat, et ce en temps réel. De cette façon, le bilan énergétique obtenu en matière de valorisation du biogaz produit est nettement supérieur. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie de substrats organiques d’une installation de méthanisation, l’installation de méthanisation comprenant une chaudière dotée de moyens de chauffage du digesteur à partir du biogaz issu du digesteur, caractérisé en ce qu’il comprend au moins la détermination d’une valeur cible TCibie de la température de digestion, au moyen : d’une première étape de sélection d’au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i du digesteur dans un intervalle défini par une valeur seuil minimale Tmin et une valeur seuil maximale TmaX, d’une deuxième étape d’estimation théorique du volume BGZprodjhr de biogaz produit, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, cette étape s’effectuant à partir : • d’un premier ensemble de paramètres PSbtr relatifs à la nature du substrat entrant dans le digesteur, • d’un deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, • d’un troisième ensemble de paramètres Pdgst liés aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur, la valeur de la température correspondante, d’une troisième étape d’estimation théorique du volume BGZcons_thr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, cette étape s’effectuant à partir : • du deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, • d’un quatrième ensemble de paramètres PChdr associés à la chaudière, • de la valeur de la température correspondante, d’une quatrième étape de calcul du volume de biogaz valorisable théorique BGZyaiojhr par soustraction du volume BGZcons thr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur au volume BGZprod_thr de biogaz produit, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, d’une cinquième étape de sélection de la valeur de la température associée au volume de biogaz valorisable BGZvai0 thr le plus élevé, ladite sélection de cette valeur optimale définissant la valeur cible TCibie de la température de digestion, d’une sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible Τς*ΐβ de la température de digestion.

Outre les caractéristiques principales qui viennent d’être mentionnées dans le paragraphe précédent, le procédé/dispositif selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles.

Selon certaines caractéristiques, la première étape comprend la sélection de trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk correspondant à la température mesurée dans le digesteur et Tk-i et Tk+i, étant respectivement égales à Tk - ΔΤ et Tk + ΔΤ. Ce mode de réalisation a pour avantage de nécessiter un minimum de calculs en partant de la température initiale du digesteur et de limiter les variations de température à la valeur de ΔΤ à chaque mise en œuvre du système de régulation. Il convient en particulier à des digesteurs d’effluents industriels fonctionnant avec des temps de séjour de quelques heures.

Selon d’autres caractéristiques, la première étape comprend la sélection d’au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk-i correspondant à la température minimale Tmin et Tk et Tk+i, étant respectivement égales à Tk-i + ΔΤ et Tk + ΔΤ. Ce mode de réalisation a pour avantage de balayer la plage de température et donc de chercher l’optimum parmi toutes les températures possibles. Il convient en particulier à des digesteurs de station d’épuration qui ont un temps de séjour important (plus de 20 jours).

Selon d’autres caractéristiques, la première étape comprend la sélection de trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk+i correspondant à la température maximale Tmax et Tk et Tk-i, étant respectivement égales à Tk+i - ΔΤ et Tk - ΔΤ. Ce mode de réalisation a pour avantage de partir de la température maximale et donc de rester proche du fonctionnement mésophile. Il convient en particulier aux digesteurs qui fonctionnent quasiment à pleine charge (80 à 90%). Il permet un gain au niveau du bilan énergétique, en évitant de se placer dans des conditions qui risquent de déstabiliser la biologie.

Selon d’autres caractéristiques, la valeur seuil minimale T,ni,, de la température de digestion est déterminée en diminuant par paliers la température de digestion jusqu’à ce que la valeur du volume mesuré BGZpr0d mes de biogaz produit passe en dessous d’une valeur seuil prédéfinie BGZproci min. Grâce à cette première étape d’initialisation, on adapte la biologie doucement à des températures basses, et on apprend à connaître les limites de l’installation à ne pas franchir lorsque la régulation sera en place.

Selon d’autres caractéristiques, la valeur seuil TmaX est égale à la température cible d’un digesteur mésophile, par exemple 37°C, ou bien à la température cible d’un digesteur thermophile, par exemple 55°C. Cette première étape d’initialisation présente l’avantage d’éviter des calculs inutiles puisque la température de départ ne correspond pas à un bilan énergétique optimal, tout comme n’importe quelle température supérieure.

Selon d’autres caractéristiques, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur du temps de séjour tsej dans le digesteur est supérieure à une valeur seuil tsej min. Cette première étape d’initialisation présente l’avantage de ne pas baisser la température en cas de temps de séjour trop faible, ce qui pourrait nuire à la biologie et risquer de déstabiliser le digesteur.

Selon d’autres caractéristiques, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur cible TCibie de la température de digestion est supérieure à la valeur seuil minimale ΤΠΉη Cette première étape d’initialisation présente l’avantage de ne pas baisser exagérément la température, ce qui pourrait nuire à la biologie et risquer de déstabiliser le digesteur.

Selon d’autres caractéristiques, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur cible TCibie de la température de digestion est inférieure à la valeur seuil Tmax.

Selon d’autres caractéristiques, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si le volume de biogaz BGZvaiothr correspondant à la valeur cible TCibie est supérieur de plus de 5% au volume de biogaz mesuré BGZvaio_mes Cette première étape d’initialisation présente l’avantage de ne pas changer les conditions opératoires, et donc risquer de déstabiliser le digesteur, si le gain associé n’est pas assez important.

Selon d’autres caractéristiques, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible To de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur mesurée du volume BGZpr0ci mes de biogaz produit est supérieure à 75% de la valeur théorique estimée du volume BGZprod_thr de biogaz produit. Ceci permet de vérifier après mise en œuvre que le digesteur fonctionne bien au niveau attendu. Si ce n’est pas le cas, le risque est trop grand de déstabiliser le digesteur en changeant à nouveau les conditions.

Selon d’autres caractéristiques, le premier ensemble de paramètres PSbtr relatifs à la nature du substrat entrant dans le digesteur comprend la composition physicochimique du substrat, le potentiel méthanogène du substrat.

Selon d’autres caractéristiques, le deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur comprend les dimensions, la géométrie, les matériaux de construction, l’isolation.

Selon d’autres caractéristiques, le troisième ensemble de paramètres Pdgst liés aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur comprend le débit de substrat dans le digesteur, la température de digestion, la composition physico-chimique du digestat.

Selon d’autres caractéristiques, la deuxième étape d’estimation théorique du volume BGZconsjhr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur, s’effectue en outre à partir de la mesure de la température ambiante Tamb·

Selon d’autres caractéristiques, la variation de température prédéfinie ΔΤ est fixée à une valeur comprise entre 0,5 °C et 5 °C. L’invention a pour objet une installation de méthanisation comportant un digesteur anaérobie, une chaudière dotée de moyens de chauffage du digesteur à partir du biogaz issu du digesteur, caractérisé en ce qu’elle comprend au moins : une sonde de température en entrée du digesteur, de préférence dans le substrat, un capteur du débit du substrat en entrée du digesteur, un capteur du débit du biogaz en sortie du digesteur, une unité pour réguler les moyens de chauffage du digesteur selon un procédé conforme à l’invention, ladite unité étant connectée aux capteurs de débit, à la sonde de température en entrée du digesteur, et à un thermomètre pour la mesure de la température ambiante dans la station d’épuration. D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : -la FIGURE 1 est une représentation schématique d’une installation de méthanisation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, -les FIGURES 2, 3, 4 représentent des courbes de résultats comparatifs entre la gestion conventionnelle de la température d’un digesteur anaérobie et le procédé de régulation de la température selon l’invention. -la FIGURE 5 représente le principe de base du procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie selon l’invention.

Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.

On a représenté en figure 1 une installation de méthanisation comportant un digesteur anaérobie 10. Cette installation peut être par exemple la filière de traitement des boues d’une station d’épuration. La méthanisation (ou digestion anaérobie) est un processus naturel biologique de dégradation de la matière organique en absence d'oxygène. En milieu anaérobie, la matière organique dégradée est principalement transformée en biogaz (à plus de 90 %, le reste étant utilisé par les micro-organismes méthanogènes pour leur croissance et reproduction). La maîtrise de la méthanisation permet de produire du méthane à partir de déchets organiques (solides ou liquides), tout en produisant du gaz réutilisable comme énergie. Les digesteurs doivent être chauffés pour que le rendement soit acceptable. Ce sont des digesteurs mésophiles (travaillant à une température de l’ordre de 37°C) la plupart du temps mais il existe aussi des digesteurs thermophiles (travaillant à une température de l’ordre de 55°C). Les avantages sont multiples et notamment au niveau des bactéries pathogènes qui sont détruites et des émissions de gaz à effet de serre qui sont évitées. Un digesteur produit environ 50 à 70 % de méthane, 30 à 40 % de CO2, de la vapeur d'eau, et de l'hydrogène sulfuré (H2S). Le processus de digestion complet durant un certain temps, la matière effluente doit être remplacée lorsque les possibilités de fermentation sont épuisées.

Afin de maintenir la température du digesteur à la température idoine, l’installation de méthanisation comprend également une chaudière 20 fonctionnant à partir du biogaz issu du digesteur et dotée de moyens de chauffage 22 du digesteur et d’une vanne trois voies 23 permettant d’alimenter ou non ces moyens de chauffage. L’installation de méthanisation comprend en outre une sonde de température 15 en entrée du digesteur, un capteur du débit 14 du substrat en entrée du digesteur, un capteur du débit 16 du biogaz en sortie du digesteur. Une boucle de régulation de la température du digesteur est ménagée au moyen d’un piquage de sortie 17 et au moyen d’un piquage d’entrée 12 dans le digesteur. Cette boucle comprend les moyens de chauffage 22 alimentés par la chaudière 20. L’installation de méthanisation, qui est dans l’exemple de la figure 1 une station d’épuration, comporte en outre une unité ECU pour réguler la chaudière 20 et également pour ouvrir ou fermer une électrovanne trois voies 23 qui permet l’alimentation des moyens de chauffage 22 du digesteur par la chaudière 20. L’unité ECU est connectée aux capteurs de débit 14 et 16, à la sonde 15 de température en entrée du digesteur, et à un thermomètre pour la mesure de la température ambiante dans la station d’épuration.

Le procédé de régulation de la température du digesteur anaérobie 10 a pour finalité de déterminer la valeur cible TCibie de la température de digestion, qui permet d’obtenir le volume maximum de biogaz valorisable BGZvai0. Ce procédé est schématisé en figure 5.

Il est nécessaire dans une première étape de sélectionner au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i pour le digesteur, ces valeurs étant situées dans un intervalle défini par une valeur seuil minimale Tmin et une valeur seuil maximale Tmax.

Concernant tout d’abord la détermination de la valeur seuil minimale Tmin et de la valeur seuil maximale Tmax, il peut être procédé comme détaillé ci-après.

La valeur seuil minimale Tmin de la température de digestion est avantageusement déterminée en diminuant par paliers la température de digestion jusqu’à ce que la valeur du volume mesuré BGZprod_mes de biogaz produit passe en dessous d’une valeur seuil prédéfinie BGZpr0d_mm· En d’autres termes, la valeur seuil minimale Tmin correspond à la température minimum admissible dans le digesteur pour que la méthanisation des substrats organiques se déroule selon un minimum prédéfini par l’exploitant.

La valeur seuil Tmax est préférablement égale à la température optimale du digesteur, qui généralement est définie par les constructeurs de l’installation de méthanisation, soit aux alentours de 37°C lors que le digesteur est mésophile ou bien aux alentours de 55°C lorsque le digesteur est thermophile.

La sélection des au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, peut être effectuée de différentes manières.

Selon une première variante, on peut affecter à Tk la température mesurée dans le digesteur et calculer Tk-i et Tk+i, en retranchant et additionnant respectivement à Tk quelques degrés ΔΤ. Cette variante permet de démarrer la première étape rapidement puisqu’il suffit d’une simple mesure de la température dans le digesteur.

Selon une deuxième variante, on peut affecter à Tk-i la température minimale Tmin et calculer Tk et Tk+i, comme suit :

Tk= Tk-i + ΔΤ et Tk+i = Tk + ΔΤ.

Cette variante permet de partir d’une température relativement basse et donc de minimiser la consommation d’énergie pour chauffer le digesteur. Bien entendu, il est possible d’étendre la sélection à plus de trois valeurs de température Tk . soit par exemple Tk+i Tk+2 Tk+3, Tk+4...... Ces valeurs sont alors définies en incrémentant à chaque fois la valeur Tk de quelques degrés, soit de +ΔΤ.

Selon une troisième variante, on peut affecter à Tk+i la température maximale Tmax et calculer Tk et Tk-i, comme suit :

Tk= Tk+i - ΔΤ et Tk-i = Tk - ΔΤ.

La température maximale correspondant à la température nominale du digesteur (car optimale) cette variante permet de partir d’une température déjà enregistrée. Bien entendu, il est possible d’étendre la sélection à plus de trois valeurs de température Tk, soit par exemple Tk+i , Tk+2 , Tk+3 , Tk+4 ......Ces valeurs sont alors définies en décrémentant à chaque fois la valeur Tk de quelques degrés, soit de - ΔΤ.

Concernant maintenant la variation de température prédéfinie ΔΤ elle sera préférentiellement fixée à une valeur comprise entre 0,5 °C et 5 °C.

Une fois que la sélection des au moins trois valeurs de température Tk_i, Tk, Tk+i pour le digesteur est achevée, il convient de mettre en oeuvre une deuxième étape, qui conduit à une estimation théorique du volume BGZproci thr de biogaz produit dans le digesteur, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk_i, Tk, Tk+i. L’estimation théorique du volume BGZpr0d thr de biogaz produit dans le digesteur s’effectue à partir de modélisations utilisant un premier ensemble de paramètres Psbtr relatifs à la nature du substrat entrant dans le digesteur, un deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, et un troisième ensemble de paramètres Pdgst liés aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur, ce troisième ensemble de paramètres comprenant la valeur de la température Tk

La prévision du biogaz produit pourra être estimée à partir de bilans massiques et de la cinétique de production du biogaz déterminée par test BMP, ou détermination du potentiel méthanogène, à différentes températures, ajustée en tenant compte des données historiques du digesteur et du calcul du temps de séjour du substrat dans le digesteur. Les modélisations utilisées prendront alors en compte les risques d’inhibition dans le digesteur à partir des concentrations mesurées d’AGV par exemple et des données de la littérature concernant les concentrations inhibitrices et les constantes d’inhibition.

Une estimation plus sophistiquée pourrait se baser sur le modèle de l’IWA ADM1, qui est un modèle reconnu et utilisé, qui décrit le comportement de différentes populations de microorganismes méthanogènes en fonction des conditions environnementales par exemple température, charge, inhibiteurs, etc...

Pourront également être utilisés d’autres modèles, de type « réseau de neurones », qui se basent uniquement sur les données historiques et qui apprennent pour s’améliorer, notamment dans la phase d’initialisation, pendant laquelle la température est diminuée par paliers, mais aussi par la suite tout au long de l’exploitation du digesteur.

Dans le cadre de l’invention, l’estimation théorique du volume BGZprodthr de biogaz produit dans le digesteur met en œuvre les premier, deuxième, et troisième ensembles de paramètres qui sont respectivement définis comme suit.

Le premier ensemble de paramètres PSbtr est relatif à la nature du substrat entrant dans le digesteur. Il comprend en particulier la composition physico-chimique du substrat ainsi que le potentiel méthanogène du substrat.

Le deuxième ensemble de paramètres Pcptn relève de la conception du digesteur. Il comprend notamment les dimensions, la géométrie, les matériaux de construction, l’isolation.

Le troisième ensemble de paramètres Pdgst est lié aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur. Il comprend notamment le débit de substrat dans le digesteur, la température de digestion, la composition physico-chimique du digestat.

Bien entendu, le contenu de ces ensembles de paramètres peut varier en fonction du modèle prédictif employé pour estimer le volume BGZproci thr de biogaz produit dans le digesteur.

Une fois que le volume BGZpr0d_thr de biogaz produit dans le digesteur est estimé pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, il convient de mettre en oeuvre une deuxième étape, qui conduit à une estimation théorique du volume BGZcons_thr de biogaz consommé par la chaudière 20, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i·

Cette étape requiert le deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, un quatrième ensemble de paramètres PChdr associés à la chaudière, ainsi que la valeur de la température correspondante Tk.

Le quatrième ensemble de paramètres PChdr relève de la conception de la chaudière. Il comprend notamment le rendement de combustion et l’allure.

Une fois que le volume BGZconsjhr de biogaz consommé par la chaudière 20 est estimé pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, il convient de mettre en oeuvre une quatrième étape de calcul du volume de biogaz valorisable théorique BGZVaio thr, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i.

Le calcul du volume de biogaz valorisable théorique BGZvaio thr, s’effectue par soustraction du volume BGZCOns_thr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur au volume BGZprod thr de biogaz produit. De ce fait, on a : * (BGZyalo thr)k-l — (BGZprod_thr)k-l — (BGZCons thr)k-l * (BGZyalo thr)k — (BGZprod_thr)k — (BGZCOns thr)k * (BGZva|0 (ln)k-l — (BGZprod thr)k+l — (BGZCOI1s tlir)k+1

Selon une cinquième étape, on sélectionne la valeur de la température associée au volume de biogaz valorisable BGZvai0jhrle plus élevé. Pour ce faire, il faut identifier le volume de biogaz valorisable le plus élevé, soit : MAX [(BGZYal0_thr)k-1, (BGZval0 thr)k, (BGZvaloJhr)k+l] C’est cette température identifiée qui définit la valeur cible TCibie de la température de digestion.

Selon une sixième étape, on ajuste le fonctionnement de la chaudière avec la nouvelle valeur cible TCibie de la température de digestion. Cet ajustement est effectué par l’unité de commande ECU qui pilote l’allure de la chaudière 20 et l’ouverture de la vanne trois voies 23.

Afin de sécuriser le fonctionnement du digesteur, et notamment de ne pas lui imposer de température de fonctionnement susceptible d’altérer la santé de la biomasse, il est avantageux d’introduire des conditions à respecter pour l’attribution de la nouvelle valeur cible TCibie relative à la température de digestion.

Ainsi, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible Τς*ιβ de la température de digestion, peut n’être mise en œuvre que si la valeur du temps de séjour tsej dans le digesteur est supérieure à une valeur seuil tSej_min Ceci permet de garantir le temps de séjour nécessaire pour accomplir 80% de la méthanisation des substrats organiques entrant dans le digesteur. Par exemple dans un digesteur des boues de station d’épuration, tsej-min sera compris entre 18 jours et 20 jours selon la nature des co-substrats. Par exemple dans un digesteur d’effluents industriels, tsej-min pourra être compris entre 4 heures et 6 heures selon la composition de l’effluent à traiter.

De manière également avantageuse, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, peut n’être mise en œuvre que si la valeur cible TCibie de la température de digestion est supérieure à la valeur seuil minimale Tmin Ceci permet d’éviter de descendre à des températures trop basses qui détruiraient la biomasse.

De même, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, peut n’être mise en œuvre que si la valeur cible TCibie de la température de digestion est inférieure à la valeur seuil Tmax

Toujours avec la même finalité, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, peut n’être mise en œuvre que si le volume de biogaz valorisable BGZvai0 thr correspondant à la valeur cible TCibie est supérieur de plus de 5% au volume de biogaz mesuré BGZVaio mes·

Toujours avec la même finalité, la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible T0 de la température de digestion, peut n’être mise en œuvre si la valeur mesurée du volume BGZpr0ci mes de biogaz produit est supérieure à 75% de la valeur théorique estimée du volume BGZproci thr de biogaz produit.

Afin d’affiner l’estimation théorique du volume BGZconsjhr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur, il est intéressant de prendre en compte la température ambiante Tamb· En effet, dans certaines zones à climat continental, il est important d’inclure les conditions météorologiques, dans la mesure où Tété, la température ambiante peut se situer seulement à quelques degrés de la température d’un digesteur mésophile alors que l’hiver, elle peut s’afficher de plus de 40°C en dessous de cette température, ce qui peut engendrer des déperditions énergétiques significatives.

Concernant maintenant les résultats expérimentaux, des essais ont été réalisés dans une station d’épuration de 120000 EH ayant une capacité de digestion anaérobie de 190000 EH répartie en deux digesteurs de 3000 m3 chacun. Auparavant, les digesteurs traitaient en moyenne 0,8 kg MV/m3/j au lieu des 1,5 kg MV/m3/j prévus lors de leur dimensionnement et étaient chauffés à 37°C.

Un premier bilan énergétique a été réalisé pour calculer les besoins en chauffage, ces besoins étant dus à la température des boues entrantes plus faible que la température au sein du digesteur, et ces besoins étant dus aussi aux pertes thermiques à travers les parois du digesteur. Ces besoins sont soustraits à l’énergie produite pour déterminer l’énergie valorisable nette. Ensuite, la consigne de température de l’un des deux digesteurs a été abaissée à 25°C. Un premier bilan énergétique a été réalisé peu de temps après cette baisse, puis un deuxième au bout de trois mois, correspondant à trois temps de séjour dans le digesteur.

Les résultats sont schématisés sur la figure 2 qui compare dans la zone A correspondant à des essais réalisés en été, la quantité de biogaz produit avec la quantité de biogaz valorisable à la température initiale de 37°C, puis lorsque la température a été abaissée à 25°C et enfin après acclimatation de la biomasse méthanogène à la température de 25°C.

Comme on peut le constater, initialement, la production de biogaz (hauteur totale de l’histogramme) a diminué, mais les besoins en chauffage ayant beaucoup baissé également (partie supérieure à petits points), la quantité valorisable (partie inférieure hachurée) est restée équivalente, voire a légèrement progressé de+3%. Ensuite, la biomasse méthanogène s’est adaptée à la nouvelle température de 25°C et la production de biogaz est revenue au même niveau que précédemment. Au final la quantité de biogaz valorisable a augmenté de 24% par rapport à la situation initiale.

Dans la zone B de la figure 2, sont représentés des résultats extrapolés pour une période hivernale. Seuls changent les besoins énergétiques pour chauffer les boues entrantes qui sont à une température plus faible (10°C en moyenne contre 20°C en été) et compenser les pertes dues à une température ambiante plus froide (0°C au lieu de 25°C en moyenne). Les tendances sont exactement les mêmes avec une quantité de biogaz valorisable équivalente juste après la baisse de température, puis une augmentation de 32% après acclimatation de la biomasse méthanogène.

Dans un deuxième temps, le procédé de régulation de la température a été mis en œuvre conformément à l’invention et uniquement pour le digesteur qui a été acclimaté à 25°C, tandis que l’autre digesteur reste exploité de manière conventionnelle à 37°C. La figure 3 montre l’évolution de la température de chaque digesteur au cours de cette régulation. La courbe (1) en pointillés correspond au digesteur non piloté en température, puisque cette dernière reste constante à 37°C. La courbe (2) correspond en revanche au digesteur piloté selon le procédé de l’invention.

Au départ, les digesteurs sont sous-chargés (HRT 30 j, 25°C). Lorsque la charge augmente (HRT diminue), le bilan énergétique est toujours favorable au fonctionnement à 25°C, mais il y a un risque de déstabilisation de la biomasse méthanogène. L’équilibre biologique primant, le procédé de régulation ajuste la température pour avoir un bon compromis entre bilan énergétique et stabilité biologique (paramètres physicochimiques couramment mesurés). C’est ce qui explique les variations observées au cours du temps.

La figure 4 montre la différence de biogaz valorisable dans les deux cas. La courbe (1) en pointillés correspond au digesteur non piloté en température, puisque cette dernière reste constante à 37°C. La courbe (2) correspond en revanche au digesteur piloté selon le procédé de l’invention. Il apparaît clairement qu’en exploitant des digesteurs de manière conventionnelle, seuls 75% à 90% du biogaz sont valorisés par rapport à la solution proposée.

Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Ainsi, le procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie peut être appliqué à toute installation de méthanisation équipée d’une boucle de chauffage, quels que soient les substrats qu’elles reçoivent. Même si l’étude a porté sur des digesteurs dédiés au traitement de la boue issue des effluents urbains, le procédé de régulation peut être appliqué à des digesteurs dédiés à la co-digestion de produits liquides et pâteux, ainsi qu’aux digesteurs de solides, à partir du moment où les substrats sont identifiés et caractérisés.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie de substrats organiques d’une installation de méthanisation, l’installation de méthanisation comprenant une chaudière dotée de moyens de chauffage du digesteur à partir du biogaz issu du digesteur, caractérisé en ce qu’il comprend la détermination d’une valeur cible Tcibie de la température de digestion, au moyen au moins : - d’une première étape de sélection d’au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i du digesteur dans un intervalle défini par une valeur seuil minimale Tmin et une valeur seuil maximale Tmax, d’une deuxième étape d’estimation théorique du volume BGZprod_thr de biogaz produit, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, cette étape s’effectuant à partir : • d’un premier ensemble de paramètres PSbtr relatifs à la nature du substrat entrant dans le digesteur, • d’un deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, • d’un troisième ensemble de paramètres Pdgst liés aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur, la valeur de la température correspondante, d’une troisième étape d’estimation théorique du volume BGZcons thr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, cette étape s’effectuant à partir : • du deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur, • d’un quatrième ensemble de paramètres PChdr associés à la chaudière, • de la valeur de la température correspondante, - d’une quatrième étape de calcul du volume de biogaz valorisable théorique BGZVaio thr par soustraction du volume BGZcons thr de biogaz consommé par les moyens de chauffage du digesteur au volume BGZprodjhr de biogaz produit, et ce, pour chacune des valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, d’une cinquième étape de sélection de la valeur de la température associée au volume de biogaz valorisable BGZvai0_thr le plus élevé, ladite sélection de cette valeur optimale définissant la valeur cible TCibie de la température de digestion, - d’une sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible TCibie de la température de digestion.
2. 2. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape comprend la sélection de trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk correspondant à la température mesurée dans le digesteur et Tk_i et Tk+i, étant respectivement égales à Tk - ΔΤ et Tk + ΔΤ.
3. 3. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape comprend la sélection d’au moins trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk-i correspondant à la température minimale Tmin et Tk et Tk+i, étant respectivement égales à Tk_i + ΔΤ et Tk + ΔΤ.
4. 4. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape comprend la sélection de trois valeurs de température Tk-i, Tk, Tk+i, Tk+i correspondant à la température maximale T ma y et Tk et Tk-i, étant respectivement égales à Tk+i - ΔΤ et Tk - ΔΤ.
5. 5. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur seuil minimale Tmin de la température de digestion est déterminée en diminuant par paliers la température de digestion jusqu’à ce que la valeur du volume mesuré BGZproti mes de biogaz produit passe en dessous d’une valeur seuil prédéfinie BGZprod min.
6. 6. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur seuil Tmax est égale à la température cible d’un digesteur mésophile, soit 37°C, ou bien à la température cible d’un digesteur thermophile, soit 55°C.
7. 7. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible Tabic de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur du temps de séjour tsej dans le digesteur est supérieur à une valeur seuil tsej_mm.
8. 8. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur cible TCibie de la température de digestion est supérieure à la valeur seuil minimale Tmin.
9. 9. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière en fonction de la valeur cible TCibie de la température de digestion, est mise en œuvre si le volume de biogaz BGZyaio thr correspondant à la valeur cible TCibie est supérieur de plus de 5% au volume de biogaz mesuré BGZvai0 mes·
10. 10. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sixième étape d’ajustement du fonctionnement de la chaudière correspondant à la valeur cible To de la température de digestion, est mise en œuvre si la valeur mesurée du volume BGZprod mes de biogaz produit est supérieure à 75% de la valeur théorique estimée du volume BGZprodjhr de biogaz produit.
11. 11. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble de paramètres PSbtr relatifs à la nature du substrat entrant dans le digesteur comprend la composition physico-chimique du substrat, le potentiel méthanogène du substrat.
12. 12. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième ensemble de paramètres Pcptn relevant de la conception du digesteur comprend les dimensions, la géométrie, les matériaux de construction, l’isolation.
13. 13. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le troisième ensemble de paramètres Pdgst liés aux conditions de digestion du substrat dans le digesteur comprend le débit de substrat dans le digesteur, la température de digestion, la composition physico-chimique du digestat.
14. 14. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième étape d’estimation théorique du volume BGZCOnSjhr de biogaz consommé par la chaudière, s’effectue en outre à partir de la mesure de la température ambiante Tamb-
15. 15. Procédé de régulation de la température d’un digesteur anaérobie, selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la variation de température prédéfinie ΔΤ est fixée à une valeur comprise entre 0,5 °C et 5 °C.
16. 16. Installation de méthanisation comportant un digesteur anaérobie (10), une chaudière (20) dotée de moyens de chauffage (22) du digesteur à partir du biogaz issu du digesteur, caractérisé en ce qu’elle comprend au moins : - une sonde de température (15) en entrée du digesteur, - un capteur du débit (14) du substrat en entrée du digesteur, - un capteur du débit (16) du biogaz en sortie du digesteur, - une unité (ECU) pour réguler les moyens de chauffage (22) du digesteur selon l’une quelconque des revendications de procédé 1 à 15, ladite unité étant connectée aux capteurs de débit, à la sonde de température en entrée du digesteur, et à un thermomètre pour la mesure de la température ambiante dans la station d’épuration.