La plateforme expérimentale SOLIDIA, développée en Midi-Pyrénées, a pour objectif d'offrir la possibilité de mener des expériences à grande échelle pour les acteurs de la méthanisation par voie sèche discontinue.
La rusticité de la méthanisation par voie sèche discontinue et sa compatibilité avec des substrats secs variés, en font un procédé particulièrement adapté aux exploitations agricoles, et qui possède un fort potentiel de développement dans les années à venir (le plan « Énergie Méthanisation Autonomie Azote » fixe un objectif de 1 000 méthaniseurs à la ferme d'ici 2020).
Cependant, le nombre d’acteurs de la méthanisation proposant des solutions par voie sèche discontinue sur le territoire national est encore restreint (GreenPro, Bekon, Cofely Ineo, Erigène, Méthajade, 2-Watt, Aria Energies …) et souffre d'un manque de références. De plus ces systèmes ont été très peu étudiés par la communauté scientifique en comparaison aux systèmes par voie liquide. Leur spécificité réside dans l’hétérogénéité des matrices réactionnelles, avec un déchet statique soumis à percolation. Le travail à l’échelle de la paillasse ou du petit pilote de laboratoire permet d’aborder des mécanismes ciblés, mais ne permet pas une extrapolation aisée à l’échelle industrielle en raison des couplages phénoménologiques multiples.
La plateforme expérimentale SOLIDIA, développée en Midi-Pyrénées, a pour objectif d’offrir la possibilité de mener des expériences à grande échelle pour les acteurs de la méthanisation par voie sèche discontinue. Elle s'adresse aux bureaux d'études,
aux constructeurs, aux agriculteurs qui souhaitent réaliser des essais pour valider des hypothèses de performance ou tester des innovations technologiques.
Pourquoi une plateforme de taille semi-industrielle ?
Une échelle représentative
Les phénomènes qui régissent les performances de la digestion anaérobie par voie sèche discontinue sont multiples : biologiques, chimiques et physiques. Leur interdépendance est très forte, en particulier en raison de la percolation de liquide qui est opérée au travers du massif de déchets. Les phénomènes de transfert de matière et de chaleur induits sont d’une importance majeure pour le bon fonctionnement du système : apport de nutriments, de microorganismes, de pouvoir tampon et de chaleur par le liquide provenant de la cuve de stockage ; dissolution de composés organiques et minéraux, et lessivage d'intermédiaires réactionnels transportés vers la cuve de stockage. Or, les caractéristiques de l’écoulement liquide au travers du massif sont très fortement dépendantes de sa structure physique : porosité, capillarité, perméabilité.
Pour travailler à l’échelle du laboratoire, il est nécessaire de prendre des échantillons de taille raisonnable (quelques dizaines de litres maximum) et d’en modifier la structure physique (broyage, compaction, …) même de manière involontaire. Le risque d’obtenir des résultats non représentatifs de l’échelle industrielle est donc double : d’une part à cause de l’hétérogénéité de la composition des massifs méthanisés, d’autre part à cause de la spécificité du comportement mécanique de ces massifs. La vocation première de la plateforme SOLIDIA est ainsi d’offrir des pilotes de méthanisation permettant de mener des expériences dans des conditions réelles de manipulation, sur des gros volumes, et sans modifier les propriétés physiques des substrats étudiés.
Un outil pour l’expérimentation
Même si les quantités de substrat testées sur les digesteurs de la plateforme sont importantes (plusieurs tonnes), SOLIDIA reste un outil dédié à l’expérimentation, et non à la production. Contrairement aux démonstrateurs industriels à l’échelle une, aucun enjeu de rentabilité économique ne limite la nature et le nombre des essais mis en œuvre. D’ailleurs, les quantités de biogaz et de digestats produites sont trop faibles pour être valorisées. En conséquence, on peut élaborer un plan d’expérimentations plus complet, afin d’ajuster au mieux les paramètres de fonctionnement du procédé et d’accroître la compréhension des processus. On peut également tester de la technologie.
De la même manière, la métrologie mise en place permet un suivi précis des performances. En plus des piquages de prélèvements de liquide et de gaz prévus en différents points de l'installation, destinés à des analyses hors-ligne, un suivi en ligne de nombreux paramètres est assuré : température et pH dans le liquide au collecteur de jus de percolations en pied de massif solide et dans la cuve de stockage ; débit et composition du biogaz produit dans le digesteur solide et dans la cuve de stockage ; flux de liquide injectés dans le massif de déchets et flux de liquide écoulé introduit dans la cuve de stockage. L'évolution du potentiel analytique en ligne a été anticipée, avec un câblage mis en attente pour l'implantation de multiples sondes au cœur du massif selon les besoins de chaque étude.
Un outil pédagogique et un levier pour le développement de la filière biogaz
Les pilotes de méthanisation installés sur la plateforme, de par leur taille et leur niveau d'instrumentation, sont également destinés à être un support pédagogique pour les apprentissages en génie des procédés appliqués à la digestion anaérobie.
De plus, SOLIDIA a une vocation de démonstration pour la méthanisation par voie sèche discontinue. En offrant la possibilité de réaliser des essais sur des lots de taille conséquente, la plateforme va permettre de mieux cerner les performances que l'on peut atteindre avec un tel système, en apportant une garantie supérieure à de simples tests de potentiel méthanogène. Enfin, il s'agit d’un outil susceptible de démontrer l’aptitude de la voie sèche discontinue à valoriser des gisements variés (actuellement l’essentiel des substrats utilisés dans ce type de procédé est constitué de fumiers pailleux), et de valider des innovations technologiques permettant une optimisation du fonctionnement des installations.
Principales caractéristiques
SOLIDIA (INSA Toulouse)
CLER VERTS,
Lieu-dit « Plata Flez »
31540 Bélesta-en-Lauragais
Site d’implantation
La plateforme d’essais est accueillie sur le site de valorisation de déchets organiques de l’entreprise CLER VERTS à Bélesta-en-Lauragais à 50 km de Toulouse.
Caractéristiques générales
La plateforme est constituée de deux lignes indépendantes permettant chacune de méthaniser un massif de déchet de 12 m³ et ayant une capacité de stockage de jus de 10 m³. Il est ainsi possible de mener en parallèle des modes opératoires différents pour un même lot de déchets, ou de faire des essais sur des lots de déchets différents avec le même mode opératoire. La figure 2 présente des photographies de la plateforme (avant l’achèvement de sa réalisation).
Équipements de chaque ligne de digestion
Les deux lignes de digestion sont toutes les deux composées des éléments suivants :
— Un casier d’environ 20 m³ offrant une charge utile de 12 m³, ce qui permet de faire des essais sur des massifs de 2 à 5 tonnes de matière brute. Le casier est en béton, isolé et équipé d'un plancher chauffant et d'un maintien en température des parois externes par un circuit en serpentin. Un batardeau interne étanche et amovible permet le maintien du massif et son immersion complète le cas échéant.
— Une cuve de stockage de digestats de 10 m³, isolée, et équipée d'une boucle de recirculation interne (pompe centrifuge évoluant à 3 m³/h) assurant la chauffe au moyen d’un échangeur à plaques et le brassage du liquide à l'intérieur de la cuve.
— Une pompe péristaltique à débit variable de 20 à 100 L/h permettant la percolation depuis la cuve vers le casier.
— Une pompe péristaltique à débit fixe
(dans la gamme 20 – 100 L/h) pour l’évacuation des jus lixiviés en pied de casier vers la cuve de stockage.
Acquisition en ligne
L'analyse de la production de biogaz est réalisée de manière différenciée sur le casier et sur la cuve liquide. Les débits sont mesurés à l'aide d’un débitmètre volumique RITTER TG5 et la composition en CO₂ et CH₄ est quantifiée dans le ciel gazeux du casier et de la cuve à l'aide d’un analyseur infrarouge X-STREAM X2GP placé sur une boucle de recirculation interne. Des capteurs de pression sont également installés dans chacun des ciels gazeux. La température et le pH des jus sont mesurés en ligne au niveau du collecteur en pied de casier et à l’intérieur de la cuve.
Un PC industriel récupère en temps réel l'ensemble de ces informations, de même que l'état de chaque pompe péristaltique, à l'aide d'un logiciel de supervision développé par le CRITT GPTE de l'INSA de Toulouse. Ce logiciel offre également la possibilité d’agir sur le fonctionnement des pompes. Un système de télésurveillance (via internet par l'intermédiaire du logiciel Team Viewer) a été mis en place pour pouvoir suivre l’installation à distance et faciliter les discussions entre les différentes personnes impliquées dans les essais réalisés.
Équipements annexes
La plateforme est équipée de deux locaux modulaires :
— un vestiaire équipé de sanitaires, d'une paillasse avec évier, d'un frigo et d’un congélateur pour le stockage d’échantillons prélevés sur les pilotes ;
— un bureau dans lequel se trouvent les ordinateurs de suivi en ligne, et équipé d’un coin cuisine.
Un hangar couvert permet de stocker le matériel de manipulation des déchets, et abrite la chaudière au fioul qui alimente les circuits de chauffe des digesteurs.
Conditions d'utilisation
La plateforme SOLIDIA est propriété de l'INSA de Toulouse. Son utilisation nécessite la signature d’une convention de partenariat ou d’un contrat de prestation selon le type de projet concerné. Un comité d’administration a été mis en place et est chargé de statuer sur les demandes d'utilisation (acceptation, calendrier). Il est composé de représentants des membres fondateurs de la plateforme (LISBP, CRITT GPTE, CLER VERTS, SOLAGRO) ainsi que de l'ADEME et de la Région Midi-Pyrénées. L'implantation de la plateforme au cœur d'une région agricole, qui plus est sur le site d'une entreprise dont l’activité principale est la valorisation de matière organique (CLER VERTS), offre une grande possibilité d’approvisionnement en substrats pour la réalisation des essais (pailles, fumiers, biodéchets, déchets verts, résidus de culture, etc.). La plateforme peut de plus accueillir l'installation d'outils de prétraitement ou de post-traitement que les utilisateurs voudraient éprouver.
Une première application : projet DRYMETHA
La première utilisation des pilotes de méthanisation est faite dans le cadre du projet collaboratif DRYMETHA, en partenariat avec la société COFELY INEO. Ce projet vise à étudier les mécanismes d’écoulement des jus au travers du massif afin d’optimiser les stratégies de recirculation et améliorer les rendements du procédé de méthanisation par voie sèche discontinue. Le substrat modèle choisi est le fumier bovin. La démarche scientifique s'appuie sur le développement d’un modèle d’écoulement réactif par l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, une caractérisation physique et biochimique du substrat au Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés de l'INSA de Toulouse, et des expérimentations à grande échelle sur la plateforme SOLIDIA. Le projet se termine fin 2015.
Remerciements
La réalisation de la plateforme a été cofinancée par : l'ADEME, la Région Midi-Pyrénées, COFELY INEO, l’INSA de Toulouse. Les partenaires remercient la société CLER VERTS pour la mise à disposition du terrain.
