Le rôle de la mesure de débit dans la conversion du biogaz en gaz

Les Pays-Bas doivent relever un défi majeur : la transition vers une société durable. Et cela implique de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et de trouver une alternative au gaz naturel d'origine fossile provenant de la province de Groningue. Dès lors, le solaire et l'éolien vont jouer un rôle encore plus important dans la production d'électricité et dans l’électrification des infrastructures de notre société. Dans ce contexte, l'université Hanze des sciences appliquées de Groningue mène des recherches à l’aide notamment des instruments de mesure Bronkhorst.

Le rôle du biogaz dans la transition énergétique

Dans le cadre de cette transition énergétique, le « gaz vert », c'est-à-dire le biogaz revalorisé pour être utilisé dans le réseau de gaz naturel néerlandais, a un rôle essentiel à jouer, à condition toutefois qu'il y en ait en quantité suffisante. Nous avons rencontré Gert Hofstede, enseignant-chercheur à l'université Hanze des sciences appliquées de Groningue, qui s'est penché sur la question. Les instruments de mesure de débit jouent un rôle prépondérant dans la recherche sur la valorisation du biogaz.

Mélange composé principalement de méthane (CH4, 50-60 %) et de dioxyde de carbone (CO2, 40-50 %), le biogaz est produit par la fermentation (« décomposition anaérobie ») de biomasse organique telle que l'herbe fauchée sur les bords de route ou les déchets compostables. Étant produit à partir de déchets organiques, il est considéré comme une source d'énergie renouvelable, mais il contient trop de dioxyde de carbone pour une utilisation pratique, par exemple pour être injecté dans le réseau de gaz naturel. L’optimisation du biogaz au gaz vert se fait principalement par l’élimination du dioxyde de carbone présent, mais peut également se faire par la conversion de l'excès de dioxyde de carbone en méthane. Nous avons demandé à Gert de nous expliquer ce procédé.

Du biogaz au gaz vert

« Mon doctorat porte sur la décomposition de la biomasse de la manière la plus efficace possible, afin de la transformer en bioénergie. On trouve la biomasse en abondance, mais une grande partie de cette biomasse ne sert à rien. Quant à cette partie restante, je peux la transformer en bioénergie. Le biogaz est de qualité médiocre, nous voulons donc le revaloriser en gaz vert. Pour ce faire, nous avons trouvé une astuce en construisant un bioréacteur auquel nous ajoutons de l'hydrogène vert. Dans ce réacteur, des micro-organismes spécialisés convertissent le H₂ et le CO₂ en méthane (4H₂+CO₂à CH₄ +H₂O). On obtient alors une plus grande quantité de méthane (presque deux fois plus) à partir du même volume de biomasse. Bien sûr l'hydrogène « vert » est la source la plus propre, puisqu’il serait généré par électrolyse de l'eau avec de l'électricité solaire ou éolienne. Mais alors... quelle est la solution la plus pratique pour ajouter l'hydrogène au bioréacteur tout en maitrisant sa quantité injectée ? »

« La revalorisation du biogaz consiste à passer d'une teneur en méthane d’à peine 60 % à plus de 88-90 %, après quoi cette « qualité Slochteren (Groningue) » peut être injectée dans le réseau de gaz naturel. Si l'on transfère de l'hydrogène provenant directement d'une bouteille de gaz munie d'une simple vanne de réglage dans le liquide contenant les micro-organismes, on n'a aucune idée de la quantité introduite. En outre, il se dissout mal dans une eau à 40°C contenant des boues et les micro-organismes l’assimilent mal, cette solution n’est donc pas la bonne. »

Débitmètre utilisé pour l'installation de biogaz

Adjonction d'hydrogène

Gert poursuit : « Finalement, pour le réacteur de laboratoire, nous avons trouvé une solution astucieuse consistant à placer un tube de silicone dans le réacteur, puis à utiliser un régulateur de débit massique pour ajouter de l'hydrogène. Le tuyau est rempli d'hydrogène qui traverse la paroi du tuyau en laissant diffuser de fines bulles de gaz à peine visibles, et pourtant efficaces. En agitant le réacteur, les micro-organismes captent alors l'hydrogène disponible. À petite échelle, ça fonctionne très bien, cependant cela nécessiterait des kilomètres de tubes si on devait réaliser une installation plus grande. Nous sommes donc passés à l'étape suivante : le réacteur à lit fluidisé. »

« Dans ce type de réacteur, les micro-organismes sont immobilisés. Ils sont piégés sur un support poreux présentant une très grande surface, le long duquel les composants liquides ou gazeux sont transportés. Les micro-organismes que nous utilisons se composent de nombreuses espèces différentes et, en fonction du rapport entre l'hydrogène et le dioxyde de carbone, nous ne facilitons que ceux qui peuvent produire du CH4 à partir du CO2 et du H2. En théorie, il faut quatre molécules d'hydrogène pour une molécule de dioxyde de carbone afin de produire du méthane, mais en pratique, il faut un peu moins d'hydrogène, car le dioxyde de carbone est également utilisé pour la prolifération des micro-organismes. La gestion du ratio des gaz est donc un facteur primordial. »

Régulateurs de débit massique pour l'hydrogène

« Nous avons commencé avec un régulateur de débit massique étalonné selon un rapport volumique hydrogène/dioxyde de carbone de 80/20 %. Il s'est rapidement avéré qu'en procédant de la sorte, nous introduisions trop d'hydrogène, ce qui favorisait la prolifération des mauvais micro-organismes, au détriment de la production de méthane. Nous nous sommes donc dit qu’il faudrait pouvoir introduire séparément les deux gaz que sont l'hydrogène et le dioxyde de carbone, ce qui nous permettrait d’ajouter la quantité souhaitée. Nous avons donc acheté deux régulateurs de débit massique (de la série EL-FLOW Select), un pour l'hydrogène et un autre pour le dioxyde de carbone. »

Aujourd'hui, Gert utilise également un troisième régulateur de débit massique pour ajouter de l'azote. La pression partielle de l'hydrogène est ainsi réduite, ce qui semble améliorer la stabilité du procédé. À l’heure actuelle, ces expérimentations sont dans une phase de mise à l'échelle, au cours de laquelle il soumettra les réacteurs qu'il fabrique de l'échelle du laboratoire à l'échelle de démonstrateur voire à une échelle plus grande.

Plus de solutions de débit d'hydrogène

Régulateur de débit massique dans le procédé de bioréacteur

Service de Bronkhorst

Gert se montre très satisfait des performances des régulateurs de débit massique pour son application. « Je dois connaître la quantité précise d'hydrogène injectée au fil du temps. Ça me permet de calculer ce à quoi je dois m’attendre en théorie. Je dois donc être sûr de ce que je mesure. »
Il est entré en contact avec Erwin Broekman de Bronkhorst par l'intermédiaire d'un partenaire de projet. « Avec Erwin, je peux compter sur un service parfait. En cas de problème, j'obtiens toujours une réponse dans l'heure qui suit, voire parfois la solution. Une fois, il m’a même prêté un régulateur de débit massique (de la série EL-FLOW Select) en urgence, ce qui m’a permis de poursuivre mon travail. Du grand professionnalisme ! »

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