Optimiser la valorisation du CO2 issu du biogaz pour fabriquer du méthane

Le biogaz produit par méthanisation à partir de déchets agricoles contient principalement du méthane. Un autre gaz est également présent à l’intérieur : du CO2, dont la proportion varie entre 30 et 50 % en fonction de la nature de la biomasse. Actuellement, la plupart des unités en fonctionnement rejettent ce CO2 dans l’atmosphère. Dans le cadre d’un projet appelé Optimeth, le Laboratoire de Thermique Énergétique et Procédés (LaTEP) de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour développe un modèle dynamique dont le but est d’optimiser la valorisation de ce CO2 en méthane.

« Nous développons un modèle numérique pour piloter l’ensemble des paramètres qui permettent de produire du méthane à partir du CO2 issu de biogaz, explique Sabine Sochard, maître de conférences à l’ENSGTI (École nationale supérieure en génie des technologies industrielles). Il sera capable de prédire, sur une durée déterminée, toutes les variables de fonctionnement du système de manière à optimiser un critère, qui peut être par exemple être le coût de production de ce méthane, tout en imposant des contraintes, comme celle consistant à répondre à une demande en méthane pour un consommateur final. Cet outil nous permettra de procéder à du contrôle commande et à de la planification. »

Pour produire du méthane à partir du CO2, il est nécessaire de mettre en œuvre la réaction de Sabatier, qui consiste à lui ajouter de l’hydrogène. Et pour que cette opération soit totalement « verte », cet hydrogène doit être produit à partir d’une source renouvelable, en l’occurrence des panneaux solaires ou des éoliennes, qui alimentent en électricité un électrolyseur d’eau.

Les conditions météorologiques sont l’un des principaux paramètres à prendre en compte, car elles agissent à plusieurs niveaux. Tout d’abord, sur la production d’énergies renouvelables, qui est par nature intermittente. Par exemple, face à un manque d’ensoleillement et le risque de ne plus avoir suffisamment d’hydrogène, le modèle sera capable de calculer le volume optimal de stockage d’hydrogène pour que ce gaz ne vienne jamais à manquer afin de mettre en œuvre la réaction de Sabatier », ajoute Sabine Sochard.

Éviter un emballement du réacteur catalytique dans le méthaneur

Les variations météorologiques, et en particulier la température extérieure, interviennent aussi sur le méthaniseur, à l’intérieur duquel sont présentes des bactéries anaérobies chargées de produire le biogaz. Pour qu’elles se développent de manière optimale, la température de l’unité doit rester constante, souvent à des valeurs comprises entre 35 et 40 degrés. Pour la maintenir à ce niveau, le modèle numérique doit alors actionner ou non un système de chauffage de l’unité de méthanisation.

La gestion de la température est aussi une variable à prendre en considération, mais cette fois-ci à l’intérieur du méthaneur, c’est-à-dire l’enceinte où a lieu la réaction de Sabatier et qui a la particularité d’être exothermique. Pour éviter un emballement du réacteur catalytique, il est important d’ajuster le débit du fluide caloporteur qui permet de refroidir le réacteur. Cette opération sera réalisée de manière automatique par le modèle numérique. Ce dernier prendra également en compte la nature des déchets agricoles introduits dans le méthaniseur, qui conditionne la part de CO2 présente dans le biogaz.

Pour faire fonctionner ce nouvel outil, les chercheurs tentent de représenter tous les phénomènes physiques et chimiques qui interviennent au niveau de l’unité de méthanisation et celle de méthanation. Il se différencie des modèles utilisant des algorithmes d’intelligence artificielle et qui tentent de réaliser des prédictions à partir des données d’entrée. « Notre outil est ce qu’on appelle un modèle de connaissance, précise Sabine Sochard. Par exemple, pour la méthanisation, on s’appuie sur un modèle déjà existant appelé ADM1 (Anaerobic Digestion Model No. 1) et qui retrace tous les schémas réactionnels de méthanisation et leurs cinétiques. On modélise également tous les flux de chaleur échangés avec l’extérieur, ainsi que la nature des déchets agricoles qui conditionne le type de macromolécules que l’on retrouve dans le digesteur. »

Les scientifiques se sont associés avec l’Université de Turin, spécialisée dans la méthanisation, et ont testé ce modèle sur différents types de biomasse, notamment de l’ensilage de maïs. Et ils ont déjà validé le modèle dynamique du méthaneur, qui met en œuvre la réaction de Sabatier. L’enjeu principal à présent, est de coupler ces deux modèles pour parvenir à optimiser l’ensemble du processus permettant de produire du méthane à partir du CO2 issu du biogaz.