Comment le contrôle précis de la pression optimise les applications de biogaz ?

Vue aérienne du traitement des eaux usées de Gloversvillle-Johnstown  
Usine à Gloversville, New York
Vue aérienne du traitement des eaux usées de Gloversvillle-Johnstown
Usine à Gloversville, New York

Des tests réalisés à la station d’épuration de Gloversville-Johnstown montrent qu’en utilisant la technologie Equilibar®, un système de production d’électricité à partir de biogaz peut être régulé en douceur sur toute la  plage de charge, sans chute de pression de méthane ou perte de contrôle du régime moteur. Le contrôle précis de la décharge offre une excellente solution pour gérer la pression du gaz de méthanisation et optimiser le procédé. 

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Le biogaz : 851 installations de production d’électricité en France en 2020 !

La filière biogaz continue de progresser dans le cadre de la transition énergétique. Elle apporte de multiples bénéfices environnementaux tant dans l’optimisation de la gestion des déchets que dans la production d’énergies. 

Le biogaz est un combustible renouvelable et son utilisation dans un moteur à gaz facilite la production d’énergie sous forme d’électricité et de puissance thermique grâce aux  applications de cogénération.  

L’avenir s’oriente vers l’accélération de l’injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel. Cependant la Programmation pluriannuelle de l’Energie 2020 a reporté à 2023 la fin du soutien à l’injection d’électricité par les installations de méthanisation. Ces installations, pour atteindre un rendement optimum et rester attractives au sein des filières d’énergies renouvelables, nécessitent de fonctionner de façon optimale. C’est pourquoi le contrôle de la pression du biogaz qui aliment le moteur à l’origine de la production revêt un aspect déterminant. 

En savoir plus dans  Le Baromètre 2020 des énergies renouvelables électriques en France – P 56 à 66 publié par Observ’ER – L’Observatoire des énergies renouvelables

La méthanisation : des bénéfices environnementaux et financiers 

La méthanisation est un procédé de fermentation anaérobie. Dans ce processus biologique, les bactéries décomposent les matières organiques biodégradables en gaz. Ce biogaz est constitué de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et d’autres traces de gaz.

  • Le biogaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l’électricité.
  • La principale exigence pour la méthanisation est un environnement sans O2.
  • D’autres facteurs importants, tels que la température, le pH, l’humidité et la teneur en éléments nutritifs sont également critiques pour le succès de la méthanisation.
  • L’électricité est produite sur place par un alternateur entrainé par un moteur alternatif, une turbine à vapeur, ou turbine à gaz. Lorsqu’un moteur alternatif est utilisé, le condensat et les particules doivent être éliminés du biogaz. 

Les avantages pour la production d’énergie et la gestion des déchets : 

  • Une alternative aux combustibles fossiles, 
  • La réduction ou l’élimination de l’empreinte énergétique du traitement des déchets organiques,
  • La réduction du volume d’élimination des déchets solides organiques,
  • Le traitement et l’élimination des nuisances olfactives,
  • La création de systèmes de production d’énergie simples et fiables, 
  • La réduction des émissions de méthane,
  • La limitation de l’utilisation d’engrais chimiques grâce à la production locale d’un résidu (le digestat) qui possède un caractère fertilisant et amendant,  
  • La réduction des coûts d’exploitation, une source de revenus complémentaires

Le biogaz issu des boues de STEP, un combustible renouvelable productif

De nombreuses usines de traitement des eaux usées utilisent la méthanisation anaérobie pour traiter leurs déchets solides biologiques, en réduisant les volumes d’enfouissement et en valorisant le procédé par la production d’électricité.

Le biogaz issu des boues et graisses de stations d’épurations contient un minimum de 55% de méthane, son potentiel méthanogène est supérieur à celui des déchets animaux et presque tous les déchets végétaux.

Le biogaz est brûlé dans la chambre de combustion du moteur qui entraîne un alternateur générateur de courant électrique. Le contrôle de la pression de biogaz qui alimente le moteur thermique est crucial, en particulier parce que le débit sortant du digesteur fluctue. 

Le déverseur de précision Equilibar® a été utilisé avec succès dans une usine de biogaz. Il permet de contrôler efficacement la pression de biogaz à 276 mbar tout en faisant circuler l’excès de gaz vers le digesteur pour sa réutilisation.

La station d’épuration de Gloversville-Johnstown dans le nord de l’État de Johnstown NY sert 25 000 clients résidentiels ainsi que 30 industriels et commerces. 

Le méthane issu du digesteur anaérobie alimente deux moteurs à gaz de 350 KW Caterpillar qui entrainent des générateurs pour produire de l’électricité, utilisée pour faire fonctionner l’installation. L’usine traite 22 millions de litres d’eaux usées par jour et les digesteurs 378 000 litres de déchets.

Un régulateur basse pression de précision pour stabiliser le régime moteur

Dans la conception originale de l’installation, une soupape de décharge mécanique traditionnelle est utilisée pour contrôler la pression de méthane.

Moteur à gaz Caterpillar entraînant des générateurs pour produire de l’électricité

Cette vanne est plutôt conçue comme une sécurité plutôt qu’un dispositif de contrôle de la pression. En effet, le ressort pilotant la décharge  permet à la vanne de s’ouvrir complètement avec très peu de surpression. Une telle vanne est nécessaire pour la protection des composants du système et la sécurité du personnel de l’usine. 

Cependant, cette soupape de décharge ne se prête à une régulation précise de la pression du gaz. En conséquence, le carburant n’alimente pas les moteurs à pression constante. La stabilité de régime moteur est affectée, ce qui est une condition indésirable dans une application de générateur. 

Le schéma ci-dessous représente le système d’alimentation de biogaz vers le générateur d’origine sans le dispositifs de raffinage et de filtration du gaz.

George Bevington, Directeur d’usine, a initié la recherche d’une stratégie de contrôle de la pression de méthane. Sa démarche l’a amené à contacter Equilibar®. Bien que le régulateur de la bonne taille (2 pouces) et de la configuration requise n’était pas en stock, Equilibar a chiffré, configuré, fabriqué, assemblé et expédié la vanne de régulation souhaitée en 10 jours* ! L’installation a été terminée pendant que l’équipe d’intervention du sous-traitant était encore sur place.

*Remarque : Equilibar® n’est pas toujours capable de respecter un timing aussi serré ! System-c instrumentation peut vérifier les délais possibles. 

Les avantages de la technologie Equilibar®

Les déverseurs (BPR) fonctionnent de la même manière que les soupapes de décharge, mais l’accent est mis sur le contrôle de la pression en régime permanent et non en tout ou rien ou encore en protection contre les surpressions. 

Le déverseur Equilibar® est une conception à dôme piloté et utilise de multiples orifices en parallèle, masqués par une membrane pour mieux maintenir la stabilité de la pression

Le ressort hélicoïdal utilisé dans les conceptions traditionnelles est remplacé par un dôme qui utilise plutôt de l’air comprimé pour charger la membrane interne. L’avantage est que cette membrane souple répond instantanément aux changements de consigne et aux variations du procédé pour obtenir un contrôle précis de la pression.

Dans cette installation, un petit régulateur pilote actionné par air comprimé filtré du réseau détermine le point de consigne (non montré sur la photo). La pression contrôlée est de l’ordre de 276 mbar. Cette pression peut être ajustée pour obtenir des performances optimales du groupe électrogène. 

Vanne de régulation Equilibar BD16 - 2 ”, en acier inoxydable 316
Vanne de régulation Equilibar BD16 – 2 ”, en acier inoxydable 316 
En savoir plus sur la conception et le fonctionnement des déverseurs à dôme piloté Equilibar®

La stabilité des performances

L’installation du régulateur Equilibar® en parallèle de la soupape de sécurité permet de fournir un contrôle de pression beaucoup plus précis dans la gamme requise par les moteurs.La soupape de sûreté à action rapide n’entre en jeu que dans de rares cas de surpression au-dessus d’un nouveau point de consigne plus élevé. 

Avec la pression du système maintenant contrôlée en douceur par le régulateur Equilibar® et uniquement la fonction de surpression affecté à la soupape de décharge, l’installation de détendeurs sur chaque moteur n’est pas nécessaire. Dans ce cas, ils ont été laissés dans le système pour éviter de refaire la tuyauterie.

En aval du déverseur Equilibar et de la soupape de décharge, le biogaz est recyclé à l’aspiration de la pompe. 

Schéma de la stratégie de contrôle de la pression pour une précision accrue
Installation du déverseur BD16 dans le sytème de moteur biogaz

 » Nous avons appris que pour faire fonctionner correctement un système de compression de gaz pour des moteurs alimentés par digesteur anaérobie, un déverseur Equilibar® était ce dont nous avions besoin pour moduler précisément la pression du gaz. »

– George Bevington, Directeur d’usine

De simples optimisations

Plusieurs modifications peuvent apportées dans le cas d’une installation nouvelle, où la modernisation de la tuyauterie existante n’est pas un problème. 

  • Une mise à niveau peut se concrétiser par l’installation d’une tuyauterie d’échappement de la soupape de décharge à l’atmosphère ou une torche pour répondre aux réglementations locales en vigueur. 
  • Le détendeur sur l’entrée de gaz du moteur peut être supprimé pour simplifier l’installation.  

Avec ces deux changements, le schéma du système ressemblerait à l’illustration ci-dessous :

Schéma du système d’alimentation de biogaz optimisé vers le générateur ventilateur

La technologie Equilibar® au service de l’amélioration des procédés

Les tests à la station d’épuration de Gloversville-Johnstown ont montré que le système peut être régulé en douceur sur toute la  plage de charge, y compris avec un des deux moteurs à l’arrêt ou les deux moteurs à pleine charge  (700 KW) sans chute de pression de méthane ou perte de contrôle du régime moteur.

Le contrôle précis de la décharge offre une excellente solution pour gérer la pression du gaz de méthanisation

Les tests à la station d’épuration de Gloversville-Johnstown montrent que le système peut être régulé en douceur sur toute la  plage de charge, y compris avec un des deux moteurs à l’arrêt ou les deux moteurs à pleine charge  (700 KW), sans chute de pression de méthane ou perte de contrôle du régime moteur.

Le contrôle précis de la décharge offre une excellente solution pour gérer la pression du gaz de méthanisation

Contactez System-c instrumentation pour plus d’informations sur l’amélioration du contrôle de la pression dans vos procédés spécifiques. Nous vous conseillons et vous accompagnons pour garantir la performance de vos installations.

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